水源地生態環境管理論文

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一、引言

南水北調中線工程是解決我國北方地區嚴重缺水的關鍵工程，其水源地生態環境保護則直接影響甚至決定著水質和工程的效益，因此，丹江口水庫水源地生態環境管理在南水北調中線工程中具有重要作用。當前，丹江口水庫庫區生態環境并不樂觀，水土流失現象還比較嚴重，工業點源污染治理任務艱巨，農業面源十分普遍。為了確保南水北調中線工程的正常運行和庫區生態、經濟與社會的可持續發展，加強對水源地庫區生態敏感區環境狀況的監測和科學、信息化管理具有十分重大的現實意義和長遠意義。

當前，GIS技術已日益成熟，利用3S技術實現對庫區生態環境的監測、預測和管理已不存在任何技術問題。GIS已經應用于土壤侵蝕的監測、水土保持規劃及水保措施的評價等許多方面。如水利部遙感技術應用中心于80年代組織全國有關部門進行土壤侵蝕調查和編制全國土壤侵蝕圖，并完成了1∶250萬全國水土保持信息系統；此后，水利部水保司及有關單位又在一些重點治理區，如江西省用GIS對1982、1992、1996年底的水土流失狀況進行了對比，評估治理效果；天津水利水電勘測設計院航測遙感院在1995年開發了永定河水土保持動態監測系統，以評估水保治理成效。

因此，建立丹江口水庫水源地生態環境管理信息系統不僅具有必要性，而且具有可能性。功能強大、實用性能良好的庫區生態環境管理信息系統，將大幅度改善和提高水源地生態環境管理工作的效率、質量與科學決策水平。

二、丹江口庫區生態環境及其保護與管理現狀

丹江口庫區水源區，包括漢江和丹江口兩大水系，涉及豫、鄂、陜、甘、渝、川6省（市）48個縣（市、區），其中河南省7815.34平方千米，涉及南陽市境內面積6361.94平方千米，其中，西峽3131.57平方公里，淅川2821.46平方千米，內鄉37637平方公里，鄧州市32.21平方公里。

（一）丹江口庫區生態環境現狀

丹江口水庫是我國水質最好的大型水庫之一。2004年2月，南陽市環境保護監測站監測人員在丹江口水庫隨機取出樣品水進行了監測。結果表明，25項指標除了總氮指標達到國家地表水二類標準外，其他24項指標全部達到國家地表水環境質量一類標準。其中，銅、鋅、鎘、硒、砷、鉻（六價）等14項指標在國家規定監測方法內未檢出（也就是說完全符合國家地表水環境質量一類標準）；PH值8、化學需氧量、高錳酸鹽、溶解氧、氨糞大腸菌群，完全符合地表水環境質量一類標準?？傮w上達到國家地表水二類標準以上。

但是，隨著庫區經濟社會的發展，庫區生態環境正在惡化，影響水質的潛在因素正在凸現，水質穩定在二類標準，需要艱苦的努力。

1、水土流失

嚴重的水土流失的形成既有自然因素，更有人為因素。

根據2000年全國第三次水土流失遙感調查資料，南陽市丹江口庫區及上游流域強度流失面積446.87平方千米，占總面積的7%，中度流失面積1369.7平方千米，占總面積的21.5%，輕度流失面積1552.44平方千米，占總面積的24.5%，三者合計3369.01平方千米，占總面積的53%，年平均土壤侵蝕量990萬噸，平均土壤侵蝕模數2938噸/平方千米，水土流失現象比較嚴重。

從自然因素上看，一是地形，該地區山地和崗地面積廣大，其中坡度25。以上的坡地就占到山地和崗地總面積的52％。二是成土母質，該地區的成土母質多為易風化的花崗巖、片麻巖和沙礫巖，一旦遭遇強度大的降水，極易造成土層坍塌，泥沙順水而下，形成泥石流。三是植被，由于庫區居民大規模的墾林開荒，地表裸露，提供了大量的泥砂源，同時，部分山區特別是丘陵地區植被稀疏，土壤凝固力差，極易造成水土流失。四是降水，庫區處在夏季降雨的中心，每年5—9月份暴雨頻繁且強度較大，為水土流失提供了動力因素。

從社會因素看，丹江口庫區的森林植被遭到了不同程度的破壞，是該區水土流失最重要的社會因素。主要表現為：第一，經濟建設對木材的巨大需求。當地政府因為經濟建設的需要，對森林進行大規模的開發，但由于對木材的采伐缺乏計劃性以及對再生林的培養缺乏更新性，使得森林資源面積越來越少。僅在西峽縣，國家就設置了三個國有林場，先后采伐了2萬多公頃的原始森林，而屬于死保護區的林區，現在也所剩無幾。第二，農業用地對森林植被的強奪。丹江口庫區90％都是生活在深山的農民，當地居民人均耕地不足0.43公頃，靠這僅有的土地根本養活不了自己，又不能從農業之外的產業中找到擺脫貧困的出路，就只好把矛頭轉向林地，不斷地伐木毀草，不斷地開辟土地。這種農民收入完全來自農業的經濟結構，必然導致經濟—生態陷入“越窮越砍，越砍越窮，砍光了就去山上開荒”的惡性循環，使得森林面積急劇減少。除了森林植被的大面積銳減，人們在進行生產建設的過程中，肆意地開山炸石，任意地棄渣置物，都會造成庫區一定程度的水土流失。

嚴重的水土流失，造成雨季泥沙俱下，大量的泥沙在庫底淤積，使得水庫的庫容減少，工程效益降低。據有關資料統計：1968—1988年20年間，丹江庫區淤積泥沙達12.1億噸，已占水庫庫容的8％。即使按著這樣的淤積速度，水庫的使用期也將受到極大的影響。同時，由于泥沙攜帶了大量的養分、重金屬等有害物質，進入庫區水面，使水庫水質富營養化，加劇了水體污染，這將嚴重影響到南水北調中線工程的安全運行。

2、水質污染

丹江口水庫入庫干、支流漢江、堵河、天河、浪河、淄河、神定河、泅河、官山河、劍河、老灌河等河流的沿岸城鎮廢水大都未經處理直接排入水庫，庫區已受到了汽車制造、機械加工、化工、建材、造紙、食品、采礦、制藥等多行業的污染。據估計，庫區城、鄉和工業企業向丹江口水庫年排污水量達1億噸，加上不適當使用化肥、農藥，使庫區局部有富營養化發生的趨勢。

據南陽市環境監測站對丹江口水庫水質的多次連續監測，綜合數據表明：丹江口庫區總磷總氮明顯超標。其中總磷濃度為0.02—0.05毫克／升，總氮濃度為1.48—1.60毫克／升，分別超過國家地表水環境質量標準IV和劣V類，達不到集中式生活飲用水源一級保護區二類水質和調水水質的要求，有明顯的富營養化趨勢。庫區近年已檢測出微量有機物達200余種，從歷年庫區底質檢測還發現有含量極微的毒害物及重金屬。由此可見，丹江口庫區的生態環境開始出現退化。水體一旦富營養化，就很難治理和控制，勢必影響到南水北調中線工程的調水質量，這樣投入巨資的南水北調中線工程將失去其應有的意義。

水體污染的主要污染源是：

（1）工業廢水污染

丹江口庫區經濟相對落后，工業門類不多，且多以污染大、耗水多的重工業為主，而缺乏低污染或無污染的輕工業。例如浙川縣的造紙廠、化肥廠、冶煉廠，都是排放污水的大戶，由于這些企業的治污技術和設備比較初級，致使大量矽廢水、污水無處排放，只好順流而下，匯人丹江，廢水中的有害物質，就會造成水體的嚴重污染。

（2）城市生活污水污染

僅以丹江所依托的淅川縣縣城為例。浙川縣城區人口約有8萬多，年排放生活污水1314萬噸，污水中含有的COD、N、P等多種有機污染物未經處理，直接進入水體，造成河道污染呈加劇趨勢。

（3）農藥化肥污染

現代農業的一個重要特征就是大量使用化肥、農藥。丹江口水庫的輻射區域都是重要的農耕區，農民在進行現代農業生產過程中，因經濟利益驅使，不可避免地要使用化肥農藥，未經作物吸收利用的農藥、化肥，通過地表徑流、地下滲透等方式，進入庫區水體，從一定程度上也加劇了丹江水體的污染。

（二）丹江口庫區生態環境保護與管理現狀

隨著南水北調中線工程的實施，丹江口庫區生態環境保護越來越引起政府和企業的重視，近兩年來，已經關、停了部分嚴重污染的企業，各項水土流失治理措施也開始進一步實施。但是，當前仍然存在著不少問題。

1、沒有庫區生態管理信息系統，缺乏水量、水質和生態環境綜合變化趨勢信息。

到目前為止，參與庫區生態環境管理的各個部門和團體之間，缺乏有效的溝通，大多在獨立行事，根本沒有庫區生態環境管理系統，大多沒有任何現代化的環境監測系統，對整個庫區生態環境的認識和管理具有一定的盲目性，缺少庫區生態環境、水質等的綜合數據，環境決策缺乏必要的信息技術支持。

2、當地居民生態意識淡漠

生態環境效益是一種開放性的公共效益。生態環境好的地區不能從中得到直接即期的回報，就會對生態環境保護持一種“事不關己，高高掛起”的逃避心理。因此，生態環保意識難以深入人心，生態環境保護也就缺乏其內在的動力。尤其是在經濟落后、耕作業為主的丹江口庫區，當環保意味著限制耕地、減少采伐而犧牲眼前經濟利益的時候，從地方各級政府到普通的老百姓，就都沒有了環保的積極性和自覺性。另外，退耕還林、還草這些直接恢復生態環境的政策雖然有著巨大的長遠意義，但在短期內卻解決不了水源區260萬居民致富和經濟發展問題。而解決不了這個問題，即使花大力氣把生態環境恢復了，也還會再度破壞。

3、生態環境保護基礎較差

丹江口庫區目前還沒有建立起完整的生態環境保護體系。毀林、開荒、圍庫造田、亂捕亂殺，使得生物多樣性指數下降；農藥、化肥、污水的濫用亂排，使得土壤板結退化。由此可見，諸多因素綜合導致庫區部分區域生態環境遭到破壞，要進行生態環境保護的基礎較差。

4、環境的監管和執法力度不夠

丹江口庫區有關部門在對排污企業的現場檢查時，雖然多次監督排污單位污染防治的運行，但缺乏完整的監管體系和強有力的執法隊伍，致使這些環境問題不能得到及時有效的處理，造成排污企業違法排污現象時有發生。

因此，建立庫區生態環境管理信息系統具有十分重要的現實意義。

三、GIS的功能與結構

地理信息系統（GeographicInformationSystem）簡稱GIS，是指各類空間數據（反映整個地球表面或深部、整體或區域之資源、環境的現勢和變遷）和表達其特征的屬性數據，以及這些數據在計算機中的采集、存儲、管理、建模、輸出的技術系統或基礎平臺。它是一種集地理、地質、測繪、遙感、環境、應用數學等為一體的綜合性科學。

地理信息系統是采集、存貯、分析、再現空間信息的信息系統，它不僅利用屬性數據，更重要的是利用空間數據。GIS通過將地理空間模型化并存儲在計算機中，便于對地理信息的快速查詢、空間分析，以達到對研究對象進行描述、模擬和預測的目的。相對于常規意義上的信息系統，因其能進行空間分析而更能全面、直觀、動態地采集和利用信息，因此是更加完備、更加成熟、更加有用的信息系統。它具有以下功能：①具有采集、管理、分析和輸出多種地學空間信息的能力，具有空間性和動態性；②以地學研究和地學決策為目的，以地學模型方法為手段，具有區域空間分析、多要素綜合和動態預測能力，產生高層次、高質量的地學派生信息；③由計算機支持空間數據管理，并由計算機程序模擬常規的或專門的地學分析方法或模型，作用于空間數據，產生有用信息，快速、準確地提供科學決策依據。

GIS具有多樣化的信息來源，遙感、測量、地圖、GPS、文字報告等都可以為GIS提供數據。能同時使用、綜合分析屬性數據和空間數據，具有空間查詢、分析功能，相對于其他信息系統具有非常直觀、形象的工作方式。根據用戶的需要，可以輸出文字報告、專題地圖，還可以輸出電子地圖、多媒體信息等數字化產品。此外，GIS與遙感（RS）、全球定位系統（GPS）結合和集成，可以實時利用信息，且具有很強的信息檢索和綜合能力，大大縮短了管理和決策的周期。因此，GIS特別適合水環境保護方面的需要。

地理信息系統由數據、用戶、軟件和硬件組成，其中數據是研究的核心，用戶是工作的方向和目的，軟件和硬件是GIS的基礎。地理信息系統作為一種基礎平臺，由數據輸入子系統、數據（圖形和屬性）編輯子系統、數據庫管理子系統、空間分析和查詢子系統及輸出子系統五大基礎部分組成（圖1）。

圖1GIS各組成部分及其相互關系

數據輸入子系統：是對空間圖形和特征屬性數據的采集和錄入，包括數字化儀跟蹤、掃描矢量化、GPS輸入、其它格式數據轉換。數據編輯子系統：進行圖形整飾、屬性掛接、錯誤檢查、誤差校正、投影轉換和拓樸關系的建立等。數據庫管理子系統：包括圖形庫和屬性庫的管理以及與圖形有關的系統庫的管理。空間分析和查詢子系統：是對數據的利用，通過基本的空間計算和空間分析模塊進行地形分析、疊加分析、緩沖區（buffer）分析、相鄰連接分析以及檢索查詢。輸出子系統：實現圖形和屬性數據以及分析結果的輸出與顯示，包括生成圖表、地圖制圖、數據轉換。

四、丹江口庫區生態環境保護與管理信息系統的設計和開發

本文利用先進的GIS技術將圖形和空間屬性有效地結合在一起，利用當前流行的面向對象的快速應用開發工具語言——MATLAB6.0，以MAPINFO為工作平臺，開發出一套WindowsXP全漢化可視化的圖形用戶界面，并具有人機交互功能的丹江口庫區生態環境保護與管理信息系統軟件。它將傳統的手工、單一、靜態為主的分析技術推進到多變性、多源數據、時空相結合的綜合分析技術的高度。設計出適應現場需要的、可視化的友好用戶界面。

（一）系統結構組成

系統的總體構成包括輸入數據、數據查詢、圖形顯示、數值分析、多源數據庫、輔助決策、評價系統等7大子系統。各子系統又分成若干功能模塊，參見圖2所示。

丹江口庫區生態環境保護與管理信息系統應用地理信息系統方法組織和管理有關的各類數據，通過計算機多種處理建立模型、進行水質預測預報。

（二）系統開發語言

在開發過程中以MATLAB語言編制系統界面，實現有關數值的計算，完成對數值計算的前后處理，提供MATLAB軟件運行所需的后臺環境。而對空間信息的顯示、編輯和各種空間分析功能的實現則利用MATLAB函數來調用MAPINFO所提供的有關模塊來完成。必要時也可用VISUALBASIC等語言進行編程。

MATLAB是一種面向對象的在WindowsXP平臺上廣泛使用的可視化編程語言。它借助對象模式，利用它可以很方便地建立應用程序的可視化界面。MATLAB具有較強的數值分析、繪圖、動態分析等方面的功能。在對實現空間地理信息的顯示、編輯及實現空間分析的各種功能方面也有較好的界面。

圖2丹江口庫區生態環境保護與管理信息系統結構示意圖

（三）系統開發環境

本系統的開發和運行是在WindowsXP可視化環境下和MAPINFO平臺上進行的，在開發過程中充分利用了WindowsXP友好的圖形界面，以及MAPINFO所支持的后臺運行技術等其他應用程序。

（四）系統主要功能

本系統可以劃分為數據輸入、查詢、數值分析、多源數據庫管理、輔助決策、評價系統、打印輸出等7大類10多個功能模塊。其主要功能是：

1、支持多種數據的采集與管理。包括地形圖、各種專題圖、衛星與航空等遙感數據的分析與管理、GPS數據、統計數據、影象數據等。

2、與多時相遙感數據結合，實現動態監測功能。如水土流失狀況與土壤侵蝕狀況、植被的覆蓋度、長勢、葉面積指數、植被類型等、土地利用狀況變化（如居民點、工廠、農用地等）、水質污染與水體含沙量、水面面積、水量、地形地貌等。

3、制圖功能?？芍谱鞲鞣N地圖和統計圖。地圖如植被分布、水域分布、居民點分布、工業分布、污染源分布等，統計圖如各種曲線圖、餅形圖、箱形圖、條形圖等。

4、查詢功能。如定位查詢：指定空間位置查詢有關屬性，如查詢某地的土地利用現狀；選址查詢：根據單一屬性條件或復合屬性條件查詢適配區域，并把符合條件的區域顯示在屏幕上；空間方位查詢：可在單一圖層或跨圖層查詢等。

5、分析功能。如數字地形（DTM）分析：三維地形分析、坡度圖、坡向圖、淹沒面積分析；多圖層疊加，實現信息復合分析；區域模型分析（如回歸分析、層次分析、趨勢面分析等）。

6、預報、模擬與預警功能輔助決策。包括預報模擬、預警功能，曲線及圖形走勢分析等。

7、輸出功能。如輸出統計圖、報表；地圖（專題圖、三維地形圖）；計算機圖形（電子地圖、動畫等）。

五、完成本項目所具備的基礎

南陽師范學院旅游與環境科學系GIS專業是豫西南唯一的GIS專業，經過近些年的發展，GIS教學、科研和硬軟件已具有初步規模和水平。目前，直接從事GIS教學科研的教師已達10人，其中，GIS專業本科畢業生2名，相關專業碩士畢業生5名，計算機專業本科畢業生3名。參加人員中博士1名，碩士5名。教授1名，副教授4名。硬件方面，我系GIS實驗室擁有寬幅掃描儀一臺，惠普AO幅面彩色噴繪打印機一臺，AO幅數字化儀一臺，2.4G以上微機10多臺，全站儀一套，GPS定位儀器10多個。軟件方面，擁有CityStar3.0、MapGIS6.0、MapInfo7.0、Arcinfo9.0各一套。GIS專業已經完成相關項目多個，如社旗縣土地利用圖、鎮平縣基本農田保護規劃、新野縣小康村規劃、臥龍區旅游資源規劃、南陽市水資源信息管理系統等。該專業近年來還發表有關GIS論文10多篇。總之，南陽師范學院GIS專業具有一定的科研實力，完成本項目具有較好的基礎。

六、結論

水是21世紀的戰略物資，水源地生態環境的保護與管理是水資源開發利用的基礎和前提。利用先進的計算機信息管理技術，建立一個功能強大、實用性能良好的水源地生態環境管理信息系統，可以充分有效地處理和利用作為水源地管理模型所需要的各種資料（包括定量和定性資料），提高各層次信息的可視程度，并全景式地顯示水資源、環境和社會經濟系統特征的時空分布，以支持各種水源地管理方案的運行和及時正確地作出水源地管理的決策。本次將要開發的丹江口庫區生態環境保護與管理信息系統，具有快速、準確、直觀和管理科學化等優點，實現了多源數據的復合分析、多層次的模型分析和多種形式的結果輸出，為水源地管理和分析研究將提供必要的數據基礎，提高分析工作的科學性和深度，從而為水源地生態環境管理決策者決策方案提供了一個方便、快捷的現代化管理工具。