GIS在丹江口水库水源地生态环境管理中的开发与应用

一、引言

南水北调中线工程是解决我国北方地区严重缺水的关键工程，其水源地生态环境保护则直接影响甚至决定着水质和工程的效益，因此，丹江口水库水源地生态环境管理在南水北调中线工程中具有重要作用。当前，丹江口水库库区生态环境并不乐观，水土流失现象还比较严重，工业点源污染治理任务艰巨，农业面源十分普遍。为了确保南水北调中线工程的正常运行和库区生态、经济与社会的可持续发展，加强对水源地库区生态敏感区环境状况的监测和科学、信息化管理具有十分重大的现实意义和长远意义。

当前，GIS技术已日益成熟，利用3S技术实现对库区生态环境的监测、预测和管理已不存在任何技术问题。GIS已经应用于土壤侵蚀的监测、水土保持规划及水保措施的评价等许多方面。如水利部遥感技术应用中心于80年代组织全国有关部门进行土壤侵蚀调查和编制全国土壤侵蚀图，并完成了1∶250万全国水土保持信息系统；
此后，水利部水保司及有关单位又在一些重点治理区，如江西省用GIS对1982、1992、1996年底的水土流失状况进行了对比，评估治理效果；
天津水利水电勘测设计院航测遥感院在1995年开发了永定河水土保持动态监测系统，以评估水保治理成效。

因此，建立丹江口水库水源地生态环境管理信息系统不仅具有必要性，而且具有可能性。功能强大、实用性能良好的库区生态环境管理信息系统，将大幅度改善和提高水源地生态环境管理工作的效率、质量与科学决策水平。

二、丹江口库区生态环境及其保护与管理现状

丹江口库区水源区，包括汉江和丹江口两大水系，涉及豫、鄂、陕、甘、渝、川6省（市）48个县（市、区），其中河南省7815.34平方千米，涉及南阳市境内面积6361.94平方千米，其中，西峡3131.57平方公里，淅川2821.46平方千米，内乡37637平方公里，邓州市32.21平方公里。

（一）丹江口库区生态环境现状

丹江口水库是我国水质最好的大型水库之一。2004年2月，南阳市环境保护监测站监测人员在丹江口水库随机取出样品水进行了监测。结果表明，25项指标除了总氮指标达到国家地表水二类标准外，其他24项指标全部达到国家地表水环境质量一类标准。其中，铜、锌、镉、硒、砷、铬（六价）等14项指标在国家规定监测方法内未检出（也就是说完全符合国家地表水环境质量一类标准）；
PH值8、化学需氧量、高锰酸盐、溶解氧、氨粪大肠菌群，完全符合地表水环境质量一类标准。总体上达到国家地表水二类标准以上。

但是，随着库区经济社会的发展，库区生态环境正在恶化，影响水质的潜在因素正在凸现，水质稳定在二类标准，需要艰苦的努力。

1、水土流失

严重的水土流失的形成既有自然因素，更有人为因素。

根据2000年全国第三次水土流失遥感调查资料，南阳市丹江口库区及上游流域强度流失面积446.87平方千米，占总面积的7%，中度流失面积1369.7平方千米，占总面积的21.5%，轻度流失面积1552.44平方千米，占总面积的24.5%，三者合计3369.01平方千米，占总面积的53%，年平均土壤侵蚀量990万吨，平均土壤侵蚀模数2938吨/平方千米，水土流失现象比较严重。

从自然因素上看，一是地形，该地区山地和岗地面积广大，其中坡度25。以上的坡地就占到山地和岗地总面积的52％。二是成土母质，该地区的成土母质多为易风化的花岗岩、片麻岩和沙砾岩，一旦遭遇强度大的降水，极易造成土层坍塌，泥沙顺水而下，形成泥石流。三是植被，由于库区居民大规模的垦林开荒，地表裸露，提供了大量的泥砂源，同时，部分山区特别是丘陵地区植被稀疏，土壤凝固力差，极易造成水土流失。四是降水，库区处在夏季降雨的中心，每年5—9月份暴雨频繁且强度较大，为水土流失提供了动力因素。

从社会因素看，丹江口库区的森林植被遭到了不同程度的破坏，是该区水土流失最重要的社会因素。主要表现为：第一，经济建设对木材的巨大需求。当地政府因为经济建设的需要，对森林进行大规模的开发，但由于对木材的采伐缺乏计划性以及对再生林的培养缺乏更新性，使得森林资源面积越来越少。仅在西峡县，国家就设置了三个国有林场，先后采伐了2万多公顷的原始森林，而属于死保护区的林区，现在也所剩无几。第二，农业用地对森林植被的强夺。丹江口库区90％都是生活在深山的农民，当地居民人均耕地不足0.43公顷，靠这仅有的土地根本养活不了自己，又不能从农业之外的产业中找到摆脱贫困的出路，就只好把矛头转向林地，不断地伐木毁草，不断地开辟土地。这种农民收入完全来自农业的经济结构，必然导致经济—生态陷入“越穷越砍，越砍越穷，砍光了就去山上开荒”的恶性循环，使得森林面积急剧减少。除了森林植被的大面积锐减，人们在进行生产建设的过程中，肆意地开山炸石，任意地弃渣置物，都会造成库区一定程度的水土流失。

严重的水土流失，造成雨季泥沙俱下，大量的泥沙在库底淤积，使得水库的库容减少，工程效益降低。据有关资料统计：1968—1988年20年间，丹江库区淤积泥沙达12.1亿吨，已占水库库容的8％。即使按着这样的淤积速度，水库的使用期也将受到极大的影响。同时，由于泥沙携带了大量的养分、重金属等有害物质，进入库区水面，使水库水质富营养化，加剧了水体污染，这将严重影响到南水北调中线工程的安全运行。

2、水质污染

丹江口水库入库干、支流汉江、堵河、天河、浪河、淄河、神定河、泅河、官山河、剑河、老灌河等河流的沿岸城镇废水大都未经处理直接排入水库，库区已受到了汽车制造、机械加工、化工、建材、造纸、食品、采矿、制药等多行业的污染。据估计，库区城、乡和工业企业向丹江口水库年排污水量达1亿吨，加上不适当使用化肥、农药，使库区局部有富营养化发生的趋势。

据南阳市环境监测站对丹江口水库水质的多次连续监测，综合数据表明：丹江口库区总磷总氮明显超标。其中总磷浓度为0.02—0.05毫克／升，总氮浓度为1.48—1.60毫克／升，分别超过国家地表水环境质量标准IV和劣V类，达不到集中式生活饮用水源一级保护区二类水质和调水水质的要求，有明显的富营养化趋势。库区近年已检测出微量有机物达200余种，从历年库区底质检测还发现有含量极微的毒害物及重金属。由此可见，丹江口库区的生态环境开始出现退化。水体一旦富营养化，就很难治理和控制，势必影响到南水北调中线工程的调水质量，这样投入巨资的南水北调中线工程将失去其应有的意义。

水体污染的主要污染源是：

（1）工业废水污染

丹江口库区经济相对落后，工业门类不多，且多以污染大、耗水多的重工业为主，而缺乏低污染或无污染的轻工业。例如浙川县的造纸厂、化肥厂、冶炼厂，都是排放污水的大户，由于这些企业的治污技术和设备比较初级，致使大量矽废水、污水无处排放，只好顺流而下，汇人丹江，废水中的有害物质，就会造成水体的严重污染。

（2）城市生活污水污染

仅以丹江所依托的淅川县县城为例。浙川县城区人口约有8万多，年排放生活污水1314万吨，污水中含有的COD、N、P等多种有机污染物未经处理，直接进入水体，造成河道污染呈加剧趋势。

（3）农药化肥污染

现代农业的一个重要特征就是大量使用化肥、农药。丹江口水库的辐射区域都是重要的农耕区，农民在进行现代农业生产过程中，因经济利益驱使，不可避免地要使用化肥农药，未经作物吸收利用的农药、化肥，通过地表径流、地下渗透等方式，进入库区水体，从一定程度上也加剧了丹江水体的污染。

（二）丹江口库区生态环境保护与管理现状

随着南水北调中线工程的实施，丹江口库区生态环境保护越来越引起政府和企业的重视，近两年来，已经关、停了部分严重污染的企业，各项水土流失治理措施也开始进一步实施。但是，当前仍然存在着不少问题。

1、没有库区生态管理信息系统，缺乏水量、水质和生态环境综合变化趋势信息。

到目前为止，参与库区生态环境管理的各个部门和团体之间，缺乏有效的沟通，大多在独立行事，根本没有库区生态环境管理系统，大多没有任何现代化的环境监测系统，对整个库区生态环境的认识和管理具有一定的盲目性，缺少库区生态环境、水质等的综合数据，环境决策缺乏必要的信息技术支持。

2、当地居民生态意识淡漠

生态环境效益是一种开放性的公共效益。生态环境好的地区不能从中得到直接即期的回报，就会对生态环境保护持一种“事不关己，高高挂起”的逃避心理。因此，生态环保意识难以深入人心，生态环境保护也就缺乏其内在的动力。尤其是在经济落后、耕作业为主的丹江口库区，当环保意味着限制耕地、减少采伐而牺牲眼前经济利益的时候，从地方各级政府到普通的老百姓，就都没有了环保的积极性和自觉性。另外，退耕还林、还草这些直接恢复生态环境的政策虽然有着巨大的长远意义，但在短期内却解决不了水源区260万居民致富和经济发展问题。而解决不了这个问题，即使花大力气把生态环境恢复了，也还会再度破坏。

3、生态环境保护基础较差

丹江口库区目前还没有建立起完整的生态环境保护体系。毁林、开荒、围库造田、乱捕乱杀，使得生物多样性指数下降；
农药、化肥、污水的滥用乱排，使得土壤板结退化。由此可见，诸多因素综合导致库区部分区域生态环境遭到破坏，要进行生态环境保护的基础较差。

4、环境的监管和执法力度不够

丹江口库区有关部门在对排污企业的现场检查时，虽然多次监督排污单位污染防治的运行，但缺乏完整的监管体系和强有力的执法队伍，致使这些环境问题不能得到及时有效的处理，造成排污企业违法排污现象时有发生。

因此，建立库区生态环境管理信息系统具有十分重要的现实意义。

三、GIS的功能与结构

地理信息系统（Geographic Information System）简称GIS，是指各类空间数据（反映整个地球表面或深部、整体或区域之资源、环境的现势和变迁）和表达其特征的属性数据，以及这些数据在计算机中的采集、存储、管理、建模、输出的技术系统或基础平台。它是一种集地理、地质、测绘、遥感、环境、应用数学等为一体的综合性科学。

地理信息系统是采集、存贮、分析、再现空间信息的信息系统，它不仅利用属性数据，更重要的是利用空间数据。GIS通过将地理空间模型化并存储在计算机中，便于对地理信息的快速查询、空间分析，以达到对研究对象进行描述、模拟和预测的目的。相对于常规意义上的信息系统，因其能进行空间分析而更能全面、直观、动态地采集和利用信息，因此是更加完备、更加成熟、更加有用的信息系统。它具有以下功能：①具有采集、管理、分析和输出多种地学空间信息的能力，具有空间性和动态性；
②以地学研究和地学决策为目的，以地学模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合和动态预测能力，产生高层次、高质量的地学派生信息；
③由计算机支持空间数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地学分析方法或模型，作用于空间数据，产生有用信息，快速、准确地提供科学决策依据。

GIS具有多样化的信息来源，遥感、测量、地图、GPS、文字报告等都可以为GIS提供数据。能同时使用、综合分析属性数据和空间数据，具有空间查询、分析功能，相对于其他信息系统具有非常直观、形象的工作方式。根据用户的需要，可以输出文字报告、专题地图，还可以输出电子地图、多媒体信息等数字化产品。此外，GIS与遥感（RS）、全球定位系统（GPS）结合和集成，可以实时利用信息，且具有很强的信息检索和综合能力，大大缩短了管理和决策的周期。因此，GIS特别适合水环境保护方面的需要。

地理信息系统由数据、用户、软件和硬件组成，其中数据是研究的核心，用户是工作的方向和目的，软件和硬件是GIS的基础。地理信息系统作为一种基础平台，由数据输入子系统、数据（图形和属性）编辑子系统、数据库管理子系统、空间分析和查询子系统及输出子系统五大基础部分组成（图1）。

数据输入子系统：是对空间图形和特征属性数据的采集和录入，包括数字化仪跟踪、扫描矢量化、GPS输入、其它格式数据转换。数据编辑子系统：进行图形整饰、属性挂接、错误检查、误差校正、投影转换和拓朴关系的建立等。数据库管理子系统：包括图形库和属性库的管理以及与图形有关的系统库的管理。空间分析和查询子系统：是对数据的利用，通过基本的空间计算和空间分析模块进行地形分析、叠加分析、缓冲区（buffer）分析、相邻连接分析以及检索查询。输出子系统：实现图形和属性数据以及分析结果的输出与显示，包括生成图表、地图制图、数据转换。

四、丹江口库区生态环境保护与管理信息系统的设计和开发

本文利用先进的GIS技术将图形和空间属性有效地结合在一起，利用当前流行的面向对象的快速应用开发工具语言——MATLAB6.0，以MAPINFO为工作平台，开发出一套WindowsXP全汉化可视化的图形用户界面，并具有人机交互功能的丹江口库区生态环境保护与管理信息系统软件。它将传统的手工、单一、静态为主的分析技术推进到多变性、多源数据、时空相结合的综合分析技术的高度。设计出适应现场需要的、可视化的友好用户界面。

（一）系统结构组成

系统的总体构成包括输入数据、数据查询、图形显示、数值分析、多源数据库、辅助决策、评价系统等7大子系统。各子系统又分成若干功能模块，参见图2所示。

丹江口库区生态环境保护与管理信息系统应用地理信息系统方法组织和管理有关的各类数据，通过计算机多种处理建立模型、进行水质预测预报。

（二）系统开发语言

在开发过程中以MATLAB语言编制系统界面，实现有关数值的计算，完成对数值计算的前后处理，提供MATLAB软件运行所需的后台环境。而对空间信息的显示、编辑和各种空间分析功能的实现则利用MATLAB函数来调用MAPINFO所提供的有关模块来完成。必要时也可用VISUAL BASIC等语言进行编程。

MATLAB是一种面向对象的在WindowsXP平台上广泛使用的可视化编程语言。它借助对象模式，利用它可以很方便地建立应用程序的可视化界面。MATLAB具有较强的数值分析、绘图、动态分析等方面的功能。在对实现空间地理信息的显示、编辑及实现空间分析的各种功能方面也有较好的界面。

（三）系统开发环境

本系统的开发和运行是在WindowsXP可视化环境下和MAPINFO平台上进行的，在开发过程中充分利用了WindowsXP友好的图形界面，以及MAPINFO所支持的后台运行技术等其他应用程序。

（四）系统主要功能

本系统可以划分为数据输入、查询、数值分析、多源数据库管理、辅助决策、评价系统、打印输出等 7大类10多个功能模块。其主要功能是：

1、支持多种数据的采集与管理。包括地形图、各种专题图、卫星与航空等遥感数据的分析与管理、GPS数据、统计数据、影象数据等。

2、与多时相遥感数据结合，实现动态监测功能。如水土流失状况与土壤侵蚀状况、植被的覆盖度、长势、叶面积指数、植被类型等、土地利用状况变化（如居民点、工厂、农用地等）、水质污染与水体含沙量、水面面积、水量、地形地貌等。

3、制图功能。可制作各种地图和统计图。地图如植被分布、水域分布、居民点分布、工业分布、污染源分布等， 统计图如各种曲线图、饼形图、箱形图、条形图等。

4、查询功能。如定位查询：指定空间位置查询有关属性，如查询某地的土地利用现状；
选址查询：根据单一属性条件或复合属性条件查询适配区域，并把符合条件的区域显示在屏幕上；
空间方位查询：可在单一图层或跨图层查询等。

5、分析功能。如数字地形（DTM）分析：三维地形分析、坡度图、坡向图、淹没面积分析；
多图层叠加，实现信息复合分析；
区域模型分析（如回归分析、层次分析、趋势面分析等）。

6、预报、模拟与预警功能辅助决策。包括预报模拟、预警功能，曲线及图形走势分析等。

7、输出功能。如输出统计图、报表；
地图（专题图、三维地形图）；
计算机图形（电子地图、动画等）。

五、完成本项目所具备的基础

南阳师范学院旅游与环境科学系GIS专业是豫西南唯一的GIS专业，经过近些年的发展， GIS教学、科研和硬软件已具有初步规模和水平。目前，直接从事GIS教学科研的教师已达10人，其中，GIS专业本科毕业生2名，相关专业硕士毕业生5名，计算机专业本科毕业生3名。参加人员中博士1名，硕士5名。教授1名，副教授4名。硬件方面，我系GIS实验室拥有宽幅扫描仪一台，惠普AO幅面彩色喷绘打印机一台，AO幅数字化仪一台，2.4G以上微机10多台，全站仪一套，GPS定位仪器10多个。软件方面，拥有CityStar3.0、MapGIS6.0、MapInfo7.0、Arcinfo9.0各一套。GIS专业已经完成相关项目多个，如社旗县土地利用图、镇平县基本农田保护规划、新野县小康村规划、卧龙区旅游资源规划、南阳市水资源信息管理系统等。该专业近年来还发表有关GIS论文10多篇。总之，南阳师范学院GIS专业具有一定的科研实力，完成本项目具有较好的基础。

六、结论

水是21世纪的战略物资，水源地生态环境的保护与管理是水资源开发利用的基础和前提。利用先进的计算机信息管理技术，建立一个功能强大、实用性能良好的水源地生态环境管理信息系统，可以充分有效地处理和利用作为水源地管理模型所需要的各种资料（包括定量和定性资料），提高各层次信息的可视程度，并全景式地显示水资源、环境和社会经济系统特征的时空分布，以支持各种水源地管理方案的运行和及时正确地作出水源地管理的决策。本次将要开发的丹江口库区生态环境保护与管理信息系统，具有快速、准确、直观和管理科学化等优点，实现了多源数据的复合分析、多层次的模型分析和多种形式的结果输出，为水源地管理和分析研究将提供必要的数据基础，提高分析工作的科学性和深度，从而为水源地生态环境管理决策者决策方案提供了一个方便、快捷的现代化管理工具。