（环境工程专业论文）闽江干流福州段突发性水环境污染事故预警应急系统研究.pdf

， ；卜 t 福建师范大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eg u i d i n gi d e o l o g yi st oc r e a t ea ne m e r g e n c yw a r n i n gs y s t e mf o r s u d d e nw a t e rp o l l u t i o na d d i d e n t so ft h em a i n s t r e a mo ft h em i n j i a n gr i v e ri nf u z h o u w h i c hc o n t a i nc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n ds y s t e ms c i e n c et h e o r i e s w ef o c u so nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep o l l u t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mo ft h em i n j i a n gr i v e r t h es u b s y s t e mi n v o l v e di nt h eh y d r o d y n a m i ca n dw a t e rq u a l i t ym a t h e m a t i c a lm o d e l s ， n u m e r i c a 1c a l c u l a t i 。na n dm e s a 、 c a l c u i a n o na 1 l f i r s t ，w ee s t a b l i s ht h es t r u c t u r eo fe m e r g e n c yw a r n i n gs y s t e mf o rs u d d e nw a t e r p o l l u t i o na c c i d e n t t h e ni n t r o d u c et h ec r e a t i n gm e t h o da n dt h em a i nf u n c t i o no ft h es p a c e e n v i r o n m e n tm a n a g e m e n tb a s e do no l sp l a t f o r ma n dt h ep o l l u t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mo f t h em i n j i a n gr i v e rw h i c hi n t e g r a t e dg i s s e c o n d l y , b a s eo nt h r e e d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i c q u a l i t ym a t h e m a t i c a lm o d e l ， w eg e tt h et w o - d i m e n s i o n a ld e p t ha v e r a g e dh y d r o d y n a m i c q u a l i t ym a t h e m a t i c a lm o d e l w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n j i a n gr i v e ri nf u z h o u w eu s et h ef i n i t e e l e m e n tm e s ht os i m u l a t et h et w o d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i c q u a l i t ym a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h em i 内i a n gr i v e ri nf u z h o u t h e nw eu s et h em e a s u r e dd a t at or a t e ，v a l i d a t e t h em o d e la n da n a l y s et h es e n s i t i v i t yo ft h em o d e l f i n a l l y , w eg e tt h ei n i t i a le m e r g e n c yp l a n sb a s eo nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e m a po ft h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g ef o rt h em i n ji a n gr i v e ri nf u z h o ua n dt h em a po f p o l l u t i o nd i f f u s et r e n d sb ys i m u l a t eaf i c t i t i o u ss u d d e nw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t s k e y w o r d sm i n ji a n gr i v e r , s u d d e np o l l u t i o na c c i d e n t ，w a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t ， e m e r g e n c yw a r n i n gs y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t i i 、 ，f 蠢n毒 ；一 位j j 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 闽江作为福建人民的母亲河，流域内的经济和社会发展，在福建省经济和社会 发展中占有举足轻重的地位。近年来，由于流域内突发性污染事故时有发生，制约 着流域内的经济和社会发展。因此，建立起闽江突发性水污染事故预警应急系统显 得十分必要，具有巨大的社会、经济效益和现实意义。在此深刻背景下，2 0 0 5 年0 1 月福建省发展与改革委员会下达了重大技术装备研制和重大产业技术专项“环境监 测、预警及应急决策支持系统 。本论文研究内容为该专项的子课题，以构建闽江 干流福州段突发性水污染事故预警应急系统为总的目标，研究了闽江污染分布时空 模拟系统的构建。闽江污染分布时空模拟系统涉及了水动力、水质数学模型、数值 计算、网格划分等方面的内容。在研究中，利用掌握的闽江航道第一手资料，首次 生成了一幅完整的包含河底高程的闽江航道电子地图，同时针对闽江为感潮河流、 流向多变、河道边界复杂、地形多变等特点，第一次对闽江全河道进行了完整的有 限元网格划分，根据推导出的适合闽江特点的沿水深平均的二维水动力一水质耦合 方程，采用有限元法离散，利用已有实测资料进行参数率定、验证，并以某一虚拟 的突发性水污染事故为例来具体阐述了闽江突发性水污染事故预警应急系统的操作 流程。 本文的绪论部分，综述了突发性水环境污染事故的危害、分类、特点以及突发 性环境污染事故预警应急系统进展情况，并详细介绍了水质模拟系统的进展情况， 包括计算网格的划分、计算水力学的进展以及水质模拟研究的进展。接着提出构建 闽江突发性水污染事故预警应急系统的总体思路，并结合课题的实际情况，重点介 绍了闽江污染分布时空模拟系统构建的技术路线。 其次，建立突发性水污染事故预警应急系统体系架构。以闽江水环境特点为基 础，充分利用已有的科研成果和现有的技术手段，以系统的实用性为目标。在系统 开发建设中，通过研究闽江的环境特征和在该区域常见的突发性水污染事件的特点， 收集包括环境质量信息、危险事故隐患以及社会经济基本情况等相关的环境背景信 息，建立基于g i s 平台的环境信息空间管理系统：采用合适的数学模型等模拟手段， 建立与g i s 集成的污染分布时空模拟系统：以已初具规模的福州市环境自动监测监 控系统，采集事故现场及周边地区的环境信息，在此基础上，开发具备自动监测环 i i i 一i 一 - - t 产 簟 福建师范大学硕士学位论文 境污染事件的时间、地点、性质、危害程度、影响范围的应急监测系统，并根据灾 害应急对策知识库中的专家系统，产生预警及应急决策支持建议和对处置、处理工 作提出决策支持方案。结合课题实际进展，详细介绍了基于g i s 平台的环境信息空 间管理系统主要功能以及数据库的研制方法以及集成g i s 的闽江污染分布时空模拟 系统的数值模拟的具体步骤。 再次，将闽江航道图分幅扫描后通过m a p i n f 0 软件进行数字化，其中，扫描图 共2 3 张，对应生成2 3 个d x f 文件，在a u t o c a d 下进行拼接，生成一幅完整的闽 江航道电子地图；利用有限元网格生成工具s m s 提供的有限元网格生成器，在s m s 中读入完整的闽江航道d x f 文件，然后将专家经验和自动生成技术相结合设计生成 计算网格，并利用离散数据点插值计算节点河底高程，最终生成能真实模拟闽江复 杂地形特点的有限元网格，其中，整个闽江终生成的有限元网格( 计算单元) 数目 为4 2 9 6 个，总结点数目为1 3 1 8 4 个：最后，将有限元曲线网格应用于闽江水动力与 水质模拟。 接着，根据三维水动力一水质数学模型，推导出适合闽江特点的沿水深平均的 二维水动力一水质数学模型，对闽江沿水深平均的二维水动力一水质数学模型采用 有限元法离散并进行了成功的模拟。在水动力模拟方面，利用已有实测资料对粗糙 率进行率定、验证以及灵敏度分析。其中，粗糙率刀的率定范围为刀= o 0 2 - 刀= o 0 3 2 ，经率定取粗糙率疗= 0 0 3 ：利用文山里断面、解放大桥( 桥上) 断面、解放 大桥( 桥下) 断面、白岩潭断面的实测资料进行验证，经验证分析，其模拟的水位 与实际值十分吻合，模拟的流速也与实际过程一致：根据不同粗糙率下断面水位变 化情况进行灵敏度分析，分别耿行- - 0 0 2 4 与玎= o 0 3 时不同断面模拟水位变化情况， 经比较分析，粗糙率对模拟计算结果的影响明显，对涨潮水位的影响大于落潮水位 的影响。在水质模拟方面，由于缺乏水质监测资料，水质模型的参数采用“福建省 主要河流典型水域纳污能力研究”中的率定结果。 最后，本论文虚拟了一突发性水污染事故，来具体地描述闽江突发性水环境污 染事故预警应急系统的操作流程。首先，利用闽江环境空间信息管理系统查询敏感 目标地理位置，即福州市闽江沿岸的取水口具体位置；其次，利用已经率定的水动 力、水质参数对该事故进行了数值模拟，根据敏感目标地理位置以及模拟计算的结 果、闽江福州段取水口断面的浓度变化图、污染团的污染扩散趋势图，提出初步的 现场应急方案，为闽江突发性水污染事故应急监控指挥系统、闽江突发性水污染事 i v j 一 _ t 羹 福建师范大学硕士学位论文 故应急监测、处置智能决策系统的进一步研制提供参考。 结论部分还对闽江突发性水环境污染事故预警应急系统的研究进行了展望：力 求收集更多可靠的实测资料，对模型进一步的率定和验证，从而得到更符合实际的 模型参数：力求收集更多敏感目标、污染物“黑名单”、专家资料、历史数据及突发 性污染事故案例等，充实闽江环境空间信息管理数据库以及智能决策系统数据库： 结合g i s 技术建立面向用户的可视化的突发性水环境污染事故预警应急系统，使水质 信息从单一的表格、数据中走出来，以生动的图形、图像方式呈现给决策者、管理 人员及研究人员。 v 舞 ， _ f 一 t - 簟 福建师范大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 中文文摘一i i i 目录v i 第1 章绪论1 1 1 选题背景与意义1 1 2 突发性水环境污染事故概述2 1 2 1 突发性水环境污染事故危害2 1 2 2 突发性水污染事故的分类3 1 2 3 突发性水污染事故的特点3 1 3 突发性环境污染事故预警虑急系统进展4 1 3 1 突发性环境污染事故预警系统研究现状4 1 3 2 应急监测系统研究现状5 1 3 3 突发性环境污染事故应急指挥系统研究现状6 1 3 4 突发性水环境污染事故模拟系统研究进展7 1 4 论文的基本思路、技术路线和基本构架1 3 1 4 1 闽江突发性水污染事故预警应急系统构建的基本思路1 3 1 4 2 水污染分布时空模拟的技术路线1 3 1 4 3 论文的基本构架1 5 1 5 本文的主要：i = 作1 5 第2 章闽江突发性水污染事故预警应急系统构架1 7 2 1 闽江下游河道自然概况1 7 2 1 1 地理特性1 7 2 1 2 水文特性1 7 2 1 3 闽江水环境质量及突发性污染事故安全隐患1 8 2 2 闽江突发性水环境污染预警鹿急系统框架及研制方法1 9 2 2 1 基tg i s 平台的环境空间信息管理系统2 0 2 2 2 集成g i s 的0 1 0 江水污染分布时空模拟系统2 2 第3 章闽江二维水动力水质模型研究2 7 3 1 闽江水动力模型控制方程2 7 3 1 1 _ 二维水动力控制方程2 7 3 1 2 闽江二维水动力模型控制方程3 4 3 2 闽江水质模型基本方程3 6 3 2 1 三维水质基本模型3 6 3 2 2 闽江沿水深平均二维水质模型3 7 第4 章闽江水动力与水质模型数值模拟前处理4 1 4 1 计算网格和地形信息资料自动生成技术4 1 4 2 闽江地形信息采集4 2 4 3 闽江有限元计算网格划分及计算网格点数值化4 4 第5 章闽江二维水动力与水质模型数值离散4 7 l 奢 ， 卜 j 蠢 5 2 1 有限元法5 6 5 2 2 有限差分法5 7 第6 章模型的率定与验证6 1 6 1 模型初始条件和边界条件6 l 6 1 1 二维水动力模型6 1 6 1 2 二二维水质模型6 2 6 2 闽江二维水动力模型的率定与验证6 2 6 2 1 水动力模型的率定6 2 6 2 2 水动力模型的验证6 3 6 2 3 误筹分析6 7 6 2 4 水动力模型灵敏度分析6 7 6 2 5 流速及流场分析7 0 6 3 闽江二维水质模型的率定与验证7 2 6 3 1 水质模型的参数7 2 6 3 2 水质模型的率定7 2 第7 章突发性水环境污染事故预警应急案例7 5 7 1 闽江福州段环境空间信息7 5 7 1 1 虫j 江福州段社会信息查询7 5 7 1 2 乐果性质夯洵7 5 7 2 闽江水污染分布时空模拟7 7 7 2 1 假定条1 ；，l ：7 7 7 2 2 污染事故数值模拟结果7 7 第8 章结论与展望8 7 8 1 主要结论8 7 8 2 研究展望8 8 参考文献8 9 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果9 7 致谢9 8 个人简历9 9 福建师范大学学位论文使用授权声明1 0 0 v l l ，_ j l j l 卜 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景与意义 闽江是福建人民的母亲河，闽江流域的经济和社会发展，在福建省经济和社会 发展中占有举足轻重的地位，然而闽江的污染却大大制约着流域内的经济和社会发 展。近年来，流域内突发性污染事故时有发生，如2 0 0 0 年三明沙溪水域的特大污染， 2 0 0 4 年南平建溪的翻车入水事件，这些污染事故已逐渐成为影响闽江环境质量的重 要因素。由于重大突发性水污染事故的后果是灾难性的，影响是深远的，因此，为 了保护闽江的环境安全，预防突发性水污染事故的发生以及对已发生的水污染事故 迅速监测，进行及时、快速、准确和有效的处理处置，最大限度地减小污染程度和 范围，建立起突发性水污染事故预警应急系统是相当必要的，具有巨大的社会、经 济效益和现实意义。具体表现为以下几点： ( 1 ) 预防重大水污染事故的发生 当闽江流域出现污染事故征兆时，或发生其它事故可能造成水污染时，预警应 急系统能够很好地提供预警作用，发出警报，提前准备并采取有效措施，切断污染 源，建立起隔离带，防止水体被污染，至少把污染程度和范围降到最低点。预警应 急系统提供了高风险污染源的预测，可以指导平时的防护控制工作，加强管理，避 免事故发生。 ( 2 ) 为闽江沿岸的政府部门、环保单位提供应急决策 预警应急系统提供了多个应急数据库和事故数值模拟模型，在污染事故即将发 生或刚刚发生时，对事故进行模拟，可以大致确定污染范围、污染发展趋势，决策 者可以根据模拟的结果和其它应急资料，做出科学而有效的应急决策，果断决定应 急方案，合理安排人员和应急物资，使应急工作有条不紊地开展。 ( 3 ) 为应急响应提供技术支持 突发性水污染事故的应急响应，如应急监测、应急处理、水库调度等，都具有 很强的专业性。预警应急系统提供的事故模拟功能，可以为应急监测的断面布置、 监测指标、监测方法提供参考，也可以为应急处理和水库调度提供技术指导。系统 提供的具体应急方法和指导意见，既可以给专业人员进行作业指导，也可以给非专 业人员参考，避免鲁莽行事造成不必要的伤亡。 福建师范大学硕士学位论文 在此深刻背景下，2 0 0 5 年0 1 月福建省发展与改革委员会下达了重大技术装备研 制和重大产业技术专项“环境监测、预警及应急决策支持系统”。闽江突发性水环境 污染事故预警应急系统作为该课题的重要组成部分，主要是运用计算机技术、环境 科学和系统科学等理论，通过g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和e s ( e n v i r o n m e n t s y s t e m ) 的耦合技术，尤其是利用g i s 的空间数据管理功能和模型分析能力，将水动 力、水质数学模型、水污染状况及地理信息等集合在一起，用先进的技术手段，对 其进行综合分析、计算、评价，解决了传统的数据库结构缺乏空间性、不能实现空 间管理和空间分析的问题，使水质信息从单一的表格、数据中走出来，以生动的图 形、图像方式呈现给决策者、管理人员及研究人员。同时，利用g i s 技术建立的预警 信息图形库，实现数据和图形的交互表现，增加系统的可视性，提高分析决策能力。 1 2 突发性水环境污染事故概述 1 2 1 突发性水环境污染事故危害 突发性水污染事故不同于一般的水污染，它没有固定的排放方式和排放途径， 突然发生、来势凶猛，在瞬时或短时间内大量地排放污染物质，对水体造成严重污 染和破坏，给人民和国家财产造成重大损失的恶性污染事故。 许多重大的突发性水污染事故给生态环境及人类的生存带来了极大的灾难。如 1 9 6 9 年6 月发生在欧洲莱茵河上的轮船泄漏剧毒农药事故，造成了4 0 0 万条鱼死亡； 1 9 7 8 年3 月1 6 日，美国艾莫科凯迪斯号油轮船舵失去控制，在法国布列诺民海岸搁 浅，溢出的原油形成了一条宽3 2 3 k m ，长1 4 0 k m 的海上油带，污染了2 4 0 k m 海岸；1 9 8 6 年1 月1 日，瑞士巴富尔市桑多斯化学公司仓库起火，装有1 2 5 0 t 居u 毒农药的钢罐爆炸， 硫、磷、汞等毒物随着灭火剂进入下水道，排入莱茵河。剧毒物质形成7 0 k m 长的微 红色飘带，以4 k m h 的速度向下游流去，流经地区鱼类死亡，警报传向下游瑞士、德 国、法国、荷兰四国8 3 5 k m 沿岸城市，沿河自来水厂全部关闭。翌日，化工厂有毒 物质继续流入莱茵河，后来用塑料塞堵下水道。8 天后，塞子在水的压力下脱落，几 十吨含有汞的物质流入莱茵河。这次污染造成直接经济损失6 0 0 多万美元，使莱茵 河的生态受到了严重破坏。 在我国，每年发生的水污染事故次数过千，严重影响当地的人民生活，社会稳 定和经济发展。突发性水污染事故的主要原因有水上交通事故、企业违规或事故排 污、公路交通事放、符道破裂等。近年来发生的部分特大突发性水污染事故案例见 2 第1 章绪论 表1 1 。 表1 - i 近年来我国特大突发性水污染事故一览表 t a b l el - it h el i s to fc h i n e s es e r i o u s e s ts u d d e nw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t si nr e c e n ty e a r s 1 2 2 突发性水污染事故的分类 根据分类方法的不同，突发性水污染事故可分为不同类型。按污染物的性质可 以分为以下几种【l 】： ( 1 ) 剧毒农药和有毒有害化学物质泄漏事故，如d d t 、乐果、氰化钾等； ( 2 ) 溢油事故，如油车泄漏、油船触礁等： ( 3 ) 非正常大量排放废水事故，如化工厂废水、矿业废水等； ( 4 ) 放射性污染事故，如放射性废料渗出； 按照事故发生的水域可分为河流污染、湖泊污染、水库污染、河口污染、海洋 污染等突发性事故；按发生的范围可分为整个水域( 如整个水库) 和局部水域( 如河道 岸边) 突发性水污染事故。 1 2 3 突发性水污染事故的特点 ( 1 ) 不确定性 突发性水污染事故的不确定性表现在四个方面： 发生时间和地点的不确定性。引发突发性水污染事故的直接原因可能是企 业违规或事故排污、水上交通事故、管道破裂等造成的，这些事件发生时间和地点的 不确定性，决定了突发性水污染事故的不确定性。 事故水域性质的不确定性。水域可以分为河流、水库、湖泊、河i = 1 、海洋 和地下水等类型，还有洪水、潮汐、风浪等瞬时水文变化。 污染源的不确定性。事故释放的污染物类型、数量、危害方式和环境破坏 能力的不确定性。 福建师范人学硕士学位论文 危害的不确定性。同等规模和程度的水污染事故，造成的污染危害是千差 万别的i 如污染事故发生地点距离城市水源地很近，城市供水就会中断，其后果将 是灾难性的。 ( 2 i ) 流域性 河流具有流域属性决定了水污染事故同样具有流域性。水体被污染后呈条带 状，线路长，危害容易被放大。与该流域水体发生联系的环境因素都可能受到水体 污染的影响，如河流两侧的植被、饮用河水的动物、从河流引水的工农业水用户等， 甚至流域内地下水通过与地表水的交换也可能导致地下水污染等。 ( 3 ) 处理的艰巨性和影响的长期性 突发性水污染事故处理涉及因素较多，且事发突然，危害强度大，导致应急监 测、应急处置的难度很大。即使污染事故得到及时控制后，其对当地的环境和自然 生态也可能造成严重的破坏，甚至会对人体健康造成长期的影响，需要长期的整治 和恢复。 ( 4 ) 应急主体不明确 由于污染物随流输移，造成事故现场的不断变化，在输移扩散的过程还可能因为 各种水力因素的作用产生脱离，出现多个污染区域，这直接造成了应急主体不明确 【2 1 。特别是当污染事故发生在两个地区交界的地方，按照快速响应的原则，就近的基 层组织或企业应快速组织起来处理事故，但由于协调权力在上一级组织，经过若干 次的通报、请示、指示程序，可能已经错过最佳的处理时间。 1 3 突发性环境污染事故预警应急系统进展 突发性环境污染事故预警应急系统是对突发性环境污染事故产生的环境污染、 生念破坏进行识别，通过监测分析警源和警情变化，利用定性、定量相结合的预警 模型确定其变化趋势及速度，预先对某种长期或者突发性环境警情进行警报以达到 保证环境安全目的的系统【3j 。 1 3 1 突发性环境污染事故预警系统研究现状 为了防止环境公害事件再度发生，早期的水、大气污染预警系统逐步建立，并 在欧美各国发挥了重要作用【4 1 。近年来，利用网络、g i s 等先进的信息技术，建立 突发性环境预警应急系统保障环境安全，已成为环境保护领域的研究热点，并在洪 水、气象、地震、海啸、农! 等方面得到广泛应用【5 。为了应付突发性环境污染事 4 第l 章绪论 故，各国相继制定了应对措施。1 9 8 9 年联合国环境规划署提出了“地区级紧急事故的 意识和准备”，即“a p e l l 计划”。1 9 9 3 年美国环保局发布了“化学品事故排放风险 管理计划”。法国于1 9 9 2 年开发出一个称为“s e a n s ”的软件包，可为突发性水污染事故 提供应急决策【8 】。随着随机性和事故性污染事件控制重要性的增加，自2 0 世纪7 0 年代以来，水体预警系统也得到了广泛重视，其中莱茵河流域水污染预警系统以及 多瑙河流域水污染预警系统在区域污染的控制中都发挥了重要作用【9 】。 我国从上世纪9 0 年代中期开始对环境污染预警系统进行研究，李俊红【l o 】尝试建 立起环境预警指标体系，魏文达、董志颖【l l 】【1 2 】等对水质预警理论和江河水质预警系 统建设模式进行了探讨，冉圣宏 1 3 】等人提出了多中心多指标的区域水环境污染预警 系统，并进行了系统的阐述，王超【1 4 】构建了公路交通灾害预警系统的建设模式，李 玉轩【1 5 】等人建立起基于g i s 的城市空气污染预警管理系统，石明奎【1 6 】等人还尝试在 珠江上游农业区建立生态安全预警系统。在应用方面，我国己经在广西桂江、汉江、 黄河、长江三峡库首【1 7 】【1 8 】等建成了水质预警系统，在天津经济技术开发区【1 9 】建成了 环境预警系统。 在s a r s 肆虐以后，2 0 0 3 年5 月国家出台了突发公共卫生事件应急条例，要求 各地建立卫生应急体系，由于突发性污染事故与卫生防疫密切相关，因此突发性环 境污染预警应急系统的研究成为了热点，冯文钊【2 0 】等系统分析了突发性环境污染事 故的预警、应急监测和处理工作，给出了一种突发性环境污染事故预警、应急监测 和处理方面软件开发的新方法，潘莹【2 1 】【2 2 】等人提出了基于w e bs e r v i c e w e bg i s 的突 发性环境污染事故应急预警系统开发思想。大连市首先把环境污染事故应急纳入城 市应急体系，其它城市和地区也将陆续建立起环境污染事故预警应急系统或城市应 急系统。 1 3 2 应急监测系统研究现状 所谓应急监测，是针对突发性环境污染事故而言的。突发性环境污染事故的应 急监测要求环境监测人员在尽可能短的时同内，根据现场状况，并借助于一定的技 术手段，迅速确定污染物质的种类、性质、浓度以及扩散模式、可能污染范围等， 为环境管理部门及时、准确地处理污染事故，将污染程度控制在最小范围提供依据。 与一般的环境污染相比，突发性环境污染事故发生突然，具有意外性和不可预料性， 故监控更难，危害更强。近年来，前苏联切尔诺贝利核电厂爆炸、深圳清水河化学 品试剂仓库爆炸等事故，都对环境造成严重污染，经济损失与人员伤亡惨重，震惊 福建师范人学硕十学何论文 一时【2 引。 突发性应急监测有以下两大特点：首先是不可预见性，包括事故发生地点、时 间、污染因子等等都是不可预见的。其次是多学科性，环境科学本身是- n 边缘科 学，这也决定了监测工作的多学科性。因此，突发性应急监测是一项严肃而复杂的 工作，监测部门仅仅依靠传统的人工经验和方法，已不能很好地解决各种问题，而 必须要与地理信息系统( g i s ) 结合起来，才能适应应急监测的发展需求【2 4 1 。 8 0 年代初，发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测手段， 可在极短时间内观察、反映空气、水体污染物浓度的变化、预测预报未来的环境质 量。在突发性环境污染事件方面，应用于危险源管理、基于g i s 平台的应急监测响 应系统在近几年相继出现【2 5 1 ，主要集中在各种环境信息的收集、管理和表达上，而 全面涉及突发性环境污染事件处置与预防工作各个环节的决策支持系统的研究相 对较少，而其中又以核事故应急系统为主。 国内应急监测的研究主要集中在监测布点、监测方法和监测保障方面。监测布 点方法除了国家监测规范规定以外，金菊良【2 6 】提出用投影寻踪分类模型优化监测点 布置，张之儿【2 7 】提出基于g i s 技术的监测点布置方法。由于水质应急监测的需要， 快速简易的监测方法和自动便携监测分析仪器得到快速发展，如铜、硫化物、氰化 物、水质毒性等项目的快速测定【2 8 】【2 9 】。近几年，我国对自动水质监测系统加大了投 入，国家环保总局在全国重点江河湖库建设了8 2 个自动监测站，各地方也在重点 水域和大型排污企业排污口安装了自动监测系统。 1 3 3 突发性环境污染事故应急指挥系统研究现状 进入二十一世纪后，美国、加拿大和英国等发达国家围绕事故应急及指挥调度 系统开展了专项研究，如美国、加拿大和英国建立的事故指挥系统( i c s ) ，可用于各 类重大事故的处理：美国维吉尼亚无线通信侦探中心目前正在开展研究用于处理一 个天灾和突发事件的宽带无线网络支持系统；美国e s r i 公司早在2 0 0 1 年就推出了基 于g i s 的紧急情况响应系统；2 0 0 3 年1 2 月，欧洲建立了基于g p s 、g s m 、p m r 和其 它技术的e g e r i s ( e u r o p e a ng e n e r i ce m e r g e n c yr e s p o n s ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统， 该系统使得紧急情况服务有了实时、最新的信息，以便政府作出正确的决策来降低 和减少突发性事故或天灾的影响。 由于突发性环境污染事故涉及的因素极其复杂，而且事故一旦发生后，环境系统 内外部因素处于难以控制的迅速变化之中，并且该环境系统通常趋于恶化，所以突发 6 第l 章绪论 性环境污染事故的应急指挥管理问题是结构不良或非结构化的，很难用一定的模型 进行定理分析。把g i s 技术与e s 技术删集成的g i s e s 技术应用于突发性环境污染事 故应急指挥管理系统应是一条有效的途径【3 i 】。 1 3 4 突发性水环境污染事故模拟系统研究进展 当发生突发性水污染事故后，需要使用水质模型来描述水体的水质要素在各种 因素作用下随时间和空间的变化关系，从而预测污染物时空变化过程和危害程度。 但是，水质模型的求解过程比较困难，取决于计算网格的划分、流场计算和参数选 择三个因素。只有高质量的计算网格，准确的流场，合理的参数，才能求得高精度 的浓度场。 1 3 4 1 计算网格 水动力、水质模型是一种大型复杂的流体计算问题，一般情况下，这个问题没 有解析解，只能求助于数值解。要进行数值求解，首先要生成能真实模拟域内地形 特征的计算网格，计算网格划分的好坏与否与模拟结果的准确性直接相关。计算网 格通常采用两种形式，即有结构网格和无结构网格。下面介绍二维水动力、水质数 学模拟中常用的几种形式的计算网格。 1 、有结构网格 有结构的网格主要包括矩形网格及贴体曲线网格，后者可通过坐标变换映射成 矩形网格。有结构网格的主要优点是：节点和单元的排列有规则，在平面情形下节 点编号及节点变量可用二维数组来表示c 有结构”由此得名) ，同时，正交网格比较 适合于差分计算的要求【3 孤。 ( 1 ) 等步长矩形网格 等步长矩形网格是一种最简单的有限差分计算网格，也称为均匀网格。这种形 式的网格的特点是研究区域内所有计算网格的尺寸是相同的，即在水平面的每一个 方向( x 、y 方向) 上空间步长是一致的即所有的缸与所有的砂相同，但是缸与缈 可以不相同。等步长网格计算简便，精度容易控制，为数值计算所常用，其缺点是 为了准确灵活模拟复杂的地形边界，必须将计算网格划分的较细即空间步长较小， 这会大大增加计算工作量。闽江河道狭长，地形边界弯弯曲曲，采用这种计算网格， 一般在表示成阶梯形状的边界附近会产生虚假环流，对计算精度会有一定的影响， 为了保证基本的精度势必要将网格划分的非常细，给计算带来困难。 福建师范人学硕十学位论文 ( 2 ) 变步长矩形网格 实际的二维流场计算中，经常遇到待求变量急剧变化或空间分布不均匀的情 况，如果在计算区域内采用均匀网格解决这些问题，网格间距必定很小，而在数值 变化比较缓慢的区域内则不需要如此密的网格，因此势必造成很多计算上的浪费。 水动力模拟中，为了克服模拟复杂地形边界是采用等步长矩形网格计算工作量大的 缺点，人们提出了变步长的矩形计算网格，这样可以在地形不规则边界处使用较细 的计算网格，在规则区域处使用相对较疏的计算网格，从而减少计算工作量。但是 计算过程中要将原坐标系下的变步长网格变为新坐标系下的等步长矩形网格【3 4 】。 ( 3 ) 贴体边界曲线网格 由于有限差分法在处理复杂边界时至今仍然沿用粗糙的锯齿网格【3 5 】，以区域扩 展法【3 6 1 或隔离法【3 7 】计算求解，由此产生的问题是边界的粗放导致模拟精度的降低， 应用于三维领域其模拟效果更是欠佳；正交曲线网格系统模拟的精度良好，而且边 界处理也十分方便【3 8 】【3 9 】，故而最近得以很快发展。 贴体边界曲线网格坐标是一种可在具有任意形状的边界的区域上求解偏微分 方程的数值解的非常有效的工具，它抛却了传统的等距的均匀网格进行离散剖分， 代之以能够自动地适应所研究问题中解的特征的曲线网格。该网格坐标的适应能力 非常强，既能适应计算区域边界的形状，又能适应所求物理量的空间分布。对非常 定的系统，物理量的空间分布随时间变化，贴体边界曲线网格还能自动调整网格以 适应系统的变化，因而在弯道及不规则边界水流问题数值计算中越来越多的被采 用。 根据t h o m p s o nj f 【4 0 】【4 1 1 提出的边界拟合坐标法，去寻找一种变化关系，将物理 坐标平面上的不规则网格变为计算坐标平面上的矩形网格以进行有限差分形式的 方程离散，离散后数值计算结果再反向变换到不规则坐标平面上。 2 、无结构网格 天然水体的边界及水下地形很不规则，尽管其拟合要求不很高，通常不易生成 一个比较满意的有结构网格。近年来，计算流体动力学中越来越多地采用了无结构 网格。所+ 婀无结构网格，即山任意三角形或四边形组成的有限元网格。有限元网格 计算基于模型基本方程数值离散的有限元法原理。有限元计算网格分为两种：三角 形网格和四边形网格，四边形网格和三角形网格可以相互转换。每一个计算网格称 为一个单元，每一个计算网格上的点称为一个节点。其节点呈不规则分布，相邻节 8 第l 章绪论 点( 单元) 的数目不固定。在对计算域的拟合方面，它具有普适性。无结构网格的生 成比较简单，在要求不高的情况下，可用手工来实现，反之，可用专门的网格生成 算法和程序来自动实现。 对于沿水深平均的二维水动力及水质模型，计算时需要确定每一计算网格上每 一节点的x 、y 、z 坐标。有限元网格划分的好坏与否对计算结果的稳定性及可靠 性有很大的影响，划分有限元网格时应注意以下问题【4 2 1 1 4 3 1 。 1 ) 有限元网格的三个或四个角( 对应三角形或四边形网格) 的任一角度不小 于1 0 度； 2 ) 用凸边形而不用凹边形； 3 ) 多用四边形，少用三角形； 4 ) 计算网格的长宽比不应大于1 0 ： 5 ) 计算网格的z 坐标或河底高程值尽量位于同一平面上，以利于插值函数的逼 近： 6 ) 水流方向的纵向坡降和横向坡降尽量小； 7 1 相邻计算网格面积的变化不应超过5 0 。 有限元网格能够方便灵活地模拟不规则的地形边界，可在局部区域，如港湾、 河流的入口处，岛屿周围等处( 通常是水深及流速变化比较复杂的区域) 进行网格 加密以详细分析这些区域复杂的水动力特征。在大尺度的江河、湖泊及海湾的浅水 环流问题研究中，越来越多采用有限元计算网格模拟研究地域。 1 3 4 2 计算水力学研究进展 水动力学模型的理论起源1 9 世纪的圣维南，他通过研究建立了著名的圣维南 方程，从而奠定了非恒定水流的理论基础。本世纪初，s t e m e c k 和d e f a n t 给出了一 维潮流方程的数值解法，并且对一些狭长的海域进行了计算，取得了相当好的结果。 但真f 意义上的数学模型则是计算机诞生以后才开始的，其发展过程可大致分为三 个阶段： 第一阶段：2 0 世纪5 0 、6 0 年代，是水动力学数学模型发展的起点，曾进行了 大量基础性和探索性的研究工作，建立了许多一维数学模型，也出现了一些简单的 二维数学模型，主要研究水流运动规律。 第二阶段：2 0 世纪7 0 年代，二维模型得到深入研究和广泛应用，对三维问题 的研究也开始起步。其中，前苏联学者y a n e n k o 4 4 】和m a r e h u k l 4 5 】提出了著名的分裂 9 福建师范火学硕十学位论文 算子法，为丰富和发展水动力学模拟做出了贡献。同时，由纯粹水动力学的研究到 盐水入侵、泥沙运移和污染物扩散的探讨，大大丰富了数值模拟的研究内容，提高 了研究水平。为适应应用性研究的深入和数学模型本身发展的要求，1 9 7 2 年 g e n d e y l 4 6 1 和h e a p s 4 7 1 就试图获得速度的垂直分布，进行三维模型的研究。此后也陆 续出现了一些简单的三维模型。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代至今，作为三维发展基础的二维数学模型的研究和应 用同臻完善和成熟，积累了许多成功的经验。特别是2 0 世纪9 0 年代以后，随着计算 机技术和计算数学的不断发展，计算水力学得到了迅猛的发展，为三维数学模型的 空前发展提供了强有力的保障。 由于一维模型的模拟精度比较差，并且随着计算模拟技术的不断发展，二维模 型得到广泛的应用，国内研究的学者也比较多。胡四一和谭维炎【4 舢5 0 】等在9 0 年代年 代将f v s 、f d s 、o s h e r 、f c t 、t v d 等格式应用于一、二维浅水流中的河渠明渠流、 潮汐流场、溢流、溃坝、堰闸、漫滩和决堤流动计算中，获得了满意的结果。赵棣 华 5 1 - 5 4 】应用有限体积法及黎曼近似解建立了平面二维水流一水质模型。模型应用有 限体积法的积分离散，并利用通量坐标旋转的不变性把二维问题转化为一系列局部 的一维问题进行求解，采用通量差分裂格式计算各跨单元边界的水量、动量及污染 物输运等通量。陈祖化【5 5 】等人建立了一种在非规则结构化网格上求解平面二维浅水 流动的有限体积法，能够计算间断水流和各种复杂流态的过渡。李克锋【5 6 】等人用有 限容积法和s i m p l e 程式求解深度平均紊流数学模型来模拟分汊河段的紊流流场。华 祖林【5 7 】采用调节因子为微分表达式的p o i s s o n 方程生成正交拟合曲线网格，较好地反 映了弯曲河段实际岸线变化；计算模式引人双方程紊流模型，以对弯道产生的局部副 流进行模拟，经长江三峡工程坝址河段水流水质的实例计算，取得了较为理想的效 果。韦直林【5 8 1 、李东风、张红武5 9 】【6 0 1 等应用有限元法求解二维水沙数学模拟，开展 了典型水沙条件下河口泥沙运动规律的模拟研究，揭示了泥沙输移规律。戴会超和 魏文礼i6 1 】计入流线弯曲对水流紊动特性的影响，建立了垂向二维强紊动水流的曲率 修j 下的紊流模型，并应用于溢流坝反弧段的紊流模拟。李艳红【6 2 】则用“混合五对角法” 建立平面二维数学模型，对山区河流进行模拟，能够准确再现水位和水深平均流速。 诸裕刚6 3 1 等人在一维显式、二维隐式水动力学联网数学模型的基础上，建立了种 一维、二维全隐河网海湾水动力联网数学模型，成功用于河网、河口治理工程的数 值模拟。 l o 第1 章绪论 1 3 4 3 水质模拟研究进展 污染物进入水体后，在迁移扩散过程中受到水流、水温、物理、化学、生物、 气候等因素的影响，产生物理、化学、生物等方面的变化，从而引起污染物的稀释 和降解。水质模型是指用于描述水体的水质要素在各种因素作用下随时间和空间