（环境科学专业论文）基于gis的闽江流域水污染事故预警应急系统研究.pdf

福建师范大学硕+ 学位论文 摘要 本论文以构建闽江流域突发性水污染事故预警应急系统为总的目标，运用g i s 技术、计算机技术、环境科学和系统科学等理论，研究了闽江突发性水污染事故预 警应急系统的构建。 首先，建立了突发性水污染事故预警应急系统架构，介绍了基于g i s 平台的环 境信息管理系统、集成g i s 的闽江污染分布时空模拟系统两个模块的功能。其次， 对基于g i s 平台的环境信息管理系统的数据库进行了整体设计，并利用组件式g i s 软件m o 开发平台，结合高级编程语言v b 6 0 ，编程实现了系统的部分查询功能和空 间分析功能。最后，讨论适合闽江流域特点的水质数学模型，利用编写的水质模拟 程序，对突发性水环境污染事故进行数值模拟，可根据模拟计算的结采、提出初步 的现场应急方案。 关键词：闽江，g i s ，突发性事故，水污染事故，预警应急系统，数值模拟 福建师范大学硕士学位论文 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 c c i d e n t so ft h em i n j i a n gr i v e rw h i c hc o n t a i ng i st e c h n o l o g y , c 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 e c 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 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 m 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 e f u n c t i o no ft o wm o d u l e sw h i c ha r 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 ng i 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 , t h ed a t a b a s ef o re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n tb a s e do ng i sp l a t f o r mi so v e r a l l d e s i g n e d d u r i n g ，t h ep r o g r a m m i n gc o u r s e s ，c o m g i s m a p o b j e c t sw a sc h o s e na s s e e d e v e l o p m e n tf l a t ，v i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a f t e ral o n gt i m eo fh a r d w o r k i n g ，m o s te n q u i r ef u n c t i o n sa n ds p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n sa r ep u ti np r a c t i c e f i n a l l y , b a s eo nt h ed i s c u s s i o no ft h eh 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 lw e u s e dt h ew a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o np r o g r a mt og 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 e s i m u l a t i o nr e s u l t 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 s ：m i n j i a n gr i v e r , g i ss 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 n e n c yw a r n i n gs y s t e m ， 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，建立起闽江流域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 。本论文研究内容以构建闽江流域突发性水污 染事故预警应急系统为总的目标，研究了基于g i s 的闽江环境信息管理系统、集成 g i s 的闽江流域污染分稚时空模拟系统的构建，并借助组件式g i s 软件m o 结合v b 初步实现了系统的部分功能。 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以 及g i s 在突发性污染事故中的应用。 其次，讨论了突发性水污染事故预警应急系统体系的架构，介绍了闽江流域的 概况以及闽r r 流域突发性水污染习f 故所存在n 勺安企隐忠。通过研究闽江流域的环境 特征和在该区域常见的突发性水污染事件的特点，确定了系统的设计目标与设计原 则。然后根据系统设计目标将系统分为基于g i s 平台的闽江环境信息管理系统与集 成g i s 的衄d 江水污染分斫川寸空模拟系统两个模块，并介绍各个模块所需要实现的功 能。破确定系统的j l ：发模式刷，j l ：发上烈。 再次，通过收集包括环境质：最信息、危险事故隐忠以及社会经济基本情况等相 关的环境背景信息，研究基于g i s 平台的闽江环境信息管理系统的基础地理数据库、 j 研：境空n l j 数拟一i 、肌性数捌所：的建立以及空m 数据库与属性数掘库的链接。使用m o j j jv b 编4 ! d ，实现了系统的部分功能。 最后，初步探讨了适合闽江流突发性水污染事故的数学模型。通过v b 编写的 模拟程序对虚拟的突发性水污染事故进行了数值模拟，可根据敏感目标地理位置以 及模拟计算的结果，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故应急监测、处置智能决策系统的进一步研制提供 参考。初步探讨了g i s 在模拟结果动态显示方面的作用，并提出了模拟结果可视化 所要实现的效果；初步探讨了g i s 与模型的集成方法。 福建师范大学硕士学位论文 结论部分还对闽江流域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，从而得到更符合实际的模型参数：力求收集更 多闽江流域敏感目标、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：结合g i s 技术建立面向用户的可视化的 突发性水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。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着社会经济不断地发展，环境污染问题日益突出，突发性环境污染事故也日 渐增多。例如2 0 0 0 年三明市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。另外省外发生的一些突发性污染事故，例如2 0 0 4 年重庆市和2 0 0 5 年3 月2 9 日 京沪高速公路上发生的液氯泄漏事故，特别是2 0 0 5 年1 1 月1 3 日发生在吉林市石化 公司双苯厂爆炸而导致的苯泄漏特大污染事故，给下游的哈尔滨等城市带来了严重 的饮用水危机，也给我们敲响了警钟。这些污染事故突发性强，扩散速度快，影响 面大，危害相当大，威胁人们的生命和身体健康，给国家和人民造成重大经济损失， 造成社会不稳定，严重破坏生态环境。由此可见，突发性水环境污染事故造成的后 果是灾难性的，影n 向是深远的。 闽江是福建省第一大河流，是福建人民的母亲河，流经6 个设区市的3 6 个县 ( 市、区) ，主干流长5 5 9 公里，常年径流量为6 2 1 亿立方米，流域面积为6 1 万 平方公里，约占福建省陆域面积的一半。可见，闽江流域水环境质量的好坏，直接 影响着福建人民的身体健康问题。 因此，为了保护闽江流域的环境安全，预防突发性污染事故的发生以及对已发 生的污染事故迅速监测，进行及时、快速、准确和有效的处理处置，最大程度地减 小污染程度和范围，建立起环境污染事故预警应急系统是相当必要的，具有巨大的 社会、经济效益霹u 现实意义。 1 2 突发性水环境污染事故的特征及分类 1 2 1 突发性水环境污染事故的特征 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。其特点如下： ( 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。 福建师范大学硕士学位论文 事故水域性质的不确定性。水域可以分为河流、湖泊、水库、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。 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，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 ) 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，一次排放量也较大，发生又比较突然， 危害强度大，因此处理这类事故必须快速及时、措施得当有效。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 ) 危害 突发性污染事故在瞬时内大量泄漏、排放有毒有害物质，如果事先没有采取防 范措施，在很短的时间内往往难以控制，因此其破坏性极强，不仅会打乱一定区域 内的正常生活、生产秩序，还会造成人员伤亡、国家财产的巨大损失和生态环境的 严重破坏。 ( 5 ) 应急主休不叨确 由于污染物随流输移，造成书故现场的不断变化，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 【。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 2 2 突发性水环境污染事故的分类 根据分类方法的不同，突发性水环境污染事故可分为不同类型。按污染物的性 第1 章绪论 质可以分为以下几种【2 】： ( 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。 按事故发生的水域可分为河流污染、湖泊污染、水库污染、地下水污染、海洋 污染等突发性事故。 按事故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 3 预警应急系统研究进展 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、 生态破坏进行识别，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【”。 1 3 1 突发性环境污染事故预警系统研究进展 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 】。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、农业等方面得到广泛应用【5 。】。为了应付突发性环境污染事故， 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【引。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 1 。 我幽从上l u + 乡0 , 9 0 年4 - t ：。p 期，i ：始刈叫：境污染预警系统进行研究，李俊纠1 0 1 尝试建 立起环境预警指标体系，魏文达、董志颖】【1 2 1 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 1 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 l 等人还尝试在 福建师范大学硕十学位论文 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 1 等建成了水质预警系统，在天津经济技术开发区建成了 环境预警系统j 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 应急监测系统研究进展 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 一时【2 3 】。 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，环境科学本身是一门边缘科 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 】。 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， 可在极短订寸问内观察、反映空气、水体污染物浓度的变化、预测预报未来的环境质 景。在突发性环境污染事件方而，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 第1 章绪论 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，张之凡【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 1 。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进展 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 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【3 0 】集成的g i s e s 技术应用于突发性环境污染事 敞席急指挥僻理系统应足一条彳了效的途径】。 1 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 4 1 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 福建师范大学硕+ 学位论文 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 n 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。 但真正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 0i 业纪5 0 、6 0 年代，足水动力学数学模型发展的起点，曾进行了 大监 i 蛳呲l ：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 3 2 1 和m a r c h u k 3 3 1 提出了著名的分裂 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 3 4 1 和h e a p s 【3 5 】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 用日臻完善和成熟，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i 竹发展捉供了强有力的保障。 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 3 6 - 3 8 】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 3 9 - 4 2 】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 限体积法的积分离敞，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。陈祖华( 4 3 】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【4 4 j 等人用有 限容积法和s 蹦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【4 5 】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 第1 章绪论 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【4 6 1 、李东风、张红武【4 7 】【4 8 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 和魏义礼1 4 9 l 汁入流线弯曲刈水流索动特性的影响，建立了垂向二维强紊动水流的曲 牢修币n ，j 紊流模型，岁f ：应用于溢流坝反弧段的紊流模拟。李艳红【5 0 j 贝, t j 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。诸裕良【6 3 】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 一种一维、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。 1 4 2 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的 变化关系的数学模型。建立水质模型的目的是为了把各种因素之间的定量关系确定 下来，这是一个十分困难的过程，但人们对污染物时空变化过程和危害程度都有赖 于水质模型，因此在实际的建立和应用过程中，根据实际情况对不同因素的影响进 行简化，甚至忽略。水质模型的求解过程取决于模型选择、流场计算和参数选择三 个因素。只有合适的水质模型，准确的流场，合理的参数，才能求得高精度的浓度 场。 最早发展的水质模型是简单的氧平衡模型，1 9 2 5 年，由s t r e e t e r 和p h e l p s 提出 了氧平衡模型的最初形式，即s t r e e t e r - p h e l p s 水质模型( 简称s p 模型) 。然而，在此 后的2 0 年间，由于研究手段的限制等原因，水质模型研究并未在s p 模型基础上有 太大进展。直到2 0 世纪5 0 ，6 0 年代，随着人们对环境保护和污染控制认识的加深， 特别是计算机技术的迅速发展，水质模型的研究才得以较大地进展。其发展大致可 以分为以下五个阶段： 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代，水质模型发展仅限于对s p 模型的改进。初期的改 进比较简单，一般为只考虑生化需氧量b o d 及溶解氧d o 耦合的双线性系统模型。 如c a m p s 模型、d o b b i n s 副】模型等。对河流和河口问题采用一维的计算方法。 第二阶段：2 0 世纪6 0 年代末期，随计算机的应用和对生物化学耗氧过程认识 的深入，模型中考虑的因素越来越多，如b o d ，d o 、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和 祸建师范大学硕士学位论文 硝酸赫氮等，模型结构为多线性系统，空间维数为一维和二维，如o c o n n e r t 5 2 】模型 等。与此同时，一些随机水质模型开始出现，如l o u c k s l y n n 模型【5 3 1 、t h o m a n n 模 型5 4 1 ，t h a y e k r u t c h o t t 5 5 1 模型等。实质上，上述模型都可归类为氧平衡模型，有机物 降解耗氧和大气复氧的动态平衡关系是其主要的理论依据。其中以o c o n n e r 和 d b o b b i n s 模型最为重要，它们在s p 模型基础上增加了氮化物和底泥的作用，无论 是模型参数形式还是求解技术方面都较以往有较大改进。1 9 7 8 年g r e e n e y 在此工作 基础上研制出了美国环保局推荐使用的q u a l - i i 河流有机污染综合水质模型，这是 一种较为复杂的非线性氧平衡生态模型。目前，该模型己被广泛地用于河流水质预 测和水质规划篱理工作中。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代，兴起了形态模型，即一种能反映污染物和不同存在 状态和化学形态下水环境行为的模型。f o r s t h e r 在研究重金属污染物的形态模型时， 针对溶解态和悬浮态，把某一重金属分为7 种化学形态。l a w r e n c e 等研究形态模型 时，把一般有机物看作是两性电介质，首先分为溶解态、吸附态和生物结合态三种 存在状态，对每一状态又分为5 种不同的化学形态，分别模拟预测出不同状态下各 种形态的污染浓度分布情况。形态模型是更为复杂的生态模型，目前还很不成熟， 有待进一步研究和发展。 第四阶段：2 0 世纪8 0 年代后期，随着对水环境变化复杂性认识的深入，各相关 学科相互渗透、相互激励，水环境数学模型的研究进入到多介质环境综合生态系统 模型。模型内部结构为多种相互作用的非线性系统，空间维数己发展到三维，该模 型认为污染物排放到自然环境后，将通过各种途径在环境各介质中传播、演变和分 配，对环境的影响与它们在各种环境单元中的浓度水平和停留时间密切相关。模型 中的状态变量大大增加，有的已达几十个。多介质水环境综合生态模型，实质上是 从系统理论角度来研究污染物在环境中从宏观到微观的综合效应。自从1 9 8 5 年 c o h e n 提出该模型以来，这方面的工作己有很大进展，但主要集中在理论模型的探 讨方面，如各种界面过程的构建、参数估计方法及模型灵敏度分析等。m a c k a y 等【5 6 5 9 】 还将逸度概念引入多介质环境模型，提出了逸度模型。该模型用逸度代替浓度，它 以热力学原理为基础，通过一定温度下唯一的逸度容量和与化学势相联系的逸度来 讣竹徘4 ：i l j 化! 、物质的浓，逻，使许多参数可以越过热力学计算方法获得，从而竹去了 y l ：彩参数l i ，j 典舱洲定1 ：作。 笫f i 阶段：9 0 l d e 以水，随右计算机坎术的发j 越和环境水力学符利一j ! ! i ! 沦的成熟， 第1 章绪论 尤其是随着r s 、g p s 以及g i s 这3 个被称为“3 s ”技术的发展以及它们在水质模型研究 中的应用【6 0 】，专家们可以做到实时、动态地应用模型分析和解决水环境问题，使得 水质模型将在环境管理、决策中发挥更有效的作用。 在我国，水质模型的研究起步较晚，但在学习、吸收国际先进经验的基础上发 展较快。近年来，在有机污染物水质模型理化参数测定和计算、水环境有机污染非 确定性分析和水动力学与水质变化耦合求解方面都有较大的发展。 1 5g i s 在突发性污染事故应急预警系统应用的研究 1 5 1g i s 的基本概念 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 技术是2 0 世纪6 0 年代开始 迅速发展的一门新兴边缘学科。g i s 技术集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环 境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学于一体，已成为自然环境资源 和环境规划方面广泛使用的现代化信息手段。 地理信息系统( g i s ) 是采集、存储、管理、检索、分析和描述整个或部分地球表 面与空间地理分布数据的空间信息系统。它是一种能把图形管理系统和数据管理系 统有机地结合起来的信息技术，既管理对象的位置又管理对象的其它属性，而且位 置和其它属性是自动关联的。它最基本的功能是将分散收集到的各种空间、非空间 信息输入到汁算机，i l 处立起有棚互联系的数捌库。当外界悄况发生变化时，只要 更改局部的数据，就可维持数掘库的有效性和现实性。g i s 是一种空f n j 数据库管理 系统，是一个动态系统，所以不能简单地把它和地图数据库混为一谈。目前，g i s 带动的产业急剧膨胀，己经深入到环境保护、市政工程、企业决策、资源管理、交 通运输、医疗保键、邮电通信、公安急救、市场销售、金融保险、石油化工、水利 r 乜力、旅游、科研、教育等各个方而。 1 5 2g i s 的特点 地理信息系统( g i s ) 是在计算机软、硬件环境支持下，对地球表面以及空间和 地理分布有关数据进行采集、存储、管理、描述、分析显示的系统，与一般的管理 信息系统相比，地理信息系统有以下特点： ( 1 ) 强大的空间数据管理系统。现实世界实体经过模型处理后以各种数据形 式输入到系统中，系统有机地组织、管理、显示这些数据； ( 2 ) 形象直观的应用界面。系统用模型化的电子地图和用户交互，使用者可 依靠人类固有的对自然界的认知逻辑操作数据： 福建师范火学硕+ 学位论文 ( 3 ) 强大的空间处理能力。数据是空间对象的一种属性，并可通过地理对象 的相关性进行连接、分割、总计等操作，使空间问题的处理简单迅速。 1 5 3g i s 的应用前景 山于g i s 足用来管理、分析空问数据的信息系统，所以几乎所有使用空问数据 和空间信息的部门都可以应用g i s 。目前，g i s 系统已经被应用到环境模型建立、 城市规划与管理、社会经济统计与分析、土地管理、地理测绘与管理、交通与管道 管理等与空间信息密切相关的各个方面。g i s 的主要应用领域有： ( 1 ) 城市基础设施管理 城市基础设施主要是指城市地下管道( 包括自来水管道、污水排放管道、煤气管 道等) 、城市供电网、通信网络、邮政网点、道路与交通设施等。由于这些设施同时 具有与几何和空间位置相关的特性，建立基于g i s 系统的信息系统能够提高对这些 设施的管理水平，同时还能够极大地提高设计与施工、设备维护与故障排除、线路 改造等方面的效率，从而产生巨大的经济效益和社会效益。 ( 2 ) 环境保护与管理 主要用g i s 系统建立环境模型和环境信息系统，对环境的变化及发展趋势进行 预报分析，同时通过统计分析及模拟研究为环境保护提供决策依据。此外，g i s 系 统技术也被用来建立柿物种类与栖息地及环境因素有关的信息系统。 ( 3 ) 社会调查与统计分析 g i s 系统在国外己被广泛应用于人口学、选举，人文地理等方而，我国也歹| ：始 歼展这方面的研究和应用上作。 ( 4 ) 土地信息系统的建立 g i s 系统域。甲足从土地信息系统l i s 建立过程r i - 1 发展起来的，而大量高质量g i s 系统软什- 、l f r 的j 砚义促进了- i ：j 也信息系统i 内建女：。h1 1 i f i g 于o l s 系统软4 , 1 - 5 f 台的 上地信。心系统，无沦灶图形处理、空i l l j 分析与统i ：i 、属性信息存储与查咖、统计报 表生成、决策支持等方面都比早期的土地信息系统有较大的改进。 1 5 4g i s 在突发性污染事故预警应急系统应用的研究。 将g i s 披术应川+ j ：突发性j 1 i 境r 染习f i 收也急处删! 能够j 比生，地满足小i i l 5 ( 应急处 理的要求，提高突发性环境污染事故应急处理的科学性、合理性和智能化程度。其 优越性具体体现为：g i s 可以利用其强大的空问信息管理功能，建立各类有毒、有 害、易燃、易爆物质的理化特r e 数据库，有关自然、经济、社会、生态环境数据库 第1 章绪论 和图形库及模型库，实现对空间数据进行有效管理、分析和计算，并将空间数据以 直观、形象的图形化方式输出或显示出来，从而使环境管理者迅速了解和掌握各类 观、形象的图形化方式输出或显示出来，从而使环境管理者迅速了解和掌握各类突 发性事故的多发地带、发生频率、潜在事故发生源的时空分布、事故发生后污染物 的影响范围及时空变化，更好地实现事故的预防应急处置和灾后处理。在国内g i s 在突发性污染事故中正逐渐得到应用，中南大学防灾科学与安全技术研究所开发了 “基于g i s 的城市公共安全应急决策支持系统”【6 。该系统包括基础信息子系统、 灾害信息子系统、危险源管理子系统、火灾分析子系统、洪灾分析子系统、地震分 析子系统、风灾分析子系统、公共安全规划子系统、应急决策子系统和系统总控模 块等。提出了一种快速、高效构建城市基础空间数据库的技术方案，并探讨了该系 统与城市公共安全体制的融合机制问题。实践证明，在对城市可视化与数字化的基 础上，该系统能够实现城市灾害信息的科学管理，各种灾害分析模拟，公共安全规 划以及应急决策支持，从而有效提高突发性城市公共安全应急的效率和响应速度， 为城市公共安全的应急工作提供了有效的辅助手段。也为平时有毒物质类重大危险 源的管理提供了依据。中国地展局工程力学研究所在g i s ( a r c v i e w ) 下实现典型毒气 泄漏后的扩散模拟，以及扩散后的影响评价【6 撕3 1 。由于a r c v i e w 下自带的二次开发 语言a v e n u e 计算功能的局限性，而毒气泄漏后的扩散过程中毒气浓度分布是一个随 时间不断变化的复杂过程，计算时扩散源周围首先得按空间离散，再按时间离散， 从而求得各空间点在不同时刻毒气的浓度分布。利用v i s u a lc + + 的强大计算功能， 编制外部毒气随时问变化的空间浓度分布计算程序，通过对毒气浓度不同危害程度 的阀值值研究，确定这些阀值等值线点的空f n j 分和，利用动态链接库，将外部程序 集成到a r c v i e w 系统中，再利用g i s 强大的空间可视化功能，实现毒气泄漏与扩散 后的影响区域显示与影响程度评价。以g i s 为基础的毒气扩散仿真模拟，为地震灾 害下石化企业有毒物质的泄漏与扩散及影响评估提供了有效的手段，也给石化企业 平时的倚理带来了方便。基于g i s 的毒气扩散与模拟与影n 向评估的实现为企业防灾 提供了新的思路和借鉴。 1 6 课题的研究目的与研究内容 2 0 0 5 年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”。闽江流域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 福建师范大学硕士学位论文 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 ts 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。本课题的研究内 容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 基于g i s 的闽江流域水污染事故应急系统总体设计 研究了基于g i s 技术、数据库技术等技术构建的突发性水污染事故预警应急系 统的总体框架体系，涉及基于g i s 平台的闽江环境信息管理系统、集成g i s 的闽江 水污染分布时空模拟系统两个模块，以及各模块所要实现的功能。 ( 2 ) 基于g i s 的闽江环境信息管理系统的研究 设计了闽江环境空间信息管理系统的总体数据库，然后以组件式g i s 软件 m a p o b j e c t s 2 2 和程序设计语言v b 6 0 为开发平台，具体实现了闽江环境空间管理系 统的部分功能。 ( 3 ) 集成g i s 的水污染时空分布模拟 g i s 尽管具备强大的空间分析功能，但在实际问题的解决中是远远不够的，因此 引入环境模型。探讨了适合闽江流域水污染事故特点的数学模型，利用v b 编程初步 实现了水污染扩散的模拟；初步探讨了g i s 在模拟结果动态显示方面的作用，并提出 了模拟结果可视化所要实现的效果；初步探讨了g i s 与模型的集成方法。 福建师范火学硕十学位论文 第2 章闽江流域突发性水污染预警应急系统的设计 2 1 闽江流域概况 2 1 1 自然概况 2 1 1 1 地理特性 闽江是福建省第一大河，发源于闽赣边界的武夷山脉东侧建宁县均口乡台田村 严峰山西南坡，闽江流域状如扇形，境内峰峦起伏，河谷相间，地势西北高，东南 低，河道平均坡降5 。闽江切穿闽中大山，从西北向东南，横贯福州箍地，经闽清、 闽侯、福州市区、长乐、连江，全长5 5 9 公里，流经3 6 个县( 市、区) ，流域面积约 6 1 万平方公里，占福建省陆域面积的一半【6 4 1 。 闽江以南平、水口为界，划为上、中、下游，南平以上为上游，南平、水口之 间为中游，水口以下为下游。上游有沙溪、富屯溪和建溪3 大支流，其集水面积分别 为1 6 3 9 6 平方千米、1 3 7 3 3 平方千米3 1 1 1 7 9 3 平方千米，共占闽江流域总面积的6 8 7 ， 南平以下为闽江干流，自南平到闽江入海口，河长2 2 3 k m ，沿途有尤溪、古田溪、 梅溪、大樟溪等支流汇入，闽江下游长11 7 k m ，在淮安分为南北港，北港绕南台岛 背而，穿越祸州市中心区，经文山晕、洪i i | 桥、闽江大桥至罗星塔，长约3 4 k m ，河 道相对窄深，为航运通道；南港绕南台岛南面在罗星塔与北港相汇，长约7 6 k m ，在 中段有大樟溪汇入，河道宽浅，滩槽多变，为泻洪贮沙河段。南北港在马尾罗星塔 汇合后，转向东北进入通海河段，流经青洲，闽安峡谷( 金刚腿) 至亭江，长约1 2 k m 。 闽江在亭江又被琅0 吱岛分为南北两支，南支经长乐市梅花镇入海，北支经连江县官 头镇长门流入东海，如图2 一l 所示。 福建师范大学硕士学位论文 图2 1 闽江流域水文水系图 f i g u r e2 1h y d r o l o g i c a lm a po f t h em i n j i a n gr i v e r 2 1 1 2 水文特性 闽江下游属亚热带海洋季风气候区，流域内植被较好，气候温和，雨量充沛， 全年冬短夏长，温暖湿润，年平均气温1 6 2 0 c ，区域多年平均降水量1 6 1 7 m m 。多 年平均径流量6 2 1 亿m 3 ，占全省地袭径流量的5 1 8 ，居全国第七位，多年平均径流 深为9 7 0 1 m m ，全年径流量主要集中在汛期，4 - - 9 月径流量占年径流量的7 5 左右。 与一般河流相比，闽江水文的特性还表现在其潮期特点。闽江下游为感潮河段， 闽江口属陆相强潮河口，潮形是正规半同潮，平均潮差为4 0 1 m 。枯季大潮时，潮区 界可达分流口之一i 二的侯官，近年来，l = l l 于水口电站建成以及河道采沙等原因，下游 河道普遍刷深下切。 2 1 2 水环境质量状况 闽江流域共布设5 7 个省控监测断面，近几年闽江流域水质状况见图2 2 。1