（环境工程专业论文）wasp5水质模型在平原河网区水环境模拟中的开发与应用.pdf

摘要 本文以平原河网区水环境为研究对象，在现有的平原河网水质数学模型功能 分析比较的基础上，结合平原河网水环境变化特征，选择了美国国家环保局环境 研究实验室开发的w a s p 5 系统作为平原河网水质模拟的基本工具；针对w a s p 5 系统自带的d y n h y d 5 水动力模型功能的局限性，以及平原河网水力调控系统 复杂的特征，选择了具有产汇流模拟、闸坝控制模拟及河网水流模拟等功能的三 级联解平原河网水动力模型替代d y n h y d 5 。通过编程实现了三级联解平原河网 水动力模型与w a s p 5 水质模型的耦合，使之可以应用于平原河网水环境的模拟。 本论文主要研究内容有： ( 1 ) 比较系统的介绍了w a s p 5 水质模型和三级联解河网水动力模型的原理、 功能及特点。 ( 2 ) 对w a s p 5 水质模型进行了优化；并利用v i s u a lc + + 平台建立了三级联 解河网水动力模型和w a s p 5 水质模型之间的耦合模型。 ( 3 ) 结合苏州市水务局的“苏州市城市中心区河道引调水工程”课题，把研 究成果运用到实际引调水工程中去。通过利用数学模型模拟引调水工程中不同实 施方案下的环境效益和经济效益，为引调水工程实施方案的确定提供了理论依 据。 本文的研究结果表明w a s p 5 水质模型能够作为模拟平原河网地区水环境的 重要工具。 关键词：平原河网 w a s p 5 模型三级联解河网水动力模型v i s u a lc + + 水 质水量耦合模型 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ew a t e re n v i r o n m e n ti np l a i nf i v e rn e t w o r ka r e a s b a s e do nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e na v a i l a b l ew a t e rq u a l i t ym o d e l sf o rp l a i nr i v e r n e t w o r ka r e a sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e re n v i r o n m e n tc h a n g e si nt h e s ea r e a s ， w a s p 5 s y s t e md e v e l o p e db y t h ee n v i r o n m e n tr e s e a r c hl a b o r a t o r yo fu se p aw a s s e l e c t e da st h eb a s i cs i m u l a t i o nt 0 0 1 i ti sf o u n dt h a tt h ef u n d a m e n t a lf u n c t i o n so f h y d r o d y n a m i cm o d e ld y n h y d 5 i nw a s p 5i sw e a ki nt h e s ea r e a s c o n s i d e r i n gt h e c o m p l i c a t e dn a t u r a lh y d r a u l i cr e g u l a r i t ya n dc o n t r o l l i n gh y d r a u l i cw o r k so ut h e s e n e t w o r k s ，t h eh y d r o d y n a m i cm o d e ls u i t e df o rp l a i nr i v e rn e t w o r ka r e a sw a ss e l e c t e d w h i c hh a st h ef u n c t i o n so fs i m u l a t i n gr u n o f fa n dc o n f l u e n c e ，d a ma n ds l u i c ec o n t r o l a n dc u r r e n ti nn e t w o r kr i v e r se t c t h ei d e ao fc o u p l i n gt h eh y d r o d y n a m i cm o d e l s u i t e dw i t ht h ew a s p 5w a t e rq u a l i t ym o d e li sr e a l i z e da n dac o u p l i n gm o d e li s c r e a t e d t h ec o u p l i n gm o d e lt a i lp r o p e r l ys i m u l a t et h ew a t e re n v i r o n m e n ti np l a i n r i v e rn e t w o r ka r e a s t h em a i nc o n t e n t sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l e s ，f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fw a s p 5w a t e rq u a l i t ym o d e l a n dt h r e e c a s c a d er i v e rn e t w o r k h y d r o d y n a m i c m o d e lw e r ei n t r o d u c e d s y s t e m a t i c a l l y ( 2 ) t h ew a s p 5w a t e rq u a l i t ym o d e lw a so p t i m i z e d ；ac o u p l i n gm o d e lo f t h r e e 。c a s c a d ef i v e rn e t w o r kh y d r o d y n a m i cm o d e lw i t hw a s p 5w a t e rq u a l i t ym o d e l w a s d e v e l o p e d b a s e do nt h e p l a t f o r mo f v i s u a lc + + ( 3 ) t h ec o u p l i n gm o d e la n dt h ep r e s e n t e dm e t h o d sw e r ea p p l i e dt ot h ew a t e r d i v e r s i o ns i m u l a t i n gi nt h ep r o j e c t ，w a t e rd i v e r s i o np r o j e c t f o rc a n a l si n c e n t r a l s u z h o uc i t y ，w h i c hi sf u n d e db yt h es u z h o uw a t e rb u r e a u t h ee n v i r o n m e n t a la n d e c o n o m i cb e n e f i t so fd i f f e r e n tw a t e rd i v e r s i o n p l a n sw e r ec o m p a r e du s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d ，w h i c hp r o v i d e dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o rs e l e c t i o no ft h e e x e c u t i v e p l a n t h er e s u l t sa c h i e v e di nt h i sp a p e rs h o w st h a tw a s p 5 w a t e r q u a l i t ym o d e l c a nb e u s e da st h es i g n i f i c a n tt o o lt os i m u l a t et h ew a t e re n v i r o n m e n t i np l a i nn e t w o r ka r e a s k e yw o r d s ：p l a i n r i v e r n e t w o r k ，m o d e lw a s p 5 ，t h r e e c a s c a d er i v e rn e t w o r k h y d o d ”a m i cm o d e l ，v i s u a l c + + ，c o u p l i n gm o d e lo fw a t e rq u a l i t ya n dw a t e r q u a n t i t y 前言 平原河网地区地理位置优越，水资源丰富，对周边居民生活和该地区经济发 展有着重要的作用。但随着经济的高速发展，大量的工业废水和生活污水排入周 边水体，超过了水体的自挣能力，造成水体污染越来越严重。如今，“水质型缺 水”已经成为制约该地区社会经济发展的主要因素，因而定量化评价和研究水体 的水质变化规律，依据其污染特性探讨相应的治理对策，对该地区实施可持续发 展战略具有非常重要的意义。 论文在现有平原河网水质数学模型功能分析比较的基础上，结合平原河网水 环境变化特征，选择了美国国家环保局环境研究实验室开发的w a s p 5 系统作为 平原河网水质模拟的基本工具。针对w a s p 5 系统自带的d y n h y d 5 水动力模型 基本功能的局限性，以及平原河网水力调控系统复杂的特征，选择了具有产汇流 模拟、闸坝控制模拟及河网水流模拟等功能的三级联解平原河网水动力模型替代 d y n h y d 5 ，通过编程实现了三级联解平原河网水动力模型与w a s p 5 水质模型 的耦合。使之可以应用于平原河网水环境的模拟，论文将这一研究成果运用到苏 州市城市中心区河道引调水工程实践中。通过数学模型模拟引调水工程不同实施 方案下的环境效益和经济效益，为引调水工程实施方案的确定提供理论依据。 本文耦合模型的编写并没有使用数值计算最常用的f o r t r a n 语言，而是采用 功能更为强大的c + + 语言。利用c + + 语言对数据和操作数据的函数的封装性以及 类与类之间的继承性等特征，建立了河道类、河段类、水质断面类以及这些类的 关系结构，并利用v i s u a lc + + 编译器建立了简洁的用户界面。这样，使得模型作 为一种工具变得更为便捷。 本人于2 0 0 1 年就读环境工程专业硕士研究生以来，在导师阮晓红教授的悉 心指导下，开始从事水环境规戋i j 与数值模拟计算等方面的研究与应用工作，同时 本人也非常注意加强对计算机编程语言知识的学习，本论文即为二者相结合的具 体成果。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：抄侔g 月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 沁滓6 再s b 绪论 1 绪论 1 1 研究和开发平原河网地区水环境模拟模型的重要意义 河流在流入海洋和湖泊的地区，由于流速减缓，泥沙沉积，形成河口三角洲。 三角洲地区地势平坦，河道纵横交错，河湖相串，交织如网，形成平原河网。例 如我国的长江、珠江，美国的密西西比河等河口地区都属于平原河网地区。 平原河网地区，地理位置优越，交通便利，土地肥沃，人口稠密，工农业经 济发达。但随着经济的高速发展，人口急剧增长，环境保护与经济不能协调发展， 大量的工农业废水、生活污水排入河湖之中，造成水体严重污染，水质型缺水已 严重制约了该地区社会和经济的持续高速发展。 为了有效的控制和治理平原河网的水污染，必须加强平原河网水污染控制理 论和技术的研究，而水环境模拟模型的研究和开发是其中的重要内容之一。 水环境模拟是定量描述污染物在水体中迁移转化规律的数学方程。应用水环 境模型的数学方程，可定量的进行水环境质量的模拟与预测，由此可以对区域开 发或建设项目进行水环境影响评价；进行水环境容量、污染物允许排放量的计算： 制定区域水污染物总量控制方案或控制规划；实施水环境目标管理等。因此，水 环境模型的研究是开展环境影响评价、环境规划、环境管理和水污染综合防治等 多项工作的必不可少的基础和前提。 自1 9 2 5 年s t r e e t e r 和p h e l p s 提出b o d d o 水质模型以来，由于来自于环境 科学的科技水平的提高、分析方法和监测技术的发展以及计算机技术的飞速发展 和高级编程语言的出现，水环境模拟模型有了很快的发展【”。 1 2 平原河网水环境模拟的研究进展 1 2 1 已有的河网水质模型 河流水质模型是近十几年来研究得比较广泛而且比较深入的课题，并且比较 成功地用于河流、流域的水质规划和管理。河流水质模型的类型很多，主要分为 b o d d o 模型和多参数模型等。平原感潮河网，由于其污染特征及水动力循环 的复杂性，其模型的开发仍在不断的探索中 2 1 。 1 2 1 1b o d d o 模型 最早由s t r e e t e r 和p h e l p s 提出的稳态b o d d o 模型( 1 9 2 5 年) 中b o d 方程只 河海大学硕士学位论文 考虑有机物的生化降解，降解量( s ) 与b o d 浓度( b ) 成正比，即s = - k l b ，其中k 1 是降解系数；d o 方程只考虑b o d 生化反应的耗氧及大气复氧，大气复氧量与 水中的氧亏量成正比。但长期的实践证明该模型还不能全面的反应河流的水污染 特征，许多科学研究者也对其进行了多方面的修正。t h o m a s 模型( 1 9 4 8 年) 在 s - p 模型基础上，b o d 方程中增加了悬浮物沉降及冲刷再悬浮的影响，s = f k l + k 3 ) b ，k 3 是沉降冲刷系数。模型考虑的因素是合理的，但至今k 3 值难以确定。 d o b b i n s c o m p 模型( 1 9 6 4 年) 在t h o m a s 模型基础上，b o d 方程中增加了底泥 释放及地表径流的影响：d o 方程增加考虑底泥耗氧及藻类光合作用和呼吸作用 的影响。该模型考虑的因素在底泥污染严重的河流是十分必要的。o c o n n o r 模 型( 1 9 6 7 年) 在t h o m a s 模型基础上，b o d 方程考虑碳化b o d c 和硝化b o d n 两个阶段的降解，d o 方程考虑了相应该两阶段耗氧的影响 3 】。该模型适用于流 速较慢、含氧污染物含量较高的河流【”。 1 _ 2 1 2 多参数模型 多参数模型是指包含多种水质指标的水质模型。该种类型的水质模型又可分 为稳态和非稳态两种。 q u a l 2 e 模型( 1 9 7 3 年) 是一维( 纵向) 稳态水质代表模型模型【5 1 ，用来 模拟混合良好的河流与湖泊。它将水道划分为一系列恒定非均匀流的流段，在每 一流段内，流量不随时间变化且均匀一致，但各流段可以不同。该模型能够模拟 点源和非点源的负荷。可以模拟1 5 组水质组份，包括：溶解氧、生化需氧量、 温度、藻类、叶绿素口、有机氮、氨氮、硝酸氮、有机磷、无机磷、大肠杆菌、 任意一种非守恒的组分和任意三种守恒的组分。 德国n e c k a r 河模型( 1 9 7 7 年) 为非稳态模型，它是在对n e c k a r 河水质变化 的研究过程中发展起来的【5 1 。n e c k a r 河是一条位于工业高度发展地区的河流，沿 河工厂林立，而且河上建有一系列的闸坝。河道中水流滞缓，河流溶解氧较低， 常接近于零，形成厌氧状态。n e c k a r 河模型对n e c k a r 河的研究工作比较深入， 可以模拟四种水质指标，同时也考虑了水体处于好氧、厌氧状态下1 2 种迁移转 化过程的影响。 由美国环保总局提出的w a s p 水质模型是非稳态水质模型，w a s p 5 ( 1 9 9 3 年1 和w a s p 6 ”纠( 2 0 0 1 年) 是其两个最新的版本。w a s p 6 与w a s p 5 的最大区别在 于w a s p 6 采用可视化的w i i l d o w s 操作界面以及增加了对数据的图形化后处理功 2 河海大学硕士学位论文 绪论 能。但是w a s p 6 只能在w i n d o w s 9 8 操作系统下使用，并且现在w i n d o w s 9 8 操 作系统已经被w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 取代了。再次，由于w a s p 6 的源 代码不具有公开性，因此，w a s p 6 不便于二次开发利用。w a s p 系统包括两个 独立的计算程序：d y n h y d 和w a s p ，它们既可以联合运行，也可以独立运行。 d y n h y d 是水动力模型，用来模拟水流的运动；w a s p 是水质模型，用来模拟 水中各种污染物的运动与相互作用，e u t r o 和t o x i 是其两个子程序。e u t r o 用来分析传统的污染物质物质在水体中的迁移变化情况，包括溶解氧、生化需氧 量、氨氮、叶绿素口、有机氮、硝酸盐、有机磷、无机磷等；t o x i 模型用来模 拟有毒物质的污染，包括有机化学物质、金属和泥沙等。 其它非稳态水质模型还有c e q u a l r i v l 模型( 1 9 8 6 年) 2 1 等。 c e q u a l r i v l 模型是一个河流完全动态的一维水流与水质模拟模型，它包括 两个独立的模块：r i v e h 和r i v e q ，它们既可联合使用，也可独立使用。r i v e h 是水力模型，r i v e q 是水质模型。模拟的水质组分主要包括温度、溶解氧、浮 游动物、b o d 、有机氮、氨氮、硝酸盐氮和溶解态有机磷等。该模型类似于 q u a l 2 e ，但它能够模拟水流和水质梯度很陡的情况。 1 - 2 2 平原河网水环境模拟对模型功能的需求 我国平原河网水环境的主要特点 6 ：( 1 ) 河道纵横交错、河湖相串；( 2 ) 受潮 汐等因素影响，水流变化是非稳态不均匀的，流向顺逆不定；( 3 ) 污染源分点源 和面源排放，而且排放是非恒定的；( 4 ) 底泥受到一定程度的污染，是一个值得 重视的污染源；( 5 ) 水体已受到不同程度的污染，水污染以有机污染为主发展到 以富营养化为主，主要污染因子有c o d 、b o d 、n h 4 n 、t p 等；( 6 ) 水体可能 处于好氧、缺氧、厌氧三种不同的状态，使得某些河段有时出现黑臭现象；( 7 ) 水质变化是不均匀的，组份的浓度变化幅度大：( 8 ) 水质变量是多组分的，影响 因素是多参数的。 平原河网的上述水环境特点导致了对水环境模拟的特殊要求。深入分析第 1 2 1 2 节的各水质模型可以发现：q u a l 2 e 模型是稳态一维纵向模型，用来分 析河流受污染时，沿其长度方向上的水质，它没有考虑水体处于缺氧、厌氧状态 下的水质变化规律，也不能计算河网及逆流状的水量、水质变化1 7 】；n e c k a r 河模 型是渠化梯级河道模型，但该模型忽略了对流及纵向分散项，因此适用于流速很 小的河流，而且模型未考虑缺氧与厌氧条件的差别；并且q u a l 2 e 模型和n e c k a r 河海大学硕士学位论文 绪论 河模型都没有c o d 方程 7 】。 c e q u a l r i v i 模型和w a s p 模型都是模拟河流系统中复杂水质问题的比 较尖端的软件，但由于现今平原河网地区水污染主要以富营养化为主，而 c e q u a l r i v l 模型不具有模拟浮游植物对水体影响的能力。 w a s p 模型提供了一个灵活的模拟系统，具有模拟平原河网水体富营养化的 能力，在其基本程序中反映了对流、弥散以及边界的交换等随时间变化的过程。 水质的模拟过程是在几个特殊的运动学子程序中得到体现，这些子程序可以从程 序库中挑选，也可以由用户自己提供。w a s p 水质模型的结构使用户能很容易的 将运动学中的子程序替换到总的程序包里形成解决具体问题的模型。 在太湖流域河网地区，由于该地区河道数量众多，而且该河网属于感潮河网， 河道中水量水质都是非稳定变化。同时河网中水工建筑物运行十分复杂，河道中 水的流向顺逆变化大，所以并不是所有的水动力水质模型都适用于这种水流情 况。在该平原河网地区已经有多种运用比较成功的河网水动力模型【b 】 可至今没 有开发出与该模型直接匹配的水质模型。而w a s p 水质模型具有模拟平原河网 富营养化问题的能力。因此如何把河网水动力模型以及w a s p 水质模型联立耦 合在一起，同时增强水动力水质模型的适用性，从而节约时间和成本，来达到模 拟水环境的目的，对该地区的水环境预测与污染防治具有很重要的作用。 1 3 计算机语言在水环境模拟系统中的应用 随着改进的各种水质模型的发展，水动力模型与水质模型之间的耦合以及菜 单式界面和可视化得模型以及计算机软件越来越受到广泛的重视【2 1 。近几十年 来，计算机技术的飞速发展和高级编程语言的出现，大大推动了水环境模拟技术 的发展。在当今计算机世界中流行着多种高级计算机语言，如f o r t r a n 语言、c 语言、c + + 语言等。而这些高级语言又分为两大类：过程式程序设计和面向对象 程序设计。 1 3 1 过程式程序设计 过程式程序设计( p r o c e d u r a lp r o g r a m m i n g ) 是在7 0 年代由于需要提高程序员 的编程效率和简化程序构造而出现的。f o r t r a n 语言、c 语言等计算机语言都具有 过程式程序设计的特点。 f o r t r a n 语言是国际上最早出现的计算机高级语言，已经在国际上得到了广 河海大学硕士学位论文 泛的应用。由于f o r t r a n 语言在科学计算上的优势，所以数值计算模型一般用 f o r t r a n 语言编写。当今比较成熟的水动力水质数学模型基本上都是利用f o r t r a n 语言编写而成。在科学技术发达的国家中，几乎每一个工程技术人员都会使用 f o r t r a n 语言。 c 语言是近年来在国内外得到迅速推广使用的一种现代语言。c 语言功能丰 富、表达能力强，使用灵活方便、应用面广、目标程序效率高、可移植性好，既 具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，因此，特别适用于编写系统 软件 9 1 。但由于c 语言比较复杂，规则繁多，使用灵活，在编程中极易出错。 在过程式程序设计中，程序代码分为模块和函数，它们组合成“黑盒”。这 些黑盒使程序员无法觉察它们内部的复杂性。理论上，“黑盒”不应将任何错误 引入程序，但是不幸的是在现实中很难做到这一点。比如随着程序规模增大，其 中某些函数可能被多次重复使用，而这些函数的重复使用可能会引起其所自带参 数的变化。而这些参数的变化往往不容易被发现，但是这些参数的变化对程序的 运行结果有着很大的影响，所以随着程序规模的增大，被引入系统的错误数目通 常也会按比例增加。程序越大，在代码内出现的错误越多。所以这种方法的致命 弱点就是随着软件规模和复杂性的增长，整个软件系统的结构需要重写而变得难 以维护。 1 3 2 面向对象程序设计 l 。3 ，2 。l 面向对象程序设计的概念与特点 “面向对象”程序设计( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) 方法起源于1 9 7 2 年美国x e r o x 公司研制的s m a l l t a l k 语言，该方法的出现这不仅仅是语言上的进 步，更重要的是思想方法上的一场深刻的变革，因而被人们称为是一种回归自然 的设计思想和方法。面向对象方法具有如下一些特点f 10 】【】： ( 1 ) 封装性 把数据和操作数据的过程( 函数) 封装组合在一起，建立数据和代码的明确 关系，通过私有化定义和共有化定义，限制数据和方法的使用和修改，保证数据 的私密性，程序的模块化也可以得到体现。封装性是面向对象方法的最基本特点。 在面向对象的设计方法中，它将数据和函数视为同等地位的两个方面，两者互为 依赖，函数体具有数据的特点，不再像面向过程设计方法那样，具有全局性和临 时性。 河海大学硕士学位论文 绪论 在河网水环境模拟中，可以将河道定义为一个类，并将河道所具有的各种基 本属性作为数据或函数封装在该类中，这些基本属性包括流量、流速、水位等水 动力属性以及溶解氧、氨氮等水质属性。 ( 2 ) 继承性 通过类与类之间的继承关系，模拟现实世界中物与物的相互关系，形成树状 的层次结构，保证程序既统一又可以重新定义和加入新成员和新函数的发展需 要，继承关系保证被封装数据之间的相互依存，同时对于发展程序规模也是相当 重要的。利用继承关系，可以在前人工作的基础上扩充其功能而同时保持程序原 有的功能。继承机制可以看成是父子关系。父类定义了所有子类共同的对外公开 接口和私有实现内容。每个子类都可以增加或改写从父类继承过来的东西，以实 现它自身独特的行为。在c - r + 语言中，父类被称为基类，子类被称为派生类。 在河网数值计算中，可以把整个河网看成一个实体( 对象) ，即父类，河网里 面的单个河道看成是继承于该父类实体的子实体，即派生类，这是因为河道具有 河网的某个特性，河道可以继承河网实体类所具有的特点，而且河道类自身还可 以定义新的属性。同时河道里面的河段又可以看成是河道类的子实体类，即子子 派生类。这样，河道类作为河网类的派生类的同时，又可以作为河段类的父类， 河段类作为子类。 ( 3 ) 多态性 多态性是指一个指令能完成多个不同动作，实际完成动作取决于设计的特定 类型对象。多态性是保证程序灵活性的重要特性，通过提供同一级别、同名函数 的方法，让不同的对象以适合自己的方式实现同一行为，这在现实世界中也是常 见的。两个具有继承关系的类，通过重载，使实现函数的方法发生变化，这就是 实现程序多态性的主要手段。 从上面的论述可以看出，使用面向对象的概念使得编写的程序更加直观，管 理和维护更加方便。 1 3 2 2c + + 语言 c + + 语言就是“面向对象”程序设计语言的典型代表之一。c + + 自1 9 7 9 年诞 生以来，已经历了二十几年的发展历程。1 9 8 3 年被正式取名为c + + 。除了少数 例外，c + + 差不多就是c 的超集【1 2 】，即c 十+ 除了提供的新特性外，几乎支持所有 c 语言特性。c + + 本质上是带有面向对象程序设计扩展的c 语言。因此可以用 河海大学硬士学位论文 c + + 编译器代替c 编译器编译现有的c 程序和新写的程序，实现向c + + 的过渡， 然后可以在程序中逐步加入c + + 独有的特性( 当然，c 程序并不是不做任何修改 就可以完全移植到c + + 编译器中的，有时也要做有一些结构的修改，这些结构是 过时的c 编程做法，c + + 编译器会将其标出) 。 c + + 是目前世界上功能最强大的计算机语言。c + + 提供了类( c l a s s ) 的概念。 c + + 类有点类似于标准的c 结构( s t r e e t ) ，但c + + 类的特性比c 结构的特性多很 多。一般而言，类由两部分组成：一组公开的( p u b l i c ) 操作函数和运算符，以 及一组私有的( p r i v a t e ) 实现细节。这些操作函数和运算符被称为类的成员函数。 并代表这个类的公开接口。类的用户，只能取用其公开接口。类的私有实现细节 可由成员函数的定义式以及与此类相关的任何数据组成。类的用户通常不用关心 类的实现细节。用户只利用其公开接口来进行编程。这种情况下，只要接口没有 更动，即使实现细节重新打造，所有的应用程序代码亦不需要变动。 在面向对象程序设计的领域中，c + + 语言毫无疑问是一门成功的语言，它被 广泛地应用于各种系统软件、应用软件的设计与开发之中。由此也吸引着许许多 多编程爱好者。但是c + + 语言具有掌握难度比较大的缺点，需要程序设计者长期 不断的练习实践。 1 3 2 3v i s u a lc + + 编译器 v i s u a lc + + ( 以下简称v c + 十) 是c + + 语言的编译器之一，它是m i c r o s o f t 公司综合性最高、最复杂的软件开发产品【1 2 】。它提供了很高的编程能力和方便性， 它的多种多样的工具能适合各种编程风格。v c + + d e v e l o p e rs t u d i o ( v c + + 开发 工作室) 是v i s u a lc + + 产品的核心，是个集成化应用程序，它提供完整的编程 工具组，可以为用户建立简单的用户界面，用户可以在此基础上通过编程等方法 来丰富界面的内容。 m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o n l i b r a r y ，微软基础类) 是扩展的c + + 类库。m f c 提供了大量预写类和支持代码，可以处理许多标准w i n d o w s 编程任务，它简化 了程序的编写，提供了很多高级特性，可以大大减少编码工作如生成窗口和处理 信息【i 3 1 。m f c 是在整个w i n d o w s 家族中都是兼容的，也就是说，无论是 w i n d o w s 9 8 、2 0 0 0 还是w i n d o w sn t ，所使用的m f c 是兼容的。每当新的 w i n d o w s 版本出现时，m f c 也会得到修改以便使旧的编译器和代码能在新的系 统中工作。m f c 也会得到扩展，添加新的特性、变得更加容易建立应用程序。 河海大学硕士学位论文 7 绪论 因此，m f c 是很值得推荐的开发w i n d o w s 应用程序的方法。 1 4 本论文的主要工作内容 本论文在前人研究成果的基础上，从过程应用的实际出发，利用c + + 语言在 v c + + 平台下对分属于不同部门研制的平原河网水动力模型和w a s p 5 水质模型 做了无缝耦合程序，并把研究成果应用于实际的课题。主要工作为： ( 1 ) 针对平原河网水动力水质变化的复杂性，对现有的河网水动力模型和水 质模型的结构、功能等方面做了较充分的比较和选择： ( 2 ) 将w a s p 5 水质模型引入平原河网区进行水环境模拟，同时结合平原河网 区水环境特征，将w a s p 5 水质模型的程序进行了优化； ( 3 ) 运用v c + + 平台建立了河网水动力模型与w a s p 5 水质模型的耦合模型：首 先将河网基本信息资料转化成w a s p 5 水质模型计算所需要的格式；然后将水动 力模型计算所得到的水动力资料转变为w a s p 5 水质模型计算所需要的格式；并 利用v c + + 平台设计了该耦合模型的可视化系统； ( 4 ) 把研究成果运用到“苏州市城市中心区河道引调水工程”中。通过模型 模拟引调水工程不同实施方案下的环境效益和经济效益，为引调水工程实施方案 的确定提供理论依据。 河海大学预士学位论文 w a s p 5 模型系统 2 w a s p 5 模型系统 2 1w a s p 5 模型简介 w a s p 5 ( t h e w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m 一5 ) ，即水质分析模拟 程序5 ，由美国国家环保局( e p a ) 环境研究实验室开发，为e p a 推荐使用的水 质模型软件。 w a s p 5 是动力箱式模型”】，该模型系统是按照软件工程的思想来开发的。 它由两个独立的程序组成：水动力模型程序d y n h y d 5 和水质模型程序w a s p 5 。 系统中各模块之间的关系见图2 1 。图中，示踪剂可认为是水体中不发生降解( 主 要指生化降解) 的物质，仅受传输、边界和负荷过程的影响，w a s p 5 系统使用 t o x l 5 对示踪剂进行模拟。 图2 1w a s p 5 模型系统 水动力模拟为水质模拟提供必要的水力参数，如流速、流量、水位等。在 w a s p s 黼，水质模型程序既可和d q h y d 5 相连运行，也可和其它水动力程 序如r m o d ( 一维) ，s e d 3 d ( 三维) 相连运行，如果有已知水力参数，还可将水 力参数作为输入参数单独运行。 河海大学硕士学位论文 9 w a s p 5 模型系统 水质模型由两个模块组成：模拟常规水质的e u t r 0 5 模型，模拟有毒物质污 染的t o x l 5 模型。e u t r 0 5 模型用来分析传统的污染项目，包括溶解氧、生化需 氧量、氨氮、叶绿素岱、有机氮、硝酸盐、有机磷、无机磷等物质在水体中的迁 移变化情况；t o x l 5 模型用来模拟有毒物质的污染，包括有机化学物质、金属和 泥沙等。 2 2w a s p 5 水质模型 2 2 1 水质组分运移的基本方程及其求解 2 2 1 1 水质组分运移的基本方程 w a s p 5 水质模型是综合型水质模拟模型，它利用变步长空间模型，分析各 种水体中( 塘、溪、湖、水库、河流、河口等) 水质变化问题。其模型的坐标系统 如图2 2 ，x 和y 轴在水平面上，z 轴在垂面上。 w a s p 5 水质模型的水质组分运移的基本方程为： 等= 一昙( 玑c ) 一茜( u y c ) 一昙( 玑c ) + 去( e 豢) + 未 百o c ) + 鲁( e 署) + 墨+ & + & q 。 其中：c - 水质组分的浓度，m g l 或g ，m 3 ；t 一时间步长，d ； u ，u ，u ：一纵向，横向，垂向对流速度，r n d ： e 。，e 。，e ：一纵向，横向，垂向扩散系数，m 2 d ； s 一点源和面源，g m 3 d ：s a 一边界负荷，g m 3 d ； s 。一源汇项，g ，m 3 d ( 源为正，汇为负) ； w a s p 5 水质模型的网格是一系列能代表水体的物理结构扩展的控制体体 积，或者称为“单元体”，即将水体在纵向、横向和垂向上分割。划分的网格既包 河湃大学硕士学位论文 w a s p 5 模型系统 括水流单元，也包括河床单元。其网格的划分见图2 3 。w a s p 5 水质模型假定在“单 元体，内部，水位流速变化均匀、水质浓度无悬殊变化。单元体污染物质的交换 通过随水体对流及交界面上的扩散而进行。单元污染物浓度咀形心处浓度代替， 它随时间的变化，取决于交界面上的对流扩散输运、单元内污染物的降解及源项 的汇入。 由于本系统是从研究一维河网水质考虑的，n n n - - e t t 2 r n 赫，即假定 垂向和横向是均匀的，这样就可以得到下面的一维水质组分运移方程： 妄( 删= 未( 也彳c 岖一+ 4 ( s z + s n s r ( 2 - 2 ) 式中：a 一横截面面积，m 2 。其余符号意义同上。 从这一方程基本形式出发，可以写出各种水质指标的表达式。 y 困吉 图2 3模型单元结构 2 2 1 2 方程的离散 方程的离散采用显示差分格式，时间差分采用e u l e r 前差分，即时间前差一 空间中心差分。差分形式如下： 学叫吲卜”，华学 ， + ( 疋) ；! 丛挚+ ( ) ；+ ( 岛) ；+ ( & ) ； 式中：v 为对流因子。v 的取值不同，可以改变对流项差分的性质。 w a s p 5 模型系统 模型中考虑污染物迁移转化的机理包括： ( 1 ) 表面水的对流 水的对流直接控制着溶解和颗粒态污染物在水体中的迁移，而且，流速和水 深的变化能影响大气的复氧、污染物的挥发和光解作用。水质模拟的第一步是要 知道正确的对流过程。w a s p 5 水质模型的水流资料由相应的河网水量模型提供。 ( 2 ) 孔隙水对流 孔隙水可以流入流出底泥，对底泥中的污染物浓度有着非常明显的影响。孔 隙水的对流也能引起上层水体污染物的变化( 源或漏) 。 假如模型中包括底泥部分，就要指定溶解污染物在底泥中的对流迁移。孔隙 水对流能引起溶解污染物的迁移，但不影响沉积物和颗粒污染的迁移。污染物迁 移质量方程为( 从格网j 到格网i ) ： 警唱秘 k j n i ( 2 - 4 ) 式中：m 。污染物k 在格网i 中的质量，g ： 一污染物k 在格网j 中的总浓度，m e d l ( e d m 3 ) ； ”，一格网j 的孔隙率，l l ；厶。一格网j 中污染物k 的溶解率； q ，f 一从格网j 到格网i 的孔隙流量，m 3 d 。 其中，用户可以在数据文件中定义污染物k 在格网j 中的溶解率，即厶的 值。 ( 3 ) 污染物的扩散 扩散交换也显著地影响溶解和颗粒污染物的迁移。在河流中，纵向扩散对突 发性污染物的稀释有着一个非常重要的作用。扩散方程为： 警= 半( 巳吲( 2 - 5 ) 式中：m 。污染物k 的质量，g ；巳、c 。一浓度，m l ( 咖3 ) ； 岛( r ) 扩散系数，r f l 2 d ；如一交换面面积，m 2 ；t 。一混合特征长度，m 。 ( 4 ) 孔隙水扩散 孔隙水扩散交换能显著地影响底泥中污染物的浓度，孔隙水中的污染物能对 上层水体的污染物量产生影响。 河海大学硕士学位论文 w a s p 5 模型系统 由于上层格网与下层格网可能不是一对一的，所以应计算每单位孔隙水的溶 解污染物扩散，实际的计算公式为： 掣：可e v ( t ) a o n ol 盘垒一血鱼) ( 2 - 6 )- 2 7 7 一l 一， 讲 l c # n i n i ，n q 式中：一格网i 和格网j 的平均孔隙率，其余意义同上。 ( 5 ) 对流因子p 对流因子p 是为修正a c o t 的有限差分近似值而增加的项。p = 0 为后差分， 这是非常稳定的差分方法；p = 0 5 为中心差分，中心差分会使本水质模型计算不 稳定，故不使用。 y 不等于0 对于防止数值离散有一定的作用。对给定流速、长度、时间步长， p 不等于0 可减少离散值。根据b e l l a 和g r e n n e y ( 1 9 7 0 ) ： 总数值离散e = 等【( 1 2 v ) l u a t ( 2 7 ) 所以y 在此模型中取o o 4 。 2 2 1 3 “单元体”的体积和积分时间步长 “单元体”的体积与模拟时间步长直接相关。“单元体”的尺度主要由所考虑 的问题性质决定。用户要考虑水质变化的频率分配、水体和输入负荷的时变性、 重要变量的非线性、水体的空间特征变化、对水质浓度空间变化的期望等。“单 元体”体积大致相等有助于获得较精确的模拟，并可允许较大的时间步长。划分 单元体体积要根据水体断面变化的实际情况，在上、下游变化较大的地方，“单 元体”体积也要作相应变化。 对于给定了“单元体”和迁移参数的有限差分方程，为保持稳定性并使数值离 散值最小，就必须限定时间步长和必须保证污染物的对流、扩散、降解量小于其 总量： ( q cj + r c + s 。y ，) a t c 0 2 + h2 d ( 3 ) 硝化 溶解氧损失的另一个原因是硝化反应： n h 3 + 0 2 - - n 0 3 + h 2 0 + h + 由方程可知，每氧化一毫克氨氮，需消耗2 x 3 纥毫克氧a ( 4 ) 反硝化 在d o 低的条件下，反硝化反应也消耗c b o d ，也即相当于减少了水中的 溶解氧的消耗： 5 c h 2 0 + 5 h 2 0 + 4 n 0 3 + 4 日+ - 5 c 0 2 + 2 n 2 + 1 2 h 2 0 从该方程式可知，每还原一毫克硝酸氮，就需消耗1 2 ( 4 毫克碳，即减少 c b o d ( 5 4 x l 纥3 兄) 毫克a 在自然水体中，反硝化作用不是很明显，但是在 模拟厌氧条件时，反硝化过程就变得很重要了。 ( 5 ) 沉降 在静水条件下，颗粒c b o d 能往下沉降并沉积在河床底部，这可以明显地 减少水中的c b o d 。然而，c b o d 和浮游植物的沉降增加了底泥需氧量。在高 流速情况下，颗粒c b o d 又能从床底悬浮起来进入水体中，增加水体的b o d 量。 由于颗粒的运动规律非常复杂，因而在模型的输入文件中直接指定颗粒的沉降速 度。 河海大学硕士学位论文 w a s p 5 模型系统 ( 6 ) 浮游植物的生长 浮游植物的生长能固定碳和产生氧气。因为光合作用的化学计算法是固定 的，产生氧( 和吸收营养物) 的速率是与浮游植物生长率成比例的，因此，每生长 一毫克浮游植物含碳量，就产生3 2 1 2 毫克氧气。浮游植物生长还会引起另一个 氧的来源：当可利用的氨氮耗尽，浮游植物