（水文学及水资源专业论文）基于gis的河网水环境预测与信息系统及其应用.pdf

2 0 0 6 属中山大学硕士学位论文 基于g i s 的河网水环境预测与信息系统及其应用 水文学及水资源 高强 李开明研究员 摘要 河网地区是社会、经济、文化较为发达的地区，但是e h 于人口的增加，经济的 发展，各种工业废水和生活污水未经处理或经部分处理就注入河网，致使水体环境 遭到严重破坏，己经成为困扰城市环境和经济可持续发展的主要问题。对污染源进 行有效管理，是控制河网地区水体污染和改善水环境的主要途径。本文在总结前人 成果的基础上，实现了利用g i s 技术进行河网地区水环境信息管理的目标，着重探 讨了一维河网水动力模型、水质模型的建立，及其与g i s 的集成研究。 ( 1 ) 充分考虑潮汐河网水力性质的错综复杂性，建立了河网一维水动力数学模 型，经验证能够对珠江三角洲河网水流实现很好的模拟；考虑潮汐河网污染物会随 潮水来回回荡的特点，建立了河网一维潮周平均水质模型，并对珠江三角洲河网区 水质组分c o d m 、n h 3 一n 、b o d 5 及d o 进行了模拟预测，取得了较好的效果，能够为 管理部门提供决策依据。 ( 2 ) 利用可视化编程语言v i s u a lb a s i c6 0 及组件式g i s 控件m a p o b j e c t s2 0 ， 开发了河网水环境管理信息系统，能够实现水环境信息的可视化管理，包括实现g i s 软件的放大、缩小、漫游、量测等基本功能，与污染源相关的数据的存储、显示、 查询、统计和输出等功能。 ( 3 ) 建立重点污染源、水质监测断面、排污口等基本数据库，以及水环境质量 标准、水环境监测标准、水环境评价方法等专题数据库。 ( 4 ) 实现了河网一维水环境数学模型与基于组件式g i s 控件m a p o b j e c t s2 0 的集成，并利用g i s 的图形显示功能实现模型模拟结果的可视化显示。 ( 5 ) 利用水质监测资料对区域或水体的水环境进行质量评价，为环境管理部门 提供决策依据。 关键词：地理信息系统水环境信息水环境模型河网 2 0 0 6 届中山大学磷士学位论文 t h ei n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ep r e d i c t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s t e mo fw a t e re n v i r o n m e n ti nr i v e rn e t w o r kb a s e d o ng i s q i a n gg e e p r o f k a i m i n gl i a b s t r a c t t h es o c i e t y ，e c o n o m ya n dc u l t u r ea r ew e l ld e v e l o p e di nr i v e rn e t w o r ka r e a s ， h o w e v e r ，w i t ht h ep o p u l a t i o ni n c r e a s ea n de c o n o m yd e v e l o p m e n t ，t h ei n p u to f i n d u s t r i a la n dd o m e s t i ew a s t ew a t e rw i t h o u tt r e a t m e n to rp a r t i a lt r e a t m e n t h a sr e s u l t e di nt h ep o l l u t i o no fw a t e rb o d y ，h e n c ep r e v e n t st h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h ee n v i r o n m e n ta n de c o n o m yi nc i t i e s t h ee f f e c t i v e m a n a g e m e n to fp o ll u t i o ns o u r c e si st h em a i na p p r o a c ht oc o n t r o lc o n t a m i n a t i o n a n di m p r o v ew a t e rq u a l i t yi nt h er i v e rn e t w o r ka r e a s w a t e re n v i r o n m e n t m a n a g e m e n tv i a g i st e c h n o l o g yi nt h er i v e rn e t w o r ka r e a sw a ss t u d i e di nt h i s p a p e rb a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h e s ，w i t ht h ee m p h a s e so nt h ei n v e s t i g a t i o n o nt h ee s t a b l i s h m e n to fh y d r o l o g i cm o d e la n dw a t e rq u a l i t y ，a sw e l la st h e i n t e g r a ti o nb e t w e e nt h e ma n dg i s ( i ) o n e d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e df o r t h er i v en e t w o r kb yt a k i n gt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a e t e r i s t i eo ft i d a li n t o a c c o u n t ，a n di ta p p r o v e dt h a tt h er i v e rn e t w o r ki np e a r lr i v e rd e l t ac a nb e w e l ls i m u l a t e d ；o n e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo fw a t e rq u a l i t yw a sa l s o e s t a b l i s h e db yt a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ef l u x i o no fp o l l u t a n tw i t hw a t e r b a c ka n df o r t h t h e nt h em a i nw a t e rq u a l i t yc o m p o n e n t ss u c ha sc o d m n n h 3 一n ， b o d 5a n dd oi np e a r lr i v e rd e l t aw e r ep r e d i c t e dw e l i 、 ( 2 ) t h ew a t e re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fr i v e rn e t w o r k w a sd e v e l o p e db yt h eu s i n go fp r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lb a s i c6 0a n dt h e g i sd e v e l o pc o m p o n e n tm a p o b j e c t sv e r s i o n2 0 ，b yw h i c ht h ev i s u a lm a n a g e m e n t o fw a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h eo p e r a t i o n s 2 0 0 6 届中山大学硕士学位论文 s u c ha st h ez o o mi n ，z o o mo u t ，p a na n dm e a s u r e ，a sw e l1a st h es a v e ，d i s p l a y ， s e a r c h ，c o u n ta n de x p o r to ft h ed a t ar e l a t e dt op o l l u t i o ns o u r c e s ( 3 ) t h eb a s i cd a t a b a s e ss u c ha st h em a j o rp o l l u t i o ns o t l r c e s ，t h em o n i t o r i n g s e c t i o n so fw a t e rq u a l i t ya n dd i s c h a r g eh o l e sa n dt h es p e c i a ld a t a b a s e ss u c h a sw a t e re n v i r o n m e n ts t a n d a r d s ，w a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs t a n d a r d s ， w a t e re n v i r o n m e n ta s s e s s m e n tm e t h o d sw a se s t a b l i s h e d 。 ( 4 ) t h ei n t e g r a t i o no fo n e d i m e n s i o n a lw a t e re n v i r o n m e n tm a t h e m a t i c a l m o d e lw i t ht h eg i sd e v e l o pc o m p o n e n tm a p o b j e c t sv e r s i o n2 ，0a n dt h e v i s u a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sw a sr e a l i z e di nt h i sp a p e r ( 5 ) t h ea s s e s s m e n to fw a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t yb yu s i n gt h em o n i t o r i n g r e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o r t h ee n v i r o n m e n t a la d m i n i s t r a t i r e d e p a r t m e n t k e yw o r d s ：s i s ，w a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n ，w a t e re n v i r o n m e n tm o d e l r i v e rn e t w o r k i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景、依据 河网地区是世界上社会、经济、文化最为发达的地区，然而，由于城市人口的 日益增多、经济发展速度的加快，各种工业废水和生活污水大量排入河网，致使河网 地区普遍存在着水环境污染严重且日益恶化的问题，己经成为困扰城市环境和经济 可持续发展的一个主要问题【1 l 。目前，全世界每年约有4 2 0 0 多亿立方米的污水排入 流域江河湖泊，污染了5 5 万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的1 4 以上， 河网地区水污染已经变得非常严峻。由于水资源严重不足，水质不断恶化，大多数 河网地区都面临着水资源危机【2 1 1 3 1 。而在我国的八大流域中，也存在着水环境恶化 趋势尚未得到根本遏制，治理污染的速度赶不上污染增加的速度，污染负荷早已超 过水环境容量，同时水资源短缺的矛盾日益加剧，资源性缺水与水质性缺水并存等 问题，已经严重制约了我国经济社会的可持续发展，危及到人民群众身体健康，对 人民的生产和生活产生了很大的影响【4 】。如何防治河网地区水体污染，保护和改善 水质，保障人体健康和人民生活、生产用水，己经成为一个世界性难题。 “谁污染，谁治理”l s l 。对污染源进行有效管理，是控制河网地区水体污染和 改善水环境的主要途径。传统的污染源管理通常是基于e x c e l 、a c c e s s 、f o x p r o 等 桌面数据库软件建立相应的数据库管理系统 6 l ，来完成常规的数据输入、存储、查 询、统计汇总和报表输出等工作。如，目前，由国家环保总局推荐的污染源环境管理 软件主要有环境统计管理系统( e s s 9 5 ) 、全国污染源排污申报登记信息管理系统 n 十五全国环境统计信息系统等。这种管理系统明显的不足【8 l 是：缺乏空间实 体定义能力和空间关系查询能力。 河网水质模型是描述河网中污染物的时空变化规律及其影响因素之间相互关系 的数学模型1 9 1 。河网水质模型在河网水环境模拟中扮演着非常重要的角色，为河网 地区水质的有效管理提供了决策依据【”l 。由于河网地区水系纵横交错、河网复杂， 河网下游感潮河段的潮汐的往复性等特点都给物理模型带来了很大的困难，而河网 水质模型则在解决这类问题时显示出很大的优越性【1 1 j 。但同时也应注意到，水质模 型也存在着数据管理和维护不便【”1 、模拟结果表现及空间分析上能力有限等缺点。 第1 章绪论 1 2 本文研究的意义 考虑到传统污染源管理信息系统及河网水质数学模型在空间表达能力上的不 足，即需要把地理信息系统( g i s ) 与数据库管理系统及河网水环境数学模型结合起 来，以充分利用地理信息系统的空间显示的优点。 目前，地理信息系统已广泛应用于水环境管理、水环境影响评价、水环境规划 等领域。g i s 在数据采集与输入、空间数据的分析与处理、空间数据管理、数字地 形分析、格网分析与量测计算、自动制图、数据输出等方面有着非常强大的功能。 但是地理信息系统不能进行复杂的分析和运算。 利用g i $ 技术对环境进行管理已经成为当前国际上的一个重要趋势。g i s 与 数据库管理系统、河网水环境数学模型的结合，集成为河网地区水环境管理信息系 统，既能够弥补地理信息系统不能进行复杂分析和运算的缺点，又能弥补原有数据 库系统和水环境数学模型在空间查询和空间显示上的不足，既能充分发挥河网水质 数学模型的优点，定量描述河网地区污染物的迁移转化规律，又能实现污染物的空 间分析功能，且实现水环境信息的数据库管理，与传统管理工具相衔接。 1 3 模型系统研究现状 1 3 1 河网水环境数学模型研究概况 河网水环境数学模型是河网水环境管理信息系统的核心部分，所以，本节将首 先介绍一下河网水环境数学模型的发展概况。 1 3 1 1 河网水动力模型研究概况 河网水动力数值模拟，是以数学、力学理论为基础建立数学模型，通过电子计 算机用数值计算进行近似求解，以复演或预测河道中的水体运动的方法。河网水动 力数值模拟对水利、环境、航运、交通、港口建设、引水供水等经济开发有着非常 重要的实际应用价值【1 ”。而在水环境模拟中，作为河网水质模拟的基础，河网水动 力模拟方法在水环境问题研究中占有重要地位。河网水动力数值模拟【13 j 具有适应性 强、应用面广的优点，不仅成功的取代了以往水力学中的瞬态法、图解法等大量手 工劳动，而且可以选择不同参数作计算机试验。其次，它不受模型比尺限制，不占 第1 章绪论 用实验场地。第三，其实验费用少，周期短，模型建成后保存方便，并可随时调用， 修改方案也比较容易。最重要的是河网地区河道密布、水流方向不定等客观条件的 限制，可能还有闸、堰等建筑物，在研究区域较大的情况下，应用物理模型将极难 控制和调节水力因素变化，现阶段只能采用数值模拟的方法模拟河网地区的水流流 动规律。【1 4 】 按河网水流的控制方程及对河网的概化处理方式不同，河网地区的水流数值模 拟方法可分为两大类 1 5 , 1 6 1 ：一类为常用的维圣维南方程组数值解法；一类为所谓 的“组合单元解法”。其中，一维圣维南方称组数值解法又可分为直接解法和间接解 法两种。李岳生等首先提出了求解河网非恒定流方程组的直接解法1 1 ”。该类方法将 计算断面交替取为水位和流量断面，对河网在所有计算断面上统一对一维圣维南方 程组差分离散并求解。但该类方法未知数数量较多，在河网规模较大的情况下，因 为河道的交叉衔接，形成的矩阵是一个不规则、不对称的大型稀疏矩阵。为减少存 储，提高计算效率，需缩小矩阵规模，中山大学李岳生等于1 9 7 9 年提出了河网非恒 定流隐式方程组的稀疏矩阵解法( 即河网水动力的一级解法) 1 7 1 。该方法从河网矩 阵本身的特点出发，能够有效的节省存储并提高计算速度，但矩阵中需包含所有断 面的未知数，方程规模仍然较大，其实际使用也受到限制。而间接解法是将断面未 知数先集中到汉点，待求出汉点处的未知数后，再求解各单一直河段未知变量，计 算效率大大提高。间接解法的思想首先由荷兰水利学专家d r o n k e r s 1 8 】于1 9 7 6 年提 出，以后又有许多学者对此方法进行进一步的完善，相继提出了河网非恒定流的二 级解法【1 9 1 ( 徐正凡，1 9 8 3 ) 、三级解法幽】( 张二俊，1 9 8 2 ) 、四级解法【2 1 1 ( 吴寿红， 1 9 8 5 ) 、汉点分组解法 2 2 1 1 2 3 1 ( 李义天，1 9 9 7 ) 以及郑邦民【1 3 l 等( 2 0 0 1 ) 提出的基于 图论的随机游动法。此类间接解法中，以三级解法最为常用。三级解法的本质是利 用河段离散方程的递推关系，建立汉点的离散方程并求解】，其算法原理是：( 1 ) 先对单一河段每一微段上的s a i n t v e n a n t 方程组离散为水位和流量的线性方程组 ( 直接求解，称为一级解法) ；( 2 ) 在河段内进行消元计算，得到各单一河道以首、 末断面的流量与水位为变量的河段方程( 其求解称为二级解法) ；( 3 ) 利用河道交叉 点连接方程和边界条件，消去河段方程中的某一变量，得到水位或流量的节点方程 组，求解所有汊点水位、流量后，再求各断面水位、流量值，称为三级解法。 “组合单元解法”由法国水力学家j e a n a c u n g e 于1 9 7 5 年首次提出【1 5 】，国内 第1 章绪论 也有研究者采用此方法进行了河网地区的水利模拟( 金忠青瞄】，1 9 9 1 ，韩龙喜等【”1 ， 1 9 9 4 ) 。此方法的基本思想是：将河网地区水利特性相似、水位变幅不大的水体概化 为单元。取单元中心的水位为代表水位，采用谢才公式模拟单元问流量交换，根据 水量守恒建立每一单元的微分形式的水量守恒方程，离散并得到以单元水位为自变 量的代数方程，辅以边界条件，可求得各单元水位、单元间流量。 在上述两类方法中，组合单元解法对河道进行了简单概化，以单元为计算单位， 计算相对简单，但模拟精度相对较低，仅适用于大尺度水域的水利模拟。而 s a i n t v e n a n t 方程组数值解法可以精确计算每一条河道的水流状况，所以成为目前 河网水利模拟的主流方法，其中又以三级解法最为常用。由于三级解法以单一河道 为模拟对象，计算精度较高，可以满足环境管理部门对常规水环境进行管理的需要。 1 3 1 2 河网水质模型研究概况 水质模型的类型很多，本节将概要介绍与河网有关的几种水质模型。1 5 1 ， 2 6 1 一【3 2 】 ( i ) s t r e e t e r p h e l p s ( 1 9 2 5 ) 的稳态b o 卜d 0 模型。最早的河流水质模型【5 】 是由s t r e e t e r p h e l p s ( 1 9 2 5 ) 的稳态b 0 卜d o 模型，b o d 方程只考虑有机物的生化 降解，降解量与b o d 浓度成正比；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。该模型不适用于污染严重、影响因素较多的河 流水质计算。 ( 2 ) t h o m a s 模型( 1 9 4 8 ) 。在s p 模型基础上，b o d 方程再考虑悬浮物沉降及 冲刷再悬浮的影响。模型考虑的因素是合理的，但至今沉降冲刷系数值难以确定。 ( 3 ) d o h h i n s - - c o m p 模型( 1 9 6 4 ) 。在t h o m a s 模型基础上，b o d 方程再考虑底泥 释放及地表径流的影响，d 0 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。 ( 4 ) 0 e o n n o n 模型( 1 9 6 7 ) 。在t h o m a s 模型基础上，b o d 方程考虑碳化c b o d 及硝化n b o d 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。该模型适 用于流速缓慢，含氧污染物含量较高的河流。 ( 5 ) q u a l i i 多参数模型。q u a l i i 模型( 美国环境保护局，1 9 7 3 ) ，非稳态多 参数水质模型，是一个综合性的多用途模型。河流可以是既有干流又有支流，可以 有多个排放口。模型可以用于河流水质规划，研究污染负荷在强度和位置方面的变 第1 章绪论 化对河流水质的影响，污染物的瞬时排放对水质的影响等。模型能够研究藻类生长 和呼吸过程的影响，模型含有1 3 种水质参数，包括水温、溶解氧、生化需氧量、叶 绿素a 、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解性磷、大肠杆菌、任选一种可降解物 质、任选一种不可降解物质等。模型描述了1 6 种相互关联的过程，包括：复氧过程、 c b o d 耗氧、氨氮氧化耗氧、亚硝酸盐氮氧化耗氧、底泥耗氧、光合作用产氧、c b o d 沉淀、浮游植物对硝酸盐氮的吸收、浮游植物对磷酸盐的吸收、浮游植物呼吸作用 释放磷酸盐磷、浮游植物的死亡和沉淀、浮游植物呼吸产生氨氮、底泥释放氨氮、 氨氮转化为亚硝酸盐氮、亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，以及底泥释放磷等。 在具体计算中，q u a l i i 水质模型把目标河流系统划分为一系列河段构成的网 络。河段之间用节点相互联结在一起。每一个河段划分为多个小节段，节段的长度 即是所选定的空间坐标计算步长。这样一来，整个河流系统就被分解为一系列相互 联结的反应器系列。每一个节段视为一个完全混合型的反应器。反应器之间采用平 移和弥散过程联系起来。为了便于建立方程，河流的节段一般具体划分为： 源头节( 干流和支流的第一节) ； 正常节； 支流入口的上游节； 支流入口节： 河流的末节； 含有点污染源的节； 有出流的节( 例如抽水灌溉等) 。 对于每一个节段，任何一个水质参数，就可以利用物料平衡和动力学关系式得 到相应的方程组。假如有n 个节和1 3 个水质参数，就可以得到1 3 n 个方程。所有 这些方程，就构成一个庞大的方程组，方程组的解就是河流1 3 个水质参数的浓度分 布。q u a l i i 模型虽被广泛用于河流水质模拟，却不适合环状河网。且不能胜任流 动出现顺逆不定的潮汐河网。 ( 6 ) 美国环保局( 1 9 8 8 ) 开发了w a s p 河网水质模型及相应的全河网直接求解 的方法，该模型的求解方法简单直接，但当河网系统较大时，求解的代数方程组阶 数将很高，会占用巨大的计算机内存，计算十分费时，只适用于小型河网。 从以上水质模型研究概况的介绍中可看出，上述模型均不能全面反映平原潮汐 第1 章绪论 河网水环境的各种特点，例如q u a l i i 模型没有考虑流向顺逆变化下对水质变化规 律的影响；w a s p 河网水质模型只适用于小型河网。并且上述模型都没有c o d 方程。 因此，本文根据上述平原河网地区水环境的各种特点，并吸取以往多种模型的优点， 建立了适应性强，符合实际的河网潮周平均多参数水质模型。 1 3 2 模型系统研究概况 1 3 2 1 国外研究情况 1 9 6 3 年，加拿大测绘科学家诺基尔汤姆林逊【3 3 1 ( r o v e r f t o m l i n s o n ) 首先建立了世界上第一个g i s 系统，即c g i s ( 加拿大地理信息系统) ，用于自然资源 的管理和规划。g i s 在环境中的应用【3 4 】明显落后于在城市区域规划，资源环境调查、 评价等。直n - - 十世纪七十年代，g i s 才开始在环境保护领域得到应用【3 2 】。尽管如 此，g i s 技术在环境领域也已经取得了惊人的发展，g i s 技术现在正在广泛应用于环 境研究的各个领域，在水质模型与g i s 技术的集成方面，也有许多成功的实例。 为了支持各种层次的水资源和水环境管理，美国国家环保局( u s e p a ) 基于g i s 技术和美国地凋局( u s g s ) 的水文数据开发了全美河段文件口4 1 ；美国还为国家和州环 保机构和污染控制部门开发了b a s i n s 程序，利用g i s 技术将整个美国的流域数据、 流域分析和水质分析软件等统一起来，为用户提供一个易于理解的、将点源和非点 源统一起来的流域管理工具。欧洲一些国家的机构”1 也联合开发了具有水文过程模 拟、水污染控制、水资源规划等功能的流域规划决策支持系统“w a t e r w a r e ”。该系 统中综合利用了g i s 、数据库、模拟技术、最优化程序和专家系统等功能。在个人 研究方面，c h a n s h e n gh e 等【3 5 j 把农村非点源污染模型和g r a s s 及g r a s sw a t e r w o r k s 相结合，确定排入河流的n 、p 和沉积物的量，为决策者提供了信息；h a y ，b a t t a g l i n ， p a r k e r 和l e a v e s l e y 等【3 6 】 3 7 1 将g i s 技术和水环境模型( p r e c i pi t a t i o nr u n o f f m o d e l i n gs y s t e m ) 以及大气模型ag c m ( a t m o s p h e r i cg e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l s ) 结合进行了气候变化对g u n n i s o nr i v e r 流域水资源的影响研究；专业化的g i s 应用 方面，爱尔兰国立大学都柏林学院水资源研究中心【3 3 】【3 8 研究开发的流域水管理决策 支持系统( d s s c w m ) ，通过a r c i n f o 与流域水质、水量、地形等模型的有机结合， 提供查询、分析、预测流域内各主要河段的水质、水量状况的功能等资料。 第1 章绪论 1 3 2 2 国内研究情况 我国的环境管理和g i s 起步总体上比国外都要晚。1 9 7 2 年，我国参加了在斯德 格尔摩召开的人类环境会议【3 9 l ，自此环境管理才开始被重视起来。二十世纪八十年 代，我国g i s 建设开始起步【“。1 9 9 5 年，世界银行b 一1 项目 4 1 1 选用a r c i n f o 作 为g i s 的开发平台建立我国2 7 个省、自治区级环境信息系统，促使了g i s 在我国环 境领域中的应用和发展。近年来，我国许多研究人员和学者在水环境管理信息系统 与g i s 技术结合方面做了大量的研究工作，并取得了一定的进展，在实际应用中也 有了许多成功的实例。 华南环境科学研究所开发的区域水环境决策支持系统 3 8 1 ( e d s s ) ，可实现水体流 动特征的预测、污染源一河网一维水质动态模拟、二维水质动态模拟、地形变化对 水质水量影响的模拟、污水处理厂选址、造价估算等。上海市环境管理部门建成的 黄浦江环境流域水环境g i s p 4 】【4 2 】，具有动态监测显示、水污染过程模拟及取水口水 环境管理功能，并可对水质作出快速预测分析和预报。大连湾的水污染与控制系统 模型【8 l 3 4 1 与g i s 集成实现了水质状况模拟。江苏省水环境容量信息管理系统【1 2 】，采 用一维水质模型，计算全省各河流的水环境容量，并可进行各种查询，为排污口位置 的合理布置、排污量的控制、水质预测、污染治理和水资源利用提供管理和决策依 据。苏州河水环境信息系统 4 3 i ，运用水质数值模拟及其与g i s 相结合的技术，研究 了苏州河水体水质的时空变化规律。福建省环境信息中心开发的闽江流域水环境地 理信息系统( m j g t s ) 【3 8 】采用客户一服务器结构。利用了g i s ( a r c i n f o ，a r c v i e w ) 提 供的基本空间数据管理功能，可进行各种基础环境信息的存储、查洵、统计等。l e u n g 等】把g i s 和数学模拟技术应用于珠江三角洲地区感潮河网的水质数学模拟。此外， 我国许多城市如北京、上海、南京【4 5 】、湛江等市都建立了环境管理地理信息系统， 在环境管理和决策中发挥了重要作用。 1 4 本文研究的目标 从目前研究水平和应用现状来看，g i s 与水环境数学模型的耦合都比较简单， 很多系统只是建立了模型与g i s 之间的桥梁，而没有实现二者之间的有机结合；而 且大多数系统的针对性都比较强。本文将在充分利用以往水环境管理信息系统的研 第1 章绪论 究成果的基础上，实现以下研究目标： ( i ) 研究河流概化的方法，并在分析河网水环境特性的基础上，建立可适用于 复杂潮汐河网的一维水动力、水质数学模型； ( 2 ) 实现基于组件式g i s 控件m a p o b j e c t s 与河网一维水环境数学模型的集成， 并利用g i s 的图形显示功能实现模型模拟结果的可视化显示。 ( 3 ) 建立面向水环境管理，融合水环境各种技术方法和计算机可视化技术、 现代数据库技术等不同学科相关技术方法，实现信息管理分析现代化、实用的水环 境管理信息系统。为水环境保护提供全面、准确、客观、有效的信息服务和技术支 持，为环境管理决策提供依据。 第2 章河网一维水动力、水质模型数值模拟 第2 章河网一维水动力、水质模型数值模拟 2 1 河网水环境数学模型求解方法研究概述 河网不同于单一河流的特点在于河网水力性质的错综复杂性以及由此带来的方 程组离散和求解上的困难。对于大型潮汐河网来说，其水力要素变化规律和污染物 迁移转化规律可用一维模型来进行模拟计算。 2 1 1 河网水动力模型求解方法研究现状 河网水动力学数学模型求解方法1 5 】目前大体可以分为节点一河道模型、单元划 分模型、混合模型以及人工神经网络模型四类。 节点一河道模型的基本思想是：将河网中的每一河道视为单一河道，其控制方 程均为一维圣维南方程组；河道汇合处称为汉点，每个汊点处均满足水流连续方程 和能量守恒方程。求解由边界条件、圣维南方程组和汊点衔接方程组成的闭合方程 组，即可得到各河段内部断面的未知水力要素。节点一河道模型原则上可以求解任 何河网的水力参数，该模型是目前应用最为广泛的河网模型。 单元划分模型【1 5 】的基本思想是：将水力特性相似、水位变化不大的某一片水体 概化为一个单元，单元间流量交换的是连接河道，其本身无调蓄作用。模型假定单 元间存在两种连接方式：河型连接( 在无水工建筑物或障碍物的情况下，不存在局 部水头损失) 和堰型连接( 存在局部水头损失) ，堰型连接又可分为自由出流和淹没 出流两种形式。计算时，将计算河网分解为一定数量的单元，再进行分组，然后确 定各单元间的连接类型。取单元几何中心的水位代表单元水位，给出水位与水面面 积之间的关系。对每个单元给出微分形式的质量守恒方程，经有限差分法离散后得 到以单元水位为基本未知量的方程组，进而求解各单元的代表水位和单元间流量。 单元划分模型最大的优点是，使河网水系得到明显的概化，这对于湖泊、池塘、水 库众多的平原复杂河网，可使模型的数值计算大为简化。其缺点是：水位相近是单 元划分的主要依据，忽略了主要河道、支流河道、湖泊其他水力特性的差别；忽略 了圣维南方程组的惯性项，仅适用于河道流速时空变化不大的情况，对于汛期洪水 涨落比较急剧和沿海感潮河段，该模型不适用【4 7 l 。 第2 章河网一维水动力、水质模型数值模拟 混合模型是将节点一河道模型和单元划分模型中与平原河网特性相适应的优点 综合起来，并避免其不相适应的缺点而构成的新模型。其建模基本思想是：将平原 河网的水域区分为骨干河道和成片水域两类，对骨干河道采用节点一河道模型；对 成片水域采用单元划分的方法将其划分为单元，再引入当量河宽的概念，把成片水 域的调蓄作用概化为骨干河道的滩地，将其纳入节点一河道模型一并计算。混合模 型综合了节点一河道模型和单元划分模型的优点，对平原复杂河网进行合理的概化， 进而归入节点一河道模型一并计算，可以大大简化河网水流的计算。不足之处是河 网前期概化工作量大，成片水域和骨干河道的划分属经验处理，不易掌握【4 ”。 人工神经网络模型是由大量神经元构成的并行分布式系统，它能采用计算机来 模拟生物神经网络的结构和功能。平原河网与人工神经网络在结构上有许多相似之 处，两者都是由各个内部单元通过并联或串联形成一个相互制约的整体网络结构， 通过调整系统内部各个“神经元”之间的相互作用可以达到系统输入变量和输出变 量之间的最优化或平衡，因此，人工神经网络理论可用于复杂河网水动力模型的数 值模拟f 4 8 】。人工神经网络模型和水动力模型的有机结合避免了水动力模型计算量 大、计算速度难以满足实时预报的要求等问题；同时可以利用水动力模型为神经网 络模型提供学习样本，弥补了在重要河段利区域由于资料缺乏而使神经网络模型应 用受到局限的缺陷。但是模型需要大量的训练集数据库，这在实践中很难搜集到如 此多的供系统学习的样本【4 7 l ，而且，神经网络模型是“黑箱”模型，反映网络内部 节点之间关系参数的物理意义模糊，就河网水动力模拟而言，它实际上反映的是河 网各种因素的综合影响，这就给模型的验证带来困难。李荣等人 4 9 1 就河网水量的数 值模拟建立了荆江和洞庭湖灌溉系统的神经网络模型，但模型未涉及到河网水流运 动的另外一个重要参量水位。 鉴于以上分析，本文选用节点一河道模型作为河网水流的计算基本模型。其具 体求解步骤在2 2 节会有详细叙述。 2 1 2 河嘲水质模型求解方法概述 河网水质模型求解计算方法是实现定量描述污染物在水体中迁移转化规律的重 要技术关键。河网水质模型方程的解包括解析解和数值解两种，一般只有在少数特 殊情况下，才能求得解析解。由于河网的河道组成形式及水流、水质条件的复杂性， 第2 章河网一维水动力、水质模型数值模拟 在大多数情况下，解析求解是相当困难的，只能通过数值方法求近似解。河网水质 模型的几种代表性的数值求解方法有逐河道求解法、全河网直接求解法及分级求解 法等【5 0 l 。 一般情况下由于地形条件的影响，同一流域中的干流及所有支流的水流及污染 物输送方向始终保持不变。对于这类河网水系的水质模型求解，可以采用逐河道求 解方法，可分别从干、支流的源头开始，自上游向下游按河道次序，逐河道地进行 求解计算，直至最下游的河道。该方法对于污染物输送方向不变的树枝状河网适用 性较好，不适用于流向顺逆不定的河网水域。 全河网直接求解方法将河网中每一河道划分为若干河段，将水质基本方程用隐 式差分迎风格式离散，得到以各河段( 或断面) 浓度为未知变量的线性代数方程组， 求解该大型方程组，可直接得出全河网各河段( 或断面) 的浓度值。该方法虽简单直 接，但需要巨大的计算机内存，计算十分费时。 分级求解法将河网看作由河道、河道交汊点( 汉点) 及河道经细分后的河段组成， 将水质基本方程用隐式差分迎风格式进行离散，得到河道中各河段( 或断面) 浓度为 未知变量的代数方程组，再经推导求得节点浓度为未知变量的代数方程组。求解时 根据已知条件，先求解节点浓度方程，再求每一河道中各河段( 或断面) 的浓度值。 针对大型潮汐河网的特点，通过对这三种研究方法优缺点的比较，本文水质模 型的求解将采用分级求解方法，即“河道一河道汉点( 节点) 一河道”的求解方法。 在2 3 节中将详细叙述具体的求解方法。 2 2 河网一维水动力数学模型数值模拟 河网一维水动力数学模型是目前研究最为成熟、求解误差最小，也是目前应用 最为广泛的水动力模型。 2 2 1 河网的概化方法 迄今，任何模型都只能模拟经过概化的原型，河流模型也不例外。研究范围内， 河道纵横交错，小河众多，河道断面变化复杂，实际河网又有枝状与环状，甚至更 为复杂的环枝状河网，若把大大小小的河道都考虑在内，势必使河网过于庞大，计 算工作量巨大，模拟计算费时费力。所以必须抓住主要因素骨干河道，在天然 第2 章河网一维水动力、水质模型数值模拟 河网、湖泊的基础上，以骨二f 河道为基础，对河网进行合理的概化。【5 】 河网概化的基本原则是概化河网要基本反映天然河网的水力特性，即概化后的 河网、湖泊在输水能力和凋蓄能力两个方面必须与实际河网、湖泊相近或基本一致 5 1 。对复杂河网的概化 5 1 1 ，应注意两点： ( 1 ) 河网的概化在河网的概化中，应根据地形条件及水流情况，着重考虑主 要的河道，那些水量较小，对整个河网影响不大的短小河段或不予考虑，或与其它 河道结合考虑。 ( 2 ) 节点的概化河网模拟中，节点的概化决定河网计算成果的准确程度。实 际计算时可采用几何原则，根据河道交汇范围的大小来定。当该范围大于某一数值时 则将其视为堰泽或湖泊，否则将其作节点考虑。 蔫6 由 间 层 水 源 图2 一l 河网概化示意图 水 流 方 向 一般河网都可概化为如图2 - 1 所示的网络 5 1 】，图中的每条线既可代表单一河 段，也可代表湖泊，而每个交汇点既可代表河网中的节点，也可代表湖泊。需要说 明的是，图中线段的方向仅代表水流在初始时刻的方向，在实际河网中可能出现的 逆流、倒灌的反向流情形，仍可用图2 1 概化，但在建立模型的过程中，应考虑这 种情况。 经过以一k 河网概化后，整个河网由边界点、单一直河段和汊点组成。单一直河 第2 章河网一维水动力、水质模型数值模拟 段指的是河段中间无汉口，或者说是两端点，一端是汉口，一端是边界点( 或者两 端都是汉口) 。单一直河段是河网概化的主要元素。整个河网就是由一系列单一直河 段通过汉口连接成网的。对于单一直河段来说，汉口是其边界称为内边界，而实际 边界端称为外边界。 2 2 2 潮汐河网一维水动力模型方程及其求解方法 2 2 2 1 模型基本方程 1 、控制万栏 明渠非恒定流连续方程 詈+ 詈= 吼 - ， 明渠非恒定流动量方程 百o q + 一ai一q20saj + 鲥丝d s 十彬，= 。 ( 2 2 ) 珊 lj 。 。 式中，j f 为能坡，由以下几个经验公式确定： 史觉克公式 小品 ( 2 - 3 ) 式中，r 为水力半径，k s 为史觉克系数。 曼宁公式 lf ；婆( 2 - 4 ) 。，2 丽 式中，n 为曼宁系数。 谢才公式 ，：卫c 2 a2 r ( 2 5 )j 。k 。， 式中，c 为谢才系数。 当水流为恒定流时，略去控制方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中有关时间的偏微商项有 望。0( 2 6 ) 第2 章河网一维水动力、水质模型数值模拟 旦o ，ka ) + 鲥i o z + ，= 。 ( 2 _ 7 ) 若以z ，q 为变量，并考虑沿程旁侧入( 出) 流，则可得到如下形式的圣维南方 程组： 塑+血塑+oto s ” 式中：s 、t 分别为距离和时间的坐标； a 过水断面面积； b 主断面宽度； b 。水面宽度( 包括主断面宽度b 及仅起调蓄作用的蓄存宽度) ； 卜流量： z 水位； q 。旁侧入流流量； u 断面平均流速，u = o a ： 掣i ：水位相同时的断面沿程变化率； n 河床糙率： r 水力半径； g 重力加速度o v 。旁侧入流沿水流方向的速度分量，假定旁侧入流垂直于丰流，则 v 。= 0 。 此方程组即为维非恒定流水动力学模型的控制方程。 2 、河网汉点连接方程 在汉点处的衔接条件目前使用最广泛的是水流连续和能量守恒两个条件【1 4 】【5 2 】。 其表述如下： ( 1 ) 流量连续条件 进出每一个节点的流量必须与该节点内实际水量的增减率相平衡，即： q j = 詈= 爿掣 。， 趵 汜 吨 磐 增 吼巡以 堕椰叫 巩丝拈 堕船彬 第2 章河两维水动力、水斌模型数值模拟 式中，q ，通过i 断面进入节点的流量； w 节点的卷水量； 凋蓄节点的蓄水面积( 汇合区面积) ； z 1 、z l 一调蓄节点j + l 时刻和j 时裹的承使。 若调蓄节点面积很小，则： 嫉= 。 ( 2 ) 动力连接条件 热果节点餐美强键藏一个凡 霹点，斑入各繁赢懿承寝乎缓， 况，则各节点相连岔道的水位相等，等于该点的平均水位，即： z i = z 2 一舀 如果各断丽的过水断面相麓悬殊，流速有较为明显的差别， 损耗对，褥镥努力( b e r n o u l i ) 方程黧下： z ，十堕；z 十堕 2 9锯 2 2 2 2 方程解法 ( 2 - 1 0 ) 不毒袭求整突变。薅 ( 2 - 1 1 ) 当略去汉点的局部 ( 2 1 2 ) 1 、圣维南方称组解法概述 平琢湾瘸不藏手擎一潺流豹特点袭予平藩滔瓣承