（环境工程专业论文）水库水质富营养化预测预警研究.pdf

摘要水质富营养化是全球性的水污染问题，正曰益引起全社会的关注，尤其是作为城市饮用水水源的水库富营养化问题更是严重威胁着城市供水的安全。本文以于桥水库为研究对象，以保障城市安全供水为目标，系统地研究了水库富营养化问题。首先针对水库水质管理不完善的问题，引入了先进的g i $ 技术，研制开发了相关的水库水质管理软件，并结合于桥水库的具体地形图和水质信息建立了于桥水库水质管理信息系统，实现了水库水质的信息化管理，并为富营养化的预测、预警和防治规划提供了信息基础。其次，藻类恶性增殖作为富营养化的核心体现，同时也直接威胁着城市供水安全，所以本文以藻类为切入点，选择反映藻类数量的叶绿索浓度作为水质富营养化指标和预测预警对象进行研究，先后运用多元非线性回归方法和人工神经网络方法建立了预测模型，分别采用s a s 和m a t l a b 编写了程序进行模型的标定和验证求解，并根据预测的结果结合水库的实际情况制定了相应的分级预警方案，在预警的基础上研究相应的应急防治措施，这些措施包括水库内的藻类削减措施和水厂采取的工艺和药剂方面的应急准备。最后，为了真正实现安全供水，对于桥水库富营养化成因进行了分析，并对现阶段可以实现的防治措施进行了系统的规划，使用l j n g o 软件对防治规划进行了优化分析，在保证水质、满足环境容量约束的条件下得到了最优的富营养化防治规划。至此，本文结合于桥水库的实际情况系统地研究了水库富营养化问题，提出了一套完整的解决方案，实际分析的结果显示该方案切实可行，可以应用于实际。关键词：水库水质富营养化g i s 预测预警防治规划优化a b s t r a c ti n c r e a s i n g l yc a t c ht h ea t t e n t i o no fw o r l d ，e u t r o p h i c a t i o nb e c o m eag l o b a lw a t e rp o l l u t i o np r o b l e m ，e s p e c i a l l ye u t r o p h i c a t i o no fr e s e r v o ir ，w h i c hi sm e n a c i n gt h es e c u r i t yo fc i t yw a t e rs u p p l y o b j e c to ft h i sr e s e a r c hi sy u q i a or e s e r v o i ra n das y s t e m i cw o r ko ne u t r o p h i c a t i o ni sd o n eu n d e rt h es e c u r i t yt a r g e to fw a t e rs u p p l yf i r s t l y ，a c c o r d i n ga st h el i m i t a t i o no fw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t ，t h ea u t h o rd e v e l o p sai n t e g r a t e ds o f t w a r es y s t e mb a s e do ng i sa n da p p l i e si tt oy u q i a or e s e r v o i r ，e s t a b l i s h e sw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mw i t ht h eb a s em a po ft o p o g r a p h ya n dm o n i t o rd a t aa sf o u n d a t i o n ，w h i c hg i v e si n f o r m a t i o ns u p p o r tt ot h ef o l l o w i n gr e s e a r c h s e c o n d l y , a sa l g a lb l o o m i n gi st h ef o c u so fe u t r o p h i c a t i o na n dm e n a c et h ew a t e rs u p p l ys e c u r i t yd i r e c t l y , w ec h o o s et h ec o n c e n t r a t i o no fc h l o r o p h y l lt op r e d i c ta n dg i v ea d v a n c ew a r n i n go ne u t r o p h i a ，w h i c hr e p r e s e n t e dt h eq u a n t i t yo fa l g a l t h e n ，t w op r e d i c t i o nm o d e l sw e r ec o n s t r u c t e du s i n gm e t h o d ss u c ha sn o n l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i sa n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kr e s p e c t i v e l y , a n dp r o g r a m sw e r ed e v e l o p e do ns a sa n dm a t l a bt oc a l c u l a t et h er e s u l t f u r t h e r m o r e ，w es e tu paa d v a n c ew a r n i n gr a i s i n gm e t h o db a s e du p o nt h ep r e d i c t i o nr e s u l ta n dc o n d u c ta ni n v e s t i g a t i o ni ne m e r g e n c yc o n t r o lm e a s u r e ，i n c l u d i n ga l g a lr e d u c i n gm e a s u r e sa p p l i e di nr e s e r v o i ra n db e f o r e h a n dm e d i c a m e n tp r e p a r ei nw a t e rp l a n t f i n a l l y , w ea n a l y s i st h ec a u s eo fe u t r o p h i af o r m a t i o ni ny u q i a or e s e r v o i ra n dm a d eas y s t e m i cp r o g r a m m i n go np r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r e si nb e i n g ，u s i n gl i n g ot os o l v et h el i n e a ro p t i m i z a t i o n ，g o ta ne c o n o m i c a ll a y o u tw i t h i nt h ee n v i r o n m e n tc a p a c i t y t h u sf a r , at h o r o u g hs t u d yw a sm a d eo nt h ee u t r o p h i ai ny u q i a or e s e r v o i ra n dap r a c t i c a ls c h e m ew a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t yo fr e s e r v o i re u t r o p h i c a t i o ng i sp r e d i c t i o na d v a n c ew a r n i n go p t i m i z a t i o no fp r e v e n t i o na n dc u r ep r o g r a m m i n g独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞本堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。学位论文作者签名：等讯签字日期：2 口堙年，2 月劲日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫鲞盔茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：孕氛导师签名签字日期：2 d d 2 年，2 月弓d 日签字日期：夕噼l 明弓口日第一章绪论第一章绪论1 1 课题的提出和研究意义富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是在湖泊、水库以及海湾等缓流水体的水生态系统中，自养型生物( 主要是藻类等浮游植物) 在水中建立优势的过程。富营养化的表现形式之是水体中的营养物质含量过剩，如磷、氮等，水中的这些有机物是产生消毒副产物的母体物质，在饮用水的氯消毒过程中不但会产生挥发性较强的三卤甲烷，而且会产生危害更大、沸点较高的卤乙酸等三致性更强的卤代有机物，使饮用水致突变性提高，饮水安全性下降；随着水中含氮化合物的增加，还将损害机体的血红蛋白，使人畜中毒；含氮化合物中的亚硝酸盐还可在人体消化系统中引发食道癌和胃癌。水体中营养物质过剩，再辅以适当的光照和水温条件将会导致藻类的大量繁殖，占据其他水生生物的生存空间，同时也使自身种属减少，少数藻类恶性增殖，进而造成水中溶解氧的急剧下降，使鱼类等水生生物因缺氧而死亡、生态平衡遭到破坏，水体自净能力下降，水质恶化，水体发黑发臭；而且某些藻类如蓝藻等在一定的环境下会产生毒素，这些毒素对健康有害，藻类本身也将迅速死亡和腐烂，使水体腐化变质，最终导致湖泊老化和衰亡。中国主要水库富营养化现状评价的结果表明，水库富营养化程度总体状况尚好，富营养水平以上的水库仅占调查水库数量的1 2 5 ，但城郊水库的富营养化问题较为严重，如蘑菇水库，官厅水库，海龙水库等“1 。水库水质的富营养化给城市供水安全带来严重危害，须引起高度重视。水库作为城市生活、工业用水和农业灌溉的水源，为了保障安全供水，对水质有着一定的要求。然而，水库水质富营养化不但对城市安全供水造成了很大的压力。而且，对水厂的运行也不利，其影响有三：其一，藻类堵塞滤池。一般说来，饮用水生产方面关心的多是微小藻类( 凡微米到几十微米) 。由于水中微小藻类的密度小，因而不易在混凝沉淀过程中去除。大量在混凝沉淀过程中未被去除的藻类进入滤池时，常常会造成滤池较早堵塞，使滤池运行周期缩短，反冲水量增加，严重时可能引起水厂被迫停产；其二，药耗增加，水中大量藻类、有机物和氨氮的存在，使得混凝剂和消毒剂用量大大增加。同时，有机物和氨氮与氯反应，增加了水中消毒副产物的含量。其三，篼一章绪论藻类是富营养化水体中主要的致臭微生物，藻类产生的臭味用常规净水工艺很辨去除，棠使城市供水中出现不愉快气味，引起用户对水质感官上的不满a这样，不仅使制水成本提高，更降低了饮水安全性。另外，由于目前国内的水库水质管理还不完善，很多情况下只是对水库各项水质指标的监测数据的机械积累，然而水质及其相关数据均具有空间分布特性，只有数字记录不能全面表达水质状况，没有形成完整的水库水质信息管理系统；而且传统的手工管理模式与现代化社会的发展不相适应，无法管理和利用这些水质信息资料来进行水质管理和水源保护工作，寻求新的技术来对水库水质信息进行科学管理已经成为必然。地理信息系统( g i s ) 是对地理空间信息进行处理和管理的计算机技术系统，具有极强的空间数据分析能力，可将空间信息的处理与属性信息的处理完美地结合起来，使人们不仅知道存在什么样的信息，而且知道发生在什么地方，并能研究其在空间和时间上的变化。所以，利用g i s 技术建立水库水质管理信息系统已经成为水质管理的个新的发展趋势。国内外有许多的学者对水库富营养化问题进行了深入研究，但大多数研究集中在以下几个方面：水库水质富营养化现状评价 3s l 水库富营养化的形成原因分析”。9 1 、水库富营养化的防治o ”1 等，而对于水库水质的信息化管理，尤其是在信息化管理的基础上对富营养化直接导致的后果爆发水华的预警的研究甚少。这就出现了问题：首先，我们不仅关注水质的现状、更希望在水质监测与管理信息系统支持下，有效地关注水质的变化趋势和可能发生的水质恶化事故。其次，研究某些有效的防治措施虽然能够改善水质，但通常需要一个相对长期的治理过程，而在这治理的期间内发生大规模藻类滋生的可能性也很大。鉴于以上情况，本课题进行水库水质富营养的预测、预警研究，可以使水厂提前了解入厂原水的水质情况，事先做好预处理工艺和药剂方面的准备；在水库内也可以预先采取相应的应急措施，降低藻类的浓度，减轻水厂处理的压力，从而保障和提高了供水的安全性。另外，采用g i s 技术管理水库水质，可以更加方便快捷的了解水库的水质变化情况，即提高了水库管理的信息化水平，也从另个方面为安全供水提供了有力的支持。本课题的研究既有解决具体问题的实际意义，在引入新技术，进行新方法的探索过程中也体现了科学研究的创新精神。天津是个缺水城市，保障供水是天津经济发展、人民生活和社会稳定的基础。于桥水库是天津市主要水第一章绪论源地，承担着向天津供水的重要任务，不仅要保证供水的数量，还要保证供水的质量。历史上( 1 9 9 7 年) ，就因为水库水体中的藻类突然爆发形成水华，检测到的叶绿素值达到1 3 5 微克升，藻类计数每升原水超过一亿个，造成水厂的水处理工艺压力过大，投加的混凝剂达到正常投加量的4 5 倍，但效果仍然很差，在一定程度上影响了供水的水质。而目前，于桥水库的水质已处于富营养化向重度营养化过渡、接近重度营养化边缘的水平，产生“水华”的可能性极高。一旦“水华”大规模爆发，势必严重威胁到全市生产、生活用水的安全。由于水库水质的好坏直接危及到全市生产、生活的用水，因此，进行本课题所进行的富营养化预测、预警研究既有很大的环境、社会效益，又有实际需求的迫切性。g i s 作为一种先进的技术手段引入到水库水质管理中，将大大提高水质管理的信息化水平。将g i s 应用于水质管理信息系统，不仅可以利用其强大的空间信息管理能力建立库区各类水质监测数据库、库区的环境数据库和图形库，而且可以对空间数据进行有效的管理和分析，并将这些数据以直观、形象的图形化方式输出和显示出来，从而使管理者迅速了解和掌握水质指标变化的时空分布、预警“水华”的爆发，以便优选可能的应急处理措施。本课题以o l s 为运行环境，所提出的基于g i s 的水质管理信息系统及应用的研究，在国内尚属起步阶段。1 2 国内外研究动态水质富营养化是全球性的水污染问题，自六十年代以来就受到了国际社会和众多国家的关注和重视。富营养化不仅使水体丧失其应有的功能，而且使水体生态环境向着不利于人类的方向演变，最终影响人民生活、经济建设和社会发展。因此，很多国家和国际性机构对此进行了大量的研究。1 2 1 富营养化机理研究动态n ”卢曼( n a u m a n ，1 9 1 9 ) 首次将贫营养和富营养概念引入到湖泊研究领域中，并提出了富营养化问题；湖泊水体富营养化的进程，实际上是自养型浮游藻类吸收、利用湖泊水体的营养物质充分增殖并建立优势种类的过程，所以各国学者纷纷进行于藻类增殖密切相关的湖泊形态学、水文学以及水质和底泥特征的考察和研究，相继提出各种划分和评价湖泊水质营养状态的标第一章绪论准：吉村判定标准( 1 9 3 7 ) ；沃伦威德负荷量标准；捷尔吉森湖泊营养类型判定标准：相崎守弘湖泊营养程度评分标准；卡森营养状态指数法( t s i )等，目前使用较多的是卡森营养状态指数法，这是综合湖泊多项富营养化代表性指标，将其表示成指数而对湖泊营养状态进行连续分级的方法，克服了单一参数评价的局限性，可准确反映湖泊的营养状态发展阶段。在这些富营养化机理研究及营养状态评价方法的基础上，各国学者还结合以先进的数学方法加以完善，如人工神经网络、层次分析法等，并应用到湖泊水库的水质评价中，得到了全面、准确的分析结果。在进行营养状态评价工作以外，各国学者还研究各种反映富营养机理的数学模型，这些模型可以应用于水质富营养模拟和预测，所以将结合富营养预测加以介绍。1 2 2 水质富营养预测研究水平“”水质富营养预测模型经历了三个阶段：营养盐模型、浮游植物生态模型、湖泊富营养化生态一动力学模型。营养盐模型：v o l l e n w e i d e r 、d i l l o n 、o e c d 、合田健等学者和组织纷纷提出了不同形式总磷模型，出发点都是磷为藻类增殖即富营养化的限制性因子，预测磷的变化趋势即可反映出富营养化的趋势。磷模型具有简单、使用方便等特点，但也有着自身难以克服的缺点，不能反映湖泊生态系统的动态发展过程。浮游植物生态模型：m o n o d 模型表达了稳态条件下一种限制性营养元素与浮游植物生长的关系；d r o o p 模型认识到营养盐过度吸收的重要性，将藻类生长和细胞内部的营养库大小联系到一起。这类模型受到具体空间跨度的制约，还需要进一步深入。生态- 动力学模型：c e q u a l i c m 模型包括2 2 个状态变量，涉及湖泊物理特征、多种藻类、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。w a s p 6 中的e u r o 模拟程序主要包括8 个变量，建立起四个平衡关系：浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡。生态- 动力学模型相较于前两类模型考虑的影响因素更多、更加全面，也更接近于富营养机理，但由于缺乏统一详细的湖泊水化学方面的数据，给这类模型的校正、验证造成很大困难，使创建的湖泊富营养化生态动力学模型适用性不高。第一章绪论1 2 3g l s 在水质管理方面的动态“6g i s 作为一种新兴的信息技术，应用日益广泛。g i s 在水资源和水环境领域中的应用主要集中在河流的水质和水文管理、流域综合管理等方面，如：美国科罗拉多州开发的科罗拉多和决策支持系统，用于流域空间的存储、检索、分析和显示；宾夕法尼亚则将其应用于暴雨水管理问题“：c o n o r 等利用g i s 与h e c 一1 和h e c 一2 集成，研究美国县域地表水管理问题”；上海建立了黄浦江流域水环境g i s ，苏州则以g i s 为工具和平台开发了苏州河环境综合整治管理信息系统，等等。在水库水质管理中的应用相对鲜见报道。1 2 4 预警用于水库水质预警在环境中的应用还属于起步阶段，理论和方法还不成熟，国内外在这方面的研究都很少，只有一小部分对于理论的研究，如对环境预警的探讨“”( 陈国阶，1 9 9 6 ) ：对水质预警理论的初步研究”( 董智颖等，2 0 0 2 ) ；实际应用也非常少，笔者目前了解到的只有预警在环境影响评价中的应用”( 陈治谏，1 9 9 2 ) ，在近海岸生态环境分析中的应用“”( 梁中等，2 0 0 2 ) ，在区域性潜水饮用水水质分析中的应用”( 董智颖等，2 0 0 2 年) 等极少数几项。预警在水库水质管理中的应用还未见报道。1 2 4 富营养防治对策针对水库的富营养问题，国内外很多学者都在其防治方面进行了研究，如对入库的氮、磷污染物进行削减。“3 ；将包括库区在内的水源地分为不同级别的保护区采取相应的措施加以治理“”；结合水库的实际情况采取生物控制措施”，建立前置库。“2 ”等。但这些措施都没有形成完善的规划，没有考虑防治措施的成本投入问题，也没有从经济最优的角度对防治规划进行优化。1 3 主要研究内容本课题主要侧重于两方面的研究：一方面要根据于桥水库水源保护和富营养化防治的实际情况，以g i s 技术及软件系统为平台建立有效的水库水质临测信息管理系统；另一方面要依据水质监测数据分析水库水体中藻类的生长情况，对“水华”的爆发提前作预警，并结合具体情况( 已有和可能采取第一章绪论的防治措施) 研究相应的应急控制措施，以保证安全供水。具体研究内容如下：首先调查、搜集、研究和分析于桥水库水质富营养化的状况：水质监测信息，水库的运行、管理等方面的资料：搜集、分析、整理水库及其附近的地形环境图以及有关属性信息、监测点分布图、监测数据资料等；以s q l 为数据库支持，建立水质监测指标数据库，包括属性数据库和空间数据库；以g i s 为开发平台和技术支持，采用v i s u a lc + + 为开发工具，开发通用型水库水质管理信息系统软件；基于水库水质管理系统软件，建立于桥水库库区水质信息管理系统：分析水质富营养化的趋势和水华的可能性；采用不同的预测分析方法建立数学模型，对水库水质的富营养化趋势进行预测；在保障供水水质的前提下，依据水质富营养化预测的结果，分析并制定水质的分级预警方案；在预测预警的基础之上研究制定相应的应急措施，以保障安全供水：分析子桥水库水质富营养化的成囡，对现有的防治措施进行系统规划，并对该规划进行优化，制定出经济最优的防治规划。第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统2 。1 水质现状于桥水库( 图2 - 1 ) 位于天津市蓟县城东4 公里处，库区位于燕山山脉边缘地带的州河盆地，是一座山谷型简地水库，控制流域面积2 0 6 0 平方公里，设计总库容1 5 5 9 亿立方米。水库建于1 9 5 9 年，1 9 8 3 年经过加固增容并纳入引滦入津工程，成为以城市供水为主，兼顾灌溉、发电等综合利用的大型水利工程，主要入库河流有沙河、黎河、淋河，坝址以下则为进入城市的饮用水源水输送渠道。作为引滦入津的重要调蓄水库，地表汇水是于桥水库来水的主要途径，由本流域地表径流汇水和引滦输水两部分组成，设计引水量为l o 亿m 3 年，夏季主要受纳本流域的径流汇水，其它季节则主要受纳来自大黑汀水库的滦河水。水库最主要的功能是向城市供水，每年可向天津市供水约9 亿立方米，自1 9 8 3 年以来已向天津市供水约1 4 8 亿立方米。于桥水库1 0 万亩水面是天津市城市供水之源。图2 - 1于桥水库位置图。”天津地区干旱缺水，水资源总量多年平均值为1 8 1 6 亿立方米( 不含入境水量) ，人均水资源占有量1 6 0 立方米，仅为全国人均水资源占有量的7 ，是全国人均水资源占有量最少的省、市之一。于桥水库作为天津市唯一的生第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统活饮用水和工农业用水水源地，承担了引滦调蓄、向天津市供水的重要任务，无疑在定程度上缓解了天津市水资源短缺的压力。然而近年来，由于自然因素以及上游人口增长、城市化、工业化进程加快，水源污染加重，加之对有限的水资源味地开采、利用，却缺乏有效地保护和再生等，造成水资源短缺和水环境质量的不断下降，致使于桥水库水环境逐年恶化；尤其是水库富营养化污染问题日趋严重。于桥水库的水量、水质状况与天津市人民的生产与生活密切相关，但是水资源的短缺和水质污染的交互影响使天津市的城市供水安全受到了严重的威胁。有关数据表明”1 ：9 6 年以来，于桥水库水体中总磷、无机氮的浓度一直居高不下，夏季总磷可达o 0 6 o 0 7 m g l ，最高可达0 1 0 8 m g l ，无机氮可达2 5 m g l ，而近1 0 多年以来，其各种营养盐浓度及富营养化响应参数也直呈上升趋势：1 9 9 1 年和2 0 0 0 年相比，总磷上升1 0 5 ，无机氮上升1 7 4 ，高锰酸盐指数上升了1 7 1 ，如图2 - 2 所示。按c a r l s o n 营养状态指数评价，于桥水库水质已处于富营养化向重度营养化过度的状态，接近重度营养化的边缘。图2 - 2 于桥水库水质参数( 极值)同时，随着季节、气候的变化，于桥水库的水质呈明显的周期性的变化，冬季水质好于夏季。近几年，每到夏季，水库就出现藻类大面积爆发、p h值升高、表层溶解氧浓度过饱和、高锰酸盐指数增高等现象，充分说明了于桥水库富营养化程度之高。伴随着富营养化而来的严重后果是藻类的恶性增殖。于桥水库藻类的优势种属是硅藻和蓝藻型，优势种为铜绿微囊藻，是富营养化湖泊的典型优势种。铜绿微囊藻等可产生环状七肽类物质，对肝脏具有明显毒素，称为微囊藻毒素( m i c r o c y s t i n s ，简称m c y s t ) 。通过基因突变、染色体畸变、d n a 损。邑餐处哟第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统伤、细胞增值、多阶段细胞转化和癌基因变化等一系列遗传毒理学研究，己证实该毒素是环境中一种新的促癌剂，其在水体中污染对人体的远期危害应引起重视。流行病学资料表明在原发性肝癌高发地区，饮用池塘和宅沟水居民患癌症的危险性明显高于饮用井水的人群，在这些沟塘水中发现有大量有毒藻类生长”“。目前于桥水库的水质监测中，毒性指标基本上未检出，尚不会对动物和人产生大的毒害作用，但对水生生态环境和人类健康存在潜在危害，所以从长远来看，还是需要引起高度重视，控制水质富营养的进一步恶配。2 2 水质管理信息系统地理信息系统( g i s ，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 ) 是为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。( 美国国家地理信息与分析中心n c g i a ) ，1 9 8 8 )g i s 在水资源和水环境领域中的应用优势在于：管理模式的现代化。采用计算机存储水库水质信息淘汰了传统的纸介质图纸和档案，大大缩小了存储空间，而且利用g i s 的各种查询统计功能，查询统计某个监测点、某种水质指标的信息，大大提高了查询检索及分类统计的速度，其快捷、方便以及管理的效率，是传统人工管理难以比拟的。提高管理水平。利用g i s 进行图档管理，而且水库水质的图形数据、属性数据兼而有之，不仅方便了水库的管理工作，而且极大地提高了管理水平。计算机查询可以查阅水库水质指标的数据记录，又可以直接得到相关的空间信息，了解水质的空间分布，使管理工作得心应手。实现系统动态更新。使用g i s 进行水质信息管理，可以通过建立实施监测系统将动态管理机制引入了水库水质信息的管理工作。无论是监测点点位的变化，还是水质的监浏数据信息，均可随时添入系统，更新现状信息库，使系统保持较好的现势性。利于科学决策。使用计算机进行信息管理，实现资源共享，避免重复建设。而且以g i s 为核心的信息管理，具有等值线分析工具，可显示各种水质指标的空间变化，提高了决策的科学性。第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统总之，利用计算机及其先进的g i s 技术，建立水库水质信息管理系统，符合高起点、高技术的要求和社会发展趋势。2 2 1 水库水质管理系统软件的开发通常，一个完整的地理信息系统是由以下及部分组成的：计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统开发、管理和使用人员。其中，软件、地理空间数据和系统开发是系统的关键组成部分。所以本课题的研究就从软件开发开始进行。软件开发是一项复杂的工作，包括了在软件整个生命周期中所需要处理和解决的事务。本课题按照软件工程方法进行设计和实施，保证了系统开发的质量和效率。2 2 1 1 需求分析和系统设计阶段本阶段主要完成的工作是：根据课题的设计要求，对软件功能需求进行调研，对系统应当具备的功能进行分析和组织，勾画出系统结构和轮廓。( 1 ) 系统需求不同领域的g i s 应用系统建立在g i s 基础平台上，面向具体的应用背景，水质管理信息系统也是如此。然而，g i s 作为地理信息方面的先进技术，缺乏相应具体的水质管理方面的专业知识背景，无法直接应用到水库水质管理中。一般的g i s 系统往往是一个通用的地理信息系统平台，系统所支持的功能很多并具有普遍性，且系统的组织结构也往往很庞大。对于专业性很强的水质管理来说，直接采用g i s 来建构管理系统是不可取的，过多的冗余功能和繁琐的操作步骤会使管理效率和经济效益大大下降。所以，需要在g i s通用平台的基础上进行开发，抽取出平台提供的基本功能，并进一步补充和扩展满足专业需求的功能，才能建立起高效灵活的水库水质管理信息系统。本课题选择武汉中地公司的m a p g i s 通用平台作为基础平台。( 2 ) 水库水质管理流程及功能需求目前水库的水质管理比较单一，只包括了水库基础数据的管理，水库水质监测和记录以及监测数据的存储、查询、统计和更新等管理。在这些基本功能的基础上，本课题的研究将监测数据的空间分析纳入水质管理中，也即根据监测数据的数值大小及其在水库库区内的空间分布，引入等值线图的表达方式分析库内的水质情况，为水质管理提供个可视的依据。一r n 第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统按照水质管理的要求，还需要对水质进行定时监测，水库水质的监测数据是从不同的监测点获得的，具有空间分布的特点：获得数据在时间上有累积性，形成一个不断延伸的时序数据系列。这就对系统对数据的管理提出了特殊的要求：既要反映水质的现状，又要能够调用历史数据回顾水质的历史发展过程。而目前通用的g i s 系统中无法实现对时序数据系列的管理，只能实现对管理对象在某一个具体时刻的状态( 通常是当前状态) 的管理。这个当前状态可以动态更新，但更新后系统就无法再保存前一状态的历史数据了。这显然不能满足水库水质管理的要求。所以笔者引入了时态g i s 的概念。时态g i s 是目前g i s 技术的发展趋势之一，也是g i s 研究和应用的一个热点问题。空间、时间和属性是构成地理信息的三种基本成分，在很多g i s的应用领域，空间实体的属性由着随着时间变化而变化的特点，时态g i s是能够跟踪和分析随时变化的空间、非空间信息的地理信息系统。研究时态g i s 的目的就是为了解决地理信息的时间维问题。这一点也正是本课题在开发水库水质信息系统时所要解决的关键技术难点。根据时态o i s 的不同特征可以对其有不同的分类方法：根据空间和属性变化的主导性可分为以空间变化为主的和以属性变化为主的，根据变化形成可分为连续的和离散的，等等。分析水质管理信息系统的特征：本系统中监测点的空间位置基本不变，而监铡数据则是不断更新的；水质的变化是连续不断的过程，但水质监测却并非如此，通常是定时监测，即监测数据在时间上是不连续的，所以本系统应该是以属性变化为主的、离散的时态g i s 系统。将这一点作为研究的基础，则研究的关键问题就是实现属性数据的离散变化过程。要实现属性数据的离散变化，首先要研究属性数据和图形数据之间的连接方式。事实上，g i s 不能处理时序数据系列也是由于其自身的数据组织形式所造成的。g i s 管理的数据可大致分为两部分：图形数据与属性数据。二者在空间数据库系统中一般采用分离组织存储的方法存储以增强整个系统数据处理的灵活性，而地理数据处理又要求对两种数据进行综合性处理，所以n n 数据和属性数据的连接也很重要。图形数据和属性数据的连接方式有4 种：n n 数据与属性数据分别管理：对通用d b m s 进行扩展以增加空间数据的管理能力；属性数据与图形数据具有统一的结构i 图形数据与属性数据自成体系。m a p g l s 平台中的数据连接方式为第三种，如下图( a ) 所示。笙三主王堑垄堕查堡翌鲨墨查星笪望堕星墨笙( a )( b )图2 - 3图形数据与属性数据的连接方式0 2 1这种结构中有双向指针，且由一个数据库管理系统控制，灵活性和应用范围均较前两种方式大大提高。然而正是这种图形数据和属性数据一一对应的方式决定了系统只能记录管理对象当前状态的属性数据内容，对其先前状态的历史属性数据则无能为力。所以在进行水库水质管理信息系统的软件开发时，本课题采用了第四种方式来设计系统的数据关系结构，如上图( b ) 所示。图形数据和属性数据自成体系，并开发出相应的数据调用程序，根据实际需要动态调用具体时间的监测数据，从而实现了水库水质管理信息系统对时序数据系列的管理。( 3 ) 数据描述：1 原始数据描述水库水质监测具有很强的时间敏感性，水库的水质有随着时间变化而变化的特点，所以水库水质管理信息系统的数据分为两部分：静态数据：水库库区地形图、监测点位置图；动态数据：各种水质指标的监测数据，数据更新时间可设定。2 数据流向图第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统图2 - 4 数据流向系统数据是通过项目管理工程文件来表现和组织的，这是为了方便对图形、数据库、各类文档进行合理管理而设计的。( 4 ) 安全需求水库作为城市的饮用水水源地，其水质管理的重要性不言丽喻，所以水库水质管理信息系统在系统的安全性方面有着较高的要求，需采用系统管理员和一般用户分权限管理的模式，并设置相应1 2 ：1 令进行身份验证以保证数据的安全性和完整性。2 2 2 2 系统设计阶段本阶段主要完成的工作是：根据系统的需求分析，细化了系统结构和功能，形成了系统详细设计。系统在数据库和模型方法库的基础上设计了输入、输出两个基本模块和图形管理、信息管珲i 绩盒分撮! 杰辱禳测四全麴能模块，如下图所示。水库出质管理f 靠息系统i j 雨f 。：i ?图2 - 5 系统功能模块结构图各个模块的详细功能在系统的主菜单和多级子菜单中具体体现出来，系统各项功能的描述见下表：第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统撂表：2 - 1 系统基本功能描述表璧黛舅薹ll 瓣萋l | |薹妻溪霹糕甏霪萋l 萋萋鬻囊巍葵蓑薯嚣囊嚣未l 蠢娄墓羹曩鎏蠢羹i 薹甄辫鬻鑫嚣蠹签蠢等薹。：盛纛蒸蓑囊餐麓粪誓篓薹菱鎏萋l 。翅簦喇勇士蠢菇嘶静靛豢褒萋耧甜i 鬻嚣霎萋羹懋蕊耋蠢萋薹囊霪羹繁霎薹察嚣翥嚣魏嚣蛰。龆岩督垫秘拿避黎菩麓搬毽遵毳祜霹摹藿嚣袋亭孽蔽静辩厶薯萋褰誊霪羹垂羹菱耋耋蓁鬻麓嚣蔫鬣薹耋| 瓣薹| 鞘捌盏雾篓辫嚣积嚣盟墨薹嚣蠹舔辩话裂醒嫒鼗等瑶避搿搿戴篱攀露积鬻裂嚣潦捌啦盘删蛙饕群懈疑l警墨鞭匿蠡黪筻嚣鬻拳誊耋羹 | 耋蛰露帮群蘸萎鐾善奏鬈涵拦妻鋈嚣薹葚霎要囊萋截瑚裾砖群耋霎| 蠡蓁妻垂嚣嘲羹雾耍萋羽蓑瞄茸魏难辩萋霪霹臻爨掣繁蕊题贬豁基黪罐e 辩! 蕾辑导搿滋辫女f 秘嚣磐艟谤姆畦群密臻辩雄戢4墨三主王堡坐室查堕垫鉴墨查堕笪堡笪星墨堕一2 2 ，2 3 程序开发阶段程序开发阶段主要依据系统设计说明书进行，根据设计要求分模块进行开发。将以上两个阶段分析、设计产生的每一模块用程序语言予以实现，并检验程序的正确性。程序编制采用了结构化程序设计方法，使每一程序都具有较强的可读性和可修改性。2 2 ，2 4 测试阶段测试阶段主要完成程序测试和应用测试两项工作，即依据系统功能对软件和模块进行测试以及使用实际数据对系统的各项功能进行测试，最后对软件编码及软件功能进行必要的修改，以适应实际使用的要求。2 2 2 实际应用于桥水库水质管理信息系统在上一节中说明了水库水质管理信息系统软件的设计和开发过程，而作为一个信息系统，有了软件还远远不够，信息才是整个系统的核心部分。还需要把系统的主要内容一一信息录入，数据的录入过程如上节中的数据流程图( 图2 4 ) 所示。针对收集到的于桥水库的地形图、水质监测数据的实际情况，笔者制定了以下的数据录入方案。首先，图形资料选用的是电子版图而不是纸图，可以节省很大一部分工作量，而且能减少一部分数据精度损失。在a u t o c a d中将电子版图拆分为库区地形图和监测点位图两部分，然后通过g i s 平台提供的数据接口将其转换成g i s 支持的图形数据格式。其次，按信息系统对数据的不同管理要求，分别处理两种图形数据：将库区地形图数据处理成地图文件作为系统管理时的参考背景信息；将监测点位图数据处理成工作文件以反映水库水质状况，最终实现系统对管网的管理功能。属性数据的录入则放到了图形录入工作以后，可以对照着图形利用系统的一些统赋功能录入，既直观又迅速。在整个系统建立的过程中，数据的录入是一项巨大而繁琐的工作，而且系统对数据的精度也有很高的要求。上述的数据录入方案充分利用了现有的资料和数据，避免了重复工作，同时也很好地避免了数据精度的损失，大大提高了效率。在属性数据录入之前需要先定义监测点的属性结构，也即先定义监测点的属性类。在于桥水库水质管理信息系统中，根据实际管理的需要设计监测第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统点属性结构如下表所示：表2 - 2 监测点属性结构表序号字段名称字段类型字段长度小数位数备注1i d长整型8系统自动生成2监测点编号字符串83监测点名称字符串2 04监测点位置字符串4 05监测日期字符串1 26c h l a双精度型l o3( “g l )7d o双精度型1 03( m g l )8t p双精度型1 03( m l )9t n双精度型1 03( m g l )1 0s d短整型5( c m )1 1水温双精度型52( o c )1 2c h l a 预测值双精度型1 03( ug l )至此，于桥水库水质管理信息系统建立成功，可以投入实际使用。系统有非常友好的人机界面，如下图所示：图2 - 6 水库水质管理信息系统界面第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统系统界面的上部为菜单栏，系统的主要操作都是选择菜单中的命令完成的；菜单栏下面是工具栏，提供了一些功能的快捷操作方式：界面窗口采用活动分割窗口的形式，可自动调节大小，左边为文件视窗，列表显示工程所有项目，右边为图形视窗，系统的图形的信息均在此窗口中显示。系统的底部为状态栏，显示当前的命令状态以及鼠标在图形上的当前位置( x 、y 坐标) 。系统的使用操作流程图如图2 7 所示：图2 - 7 系统使用操作流程图以下仅举几例说明系统的功能：1 查询：兰三童主堕查压查巫堡鉴墨查巫笪望笪星墨笪一例如：查询整个库区内所有监测点的水质信息，选择“查询统计，综合查询统计面板”命令，系统弹出一个查询统计面板，如图2 - 8 所示：图2 8 查询统计面板( 1 ) 查询统计区域可以单选全区和矩形以便对全区或者某个下一步将选择的矩形区域进行查询统计；( 2 ) 查询统计条件可以对查询统计做出进一步的条件限制，这是可选的，所以只有选择了“使用条件过滤”这一复选框，其右边的 按钮和下边的条件表达式文本框才变为可用。a 点击右边按钮弹出“输入属性检索条件”对话框，可以输入或者选择合法的条件表达式；b 直接在下面的条件表达式文本框里面输入符合系统要求的条件表达式。以上两种输入条件表达式的方法可根据需要自由选择，并可对表达式进行反复修改。如果不想使用条件过滤，还可以不选“使用条件过滤”这一复选框，本例即为此神情况。所以使用不使用或者修改条件表达式都是灵便自如的。( 3 ) 在查询统计区域里如果选择缺省值( 全区) ，则表示全图范围内的区图元，也就是监测点都参加检索和统计，直接点击( 确定) 按钮即可。( 4 ) 在查询统计区域里如果选择( 矩形) ，表明查询统计的将是某一个矩形区域内的部分图形，这时候需要在图形编辑窗口里用鼠标拉框画矩形。( 5 ) 查询结果查询的结果如下图所示：第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统图2 9 查询结果上图的下部数据表中白色的当前纪录和图中以黄色闪烁的监测点是同个监测点的图形和属性资料。这就是g i s 特有的数图联动( 数据和图形资料一一对应，同时显示) 功能，在查询时可以实现双向查询，即数一图查询和图一数查询，可以根据监测点位图中的图形来查找与其相对应的属性数据项，也可以移动属性表中的纪录来查找与其相对应的图形。2 统计：例如：统计整个库区内所有监测点的叶绿素浓度，统计结果如下图2 - 1 0 所示：系统可自动根据统计的结果绘制各种类型的统计图( 折线图、立体直方图等) ，将统计结果以形象直观的方式显示出来，并可存储或直接打印。第二章于桥水库水质现状及水质管理信息系统图2 1 0 统计结果3 等值线：选择“水质分析绘制等值线”命令，系统弹出属性选择对话框，如图2 一1 1 所示：图2 - 1 1 属性选择在对话框中选择需要绘制等值线的属性，如c h l a ，确定后系统将生成叶绿素a 浓度分布的等值线图，如图2 - 1 2 所示：第章_ r 桥水库水质现状及水质管理信息系统图2 一】2 于桥水库叶绿素浓度( p 叽) 分布等值线图等值线图中按颜色的冷( 蓝) 暖( 红) 色系来代表叶绿素a 浓度的商低：冷色系表示低值，暖色系表示高值。笙三童塞萱鲞些堡型查垫婴茎第三章富营养化预测方法研究”。于桥水库作为整个天津市的饮用水水源，水库的水质富营养化问题十分严峻，关系到了全市生产、生活用水的安全。所以在解决这个问题时，不仅要遵循传统的做法，分析水库富营养化的形成原因，制定防治措施，更需要对水质尤其是藻类进行严密的监测，预测其增殖的程度，及时做好相应的应急准备，保障供水安全。一般处理预测问题的基本步骤。”有：1 ) 预测指标分析；2 ) 相关资料收集；3 ) 预测方法选取：4 ) 预测模型的建立和应用；5 ) 预测结果分析评价。所以下面就按照这五个步骤来研究水库水质富营养化的预测问题。本章先进行前三个步骤，后两个步骤和具体预测模型结合起来放在下一章中论述。3 1 预测指标分析从生态学出发，湖泊水库富营养化是水生生物的代谢和相互作用机制在各种外部环境因素刺激下发生作用的综合效应。水库富营养化的核心体现为藻类恶性增殖，即以藻类为代表的自养生物将无机原料合成有机物的初级生产过程的异常增殖，它是由外界环境能源输入过量与水库生物结构综合作用下所产生的一种生态效应，是由光合作用为代表的水库生态系统最基础的能量积累过程，可以概括的用下式来表示：1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 1 + h p 0 4 + 1 2 2 h ，o + 1 8 h + ( 微量元素+ 能量)c 1 0 6 h 2 6 8 0 1 l o n l 6 只+ 1 3 8 0 2( 3 - 1 )这一过程能否顺利完成，除了需要光、二氧化碳和营养物质外，还需要有一个适合藻类繁殖的良好环境条件，如适宜的库水温度、库流、风浪、库水滞留时间、水库生物构成和数量以及水库形态特征等。大量研究表明，在上述诸因素中，控制该光合作用强度的最主要的制约因子为：光照、水温及营养盐。除了光合作用条件和富营养化，决定藻类爆发水华的因素还有藻类自身的生长规律。在这些因素中，对于藻类生长起到正面促进作用的条件是营养盐和光合作用，而浮游动物的摄食压力和藻类自身的死亡率则