（市政工程专业论文）基于GIS的三峡库区水质模拟研究.pdf

中文摘要 摘要 长江三峡工程是举世瞩目的特大型水利工程，对库区的水环境进行数学模拟 具有十分重要的意义近年来，地理信息系统技术( g i s ) 有了很大的发展，通过 g i s 与水质模型相结合使水质模型的功能有了质的飞跃。本文在收集三峡库区大量 水文水质资料的基础上，进行了基于g i s 的三峡库区水质模拟研究，得到以下主 要结论： 开发了一维水质数学模型程序，验证了适合三峡库区长江水文条件的模型 参数取值。模型的模拟值与实际监测值的吻合效果好( 绝大部分模拟误差在2 0 0 , 6 以内) 开发了二维水流水质数学模型程序，验证了适合三峡库区长江水文条件的 模型参数取值，模型的模拟值与实际监测值的吻合效果好( 绝大部分模拟误差在 2 0 以内) 进行了基于g i s 的三峡库区水质模拟系统研究本研究利用e s r i 公司的 a r c g i se n g i n e 组件作为g i s 开发工具，模型库采用v i s u a lb a s i c n e t 编程，形成动 态连接库d l l 文件，数据库采用a c c e s s 数据库，三者集成了基于g i s 的三峡库 区水质模拟系统 进行了基于g i s 的三峡库区水质预测研究。通过基于g i s 的一维水质数学 模型对成库后的库区总体水质预测分析来看，在沿江城市和重点镇污水经收集处 理并达标后，沿江重点工业污染源经处理基本达标后，沿江其它污染物负荷以2 0 0 3 年统计值不变的情况下，库区长江总体水质状况较成库前好通过基于g i s 的二 维水质数学模型对成库前后长江万州段二维污染带模拟分析表明，万州段的c o d 、 n h 3 - n 、t n ，t p 等指标的污染带的范围均有明显减小，且蓄水水位越高，趋势越 明显，在1 4 5 米( 丰水期) 时，各种污染物的污染带减小趋势也是很明显的 水质模型与g i s 结合集成为基于g i s 的三峡库区水质模拟系统主要的优点是： 对模型所需的海量基础数据及模拟结果进行统一的存储和管理；在数字地图上， 不同水质表现出不同的颜色，直观地反映出模型计算的结果，让人对水质计算结 果一目了然；利用g i s 的数据分析功能，可以方便统计分析模型计算结果，这将 会为相关部门提供有力的技术支持 关键词：g i s ，三峡库区，水质模型，模型库 英文摘要 a b s t r a c t n 把t h r e eg o r g e sr e s e r v o i rp r o j e c t0 1 1t h ey a n g t z er i v e ri st h ew o r l d - f a m o u s l a r g e s th y d r o e l e c t r i cp r o j e c t t h e r e f o r e , t h es t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw a t e r p o u l m o ni so fg r e a ti m p o r t a n c et ow a t e re n v i r o n m e n to ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r r e c 锄f l y , 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 ) h a v em a d eag r e a td e v e l o p m e n t , a n d b a s e do bt h ec o m b i n a t i o no fg i sa n dw a t t q u a l i t ym o d d , u s i n gt h ef u n c t i o n so f m a p i n f os p a c ea n a l y s i sa n dv i s u a l i z a t i o n , t h ew a 地fq u a l i t ym o d e lm a k eag r e a t p r o g r e s si nv i 瓢n i i z a 硒n t h i s 球i p b a s e do nm a t e r i a lo f b y d r o l o g y a n dw a 把 tq u a l i t y ， d e v e l o p e dw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do ng i s ，t h er e s e a r c hd e t a i l so f t h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： 弛p a p e rd e v e l o p e do n e - d i m e n s i o n a lw a t e rq l l a l 时m o d e la n dv a l i d a t e dt h e p a r a m g t e ra n dm o d e l t h ed i f = f e r e n o eo f c a l c u l a t e dv a l u ea n dg a u g e dv a l u ei ss m a l l ，l e s s t h a n2 0 弛sp a p e rd e v e l o p e dp l a n a rw a t e rq u a l i t ym o d e la n dv a l i d a t e dt h ep a r a m e t e r a n dm o d e l t h ed i f f e r e n c eo f c a l c u l a t e dv a l u ea n dg a u g e dv a l u ei ss m a l l ，l e s st h a n2 0 1 1 1 i sp a p e rd e v e l o p e dw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1g i sf o rt h e t h r e e g o r g 嚣r e s e r v o i r b yu s i n go f t h ea r c g i s m a d eo f e s r ic o m p a n y a sd e v e l o p i n g i m p l e m e n t , b y = i n go f t h ep 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 c n e tt od e v e l o pp r o g r a m , a n db yu s i n ga c c e s sa sd a m b a , t h i sp a p e ro p t i m i z e da n di n t e g r a t e dt h ew 锄e f q u a l i t ys y s t e mb a s e do bg i s f o rt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r n l i sp a p e rrs i m u l a t e dt h e 岍q u a l i t yo f t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra f t e rt h e d a m o nt h ea s s u m p t i o nt h a tw a s t ew a t e ri nt h et h r e ec - o r g e sr e s e r v o i r 卸嗽w i l lb e a l m o s tc i l t i l f e t yt r e a t e da n dt h ew a t l 玎q u a l i t yo fe f f l u e n ta c c o r dw i t ht h eb a n db ，t h e w a t e rq u a l i 瓴a f t e rt h ef i n i s h i n go ft h ed a m , w i l lb eb e t t t e r t h ep o g 砸o n 撇i nt h e f i v e rs e g m e n t , w a n z h o u , w i ns h r i n kt h ep o l l u t i o na r e a c o d ，n h 3 - n 、t n 、t p ，i nt h e r i v e rs e g m e n tl o c a t e di nt h ec e n t e ro re n do ft b ey a n g t s er i v e rw i l le l l l a r g eo b v i o u s l y , e s p e c i a l l ya tt h ew a t e rl e v e lo f1 4 5 m t h ec o m b i n a t i o no fg i sa n dw a t e eq u a l i t ym o d e l , i sp r o p i t i o u st os t o r a g ea n d m a n a g et h en 麟d a t a , t oi n t u i t i v e l ys h o wt h es i m u l a t i n gr e s u l t , a n dt os t a t i s t i c a l l y a n a l y z e t h es i m u l a t i n gd a t a n l i s s y s t e m w o u l db eh e l p f u lf o r g o v e r n m e n t d e c i s i o n - m a k e r k e y w o r d s ：g i s ，t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r , w a t e rq u a l i t ym o d e l m 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及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重鏖盔堂 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谢意。 学位论文作者签名：覆彳c 、锣 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全都或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：莓j 牡芗 导师签名： 学位论文作者签名：童私乡 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 i 绪论 l 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 三峡库区概况 三峡工程是是世界上最大的水利枢纽工程，2 0 0 9 年建成后，它将具有防洪、 发电、航运等综合效益，经三峡水库调蓄，可使荆江河段防洪标准由现在的约十 年一遇提高到百年一遇；三峡水电站总装机容量1 8 2 0 万k w ，年均发电量8 4 6 8 亿 k w h ，它将为经济发达、能源不足的华东、华中和华南地区提供可靠、廉洁、清 洁的可再生能源，对经济发展和减少环境污染起到重大的作用；三峡水库将显著 改善宜昌至重庆6 6 0 k m 的长江航道，万吨级船队可直达重庆港。 但是，三峡库区正常蓄水后，库区水环境将发生很大变化，产生一系列不利 影响【l l 嘲三峡成库后，长江、嘉陵江等河流的水动力学条件发生变化，长江重庆 主城区段流速将减至原来的i 4 - l 5 ，水深加大至原来的2 倍左右，而水面宽则约 为原来的2 - 3 倍以上三个变化无论是对污染物的迁移过程，还是对污染物的降解 过程都有不利影响，主要表现在由于水流速度减缓，污染物在水体的稀释扩散能 力减弱，使库区城市江段的岸边污染带增大；由于库区水滞留时间增加，复氧能 力减弱，会减弱生化需氧量的降解量，降低水体的自净能力；库区蓄水淹没大量 土地( 特别是耕地) ，其中污染物质在水的浸泡和水力冲刷作用下释放出来，对水体 造成污染；随着社会经济的发展和人口的增长，长江上游及库区沿岸城市的生活 污水和工业废水捧放量日益增加，水土流失、农田施肥、畜禽养殖等面源污染更 加严重。这都可能造成库区水体水质的恶化。 另一方面，随着库区经济的发展，重庆段库区各区县的污染物产生量大幅度 的增加，为确保三峡库区的水质安全，三峡库区开展了大规模污染物摔放控制的 工作措施，有效地对库区捧放污染物进行了削减，库区整体水质处于良好通过 对三建委在库区布设的1 3 个水质监测断面( 长江干流6 个，一级支流7 个) ( 的 水质检测结果来看，2 0 0 5 年，库区干流水质较好，6 个断面水质均为类，各月 均未出现劣v 类水质断面5 - - 9 月，除官渡口断面水质为类外，其余5 个断面 水质均存在超标现象，7 9 月尤为突出，总磷、铅和高锰酸盐指数为主要超标物： 其余各月各断面水质均达到或优于类 3 1 相反库区支流水质状况却不容乐观网，根据2 0 0 5 年对6 6 条次级河流1 6 8 个断 面进行监测的结果，按地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 进行评价，次级 河流水质属于i 类、i l 类、类、类、v 类和劣v 类的断面比例分别为1 2 5 、 2 7 4 、2 3 8 、1 3 1 、8 9 y 瘌1 4 3 ；其中，满足水域功能要求的断面占6 4 9 e 重庆大学硕士学位论文 与2 0 0 4 年相比，次级河流水质满足水域功能要求的断面比例上升5 0 个百分点。在 监测的各项指标中，出现过超标的项目主要有粪大肠菌群、石油类、氨氮、化学 需氧量、总磷、生化需氧量和高锰酸盐指数水质较差的次级河流有：临江河、 大溪河( 九龙坡) 、一品河、花溪河、桃花溪、小安溪、龙溪河、淮远河、磨滩河、 高潍河等。以上数据表明三峡库区的水环境保护压力仍然较大，必须采取有效措 施加强库区的污染防治工作保护库区的水环境 1 1 2g i s 的发展 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 ，简称g i s ) 是集计算机科学、地 球科学、测绘遥感学、数学、环境科学，城市科学、空间科学、信息科学和管理 科学为一体的新兴边缘学科，是通过一切途径来获取和管理有关空间基础信息的 科学技术领域从技术和应用的角度，o i s 是解决空间问题的工具、方法和技术； 从学科的角度，g i s 是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展 起来的一门学科，具有独立的学科体系；从功能上，g i s 具有空间数据的获取、 存储、现示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；从系统学的角度，g i s 具有 一定结构和功能，是一个完整的系统。g i s 作为一种工具软件，可提供各种简便的 操作，进行图形、摄影等的输入和转换、数据库管理、交互式显示和查询、地理 信息网络分析和地址编码等工作1 4 j 即 进入本世纪7 0 年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，促使g i s 朝着实用方向迅速发展，一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和 地理信息系统。例如，从1 9 7 0 年至1 9 7 6 年，美国地质调查局就建成5 0 多个g i s ， 加拿大、联邦德国、瑞典和日本等国也相继发展了自己的g i s 与此同时，一些商 业公司开始活跃起来。软件在市场上受到欢迎，许多大学和研究机构开始重视g i s 软件设计及应用的研究 8 0 年代，由于计算机行业推出了图形工作站和p c 机等性能价格比大为提高 的新一代计算机，为g i s 普及和推广应用提供了硬件基础g i s 软件的研制和开 发也取得了很大成绩，涌现出一些有代表性的g i s 软件，如a _ v j i n f o 、g e n a m a p 、 m g e 、c i c a d 、s y s t e m 9 等g i s 的普及和推广应用又使得其理论研究不断完善， 使g i s 理论、方法和技术趋予成熟，开始有效地解决全球性的难题，例如全球沙 漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象、酸雨、核扩散及核废料等问题 我国g i s 的起步较晚，到7 0 年代末才提出开展g 璐研究的倡议进入8 0 年 代后迅速发展，在理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才 培养和区域性试验等方面都取得了突破和进展一些有远见的地方政府也开始投 资建立本地的g t s ，在g i s 应用日益活跃的今天，诸如沙市这样名不见经传的中小 城市，由于g i s 起步早而誉冠全国。8 0 年代末，武汉测绘科技大学在摄影测量与 2 1 绪论 遥感专业的基础上建立了信息工程专业，使我国g i s 基本人才的培养纳入了芷轨。 1 9 9 4 年4 月，我国专门成立了“中国g i s 协会：此后又成立了“中国g i s 技术应用 协会”，加强了国内各种g i s 学术交流，研制推出了g e o s t a r 、c i t y s t a r 、m a p g i s 等 具有自主版权的g i s 软件。 g i s 正朝着一个可运行的、分布式的、开放的、网络化的全球g i s 发展，主 要体现在以下几个方面嘲：1 ) o i s 与其它学科结合更加紧密，应用更加广泛3 s ( 地 理信息系统g i s 、遥感r s 、全球定位系统g p s ) 或5 s ( 前面3 s 加上数字摄影测量 系统d p s 、专家系统e s ) 的集成，使得测绘、遥感、制图、地理、管理和决策科学 相互融合，成为快速而实时的空间信息分析和决策支持工具；2 ) 基于因特网 w e b g i s 是下阶段g i s 发展的一个主流；3 ) 空间数据基础设施建设，按照美国副 总统戈尔在阐述“数字地球”概念时所举的例子不难理解，它实际上就是一个g i s ， 要实现地球数字化必须有数据基础，数字地球的基础是空间数据基础设施；4 ) 组 件式g i s 的研究，数字地球的建立更是一个极为庞大的工程，需要全世界各地的 人们参与，因此，把庞大的g i s 软件系统分解成可按应用需要组装成“定做系统” 的g i s “元件竹怎样将这些g i s “元件”通过标准的系统环境( 如o l e 和o p e n d o c ) 与 其它非g i s 的“元件”嵌接，有效地实现系统合成，自然就成了g i s 的研究方向；5 ) 与多媒体技术的结合，多媒体技术正在进入g i s 中，以改善g i s 的数据采集、数 据处理以及成果表达与输出的效能，发挥声、像等多媒体的应用。 近年来，计算机技术飞速发展，特别是软件技术的发展，促使地理信息系统 技术的发展发生了很大变化地理信息系统在最近的3 0 多年内取得了惊人的发展， 广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、 交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等 几乎所有领域g i s 与水质模型相结合，二者取长补短，一方面把g i s 与水质模 型结合，填补了g i s 不能进行复杂算法的缺陷，并能充分发挥其空间数据管理、 分析和显示的优势；另一方面，g i s 的介入使水质模型的检验、校正更加容易， g i s 的空间表现能力使水质模型的视觉效果有质的飞跃 1 2 课题的提出 三峡库区涉及湖北省的巴东县、秭归县、兴山县和宜昌县等4 个县，重庆市的江 津市、长寿县、涪陵区、武隆县、丰都县、石柱县、忠县、万州区、开县、云阳县、 奉节县、巫山县、巫溪县等1 3 个区县( 市) 和主城区( 包括渝中区、大渡口区、江 北区、沙坪坝区、九龙坡区、南岸区、北碚区、渝北区、巴南区等9 区) 库区人口 众多，工业企业种类和数量都很大，共有1 7 0 0 余家企业2 0 0 5 年三峡库区共接纳废 水9 8 3 亿吨( 有9 6 在重庆市境内) ，其中工业废水5 7 4 亿吨，生活污水4 0 9 亿吨； 3 重庆大学硕士学位论文 接纳废水c o d1 6 9 7 万吨( 有9 8 5 在重庆市境内) ，其中工业废水c o d7 7 1 万吨， 生活污水c o d9 2 6 亿吨p 】另外，三峡库区面源污染也是非常重要的污染源。三峡 库区水土流失面积达3 5 8 万平方公里，超过幅员面积的1 4 中度以上侵蚀面积占水 土流失面积的7 0 0 , 4 以上。至今还有9 0 未治理三峡库区坡耕地就占耕地面积的 7 4 3 ，其中大于2 5 度的陡坡耕地约4 0 0 万亩( 重庆3 6 0 万亩、湖北4 0 万亩 。占耕 地总面积的2 0 ，不合理的农业开发造成大量的面源污染进入江河，加剧了水环境污 染2 0 0 5 年，库区船舶油污水产生量为4 9 6 9 万吨，石油类捧放量为4 0 4 6 吨；库区 船舶生活污水产生量约为2 0 6 8 万吨，其中仅3 6 万吨得到处理，处理率为1 7 ，绝 大部分直排入库另外，三峡库区船舶污染事故时有发生，对库区水环境造成安全隐 患2 0 0 5 年，三峡库区共发生船船污染事故1 5 起，其中重大事故4 起、大事故5 起、 一般事故2 起，小事故4 起。 目前，库区已经建成的县级以上污水处理厂2 7 座，镇级污水厂2 0 座，另外正在 建设之中的镇级污水厂还有6 0 余座这些污水厂建成后，其整体的环境和经济效益 如何? 对库区水质影响如何? 如何合理地组织库区污水厂群的运行，以达到技术经济 的最优化? 这些问题都很快会显现出来。 三峡库区水环境的科学管理是保证库区优良水质和生态系统健康的重要保障它 涉及社会、政治、经济、地理、气候、水文、水力、物理、化学、生物学、法律、美 学等领域和现代科学技术的众多学科。其中，污染源管理，污染物在库区的迁移扩散 规律，和对污染事故的应急管理是水环境管理的关键内容和基础 水环境管理涉及类型众多且数量巨大污染源涉及污染物在水体中的迁移分布， 涉及城市分布、经济区划、流域分布状况、控制断面等海量信息，而且这些信息又绝 大部分具有地理参考特征( 如地址属性) 地理信息系统( g - e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ，g i s ) 具有强大的空间分析能力和图形显示功能，为提高水环境科学管理的 水平提供了理想手段 所以，开展基于g i s 的三峡库区污水厂群管理信息系统研究，将o i s 技术和 数字模拟相结合，研究三峡库区成库前后的水力学特征，分析模拟的库区污染物 迁移和扩散的规律，为厂群和单个污水厂运行的组织和优化提供决策支持，同 时也可以对后期建设的小城镇污水厂的规划和建设方案作出预测和评价，对库 区水环境管理是非常重要和必须的 本研究作为国家十五攻关国家“十五”科技攻关重大专项水环境安全关键技术 研究与示范( 2 0 0 4 b a 6 0 4 a 0 1 ) 的子课题“三峡库区污水厂群信息系统”( 编号： 2 0 0 4 b a 6 0 4 a 0 1 - 0 2 ) 的重要组成部分，开发适合三峡库区的一维、二维水力水质 模型，进而优化集成为模型库，以数据库为纽带，开发基于( 3 i s 的三峡库区水质 模拟系统，对三峡库区水质进行模拟 4 i 绪论 水质模型与g i s 结合主要有三个突出的优点：1 ) 对模型计算所需的海量基础 数据与模拟计算结果进行统一的存储和管理；2 ) 在数字地图上，不同水质表现出 不同的颜色，直观地显示模型计算的结果，让人对水质计算结果一目了然；3 ) 利 用g i s 的数据分析功能，可以方便统计分析模型计算结果。方便的数据管理，模 拟结果清晰直观事件化效果，基于g i s 的三峡库区水质模拟系统将会为相关部门 提供有力的技术支持 1 3 研究内容 结合研究任务和研究目标，主要研究内容如下： 收集三峡库区水文情况、污染源等相关资料，调查分析库区的水文特点及 污染状况 三峡库区一维水力水质数学模型研究根据三峡库区水体的水文水力学特 点，考虑成库影响以及不同水位条件，对库区水体进行概化研究，确定一维水力 水质数学模型，率定并验证模型的参数，模拟值与实际监测值的误差应在2 0 以 内。 三峡库区二维水力水质数学模型拟研究根据三峡库区水体的水文水力学 特点，确定二维水力水质数学模型，率定并验证模型的参数，模拟值与实际监测 值的误差应在2 0 以内 g i s 与水质模型集成研究将验证后的一维、二维水力水质数学模型，进 行计算机编程，优化集成为水力水质模型库。利用e s r i 公司的a r c g i se n g i n e 组 件作为g i s 开发工具，模型库采用v i s u a lb a s i c n e t 编制，形成动态连接库d l l 文 件，数据库采用a c s e s s 数据库，三者集成为基于g i s 的三峡库区水质模拟系统 5 2 水质模型与地理信息系统( g i s ) 2水质模型与地理信息系统( g i s ) 2 1 水质数学模型研究进展 2 1 1 数学模型发展历史 早在一百多年前，n a v i e r i h ，p o i s a o n i s s a h l t - v e n a n t 9 和s t o k e s t 哪等人卓有成就 的研究，确定了揭示流体运动的一般规律的理论，即n a v i e r - s t o k e s ( n - s ) 方程。纵 观其发展历史，有许多著名科学家为此做出了杰出的贡献，如e u l d u 】， b o u s s i n e s q 1 2 1 。k a n l l a n i t 3 1 等等正是由于他们丰富的研究成果，水质数学模型得到 了长足发展，其发展过程大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段( 1 9 2 5 - 1 9 6 0 ) ，基本的经典水质模型是由s t r e e t e r 和p h e l p s ( 1 9 2 5 ) 提出来的，后来由p h e l p s 在1 9 4 4 年总结和公布出来，这是第一个水质模型。后来 科学家在此基础上成功地总结出b o d d o 模型并将其运用到水质预测等方面这 一阶段的模型比较简单，只考虑了b o d 及d o 的双线性系统模型这一阶段的模 型应用主要是s p 模型及其修正式( 如t h o m a s ( 1 9 3 7 年) 、d o b b i n s - c a m p ( 1 9 3 9 年) 、o c o n n o n ( 1 9 6 1 年) 等修正式) i t 4 第二阶段( 1 9 6 0 - 1 9 6 5 ) ，在s _ - p 模型的基础上有了新的发展，将其运用于比 较复杂的系统，引进了空间变量和物理的、生物化学的、动力学系数温度作为 状态变量也引入到一维河流和水库模型，水库( 湖泊) 模型同时考虑了空气和水 表面的热交换津田【n l 等就美国a e b m s c h 所做的河流“河流水质污染与生物关系 模式图”阐述环境与生物的相互关系，研究了其模型建构及影响因素安部喜也【l 习 和l l f a l k 1 6 】等人的研究认为。稀释、水温、辐射等都会影响水体自净过程，而稀 释作用又与河流宽度、深度、流速、流量、污水密度、排放方式和河床结构等条 件有关 第三阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 ) ，在这个阶段，不连续的一维模型扩展到包括其他来 源和丢失源其他来源和丢失源包括氮化物耗氧( n o d ) 、光合作用、藻类的呼吸 以及沉降、再悬浮等等【切计算机的成功应用使水质数学模型的研究有了突破性 的发展 第四阶段( 1 9 7 0 - 1 9 7 5 ) ，数学模型已发展到变成许多模型相互作用的线性化 体系。有限元模型用于两维体系，有限差分技术也应用于水质模型的计算，更高 维数的模型不断地被发展。 第五阶段( 1 9 7 5 - 1 9 9 5 ) ，在这二十年里，科学家的注意力逐渐地移到改善模 型的可靠性和评价能力的研究。随着改进的二维、三维河流、河口和湖泊( 水库) 模型的发展，水力学和水质问的偶合越来越引起科学研究工作者的重视。水生生 7 重庆大学硕士学位论文 态系统的复杂性是许多生物问题的一个重要课题。水质模型的研究由单一组分的 模型向较综合的模型发展，在该阶段中，水库、湖泊的富营养化模型研究已取得 了可喜进步美国环保局( u s e p a ) 开发的q u a l 一模型便是一个成功范例f l s l 1 9 1 第六阶段( 1 9 9 5 一至今) ，由于计算机软硬件、在线仪表监测系统、卫星遥感 技术、g p s 技术、g i s 技术和信息技术的高速发展，并且在水环境中的得到应用， 水环境数学模型有了飞速发展，许多以前不能解的数学模型，现在多能得到很满 意的结果模型的可靠性、预见性、综合性和科学性得到进一步的提高，维数更 高的模型( 例如四维的水质模型) 在水质规划中得到应用模型的微观化、动态 化在目前和今后仍是关注的焦点地理信息系统和水质数学模型结合起来，通过 友好的互操作界面，能够产生功能强大，易学易用且便于分析管理的信息系统， 使得水质数学模型具备了可视化和空间分析功能，能够更加真实地模拟自然水环 境1 2 0 1 2 1 2 数学模型应用现状 我国的水力研究人员采用传统的圣维南方程组或其改进式、浅水方程和对流 扩散方程等基本方程，利用各种数值离散手段对水域的洪水演进、水沙的运动、 水流水质的数值模拟进行了研究如王双明等建立了具有连续急流弯道河流平面 水流、泥沙数学模型，并采用有限差分法对方程进行离散求解【2 l 】；赖锡军等以渗 流量作为连接条件，利用迭代法解决了河道水流与地下水流模型的耦合圈；程根 伟结合流场与泥沙计算方法及河床形态调整技术，提出一个准三维河流动力学模 型，模拟出不规则几何形态的河道断面流速分布及平面流场分布 2 3 1 ；赵旭升等采 用多单元的水文学模型与河道水力学模型相结合的预报系统对海南万泉河流域的 洪水演进过程进行了数值模拟1 2 4 1 丁玲、逢勇等 2 s l 运用有限体积法及黎曼近似解 理论框架下建立二维通量差分裂( f d s ) 格式水流水质耦合模型，应用f d s 格式计 算二维水流水质模型中各跨单元边界的数值通量，并以各种水环境问题在理想条 件下的简化模型检验格式的计算精度，结合长江南通江段的实际水质问题论证了 该格式的实际应用能力说明f d s 二阶格式能高精度地计算污染物间断排放引起 的大浓度梯度或水质突跃情况张华庆、金生嘲采用有限元方法模拟了水槽单边 突扩回流区的水流运动，模型中采用了高分辩率t 、，d 、e n o 离散格式，通过引入 与解的性质有关的限制因子l i m i t e r ，使计算格式既具有高的离散精度同时又避免 解的高频振荡，减少了人工耗能和计算中的平滑作用，获得了涡从边界上脱离、 运移，并被主涡卷并的过程，掺混区流速分布变化规律和特点赵克玉网针对天 然河道水流计算中，洪水漫滩时横向流速分布极不均匀，直接用一维非恒定流方 程进行模拟会产生较大误差的不足，将横断面划分成若干个子断面，并将动量方 程中的动量项取为各子断面动量之和，从而消除了横向流速分布不均匀的影响。 8 2 水质模型与地理信息系统( g i s ) 魏文礼、陈文学等【勰l 采用n a o t - r o d i 代数应力模型( n r 模型) ，结合非均匀交错 网格下的混合有限分析法g - w h m ) 来计算漫滩水流的三维流动，并作了两点改进： 其一为非均匀网格中数值离散的导数项二阶格式的引入；其二为复式断面分块耦 合技术的采用，得到稳定的收敛解，得到了漫滩水流主流速等值线、二次流的断 面分布、垂线平均流速的横向分布以及主槽与全断面流量比相对水深的变化规律。 我国对河流水质变化的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，主要对几条大河进行水质 监测和趋势研究，但有关城市河流污染的研究从8 0 年代中期以后才逐渐得到重视。 近年来，由于城市河流污染的不断加剧，许多城市开展了大量河流污染调查与河 流水质监测研究梁新阳 2 9 1 和杜淑如刚等对汾河太原段进行了研究，指出市区是 汾河太原段重污染区，超标污染负荷占全区9 7 ，主要入河污染物为挥发酚、氨氮 和c o d e r 。吴国平口1 】等对长江三角洲地区几条主要河流的水质做了总结，指出秦 淮河、黄浦江、苏州河水质较差，长江整体水质尚好，但南京、上海、南通、镇 江等江段均存在明显的岸边污染带方子云网对1 9 9 2 1 9 9 3 年长江干流水质调查结 果显示，南京岸边污染带最长，达到1 2 3 k m 。但长江南京段水、沉积物中多氯有机 物的浓度较低，低于欧洲主要河流中的含量水平，而悬浮物中这类污染物总含量 较高陈芳对京杭大运河杭州段的研究表明其主要污染因素为高锰酸钾指数、氨 氮、b o d s 、挥发酚和石油类张敦寿 3 3 1 的研究指出杭州市区两条支流中河与东河 在8 0 年代末河水耗氧量就已达1 5 0 - - 1 7 0 m g l ，致使河水黑臭，严重影响了城市环境。 总体来说，由于欧美国家水质污染问题出现的时间较早，因此对水质模型的 研究也比国内的研究要旱，已经建立了多种水质模型，广泛的在水质规划及环境 治理中应用并将其软件化，提高了模型的通用性。我国对河流水质及其模型的 研究还处于初期探索阶段，一般只是对河流水质的变化规律进行监测和趋势研究， 和欧美相比还有很大差距，还有很多工作要做 2 1 3 三峡库区水流水质研究成果 在三峡库区的流场、浓度场研究方面，我国相关领域的科研人员已经2 0 世纪 9 0 年代开展了大量的研究工作重庆市环境科学研究院在库区的局部江段( 如库 尾的重庆主城区江段) 曾建立了较为精细的一维和二维水流水质数学模型，模拟 预测三峡工程对局部区域江段水流和水质的影响 3 4 1 ；武汉水力水电大学以库区支 流香溪河为对象，建立一维水流水质数学模型，模拟预测三峡水库蓄水后支流水 质状况口5 】；江春波等采用深度平均的紊流模型和适体坐标有限体积法对三峡库区 涪陵江段的水流及其污染物分布进行了预测阑；洪益平等采用深度平均方程结合 k 一占紊流模型模拟重庆交汇江段的流场和浓度场【3 7 1 ；陈永灿等针对长江水流几何 边界复杂、地形多变、相应模拟河段水深流急的特点，建立了分层三维迎风有限 元模型，对涪陵磷肥厂排污口附近的流场和污染物浓度场进行了数值模拟p 硼，李 9 重庆大学硕士学位论文 嘉等采用三维k 一占模型方程组，模拟了三峡水库坝前5 0 k i n 的流场、温度场，和污 染物浓度场1 3 9 】删。整个库区水流水质预测模式总体上相对比较简单，难以动态预 测建库前后水流水质的时空变化趋势，局部江段精细模型模拟预测结果很难反映 三峡工程对整个库区总体水质的影响。 从整体上将三峡库区水流条件变化的水质的影响用更合理、有效、精确的模 型加以模拟，我国水环境研究工作者们进行了进一步的研究工作李锦秀等在模 拟分析三峡库区建成前后河道特征和水流条件变化趋势的基础上。研究了三峡库 区建库前后纵向离散系数的变化特征，以及在水库不同运行水位下，库区纵向离 散系数的变化规律【4 i l ：李锦秀、廖文根在研究三峡水库建成前后水流条件对b o d 5 生化降解系数的影响时，建立了b o d s 生化降解系数与水流条件相关的经验公式， 并计算了三峡水库建成前后水面线、水面宽度、断面平均流速的沿程变化旧；这 些研究成果为建立更精确的，能够适用于整个三峡库区的水流水质模型奠定了基 础 虽然水质模型在基础研究与应用两方面都获得了很大的发展，但传统的水质 模型研究还存在以下几个问题： 模型建设前期，模型研究所需的基础图形属性数据的处理工作量大； 研究对象的边界域难以确定，传统的空间离散方法步骤繁琐； 水质模型的参数众多，结构复杂，模型检验和参数灵敏度分析工作量大； 后期模拟结果表达形式不够清晰和直观，给实际运用带来很大的不便 2 2 模型求解方法 2 2 1 数值离散方法 目前常用的数值离散方法【4 3 】主要有特征法o d o c ) 、有限元法( f e m ) 、有限体 积法v v m ) 、有限差分法c a ) m ) 特征法( m o c ) 特征法( 对于一维问题又称为特征线法) 与其他离散方法的不同之处，在于它是 利用沿特征线成立的特征方程( 又称相容关系) ，而不是像有限差分或有限元那样利 用空间坐标系下的原始控制方程组特征方程反映了双曲问题中信息沿特征线传 播的性质，它的算法符合水流的物理机制，不同水流形态的波的传播特性不同， 从而特征线的型式也不一样急流只受上游来流的影响，而缓流则同时受到上下游 流态的影响，可以通过沿特征线向后差分得到反映 特征线法是一种合理的逆风格式，具有相当高的精度，而且格式不受稳定性 条件的限制。其缺点是：特征线法的计算网格不规则，需要同时存储网格点在空间 和时间上的坐标位置以及网格点上的水力参数值，要求的存储量大；特征方程常 2 水质模型与地理信息系统( g i s ) 为非守恒形式，用差分法离散特征方程时会带来守恒误差。 有限元法( f e m ) 有限元法是将一个连续的计算区域分成适当形状( 三角形或四边形) 的微小单 元，并在各小单元分片构成插值函数；然后根据极值原理，将求解问题的微分方 程转化为所有单元的有限方程，把总体的极值作为各单元的极值之和，即将局部 单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就可得到 各节点上的待求函数值。 有限元法主要用于二维、三维数学模型的计算。有限元法吸收了有限差分法 中的离散处理的内核，采用了变分计算中选择逼近函数并在区域上进行积分的方 法，因而具有很广泛的适应性：由于它采用不规则的计算网格，网格划分灵活方便， 故特别适用于几何物理条件比较复杂区域问题的求解。 有限体积法( f v m ) 有限体积法又称控制体积法，它将计算区域划分为一系列不重复又不脱离的 控制体积，在每个控制体内设一个网格节点；然后将微分方程对每个控制体积积 分，得出一组以网格节点上的解为未知量的离散方程，求解离散后的方程组便可 得到网格节点上的近似解 有限体积法是对推导原始微分方程所用控制体方法的回归，与有限差分法和 有限元法的数值逼近相比，其物理意义更加明确对于由一个或多个控制体组成 的任意区域，以至整个计算区域，有限体积法都严格满足物理守恒律，因而不存 在守恒误差，并可以正确计算间断针对不同特性的水流计算问题，有限体积法 可以采用相应的离散格式，如采用特征逆风格式，有限体积法便可以处理对流占 优的输运问题，若是矩形网格则相当于守恒逆风的有限差分格式 有限体积法可以像有限元法那样适用于任意不规则网格，且着眼于控制体上 的逼近，具有守恒性，而且又像特征法那样具有逆风性，其计算效率接近于有限 差分法，而远高于有限元法 有限差分法( f d m ) 有限差分法是最早建立并得到广泛应用的一种数值解法有限差分法的基本 思想是用差商代替微商，对微分方程问题离散化，用包含有限多个未知量的差分 方程去近似代替微分方程，从而将微分方程的求解问题转化为代数求解问题，最 后求得微分方程问题的数值解有限差分法具有格式简单，求解方便，计算工作 量少等许多优点 2 2 2 差分方程的相容性、收敛性和稳定性分析 由于有限差分法有诸多优点，是目前计算水力学领域最常用的数值计算方法 【删，下面介绍有限差分法的相容性、收敛性与稳定性 重庆大学硕士学位论文 相容性 相容性是说明某个差分格式是否真正代表对应的微分方程当以差分主程代 替微分方程时，如果当中问步长s ，时间步长a t 趋近于零时，截断误差( 以差商 代替导数所引起的误差) 也趋近于零，那么差分方程与微分方程是相容的；反之是 不相容的当s 、a t 以某种特定方式趋近于零时，截断误差才趋近于零，差分 方程和微分方程是条件相容的，如l a x 格式应用于对流方程是条件相容 收敛性 相容性是从方程的角度讨论当s 、a t 趋近于零时，差分方程是否逼近微分 方程我们最后关心的还是通过数学手段计算所得到的数值解的可靠性如果当 s 、t 趋近于零时，差分方程的精确解逼近于微分方程的精确解，那么差分程 收敛于微分方程。 相容性是收敛性的必要条件，但不能保证收敛收敛性的严格证明在数学上存 在相当大的难度线性方程的收敛性是通过证明稳定性和l a x 等价定理来解决的。 稳定性。 求解差分方程的过程难免有计算误差，如初始误差或计算过程中产生的舍入 误差，而且这些误差会沿着网格步长或时间步长传播开来，因此由差分方程求得 的是近似解而不是差分方程的精确解若计算中某一步产生的误差在以后各步的 计算中不会随时问的增长而无限增大，或者误差是可以控制的，称这种格式是稳 定的；反之，是不稳定的 2 。2 3 数值格式之间的比较和联系 在数学模型的建立过程中，虽然采用的数值离散方法不同，但都有相同的特 点，即首先把计算区域划分成许多小块或网格，然后在这些小块( 单元) 上把微分方 程离散成代数方程，再把小块上的代数方程汇合成总体代数方程组，最后在一定 的初边值条件下求解此方程组，从而求得计算区域内各节点的物理量 有限差分法、有限元法以及有限体积法是微分方程离散的数值方法，这几种 方法并不是完全不同，它们之间存在着一些联系 有限元法和有限差分法在离散方程