（管理科学与工程专业论文）淮河流域水质预报系统规划与设计.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 ：i l 河院域水质预报系统规划与设计 摘要 淮河是我国的七大江河之一，流域水资源总姑为8 2 8 4 7 亿m ，但人均水资源f i 有量 仅为全国人均1 0 有量的2 i4 ，世界的6 8 。近年来，随着淮河流域i 。农业生产的发展和 人口密度的急剧增加，该地区被日黼严重的污染问题所l 圭| 扰，其水污染问题已发展到直接 危及沿淮两岸人氏生存的地步，引起了国家的高度重视。淮河流域内每年冈污染使1 0 0 3 0 0 亿m 。的水丧火或降低其使蚪! 功能。流域各主要河流水质较差，淮河咀北的支流水质劣 v 类水，淮河南部水质为i i 类。许多超v 类水的重要河段已丧失了原有的使刚功能。 目前国内仅限丁采取行政手段来治理相关流域的污染，而缺乏有关流域水污染防治管 理的科学研究。为了正确指导淮河流域的污染治理，更科学更合理地安排治理项目，避免 或减缓水污染危害，同时为流域水质管理服务，仅靠行政手段来进行污染防i f 是不能从根 本上解决问题的，需开展适合于淮河的枯水圳水文水质模型的研究和开发。 本系统中，我们在上一轮8 6 3 课题的基础上，与水利部淮河水利委员会水资源保护局合 作，采用基丁曙光系列机的高性能计算手段，吸取国际上流行的丹麦水力学研究所开发的流 域人尺度水文水质综合管理模l _ - j m i k e l l 的优点，结合淮河流域的实际生态环境，开展淮河流 域桔水期水文水质综合模型的研究，建立水质预报系统。其中的模型计算采剧数值方法，刖 p r e i s s l n a n n 四点隐式有限莘分格式( 时间加权，空间中心) 进行离散，所得的非线性代数方 科纽崩收敛速度较快的n e w t o n r a p h s o n 迭代法进行求解。由丁整个淮河水系的水质管理涉及 沿淮人部分城镇及所有水文水质监洲点资料的获取年分析处理，其数据餐利计算量1 r 传统方 法可以胜任，在这里我”j 引入了曰前最先进的互联网技术数据网格技术，结合高r | 生能计 算手段，解决了在水质预报系统中有效获取、处理淮河流域t b 、p b 的水情、水质数据等难题， 提高了运算效率和精度，同时也验证了数据网格这种新技术在数据密集删计算应i 【；j 中的有效 性。系统投入使剧后，可为淮河流域沿河两岸的f 农业生产和居l t 安全t l 水提供准确的水质 信息，并提供科学的防污调度决策依据，其所能产生的经济效益平社会效益是不可估鼙的。 水文水质综合模型的研究弥补了目前仅靠人为决箢治污所存在的不足之处，其建模方法及核 心模型同样可推广至其它流域。 本项日受国家8 6 3 项目“淮河水资源保护与管理”应川嗣格( 合同号：2 0 0 2 a a l 0 4 5 6 0 ) 以及中国科技人学创建高水平人学项日资助。 关键字： 淮河、水质预报、数值方法、数据网格 中国科学技术大学硕士学位论文 淮河流域水质顿报系统规划与设计 a b s t r a c t h u a i h er i v e ri so n eo ft h es e v e nl a r g e s tr i v e r so fc h i n ai t st o t a lw a t e rr e s o u r c ei s8 28 4 7 b i l l i o n m 3 b u t t h es h a r eo f p e rp e r s o n i so n l y2 1 4 o f t h ec o u n t r ya n d6 8 o f t h e w o r l d i n t h e r e c e n t y e a r s ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ea n dt h e r a p i d i n c r e a s eo f p o p u l a t i o no ft h i sa r e a ，t h ep o l l u t i o nb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u st oe n d a n g e rt h e l i f eo f p e o p l e ，a n dt h i ss i t u a t i o nh a sa u r a c t e dh i g h l yr e g a r do f t h ec o u n t r y e v e r yy e a gp o l l u t i o nm a k e s a b o u t10 3 0b i l l i o nm w a t e rl o s eo r1 0 w e rf o n c t i o ni nh u a i h er i v e rv a l l e yt h ew a t e rq u a l i t y o fm a i nr i v e r si nt h i sv a l l e yi sb a d ，i ti sw o r s et h a nt h a tr a n k e dvi nn o r t hb r a n c h e sa n dr a n k e d i ii ns o u t hb r a n c h e s ，m a n yi m p o r t a n tr e a c h e sh a v el o s et h e i ru s e a tp r e s e n t ，o n l ya d m i n i s t r a t i v em e a n sh a v eb e e nt a k e l li n t oa n t i p o l l u t i o nw o r k s ，s c i e n t i f i c r e s e a r c h e so na n t i p o l l u t i o nm a n a g e m e n to fv a l l e ya r el a c k i n g i no r d e rt oc o r r e c t l yd i r e c tt h e h a r n e s so f p o l l u t i o n ，m o r es c i e n t i f i c a l l ya n dr e a s o n a b l ya r r a n g ea n t i p o l l u t i o np r o j e c t s ，a v o i do r l e s s e n t h eh a r mo fp o l l u t i o n ，a n dw o r kf o rt h em a n a g e m e n to fw a t e rq u a l i t yi nh u a i h er i v e r v a l l e y , o n l yd e p e n d i n go n a d m i n i s t r a t i v em e a n sc a n ts o l v et h e p r o b l e mt h o r o u g h l y , i t i s n e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eh y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t ym o d u l e o fl o ww a t e r p e r i o d t h a tf i th u a i h er i v e r i nt h i ss y s t e m ，o nt h eb a s eo fl a s tp r o j e c to fn a t i o n8 6 3h i g ht e c hp l a n ，c o o p e r a t i n gw i t h t h ew a t e rq u a l i t yb u r e a uo fh u a i b er i v e rw a t e rc o n s e r v a n c yc o m m i t t e e ，a n dt a k i n gu s eo f h i g hp e r f o r m a n c em e a n sb a s e do nt h ed a w n i n gc o m p u t e rs y s t e m s a n dc o m b i n i n g t h ev i r t u e so f m i k e l lw h i c hi sa n i n t e r n a t i o n a l l yp o p u l a rl a r g e - s c a l eh y d r o l o g i c a l a n dw a t e r q u a l i t y c o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tm o d e l sd e v e l o p e db yh y d r a u l i c sa c a d e m ed a n m a r k ，w ew o r k a tt h e r e s e a r c ho nh y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v em o d e l sa n ds e t u pw a t e rq u a i l t y f o r e c a s ts y s t e mw i t ht h ea c t u a le n v i r o n m e n to fh u a i h er i v e r v a l l e y 1 nt h em o d e lc o m p u t i n gp a r t ， w ea d o p tn u m e r i c a lm e t h o d s m o d e l sa r ed i s c r e t i z e dw i t hp r e i s s m a n nw h i c hi saq u a t r el i m i t e d d i f f e r e n c ef o r m a t t h er e s u l t s ，n o n l i n e a ra l g e b r a i ce q u a t i o n s ，a r es o l v e dw i t hn e w t o n - r a p h s o n ，a f a s tc o n s t r i n g e n c ym e t h o d w a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n to fh u a i h er i v e ri n v o l v e sm o s tt o w n s a l o n gt h er i v e ra n do b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gd a t af r o ma l lw a t c h i n gs p o t s ，t h ea m o u n to fd a t a a n dc o m p u t i n gc a n tb eu n d e r t a k e db yc o m m o nm e t h o d ss ow et a k ed a t ag r i d ，m o s ta d v a n c e d i n t e r n e tt e c h n o l o g ya tt h i st i m e ，i n t ot h i s s y s t e m a n dc o m b i n i n gh i g hp e r f o r m a n c em e a n s ，w e e f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo fe f f e c t i v eo b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gt h et h o u s a n d so ft bo rp b w a t e rd a t ao fh u a ir i v e ri nw a t e rq u a i l t yf o r e c a s ts y s t e m ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o no fc o m p u t i n g a tt h es a m et i m e ，t h i s r e s u l tt e s t i f i e st h a td a t ag r i di se f f e c t i v ei n d a t a i n t e n s i v ec o m p u t i n ga p p l i c a t i o n a f t e rt h es y s t e mb e e np u ti n t ou s e ，i tw i l lp r o v i d ec o r r e c t w a t e rq u a i l t yi n f o r m a t i o nf o ri n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ea n dp e o p l ea l o n gh u a i h er i v e r , a n d s c i e n t i f i cd e c i s i o ns u p p o r tf o ra n t i p o l l u t i o ns c h e d u l i n g t h es o c i a la n de c o n o m i cp r o f i tc o m e s f r o mt h i ss y s t e mi sg r e a t m e a n w h i l e ，r e s e a r c ho nh y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v e m o d e l sm a k e s u pt h es h o r t a g eo fm a k i n g d e c i s i o no n l yb yp e r s o n ，a n dt h em e t h o do fm o d e l i n g a n dk e r n e lm o d e l sa l s oc a nb eu s e di no t h e rr i v e r s t h i ss y s t e mi ss u p p o r t e db yn a t i o n a l8 6 3h i g ht e c h p l a n ，p r o t e c t i o na n dm a n a g e m e n to f w a t e rr e s o u r c e i n h u a i h e r i v e r a n da p p l i c a t i o ng r i d ，a n d t h es e r i a ln u m b e r i s ：2 0 0 2 a a l 0 4 5 6 0 i t i sa l s os u p p o r t e d b y t h ep r o j e c to f f o u n d i n gh i g h l e v e lu n i v e r s i t yu s t c 中国科学技术大学硕士学位论文1 丧河流域水质预报系统规划与诅计 k e y w o r d ： h u a i h er i v e rb a s i n ，w a t e rq u a l i t yf o r e c a s t ，n u m e r i c a lm e t h o d s ，d a t a g r i d 1 1 1 中国科学技术大学硕士学位论文谁河流域批磕顿报系统规划与诅干1 a b s t r a c t h u a i h er i v e ri so n eo ft h es e v e nl a r g e s tr i v er so fc h i n a i t st o t a lw a t e rr e s o u r c ei s8 2 8 4 7 b i l l i o nm 。b u tt h es h a r eo f p e rp e r s o ni so n l y2 14 o f t h ec o u n t r ya n d68 o f t h ew o r l d i nt h e r e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fi n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e a n dt h e r a p i d i n c r e a s eo f p o p u l a t i o no ft h i sa r e a t h ep o l l u t i o n b e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u st oe n d a n g e rt h el i r eo f p e o p l e ，a n dt h i ss i t u a t i o oh a sa t t r a c t e dh i g h l yr e g a r do f t h ec o u n t r y e v e r yy e a lp o l l u t i o nm a k e s a b o u t1 0 3 0b i l l i o nm 。w a t e rl o s eo rl o w e rf u n o t i o ni nh u a i h er i v e rv a l l e y t h ew a t e rq u a i l t y o fm a i n1 i v e r si nt h i sv a l l e yi sb a d i ti sw o r s et h a nt h a tr a n k e dvi nn o 曲b r a n c h e sa n dr a n k e d i ii ns o u t hb r a n c h e s m a n yi m p o r t a n tr e a c h e sh a v el o s et h e i ru s e a tp r e s e n t ，o n l ya d m i n i s t r a t i v em e a n sh a v eb e e nt a k e ni n t oa n t i - p o l l u t i o nw o r k s ，s c i e n t i f i c r e s e a r c h e so na n t i p o l l u t i o nm a n a g e m e n to fv a l l e ya r el a c k i n g i no r d e rt oc o r r e c t l yd i r e c tt h e h a r n e s so fp o l l u t i o n ，m o r es c i e n t i f i c a l l ya n dr e a s o n a b l ya r r a n g ea n t i - p o l l u t i o np r o j e c t s ，a v o i do r l e s s e n t h eh a r mo fp o l l u t i o n ，a n dw o r kf o rt h em a n a g e m e n to fw a t e rq u a l i t yi nh u a i h er i v e r v a l l e y , o n l yd e p e n d i n g o na d m i n i s t r a t i v em e a n sc a n l ts o l v et h e p r o b l e mt h o r o u g h l y , i t i s n e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eh y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t ym o d u l e o fl o ww a t e rp e r i o d t h a tf i th u a i h er i v e r i nt h i ss y s t e m o nt h eb a s eo fl a s tp r o j e c to fn a t i o n8 6 3h i g ht e c hp l a 】1 ，c o o p e r a t i n gw i t h t h ew a t e rq u a l i t yb u r e a uo fh u a i h er i v e rw a t e rc o n s e r v a n c yc o m m i t t e e ，a n dt a k i n gu s eo f h i g hp e r f o r m a n c em e a n sb a s e do nt h ed a w n i n gc o m p u t e rs y s t e m s ，a n dc o m b i n i n g t h ev i r t u e so f m i k e l lw h i c hi sa n i n t e r n a t i o n a l l yp o p u l a rl a r g e s c a l eh y d r o l o g i c a l a n dw a t e r q u a l i t y c o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tm o d e l sd e v e l o p e db yh y d r a u l i c sa c a d e m ed a n m a r k ，w e w o r ka tt h e r e s e a r c ho nh y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v em o d e l sa n ds e tu pw a t e rq u a l i t y f o r e c a s ts y s t e mw i t ht h ea c t u a le n v i r o n m e n to fh u a i h er i v e rv a l l e y i nt h em o d e lc o m p u t i n gp a r t ， w ea d o p tn u m e r i c a im e t h o d s m o d e l sa r ed i s c r e t i z e dw i t hp r e i s s m a n nw h i c hi saq u a t r el i m i t e d d i n e f e n c et o r m a t 、t h er e s u l t s n o n l i n e a ra l g e b r a i ce q u a t i o n s ，a r es o l v e dw i t hn e w t o n r a p h s o n ，a f a s t c o n s t r i n g e n c ym e t h o d w a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n to fh u a i h er i v e rj n v o i v e sm o s t t o w n s a l o n gt h er i v e ra n do b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gd a t af r o ma l l w a t c h i n gs p o t s ，t h ea m o u n to fd a t a a n dc o m p u t i n gc a n tb eu n d e r t a k e db yc o m m o nm e t h o d ss ow et a k ed a t ag r i d ，m o s ta d v a n c e d i n t e r n e tt e c h n o l o g ya tt h i st i m e ，i n t ot h i ss y s t e m a n dc o m b i n i n gh i g hp e r f o r m a n c em e a n s ，w e e f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo fe f f e c t i v eo b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gt h et h o u s a n d so ft bo r p b w a t e rd a t ao fh u a ir i v e ri nw a t e rq u a l i t yf o r e c a s ts y s t e m ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o no fc o m p u t i n g a tt h es a m et i m e ，t h i sr e s u l tt e s t i f i e st h a td a t ag r i di se f f e c t i v ei n d a t a i n t e n s i v ec o m p u t i n ga p p l i c a t i o n a f t e rt h es y s t e mb e e np u ti n t ou s e ，i tw i l lp r o v i d ec o r r e c t w a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o nf o ri n d l l s t r ya n da g r i c u l t u r ea n dp e o p l ea l o n gh u a i h er i v e r , a n d s c i e n t i f i cd e c i s i o ns u p p o r tf o ra n t i p o l l u t i o ns c h e d u l i n g t h es o c i a la n de c o n o m i cp r o f i tc o m e s f r o mt h i ss y s t e mi sg r e a tm e a n w h i l e ，r e s e a r c h0 1 1h y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v e m o d e l sm a k e su dt h es h o r t a g eo fm a k i n gd e c i s i o no n l yb yp e r s o n ，a n dt h em e t h o do fm o d e l i n g a n dk e r n e lm o d e l sa l s oc a nb eu s e di no t h e rr i v e r s t h i ss y s t e mi ss u p p o r t e db yn a t i o n a l8 6 3h i g ht e e h p l a n ，p r o t e c t i o na n dm a n a g e m e n to f w a t e rr e s o u r c ei nh u a i h er i v e ra n da p p l i c a t i o ng r i d a n dt h es e r i a ln u m b e ri s ：2 0 0 2 a a 10 4 5 6 0 i t i sa l s os u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f f o u n d i n gh i g h l e v e lu n i v e r s i t yu s t c i i 中国科学技术大学硕士学位论文 ；蠹河流域水质颢报系统规划与诬计 k e y w o r d ： h u a i h er i v e rb a s i n ，w a t e rq u a i l t yf o r e c a s t ，n u m e r i c a lm e t h o d s ，d a t a g r i d i 中国科学技术大学硕士学位论文 1 = 蠹河流域水质预报系统规划与诅计 第一章绪论 淮河流域防污智能凋度系统是国家8 6 3 重大专项“淮河水资源保护与管理”应用 网格的子系统。此系统采用水动力模型输出的干流河道上的流量过程作为水质模型的输入， 建立淮河流域枯水期水文水质综合模型，并依此模型计算出流域上水污染分布状况，从而 提供较为准确的水质预报和污染事故警报，以期合理实施流量控制和水闸调度，台理分配 环境容量到城镇，提出城镇排污削减量。 1 淮河流域概况 淮河发源于河南省桐柏山，流经湖北、河南、安徽至江苏洪泽湖汇入长江，全长10 0 0 k m 总落差1 0 0 0 m ，流域面积共2 6 9 万k m 2 ，是我国5 夫河流之一。 1 1 淮河流域的自然及社会经济情况 淮河流域地处我国南北气候过渡地带，属暖温带半湿润季风气候区。其特点是：夏热 多雨、东寒睛燥、秋旱少雨：冷暖和早涝的转变很突出。地形总的趋势是西高东低，处于 我国第二级阶梯前缘，大都属于第三级阶梯。流域内有山区、f 己陵和广阔的平原。流域的 两部、两南部及东北部为山区、丘陵区。淮河南岸为低山匠陵，有许多支流由北向南，将 丘陵分割成一条条嵴岭，一般宽阔平缓，当地称“岗地”。 淮河流域河网稠密，主要由沂沐泗和淮河两大水系构成。 淮河两岸支流众多，流域面积在2 0 0 0k m 2 以上的一级支流共1 6 条：大于1 0 0 0k m 2 的 共有2 1 条。在淮河中上游，南岸较火的支流有史河、淠河、东肥河和池河，其流域面积在 4 0 0 0k m 2 7 0 0 0 k m 2 之间。北岸沙颖河是最大的支流，其流域面积达4 0 ，0 0 0k m 2 ，长度 5 5 7k m 2 ；其它较大的支流还有洪汝河、涡河，两肥河、琮、崇潼河及新汴河等，流域面积 约6 ，0 0 0 至1 6 ，0 0 0k m 2 。 沂沐泅水系发源丁山尔沂蒙山，由沂河、沐河、泗水组成，流域面积达8 万k m 2 ，向东 南流经江苏等地，最终汇入黄海。 淮河流域人口众多，据有关资料统计，目前约1 5 亿。建国出来，人口年平均增k 率 为1 6 6 ，人口密度是沂沐泗水系火于淮河水系；淮河以北大于淮河以南；平原火于山暖。 人口密度由两南向东、北递增。 流域内十地主要以耕地为主，森林覆盖率仅为1 2 ，其中淮河水系十地利川面积情况 见表1 1 ： 表1 1淮河水系土地利用面积情况表 l 类别水田早地森林牧场果园水面 l 面积 1 9 5 6 49 0 3 8 41 6 4 6 31 6 9 l7 1 21 7 0 3 f 比例1 4 9 96 9 2 5 1 2 6 11 30 5 5l3 1 1 2 淮河流域的污染状况 淮河流域水资源总量为8 2 8 4 7 亿t t t 3 。但流域人均水资源占有量仅为全国人均占有量 的21 4 ，世界的6 8 。流域水资源短缺主要由资源性缺水和污染性缺水两方面造成。资 源性短缺造成正常年份缺水约3 3 2 亿r r l 3 ，枯水年份( 7 5 年份) 缺水1 0 4 8 亿i t l 3 ，特枯 年份( 9 5 年份) 缺水2 2 3 9 亿m 3 。与资源性缺水相比，流域内污染造成的缺水更为严重 中国科学技术大学硕士学位论文- ；丧河魂域水质顿报系统规划与设计 每年囡污染使1 0 0 3 0 0 亿m 3 的水丧失或降低其使刚功能。 流域各主要河流水质较差，淮河以北的支流水质劣于v 类水，淮河南部水质为i i 类。 在有关的水质综合评价结果中显示，在参加评价的流域内2 9 3 6 k m 的河段中，1 9 9 5 年达i 类水的河段尚缺，达i i 类水标准河段仅为5 0 k i n ，i i i 类水的河段也仅为4 3 0 k m ，属污染的劣 丁的河段总长达2 4 8 2 k m ，i ! l8 3 8 。其中严重污染( 超v 类水) 的河段达1 4 7 6 k m ，占5 0 ， 目前，许多超v 类水的河段重要河段已丧失了原有的使用功能。 淮河流域污染以有机污染为主，汀染负荷主要来自纸浆生产和造纸t 业、酿造业( 如 酒精、味精和啤酒等生产厂家) 以及制革： 业，这些工业生产的污染负荷占总量的7 0 ， 生活废水的负荷3 0 ，污排c o d 、b o d 平均浓度大大超过了国家污水综台排放标准 二级标准，除了工业污染外，城市生活污水、乡镇小企业排污和农业化肥、农药等水水土 流失也造成了淮河流域的严重污染。 近年淮河水系的水质变化表现与河道流量密切相关。污染峰值总是出现在流量偏小的 枯季。在淮河水系中，淮河干流水质要比其支流水质好得多，而这些支流污染程度往往比 干流要高好几倍。在众多支流中，沙颖河污染最为严重，n h ，n 值很高。 论文的背景以及研究意义 目前国内仅限于采取行政手段米治理有关流域的污染，而缺乏有关流域水污染防治管 理的科学研究。为了正确指导淮河流域的污染治理，更科学更合理地安排治理项目，避免 或减缓水污染危害同时为流域水质管理服务，仅靠行政手段来进行污染防治是不能从根 本上解决问题的，需开展适合于淮河的枯水；c l j 水文水质模型的研究和开发。止确的水文水 质模型将为沿河两岸的t 农业生产平居民安全用水提供准确的水质信息，并提供科学的防 污调皮决策信息。由于雅个淮河水系的水质管理和防污调皮涉及沿淮大部分城镇及所有水 文水质监测点资料的获取和分析处理其计算量也非单机系统可以胜任。本项目将结合淮 河流域的实际生态环境，吸取丹麦水力学研究所开发的流域人尺度水文水质综合管理模型 m i k e l i 的优点，与淮河水资源保护局合作，采用高性能计算手段以及数值计算方法和数据 网格技术对淮河流域枯水期水文水质综合模型进行系统研究，并建立水质预报系统，为管 理部fj 提供科学的防污调度决策信息。 本论文作为整个8 6 3 研究课题的一部分，与本项目的另外两个子系统：防洪预报、防 洪调度系统是密不可分的。在国内，目前还没有一个将气象、水库、河道和行蓄洪区综合 在一起的联合调度系统。在此8 6 3 项目中，我们采用基于并行分布技术的高性能计算手段， 建立集气象、水库群、河道和行蓄洪区于一体的联合调度系统。我们以曙光2 0 0 0 为计算服 务器，首先将气象预报、群库凋度、河道及行蓄洪区的调度集成为一体进行全流域的联 台防洪优化调度，然后以防洪调度系统的输山作为输入，在淮河流域水文水质综合模型的 研究基础上，建立防污所需的水质预报系统。气象预报和洪水预报的结合、防洪和防污的 结合，在国内尚属首创，在国际上也不多见。系统完成后，可为淮河流域水质预报、防污 调度提供科学的决策依据，其经济效益和社会效益是不可估量的。 水文水质综合模型及防污调度可对淮河治污提供决策支持，弥补目前仅靠人为决策治 污所存在的不足之处，其建模方法及核心模型同样可推广至其它流域。 2 中国科学技术大学硕士学位论文 淮河流域水质预报系统规划与设制 3 总体目标及研究内容 1 1 总体目标 采川曙光系列机作为计弗服务器，f 助f 网络技术、并行分布计算技术等方法实现淮 河流域的水质预报系统，为淮河流域防污指挥提供准确及时的科学扶策依据：建立模型库， 使系统中所使剧的模型尽_ j 能规范化，以利丁推厂利应用。 1 2 研究内容 采川洪水预报输出的下流河道上的流量过程作为水质模型的输入，建立淮河流域枯水 期水文水质综合模型，并依此模型计算出流域上水污染分布状况从而提供较为准确的水 质预报和污染事故警报，以删合理实施流耸控制利水闸调度，合理分配环境容量到城镇， 提出城镇排污削减鲑。 本文的主要研究范闱是淮河流域水系，同时考虑淮河水系的污染状况，则选取沙颖河 ( 图卜1 ) 水质情况作为重点研究内容，这样取舍的主要原吲有二：者沙颖河为淮河水系 污染最为严重的的一级较大支流，沙颖河上游位丁伏牛山区，此处十壤以棕壤帚1 褐一 为主 十层厚，质地疏松，易受侵蚀和冲刷所以年输沙量为淮河水系中最大，这样，无论是目 前切究河流r pc o d 、b o d 、d o 等污染指标的变迁，还是进一步研究重金属污染物与泥沙 等悬浮物、河床底泥相互们川以及刘水体影响促进彻底治污都具有典型意义。二者沙颗 河本身义形成 小的水系，其上较人的支流义有百条，印颖水、沙河、贾鲁、新蔡河、泉 河等，形成一分岔的河网。这样，以沙颖河作为重点研究内容，建立支流河刚水质计算模 忆进一步，利i | j 并彳计算方法，完成整个淮河水系干流、众多一绂支流河网、复杂河网 的人规模汁筇水质模拟，促进并行计算方法住水利 i 槲、环境j j 程中的应_ l j ，为国k 经济 发展及经济建殴、环境保护服务，这将会取得重火的社会和经济效施。 幽1 1 防污调度系统项目区示意图 中国科学技术大学硕士学位论文 = 童河流域水质预报系统规划与设计 4 对论文的说明 本论文共分为5 个主要部分，即：绪论、水质顶报系统的理论基础、理论模型的数值 计算、水质预报系统的设计和数值计算方法在水质预报系统中的应用。 绪论主要介绍了淮河流域的自然、经济肃i 污染状况以及论文的主要目标、研究内容和 意义等。 水质预报系统的理论基础部分主要介绍了系统实现所必需的水利方面的知识，包括水 文、水动力、水质模型等。 理论模型的数值计算介绍了利用数值计算方法对河网水动力模型和河网水质模型的 求解以及详细的计算过程。 水质预报系统的设计部分介绍了系统特点、系统结构、各模块的流程和细节等。 数据网格技术在水质预报系统中的应用部分首先简单介绍了网格和数据网格的特点， 然后详细介绍了数据网格作为资源服务层在水质预报系统中的应用。 4 中国科学技术大学硕+ 学位论文淮河流域水质预报系统规划与设计 第二章水质预报系统的理论基础 水质预报系统的实现要进行河道、河网的水流演算和污染物演算，这需要水利方面的知 识包括水文、水动力模型和水质模型等。将在本章详细介绍。 1 水文、水动力学模型 1 1 概述 流域水文模型( h y d r o l o g i c a lm o d e l so faw a t e r s h e d ) 把流域看成一个完整的系统， 根据各水文要素的相互联系与制约的物理规律，用数学方式描述主要的水文过程以及这些过 程与主要影响因素间的关系，形成全流域的水量平衡计算系统。表征指标：流域出口断面流 量、水位过程。 河网水动力学模型”( h y d r o d y n a m i cm o d e l so far i v e rn e t w o r k ) 也称河网水力模型 ( 为了与水静力模型计算相区别，这里称为河网水动力学模型) ，把研究区的河网看成一个 完整的系统根据物质守恒与能量守恒定律。计算河网各河道沿程水流的水力特性。表征指 标：水位、流量沿程过程分布。 描述质点运动的方法有牛顿方法和拉格朗日方法。两者的区别是：牛顿法为记录质点的 运行轨迹( 时间永恒) ；拉氏法记录质点在空间某一点的状态( 空间不变时间永恒) 。水文 水动力学的计算采用拉氏方法。 在实际的研究中，常常将流域水文模型与研究区的河网水动力学模型联系起米，规定各 白的计算主题形成一个水文、水动力学模型系统( h y d r o l o g i c h y d r o d y n a m i cm o d e ls s y s t e m ，h i b i s ) 。当前水文水力模型的耦台方法有很多种，如用水文模型校正水力模醒、水 文模型提供水力模型的边界条件、用水力模型进行河网汇流演算( 特别是在人【控制的河刚) 等等。本项目的设计运用前二者的方法，即用用水文模型校正水力模型并提供水力模型的边 界条件，进行沙颍河及淮河干流沿程水情水质模拟、预报。 具体方案如下： 一、流域河网总体上采用水动力学模型。水动力学模型计算区域与边界源点分别见剖 2 1 和表2 1 。 二、边界源点上游集水区以及图2 1 中的各河段小型集水区( 视作旁侧流) 米水过群州 水文模型进行计算( 见图2 2 ) ，作为模型的输入。 1 2 模型选型及修正 1 2 1 流域水文模型 水文模型( h y d r o l o g i c a lm o d e l ，h m ) 采用流域集总线性模型： 一、历史资料模拟用确定性模型： 二、径流预测用随机统计模型。 流域( 或边界上游集水区) 水文概念模型采用如图2