基于動態(tài)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的水污染模擬分析系統(tǒng)研究

馬 輝，申邵洪，陳蓓青

(1.水利部水文局，北京 100053；2.長江科學院 空間信息技術應用研究所，武漢 430010)

?

基于動態(tài)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的水污染模擬分析系統(tǒng)研究

馬 輝1，申邵洪2，陳蓓青2

(1.水利部水文局，北京 100053；2.長江科學院 空間信息技術應用研究所，武漢 430010)

以水污染應急事件中的水污染模擬分析為研究對象，從數(shù)據(jù)的采集、傳輸、模擬分析、應用等多層次出發(fā)，采用WebGIS為核心技術，建立了二維網(wǎng)絡地理環(huán)境下的水污染模擬仿真決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)重點研究了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的二維水污染擴散模型和水污染模擬計算結果的可視化表達和交互應用。通過長江干流某河段的應用，驗證了該研究系統(tǒng)的有效性和科學性，結果表明系統(tǒng)能夠有效、科學支撐突發(fā)性水污染事件的自動監(jiān)測和應急決策處理。

突發(fā)性水污染：動態(tài)實時監(jiān)測；網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)；模擬決策分析；互聯(lián)網(wǎng)

1 研究背景

水是人民生活和社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎性自然資源，是生態(tài)環(huán)境的控制要素。近年來我國突發(fā)性水污染事件頻發(fā)，已經(jīng)得到了社會的廣泛關注和高度重視。突發(fā)性水污染事件具有突發(fā)性、明顯的不確定性和階段性等特點。同時，在突發(fā)性水污染事件的應急管理處置工作中，需要大量的水文、水質、河道、水功能區(qū)、取水、排水、水利工程等系列水資源和水環(huán)境信息，利用現(xiàn)代化信息處理技術，對事件處理過程進行模擬分析和決策支持，快速、科學、有效指導事件處理。

在對突發(fā)性水污染事件應急處理研究工作中，研究者重點關注了事件的模擬分析和決策支持，分別從水文學、水資源管理、水信息學等角度出發(fā)，開展水資源、水環(huán)境信息動態(tài)實時監(jiān)測，水污染模擬擴散模型設計與開發(fā)，事件過程動態(tài)模擬分析以及信息分享等多方面的研究?？锎淦嫉萚1]建立了黃浦江二維水污染模型，對黃浦江突發(fā)水污染事件進行模擬分析，模擬分析典型調水應急措施的效果。付俊娥等[2]以3S技術作為支撐建立了復雜水流條件和水質調度要求的水污染模擬仿真模型，并開發(fā)了實際系統(tǒng)，選擇淮河流域作為應用實例，實現(xiàn)了對水污染的自動監(jiān)測和突發(fā)事件應急決策處理。解建倉等[3]以水污染擴散模型三維表達為研究重點，構建出基于水質Agent的流域突發(fā)水污染物擴散模型，有效模擬出流域突發(fā)水污染事件。李國偉[4]開展了基于GIS的三峽庫區(qū)事故型水環(huán)境污染風險評估與水污染擴散模擬研究，深入研究了三峽庫區(qū)突發(fā)水污染事故風險評估方法以及基于元胞自動機的水污染擴散模擬方法，并且借助于GIS空間處理功能，直觀可視化地、實時動態(tài)地模擬三峽庫區(qū)水污染擴散的時空過程。宋筱軒等[5]基于動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的突發(fā)水污染事故仿真方法，闡述動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的突發(fā)水污染事故預測誤差修正基本原理，引入反饋機制，水質污染演化模擬仿真結果得到了實時修正，減少了不確定因素對仿真輸出的影響，提高了結果準確性和可靠性。以上研究主要從水污染模型和模擬分析的角度出發(fā)，在單機或者局域網(wǎng)環(huán)境開展水污染事件分析。伴隨網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，開展互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的水污染模擬分析和交互應用具有更好的科學價值和應用前景。

本文針對突發(fā)性水污染應急事件，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、模擬計算、分析結果表達及應用等角度出發(fā)，建立基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的水污染模擬分析系統(tǒng)，重點研究了監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算分析模型的無縫集成，以及仿真模擬計算結果在網(wǎng)絡地理環(huán)境下的可視化表達及應用，科學支撐了突發(fā)性水污染事件的應急處理。

2 系統(tǒng)結構

本文研究的模擬分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、基礎數(shù)據(jù)層、支撐層和應用層構成，如圖1所示。

圖1 基于動態(tài)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的水污染模擬分析系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of simulation and analysis system of water pollution based on dynamic real time monitoring data

各層次的主要功能簡述如下。

(1) 采集層:主要實現(xiàn)應急監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與傳輸，包括來自固定監(jiān)測站、移動監(jiān)測站的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，如水位、流量、流速等。

(2) 傳輸層:傳輸層是通過傳輸網(wǎng)絡，如Internet或者GPRS,將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心。

(3) 數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層用于存儲和提供系統(tǒng)所需的各類基礎數(shù)據(jù)和應急監(jiān)測數(shù)據(jù)?；A數(shù)據(jù)包括基礎地理數(shù)據(jù)、水資源專題空間數(shù)據(jù)、水利工程專題空間數(shù)據(jù)、水資源屬性數(shù)據(jù)以及水資源動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(4) 支撐層：支撐層是系統(tǒng)建設所需要的各類軟硬件環(huán)境，包括WebGIS軟件、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡編程語言、水污染擴散計算模型等，其中污染物運移擴散模型對流域水環(huán)境進行模擬；GIS應用服務提供數(shù)據(jù)處理的應用工具，方便用戶進行空間查詢和分析。

(5) 應用層：應用層為用戶提供交互式界面，包括水污染動態(tài)模擬結果展示，監(jiān)測數(shù)據(jù)交互應用，信息動態(tài)發(fā)布以及應急預案決策支持等。

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 基于動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的水污染擴散分析模型

在本文中，研究的突發(fā)水污染擴散模擬仿真模型主要包括經(jīng)典水動力學方程和水質擴散方程，實現(xiàn)快速建模和仿真計算。

3.1.1 二維非恒定淺水運動方程

二維非恒定淺水運動方程包括連續(xù)性方程和動量方程，其中，連續(xù)方程為

(1)

x方向動量方程為

(2)

y方向動量方程為

(3)

式中：u,v分別為x,y方向的垂向平均速度；z為水面高程；h為水深；f為科氏力系數(shù), f=2Ωsinθ,Ω為地球旋轉的角頻率，θ為當?shù)氐木暥龋籸i為紊動黏性系數(shù)；ρa,ρw分別是空氣和水密度；fw為風應力系數(shù)；wx,wy分別為x,y方向的風速。

3.1.2 非持久性污染物遷移轉化方程

沿水深方向截取一個長為dx、寬為dy、高為水深h的柱體，類似推導一維水質遷移轉化方程那樣，根據(jù)質量平衡原理，可得到平面二維水質遷移轉化基本方程，即

(4)

式中：∑Si為河段水體污染物的源項(g/s)；C為河段中某種污染物的濃度(mg/L),污染物濃度值由監(jiān)測設備現(xiàn)場獲取,通過GPRS無線網(wǎng)絡遠程傳輸至服務器，服務器通過接收程序將數(shù)據(jù)寫入固定格式的濃度文件；Ex，Ey分別為x，y方向的分子擴散系數(shù)、紊動擴散系數(shù)和離散系數(shù)之和(m2/s)。

3.2 水動力-水質模型耦合與求解

(1)方程的離散 。對于動量方程和非持久性污染物遷移轉化模型，采用有限體積法離散。用有限體積法導出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的物理意義明確，具有很大的靈活性，是目前水質模擬問題的數(shù)值計算中應用較好的一種方法。

(2) 水深修正。DEM網(wǎng)格的水深修正與同位網(wǎng)格類似，采用SIMPLEC法和壓力加權插值方法(PWIM)水深修正公式。

(3) 動邊界問題。本模型采用干濕法處理動邊界問題，經(jīng)過研究比較，干濕法比較適合于DEM網(wǎng)格，且可以保證水量平衡。

(4) 方程組的求解。本模型采用三對角矩陣算法(TDMA)和交替方向隱式迭代法(ADI)算法求離散出來的方程組。具體實現(xiàn)較為簡單，先對動量方程進行數(shù)值求解，得到一定時間步長的流速場，代入水質遷移方程中，采用相同步長，得到污染物濃度分布值。

(5) 初始條件。在計算的初始時刻，Z，u，v為已知值，Z通過內插得到，u=0,v=0。

(6) 邊界條件。在水陸邊界上，流速為0；在水流出邊界上，給定水位的變化過程；在水流入邊界上，給定流量過程。

3.3 模型和WebGIS耦合應用

水污染擴散分析模型的編程采用Fortran語言，系統(tǒng)平臺總體采用C#作為開發(fā)語言，通過Fortran開發(fā)的水污染擴散分析模型具有高效計算的特點，C#開發(fā)的系統(tǒng)平臺具備良好的網(wǎng)絡適用性，2種開發(fā)語言的結合可以高效實現(xiàn)模型與系統(tǒng)的耦合，具體通過DLL(動態(tài)鏈接庫)技術實現(xiàn)。將一組Fortran函數(shù)或子程序放在一個程序中，創(chuàng)建成DLL ，然后在C#調用，就可以實現(xiàn)具體功能。具體過程如下所述。

(1) 在Fortran中建立DLL工程。

(2) 將原程序改編成子函數(shù)，并對需調用的子函數(shù)進行聲明：

subroutine WATERQ(M，N，C，C1，T，H，U，E)

!ms$if .not. defined(linkdirect)

!ms$attributes dllexport :: WaterQ

!ms$endif

(3) 編譯，將生成的WaterQ.dll和Water.lib文件拷到C#的工程中。

(4) 在C#中調用DLL。

3.4 水污染模擬仿真模型

水污染模擬擴散結果在網(wǎng)絡空間環(huán)境下的可視化動態(tài)表達主要包括水污染擴散模擬計算、計算結果的彩色圖像仿真和網(wǎng)絡地理環(huán)境可視化及交互應用[6]。

3.4.1 水污染擴散模擬計算結果獲取

水污染擴散模擬計算是一個相對獨立的模塊，采用Fortran語言編程，封裝了核心算法與數(shù)據(jù)結構，采用Windows管道(pipe)技術將污染擴散模擬計算的整個迭代過程，獲得擴散模擬計算結果，結果中主要包括3個文件：①坐標文件，記錄每個目標點的坐標值；②參數(shù)文件，記錄污染事件的參數(shù)如坐標對數(shù)、時間段數(shù)、時間步長等；③污染濃度文件，記錄每個坐標在不同時刻污染物的濃度值。

3.4.2 污染物濃度圖像構建

污染物濃度圖像構建是以污染點坐標、濃度、時間段為基礎數(shù)據(jù)，通過色彩變換函數(shù)，構建特定計算時間段的污染物濃度圖像。污染物濃度圖像的坐標值為污染點坐標，每個時間段的污染計算結果對應一幅污染濃度圖像，濃度色彩變換函數(shù)為

(5)

式中：C為污染物原始濃度值；h為經(jīng)函數(shù)變化之后的濃度值(mg/h),對不同數(shù)值之間的h值，采用不同的紅、綠、藍3種顏色值進行組合生成偽彩色。色彩變換函數(shù)如下(函數(shù)中，h為濃度值，r,g,b分別為紅、綠、藍色彩值)。

(1) 當0

(6)

(2) 當40

(7)

(3) 當80

(8)

(4) 當120

(9)

3.5 污染濃度圖像網(wǎng)絡可視化與表達

污染濃度圖像網(wǎng)絡可視化與表達是將圖像和WebGIS相互結合，以WebGIS為基礎平臺，實現(xiàn)圖像在客戶端的可視化表達。本研究采用ArcGIS Server為WebGIS基礎平臺，通過圖層疊加的功能按照濃度圖像的坐標值，實現(xiàn)濃度圖像在網(wǎng)絡地理環(huán)境下的精準可視化。

4 水污染時空模擬分析實例

4.1 模型計算參數(shù)輸入及分析

模型計算功能主要用于特定污染物的模型計算，在模型計算界面中輸入污染物地點、排污量、排污濃度、計算時段、時間步長等相關參數(shù)，可以對污染物擴散進行模擬。

通過模型計算，主要獲得坐標文件和污染濃度文件。其中坐標文件記錄分析區(qū)域內每個點的坐標值,污染濃度文件記錄每一個坐標在不同時刻污染物的濃度值。

系統(tǒng)為B/S結構，客戶端通過瀏覽器錄入模型計算相關參數(shù)，計算模型布設于服務器。具體實現(xiàn)流程為：客戶端通過瀏覽器登陸網(wǎng)站，點擊模型計算菜單，客戶端將彈出模型計算界面，將相關計算參數(shù)傳輸至服務器，服務器接收相關參數(shù)并啟動模型計算程序，生成水污染模擬計算結果。圖2為客戶端模型參數(shù)輸入界面。

圖2 水污染擴散模型參數(shù)設置Fig.2 Parameter setting of water pollution diffusion model

根據(jù)水動力學模型計算出的流速分布，作為二維水質模型計算的輸入條件，進行濃度場計算。濃度場驗證計算結果見表1。由圖2、表1可知，COD濃度計算值與實測值吻合較好，相對誤差一般在±10%以內，濃度變化趨勢也較為合理，濃度場模型模擬的污染帶形狀、范圍、變化規(guī)律以及等濃度線的分布與實際情況基本相吻合。

通過模型計算，t時段的水污染計算結果可表現(xiàn)為(x,y,c,t)。其中：x為水平方向坐標；y為垂直方向坐標；c為濃度值；t為時間段。在本研究中，采用二維彩色圖像實現(xiàn)水污染成果的模擬仿真表達，對水污染濃度值進行數(shù)值拉升，并作為彩色圖像的像元值，將時段t內的模擬擴散結果形成為一幅色彩反差明顯的污染物濃度圖像。

表1 驗證計算成果比較

4.2 模擬計算結果表達及分析

污染物擴散可視化子模塊是將不同時段對應的空間范圍內的污染物濃度采用網(wǎng)絡二維地圖進行表達，進行不同時段下污染范圍的可視化仿真。通過選擇時段參數(shù)，可以在系統(tǒng)的客戶端顯示特定時段的污染物空間分布結果，如圖3所示為特定時段的污染物濃度地理空間可視化表達結果。通過不同時段的動態(tài)加載，可以有效展示污染物在時間及空間范圍上的變化，能夠有效模擬仿真污染物擴散的整個過程。

圖3 污染物擴散時空分布動態(tài)模擬Fig.3 Dynamic simulation of spatial and temporal distribution of pollutant dispersion

4.3 污染物濃度變化分析

污染物濃度變化分析是在特定空間位置上查詢特定點的水污染濃度，分析該點在不同時段下的濃度變化情況。通過坐標點擊獲取特定點的經(jīng)緯度坐標，然后將坐標與模擬計算結果進行匹配，獲得特定點對應的水污染濃度，提取濃度值，結果如圖4所示。

圖4 特定點水污染濃度變化及分析Fig.4 Variationandanalysisoftheconcentrationofwaterpollutionatspecificpoint

4.4 區(qū)域水質統(tǒng)計計算

區(qū)域水質統(tǒng)計是統(tǒng)計特定時段水質分布面積，通過在地圖上繪制興趣多邊形，采用GIS的空間分析功能，具體是面積量算功能，獲得多邊形的面積。在每一類水所占面積分析過程中，是統(tǒng)計每一類水在興趣多面形中所占的比例，然后將多面形面積乘以比例值，計算獲得每一類水所占的面積。系統(tǒng)統(tǒng)計分析結果如圖5所示。

圖5 空間范圍內水質分布空間統(tǒng)計分析Fig.5 Statisticalanalysisofwaterqualitydistributioninspace

5 結 論

本文根據(jù)我國突發(fā)性水污染事件的特點，從水污染事件過程中的數(shù)據(jù)采集、傳輸、應用等角度出發(fā)，基于網(wǎng)絡地理信息環(huán)境，開發(fā)水污染模擬擴散計算模型，實現(xiàn)模型與WebGIS的相互集成，實現(xiàn)了二維網(wǎng)絡地理環(huán)境下水污染事件的模擬分析與成果表達及應用。水污染模擬分析系統(tǒng)重點對動態(tài)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)驅動的水污染模擬擴散計算模型，模擬分析結果的可視化表達和交互應用進行了深入研究和探討。通過長江干流某河段水污染事件的應急決策支持，驗證了本系統(tǒng)的有效性和科學性，應用結果表明本文研究的系統(tǒng)可應用于突發(fā)性水污染事件的模擬分析，能科學指導突發(fā)事件應急決策處理。

[1] 匡翠萍，邢 飛，劉曙光，等.黃浦江突發(fā)水污染事件應急措施數(shù)值計算分析[J].人民長江， 2010, 41(7):43-47.

[2] 付俊娥，田宏紅，李紀人. 流域水污染模擬預測及應急處理系統(tǒng)研究——以淮河為例[J]. 遙感信息，2011，(3):116-120.

[3] 解建倉，李維乾，李建勛，等. 基于Multi-Agent的流域突發(fā)水污染擴散模擬[J]. 西安理工大學學報, 2013, 29(1):13-19.

[4] 李國偉. 基于GIS的三峽庫區(qū)事故型水環(huán)境污染風險評估與水污染擴散模擬研究[D].重慶：西南大學，2014.

[5] 宋筱軒，馮天恒，黃平捷，等. 基于動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的突發(fā)水污染事故仿真方法[J]. 浙江大學學報(工學版), 2015,49(1):63-78.

[6] 陳蓓青，譚德寶，宋 麗. GIS技術在突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)中的應用研究[J].長江科學院院報,2010, 27(1):29-32.

(編輯：王 慰)

Simulation and Analysis System of Water Pollution Based onDynamic Real-time Monitoring Data

MA Hui1, SHEN Shao-hong2, CHEN Bei-qing2

(1.Hydrological Bureau of the Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China; 2.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

In this paper, water pollution diffusion is simulated and analyzed by information and visualization technology during water pollution emergency events. A simulation and decision support system for water pollution based on WebGIS is proposed to represent and manage data in two-dimensional network environment. Data is the key part of the system,including data acquisition, transmission, simulation analysis and application. In this system, the visualization and interactive application of two-dimensional diffusion models of water pollution and simulation result are researched in emphasis in the Internet environment. A section of the mainstream Yangtze River is taken as the experimental region to test the effectiveness. Experimental result proves that the system could effectively support the automatic monitoring and decision-making of water pollution emergency events.

water pollution emergency event;real-time dynamic monitoring; WebGIS; simulation and decision analysis; Internet

2016-05-12；

2016-09-18

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目(CKSF2015019/KJ)

馬 輝(1974-),男，山西芮城人，高級工程師，碩士，主要研究方向為水文水資源、水信息學，(電話)010-63207185(電子信箱)2824977717@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160459

2016,33(11):54-58

TP3；X52

A

1001-5485(2016)11-0054-05