基于EFDC模型的水質(zhì)在線模擬系統(tǒng)

王亦斌，孫 濤，徐希濤

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019；2.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211000)

水是人類生存發(fā)展不可或缺的重要資源，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水污染情況日漸嚴(yán)重，傳統(tǒng)的先污染后治理方法，需要耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力，且見(jiàn)效周期長(zhǎng)，因此，通過(guò)水質(zhì)模型準(zhǔn)確估算出入河入湖污染物通量，控制污染物總量對(duì)水環(huán)境生態(tài)保護(hù)具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MIKE[1]、EFDC[2-3]、Delft3D[4]和WASP[5-6]等水質(zhì)模型做了大量應(yīng)用研究，EFDC模型由于具有功能強(qiáng)大、模擬結(jié)果可靠、源代碼開(kāi)放等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[7]。然而EFDC模型本身不具備空間可視化功能，目前常用的方法也僅是將模型結(jié)果在GIS桌面軟件中通過(guò)SDK控件達(dá)到可視化效果[8]，無(wú)法實(shí)時(shí)在線瀏覽污染物空間擴(kuò)散結(jié)果。本文基于B/S架構(gòu)，將EFDC模型與GIS集成耦合，改進(jìn)可視化效果，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)污染物擴(kuò)散模擬，對(duì)河湖水質(zhì)預(yù)警分析具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 EFDC模型原理

1.1 模型介紹

EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模型最初是由弗吉尼亞海洋研究所的John M.Hamrick博士開(kāi)發(fā)的，是一個(gè)多功能地表水模擬系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于河流、湖泊、河口、沿海地區(qū)和濕地等水體的一維、二維和三維空間過(guò)程模擬。在美國(guó)環(huán)保署的支持下，EFDC模型已經(jīng)成功應(yīng)用于歐美國(guó)家的100多個(gè)研究區(qū)域，在我國(guó)也被應(yīng)用于多個(gè)河流湖泊[9-12]。

為了盡可能貼合實(shí)際地形，直觀地表現(xiàn)水動(dòng)力空間變化，模型的3D控制方程在水平方向采用傳統(tǒng)的笛卡爾直角坐標(biāo)或曲線正交坐標(biāo)，垂直方向采用sigma地形坐標(biāo)。EFDC模型的計(jì)算方程基于質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)能守恒定律，包含水動(dòng)力模塊、水質(zhì)模塊、泥沙模塊和重金屬模塊等，其中水動(dòng)力模塊是EFDC模型的基礎(chǔ)，采用CH3D水力學(xué)原理[13]，負(fù)責(zé)求解水深、水壓和3個(gè)方向的速度。EFDC的水質(zhì)模塊，適用于計(jì)算水文、鹽度等水質(zhì)參數(shù)的變化，水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果為水質(zhì)模型提供水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，EFDC模型中可以計(jì)算22種水質(zhì)參數(shù)[14]。

1.2 模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

EFDC模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括3個(gè)部分：主控文件、輸入文件和輸出文件。

(1)主控文件

主控文件efdc.inp描述了模型功能要求的運(yùn)行控制參數(shù)、輸出控制以及物理信息，是模型內(nèi)部記錄文件，提供了模型模擬仿真的模版。主控文件按照不同的類別區(qū)分不同的輸入?yún)?shù)，主要包含以下信息：1)模型運(yùn)行的控制開(kāi)關(guān)，用于控制相關(guān)功能是否激活(如示蹤劑、維數(shù))；2)源數(shù)據(jù)的規(guī)模(如負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、氣象站的數(shù)量)；3)輸出的水質(zhì)參數(shù)和步長(zhǎng)；4)定于輸出水質(zhì)單元的數(shù)量和位置。主控文件也是其中一個(gè)輸入文件。

(2)輸入文件

EFDC模型的輸入文件為***.inp格式，模型的輸入文件可以分為5類，分別是：1)水平網(wǎng)格規(guī)范文件，如cell.inp、dxdy.inp；2)全局?jǐn)?shù)據(jù)和運(yùn)行控制文件，有efdc.inp、show.inp；3)初始化和重啟文件，如restart.inp、salt.inp；4)物理過(guò)程規(guī)范文件，如moddxdy.inp；5)時(shí)間序列和邊界條件文件，如tser.inp、sser.inp。

(3)輸出文件

EFDC模型的輸出文件為***.out格式，模型輸出文件可以分為5類：分別是：1)診斷輸出文件；2)重啟和傳輸文件；3)時(shí)間序列、點(diǎn)樣本和最小二乘諧波分析輸出文件；4)二維圖形和可視化文件；5)三維圖形和可視化文件。

1.3 建模過(guò)程

EFDC水質(zhì)建模的主要流程如下：

(1)劃分計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)研究區(qū)水域進(jìn)行矩形網(wǎng)格或正交網(wǎng)格劃分，矩形網(wǎng)格適用于面積較大或者形狀規(guī)則的水域，如大型湖泊，形狀復(fù)雜或岸線不規(guī)則的水域則適合劃分為正交網(wǎng)格，如蜿蜒的河流。

(2)生成網(wǎng)格規(guī)范文件，網(wǎng)格規(guī)范文件是根據(jù)劃分的網(wǎng)格結(jié)果，對(duì)網(wǎng)格內(nèi)數(shù)據(jù)賦值，建立模擬區(qū)域，其中0代表不跟水域接壤的陸地，1234分別代表東北、東南、西南、西北4個(gè)方向存在水土交接的區(qū)域，5代表水域，9代表陸地與水域的邊界。

(3)生成主控文件，主控文件是模型運(yùn)行的主要控制文件，可以配置模擬的起止時(shí)間、步長(zhǎng)、模擬參數(shù)等。

(4)準(zhǔn)備輸入文件，包括流量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、站點(diǎn)數(shù)據(jù)等初始條件和邊界條件數(shù)據(jù)。

(5)模型建模與求解，是根據(jù)模型輸入的網(wǎng)格文件、主控文件、初始條件和邊界條件數(shù)據(jù)，進(jìn)行水動(dòng)力和水質(zhì)要素的時(shí)空過(guò)程模擬。

(6)水動(dòng)力-水質(zhì)模型參數(shù)率定與驗(yàn)證，通過(guò)反復(fù)對(duì)比模型模擬值與實(shí)測(cè)值，來(lái)修改模型參數(shù)，盡可能提高模擬結(jié)果的精度。

2 EFDC模型集成框架

2.1 集成方式

EFDC模型由于其先進(jìn)性和可靠性被廣泛使用，但是模型對(duì)其輸入數(shù)據(jù)具有很高的格式要求，需要花費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)模型的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以保證模型的順利運(yùn)行。此外，模型的輸出文件為非結(jié)構(gòu)化的二進(jìn)制文件，無(wú)法滿足可視化需求。GIS在數(shù)據(jù)管理、查詢檢索、空間分析以及空間可視化等功能表現(xiàn)非凡。借助GIS的技術(shù)，建立基于GIS的水質(zhì)模型，是GIS解決水質(zhì)模擬問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

行業(yè)應(yīng)用模型與GIS的集成方式主要有以下3種方式：1)嵌入式耦合，是指模型作為一段GIS腳本或者通過(guò)GIS圖形進(jìn)行界面運(yùn)行；2)松散耦合，是指模型作為獨(dú)立的軟件與GIS在不同的硬件環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)算；3)緊密耦合，是指模型與GIS共同讀寫相同的文件，不需要文件轉(zhuǎn)換。

EFDC模型采用FORTRAN語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件，其核心代碼相對(duì)復(fù)雜，很難將其簡(jiǎn)化為GIS腳本，松散耦合的方式則需分別運(yùn)行模型計(jì)算軟件和GIS程序。因此，實(shí)現(xiàn)EFDC模型輸出文件的GIS可視化是集成的關(guān)鍵。本文基于緊密耦合的方式編程實(shí)現(xiàn)模型輸入數(shù)據(jù)界面化、輸出結(jié)果GIS可視化以實(shí)現(xiàn)EFDC模型與GIS的完全集成。

2.2 集成框架

當(dāng)下流行的B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)端與客戶端的分離，且WebGIS具有易于集成、跨平臺(tái)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[15]，本文將EFDC模型的模型輸入、模型處理和模型結(jié)果展示3個(gè)部分集成到以WebGIS平臺(tái)，構(gòu)建完整的水質(zhì)在線模擬系統(tǒng)。集成框架如圖1所示。開(kāi)發(fā)HTML頁(yè)面作為模型輸入和參數(shù)設(shè)置的窗口，將模型所需的參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文本數(shù)據(jù)庫(kù)中。輸入?yún)?shù)的修改也直接在瀏覽器頁(yè)面中操作，服務(wù)端直接生成.inp文件。模型的運(yùn)行通過(guò)后臺(tái)代碼調(diào)用EFDC模型的可執(zhí)行程序efdc.exe。模型計(jì)算后得到的.out結(jié)果也存儲(chǔ)在文本數(shù)據(jù)庫(kù)中。模擬結(jié)果的空間可視化通過(guò)地理處理服務(wù)(GP服務(wù))實(shí)現(xiàn)。

圖1 EFDC模型與GIS集成框架

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的功能流程體現(xiàn)了水質(zhì)在線模擬的過(guò)程，主要包括模型輸入與參數(shù)設(shè)置、模型處理和模型展示3個(gè)模塊，系統(tǒng)模塊流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊流程

3.1 模型輸入與參數(shù)設(shè)置

模型輸入和參數(shù)設(shè)置都是由用戶在瀏覽器頁(yè)面上操作，提交給后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)端根據(jù)客戶端提交的數(shù)據(jù)完成模型選擇和模型輸入文件的制作。

模型輸入：模型的輸入是用戶在網(wǎng)頁(yè)上，選擇發(fā)生污染事件的河湖，待選擇的河湖為預(yù)先輸入系統(tǒng)選項(xiàng)，輸入的信息除了河湖名稱，還包括具體的經(jīng)緯度、空間網(wǎng)格劃分結(jié)果以及預(yù)先制作好的水質(zhì)模型。用戶通過(guò)在地圖上指定污染發(fā)生的具體地址，系統(tǒng)自動(dòng)判斷所在河湖，選擇輸入的模型。

參數(shù)設(shè)置：用戶所需設(shè)置的參數(shù)主要包括污染事件的名稱、時(shí)間、污染物總量、衰減速率等。根據(jù)污染事件的時(shí)間以及污染物所在的河湖可以生成模型所需的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，污染物總、衰減系數(shù)等參數(shù)是為了模擬污染物的時(shí)間過(guò)程。

3.2 模型處理

模型處理包括后臺(tái)生成輸入文件和執(zhí)行EFDC模擬。

生成輸入文件：模型模擬的前提是生成輸入文件(***.inp文件)，后臺(tái)獲取用戶界面輸入的參數(shù)后，編寫java程序，將其轉(zhuǎn)化成EFDC模型所需要的輸入文件格式，供模型調(diào)用。本文開(kāi)發(fā)了生成輸入文件的CreateEfdcInput.class類，實(shí)現(xiàn)了getAser()，getDser()，getSser()，getTser()等接口來(lái)創(chuàng)建時(shí)間序列文件，開(kāi)發(fā)了函數(shù)getEfdcMain()來(lái)生成主控文件。

執(zhí)行EFDC模擬：EFDC模型可執(zhí)行程序的調(diào)用采用編程的方式實(shí)現(xiàn)。模型模擬結(jié)果會(huì)生成多個(gè)***.out文件。

3.3 模型展示

模擬結(jié)果的展示是將EFDC模型的輸出文件(***.out)可視化的過(guò)程，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了在空間地圖上展示水質(zhì)過(guò)程線、擴(kuò)散過(guò)程、污染物濃度分布等功能。

(1)水質(zhì)過(guò)程線

過(guò)程線是指以時(shí)間為橫坐標(biāo)、污染物濃度為縱坐標(biāo)，直接展示污染物濃度隨時(shí)間的變化。在地圖界面上選擇水域網(wǎng)格，可以查看每個(gè)網(wǎng)格的各種污染物的過(guò)程線。

(2)擴(kuò)散過(guò)程

污染物擴(kuò)散過(guò)程是指在地圖上用矢量箭頭表示出每個(gè)水域網(wǎng)格內(nèi)的污染物擴(kuò)散速度和方向，箭頭的大小代表不同的擴(kuò)散速度，箭頭的方向代表污染物的擴(kuò)散方向，擴(kuò)散方向分為東、西、南、北、東南、東北、西南、西北共8個(gè)方向。可以展示某一時(shí)刻的污染物擴(kuò)散過(guò)程，也可以通過(guò)選擇一個(gè)時(shí)間段，動(dòng)態(tài)展示污染物隨時(shí)間變化的擴(kuò)散過(guò)程。

(3)污染物濃度分布

污染物濃度分布是指在地圖上展示模擬范圍內(nèi)的污染物濃度空間分布情況。污染物的濃度分布不以水域網(wǎng)格為最小單元展示，而是應(yīng)用GIS等值面算法，將網(wǎng)格分布的污染物濃度更加直觀、細(xì)致的展示給用戶。同樣，可以展示某一時(shí)刻的污染物濃度分布，也可以展示一個(gè)時(shí)間段內(nèi)污染物濃度的時(shí)空變化過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于B/S架構(gòu)的EFDC模型與GIS技術(shù)的集成，將GIS的強(qiáng)大的空間展示能力與EFDC模型的專業(yè)性相結(jié)合，以空間可視化的方式實(shí)時(shí)準(zhǔn)確展示了模型模擬結(jié)果，為水質(zhì)管理提供技術(shù)支撐。

采用完全集成的思想，由EFDC模型完成水質(zhì)專業(yè)模擬，由GIS擔(dān)任空間管理可視化工作，降低了模型與GIS的耦合成本，為水質(zhì)過(guò)程模型與GIS的集成研究提供了新的思路。