1、2020/9/12,1,第七章 環(huán)境污染模擬與預(yù)測GIS,環(huán)境污染模擬與預(yù)測 GIS環(huán)境下模型空間離散技術(shù) 大氣污染擴散模擬GIS 水體污染擴散模擬GIS,2020/9/12,2,水環(huán)境模型及其GIS表達 GIS與一維水體污染擴散模型的集成 GIS與二維水體污染擴散模型的集成,7.4 水體污染擴散模擬GIS,2020/9/12,3,7.4.1 水環(huán)境模型及其GIS表達,水環(huán)境模型成為解決各類復(fù)雜水環(huán)境污染問題的有力工具。 GIS為水環(huán)境模型提供數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)管理功能。 GIS可以通過可視化功能將結(jié)果直觀地表達出來。,2020/9/12,4,水質(zhì)模型是一個用于描述污染物質(zhì)在水環(huán)境中的混合、遷移過

2、程的數(shù)學(xué)方程或方程組。反映污染物數(shù)量與水環(huán)境之間的定量關(guān)系，為水質(zhì)評價、預(yù)測和環(huán)境影響分析提供基礎(chǔ)的量化依據(jù)。 建立水質(zhì)模型，首先要針對所研究污染的性質(zhì)選擇合適的變量，明確這些變量的變化趨勢以及變量相互作用的實質(zhì)；然后用數(shù)學(xué)方程或方程組予以描述，建立模型，利用數(shù)學(xué)方法求解；最終與實際資料對比、驗證，修改、提煉模型，以解決實際問題。,7.4.1 水環(huán)境模型及其GIS表達,2020/9/12,5,水質(zhì)模型的分類,以管理和規(guī)劃為目的，分為四類。 河流水質(zhì)模型 河口水質(zhì)模型 湖泊（水庫）水質(zhì)模型 地下水水質(zhì)模型。,2020/9/12,6,水質(zhì)模型的分類,根據(jù)水體的水力學(xué)和排放條件是否隨時間變化 。 穩(wěn)

3、態(tài)模型：用于模擬水質(zhì)的物理、化學(xué)和水力學(xué)過程。 非穩(wěn)態(tài)的模型：用于計算徑流、暴雨過程中水質(zhì)的瞬時變化。,2020/9/12,7,水質(zhì)模型的分類,根據(jù)研究水質(zhì)維度分為四類。 零維水質(zhì)模型：為對于流量的加權(quán)平均，常用作其他維度模型的初始值和估算值。 一維水質(zhì)模型：主要研究污染物濃度沿程變化及斷面上隨時間的變化。 二維水質(zhì)模型 三維水質(zhì)模型：能精確反映水質(zhì)變化，但是受到紊流理論研究的局限 。,2020/9/12,8,水質(zhì)模型的建模,（1）模型概化 針對所研究污染的性質(zhì)選擇關(guān)心的變量，明確這些變量的變化趨勢以及變量的相互作用，在保證能夠反映實際狀況的同時，力求所建模型盡可能簡單。 （2）模型性質(zhì)研究

4、對模型的穩(wěn)定性、平衡性以及靈敏性進行研究。其中穩(wěn)定性是指模型是否能夠收斂，而靈敏性是指當(dāng)模型中參數(shù)變化時，其結(jié)果產(chǎn)生的差別是否在允許范圍之內(nèi)。,2020/9/12,9,水質(zhì)模型的建模,（3）參數(shù)估計 對于模型中的一些需要通過實驗或者實測數(shù)據(jù)進行確定的參數(shù)，要考慮實測資料能否全面、正確反映參數(shù)值，這些實測數(shù)據(jù)是否齊全，是否容易得到，對于無法通過實測數(shù)據(jù)反算的參數(shù)，需要重新設(shè)立參數(shù)，或者尋找其間接依賴關(guān)系。參數(shù)估計是水質(zhì)模型中重要的一環(huán)。 （4）模型驗證 若只用一套數(shù)據(jù)確定模型，則該模型不能具有預(yù)測功能，因此，需要用另一套或者幾套實測數(shù)據(jù)來驗證所建模型。如果檢驗結(jié)果具有良好的一致性，則該模型具有預(yù)

5、測功能，否則需要重新返回到第三步，調(diào)整參數(shù)。,2020/9/12,10,水質(zhì)模型的建模,（5）模型應(yīng)用 這也是建立模型的目的?？梢杂盟Ｐ?，對研究區(qū)域及其類似區(qū)域的污染進行模擬和預(yù)測，以控制水質(zhì)，防止污染。如果所建模型被實際數(shù)據(jù)證明是正確的，則說明水質(zhì)模型是實用的。反之，需要修改模型，以便解決問題。,2020/9/12,11,水環(huán)境模型及其GIS表達 GIS與一維水體污染擴散模型的集成 GIS與二維水體污染擴散模型的集成,7.4 水體污染擴散模擬GIS,2020/9/12,12,水體污染流速流向模擬,2020/9/12,13,水體污染流速流向模擬,2020/9/12,14,WebGIS與一維

6、水質(zhì)模型的集成,2020/9/12,15,2020/9/12,16,多層C/S結(jié)構(gòu)WebGIS的模型,2020/9/12,17,河段空間數(shù)據(jù)自動重采樣,2020/9/12,18,河流水質(zhì)采樣,（1）取樣斷面的布設(shè) 在調(diào)查范圍的兩端、調(diào)查范圍內(nèi)重點保護水域及重點保護對象附近的水域、水文特征突然變化處(如支流匯入處等)、水質(zhì)急劇變化處(如污水排入處等)、重點水工構(gòu)筑物(如取水口、橋梁涵洞)等附近、水文站附近等應(yīng)布設(shè)取樣斷面。還應(yīng)適當(dāng)考慮擬進行水質(zhì)預(yù)測的地點。 在建設(shè)項目擬建排污口上游500m處應(yīng)設(shè)置一個取樣斷面。,2020/9/12,19,（2）取樣斷面上取樣點的布設(shè) 斷面上取樣垂線的確定。斷面上

7、取樣垂線設(shè)置的主要依據(jù)為河寬。當(dāng)河流斷面形狀為矩形或相近于矩形時，可按下列方法布設(shè)取樣垂線。,2020/9/12,20,小河：在取樣斷面的主流線上設(shè)一條取樣垂線。 大河、中河：河寬小于50m者，在取樣斷面上各距岸邊1/3水面寬處，設(shè)一條取樣垂線(垂線應(yīng)設(shè)在明顯水流處)，共設(shè)兩條取樣垂線；河寬大于50m者，在取樣斷面的主流線上及距兩岸不小于5m，并有明顯水流的地方各設(shè)一條取樣垂線，即共設(shè)三條取樣垂線。,2020/9/12,21,特大河(例如長江、黃河、珠江、黑龍江、淮河、松花江、海河等)：由于河流較寬，取樣斷面上的取樣垂線數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加，而且主流線兩側(cè)的垂線數(shù)目不必相等，擬設(shè)有排污口的一側(cè)可以多一

8、些。如斷面形狀十分不規(guī)則時，應(yīng)結(jié)合主流線的位置，適當(dāng)調(diào)整取樣垂線的位置和數(shù)目。,2020/9/12,22,垂線上取樣點的確定。垂線上取樣點設(shè)置的主要依據(jù)為水深。在一條垂線上，水深大于5m，在水面下0.5m處及在距河底0.5m處，各取樣一個；水深為15m時，只在水面下0.5m處取一個樣；在水深不足1m時，取樣點距水面不應(yīng)小于0.3m，距河底也不應(yīng)小于0.3m。,2020/9/12,23,各結(jié)點污染物濃度隨時間變化圖,2020/9/12,24,各結(jié)點上污染物的濃度隨時間變化直方圖,各結(jié)點污染物濃度沿程變化直方圖,2020/9/12,25,GeoBeans與一維水質(zhì)模型的集成思路,GeoBeans

9、的客戶端界面上用鼠標獲取污染源的x、y 坐標(利用GPS 獲得, 或從數(shù)據(jù)庫中讀取) , 確定污染源位置; 相應(yīng)的河流的下游顯示支流與主流的匯合點, 確定評價河段的終點, 或者直接在GeoBeans 上確定計算河段的終點。在界面上輸入污染源的污染物排放濃度、污染源所在點河流的水位、計算河段的平均水深、計算河段的水流平均流速、計算的空間步長和時間步長等作為模型計算所需要的基本參數(shù), 同時在服務(wù)器端指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫記錄上述參數(shù)。,2020/9/12,26,在數(shù)據(jù)庫得到客戶端提交的數(shù)據(jù)后, 要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換, 即將地圖上的各個坐標點(污染源、下游終點等) 以及計算河段的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成公里數(shù)據(jù)。GIS

10、 系統(tǒng)在得到數(shù)據(jù)庫的各種參數(shù)后, 首先要將點位數(shù)據(jù)與計算河流數(shù)據(jù)在空間上的自動配準。,2020/9/12,27,根據(jù)污染源的坐標和數(shù)據(jù)庫中提供的計算河段終點的坐標, 自動截取需評價的河段, 并對選取的河段進行消除凹凸、確定奇異點或提取河流中心線操作, 然后計算出評價河段的長度, 再根據(jù)數(shù)據(jù)庫中模型計算的空間步長確定計算河段的分段, 對評價河段進行空間數(shù)據(jù)重采樣。,2020/9/12,28,如果用戶認為劃分的空間計算步長可行,則進行一維模型的運行, 否則, 用戶重新確定空間計算步長, 反復(fù)循環(huán), 直到用戶認為空間計算步長可行為止。在模型得到了數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)支持和GIS 預(yù)處理的數(shù)據(jù)后, 開始運行,

11、運行結(jié)果生成一個新的數(shù)據(jù)庫, 記錄每個計算結(jié)點上每個時刻模型計算的水位和污染濃度數(shù)據(jù)。,2020/9/12,29,模型計算結(jié)果的可視化表達,內(nèi)容主要有:任意時刻河段上的分段按照污染物濃度以紅色的深淡顯示(濃度高的鮮紅) 每個結(jié)點或間隔結(jié)點上污染物濃度變化的過程線或直方圖 每個結(jié)點上污染物濃度隨時間的動態(tài)變化過程的顯示 任意時刻將水位和污染物濃度隨距離的變化(距離為橫坐標, 污染物濃度為縱坐標) 水位與污染物濃度隨時間的動態(tài)變化過程。,2020/9/12,30,2020/9/12,31,污染物的濃度隨時間變化直方圖,2020/9/12,32,GIS與一維水體污染擴散模型集成的流程,河網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的

12、給定 水流邊界條件與控制 初始條件 模型參數(shù)和方法的選擇 結(jié)果的輸出,2020/9/12,33,水環(huán)境模型及其GIS表達 GIS與一維水體污染擴散模型的集成 GIS與二維水體污染擴散模型的集成,7.4 水體污染擴散模擬GIS,2020/9/12,34,2020/9/12,35,河道二維正交網(wǎng)格生成思路,首先在河道岸線上獲取一定數(shù)量的控制點 ,河道左右岸線上的控制點數(shù)量應(yīng)當(dāng)相等 ,左右岸線兩個控制點的連線 ,稱為控制線(或控制斷面) ,控制斷面應(yīng)盡可能與河流的流向垂直 ,然后由控制點采用分段三次 Hermit 插值函數(shù)生成沿程縱向與河勢相擬合的河勢擬合曲線 ,沿河寬方向的橫向網(wǎng)格線(直線)與河道

13、控制斷面相吻合 ,從而構(gòu)造出二維正交四邊形網(wǎng)格。,2020/9/12,36,長江某江段河勢貼體二維正交網(wǎng)格,2020/9/12,37,具體應(yīng)用,連續(xù)排污口的水質(zhì)預(yù)測 突發(fā)性事故泄漏的水質(zhì)預(yù)測 水質(zhì)規(guī)劃與總量控制應(yīng)用 污染物的分布變化監(jiān)測與顯示,2020/9/12,38,單個排污口的濃度場分布,2020/9/12,39,兩相鄰排污口的疊加濃度場分布,2020/9/12,40,瞬時點源水質(zhì)模擬的污染物水團變化過程,2020/9/12,41,非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算模擬的長江某江段濃度場分布,2020/9/12,42,二維水體污染擴散模型GIS功能結(jié)構(gòu),二 維 水 污 染 擴 散 模 型,水流模型計算,格網(wǎng)顯

14、示,污染物擴散模型,污染物濃度等值線地圖顯示,任意河段有限元格網(wǎng)剖分,流場地圖顯示,流場三維顯示,污染物濃度等值線三維顯示,2020/9/12,43,突發(fā)性水污染事件應(yīng)急系統(tǒng),水污染事件應(yīng)急系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 水質(zhì)預(yù)測模型 水污染事件應(yīng)急系統(tǒng)基本理論與技術(shù) 水污染事件應(yīng)急系統(tǒng)功能,2020/9/12,44,遙感數(shù)據(jù),歷史資料,人工輸入,自動采集,其它來源,人工輸入,空間數(shù)據(jù)庫,標志號,屬性數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng),OpenGL(三維),MO(二維),水質(zhì)模型,水質(zhì)評價,界面,排污口動態(tài)刪除,DLL,長江三峽庫區(qū)突發(fā)性水污染事件應(yīng)急管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,重要斷面檢測,常規(guī)GIS功能,系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2020/9/12,45,基本

15、理論：連續(xù)性方程、動量方程以及污染物對流擴散方程 連續(xù)性方程 ： 動量方程 ： 污染物對流擴散方程 ：,水質(zhì)預(yù)測模型,2020/9/12,46,入流邊界 ：u，v, c作為本質(zhì)條件給出 。 出流邊界 ： 其中f為u，v和c中任一物理量，vn為出流邊界的法向流速, 作為本質(zhì)條件給出 固壁邊界 ： cn=0, n為固壁的法向矢量 初始條件 :給出u，v， 和c在初始時刻的分布,水質(zhì)預(yù)測模型,2020/9/12,47,模型計算條件 ： 1：5000水下地形 河道糙率0.02-0.035 污染物降解系數(shù)，COD取0.035d1 模型求解：采用非正交非交錯網(wǎng)格，有限控制體積方法，進行數(shù)值離散，并采用SI

16、P方法進行數(shù)值求解。該方法的優(yōu)點是能適應(yīng)復(fù)雜邊界地形，且收斂速度快，計算精度高。 模型特點：模型適應(yīng)性廣、收斂快、計算穩(wěn)定、時間步長大、能反應(yīng)精細的流場變化。,2020/9/12,48,二維表達方式 通過MapObject實現(xiàn) ，實質(zhì)上是一個提供制圖與GIS功能的控件 三維表達方式 通過OpenGL實現(xiàn)，實現(xiàn)高性能的三維圖形，是目前的三維圖形開發(fā)標準 。,基本理論與技術(shù),2020/9/12,49,系統(tǒng)功能,1.常規(guī)GIS功能 可顯示長江上游萬州段的工廠、排污口、取水口、河道、水源區(qū)劃、水質(zhì)監(jiān)測斷面等多個地圖層的地圖，并進行特征值的查詢； 放大、縮小和漫游整個地圖； 根據(jù)情況搜索符合一定條件的特

17、征并進行基本統(tǒng)計； 顯示更新污染物濃度的分布變化，并進行值渲染 。,2020/9/12,50,2. 空間、屬性數(shù)據(jù)的更新 基于GIS技術(shù)的二維空間信息管理平臺，建立萬州河段的空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫，可對河段地形、排污口、水質(zhì)等進行查詢和更新。 3. 動態(tài)顯示水質(zhì)預(yù)測結(jié)果 根據(jù)水質(zhì)預(yù)測模型計算結(jié)果，可以在給定時間長度內(nèi)動態(tài)顯示水質(zhì)預(yù)測結(jié)果，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行校正。并根據(jù)情況通過單項指標評價法進行分類 。,系統(tǒng)功能,2020/9/12,51,系統(tǒng)功能,4. 突發(fā)性污染事件模擬與動態(tài)顯示 系統(tǒng)中點擊突發(fā)污染物的發(fā)生地點，并輸入突發(fā)污染事件發(fā)生流量、濃度，即可對此突發(fā)性污染事件進行模擬，并實現(xiàn)污水團演

18、進變化過程的實時直觀表現(xiàn)。 還具有添加保存和調(diào)用歷史數(shù)據(jù)功能，便于進行污染物負荷遷移對比。 5. 三維仿真 利用OpenGL技術(shù)，將GIS與水質(zhì)模型結(jié)合，用三維仿真顯示模擬結(jié)果，更逼真地反映萬州河段的水質(zhì)情況。,2020/9/12,52,結(jié)語與展望,建立了基于GIS技術(shù)的二維空間信息管理平臺，建立萬州河段的空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫，可對河段地形、排污口、水質(zhì)等進行查詢和更新。 建立萬州段平面二維水質(zhì)模型，可將調(diào)試好的模型應(yīng)用到庫區(qū)不同位置對突發(fā)性水污染物擴散過程進行模擬，計算不同時段不同區(qū)域水質(zhì)數(shù)據(jù)。,2020/9/12,53,實現(xiàn)了模型計算結(jié)果與系統(tǒng)的動態(tài)連接，動態(tài)顯示水質(zhì)預(yù)測結(jié)果，根據(jù)相關(guān)水質(zhì)標準要求對污染物進行分級，并以不同顏色代表不同的水質(zhì)狀況，實現(xiàn)污水團演進變化過程的實時直觀表現(xiàn)，直觀顯示污染范圍和擴散過程等。 利用OpenGL開發(fā)的三維結(jié)果的顯示更逼真地反映萬州河段的水質(zhì)情況。,2020/9/12,54,2020/9/12,55,模型庫設(shè)計,空間統(tǒng)計分析模型 地下水量計算與評價模型 數(shù)值