突发性水污染扩散模型及其在GIS平台中的可视化

1、武汉大学学报信息科学版Geomatics and In form at ion Science of W uh an U niversity第34卷第2期2009年2月Vol. 34 No. 2Feb. 2(X)9文献标志码：A文章编号：1671- 8860(2(X)9) (2() 13 卜()4突发性水污染扩散模型及其在GIS平台中的可视化吴迪军门 黄全义I 孙海燕2宋玉刚2(I中铁人桥勘测设计院有限公司.就汉M汉阳人道34号.43(250)(2武汉人学测绘学院，武汉市珞喻路129号,430079)(3清华人学公共安全研究中心北京市海淀区淸华园.100)84)摘要：提出了 T+适用于河流突发

2、性水污染应急处理的工程化模型，釆用四点隐式差分格式进行模型的數 值求解，并在AkCIS平台上实现了污染计算结果的实时动态可视化。最后.通过实例验证了该模型在公共 安全应急平台中应用的有效性和合理性。关键词：突发性水污染事故；数学摸拟；地理信息系统(G1S)；可视化中图法分类号:P2O8项目来源牖歸严5助项呷錦舒仏nic Publishing House. All rights reserved.武汉大学学报信息科学版Geomatics and In form at ion Science of W uh an U niversity第34卷第2期2009年2月Vol. 34 No. 2Feb.

3、 2(X)9项目来源牖歸严5助项呷錦舒仏nic Publishing House. All rights reserved.武汉大学学报信息科学版Geomatics and In form at ion Science of W uh an U niversity第34卷第2期2009年2月Vol. 34 No. 2Feb. 2(X)9突发性水污染扩散模拟是水污染啡故应急处 置中的巫要环卩和乎段,主要山模型、算法及模拟 结果可视化3大部分组成。国内外关于水污染模 拟方面的研究和应用，主要集中在水质的生物化 学分析、水质保护、农业及水污染控制等静态的、 微观的水环境分析与水污染防治规划方1伸o

4、这些研究强调模拟的梢细度，通常采用完幣形式 的水质模型，模熨结构较复杂、参数较多。近年 来,国内学者对应急处寛中突发性水污染出故模 拟进行了积极探索I'，但由于起步较晚，很多I： «J 题还有待于进-步研究。在模拟结果的可视化方 而,传统方法是运用污染浓度分布图的形式表 达,它是一种静态的图形化方法,J1观度不强，不 适介于应急处置。国内外7者将GIS技术应用 于水污染模拟结果的可视化15- f，取得了 些进展。在突发性水污染事故的应急处置屮，要求模 拟计算速度快、效率高，模拟结果的图形显示血 观,便于应急分析和决策，但计算精度要求不是很 高。针对应急处置的需求特点，木文提出

5、了一种 河流突发性水污染出故的简化模m,采用有限差 分方法中的四点隐式差分格式进彳丁数值求解。同 时,将模拟结果在ArcGIS平台上进行实时动态可视化。1突发性水污染扩散模型及其算法目前，可以用于突发性污染事故预警预报的 数学模型主要是一维和二维模型,三维模熨因其 计算工作最太大，难以用于实际的预警预报161。 木文选用经过简化处理的一维污染扩散模型，并 采用差分方法进行数值求解。11突发性水污染扩散的基本控制方程污染物在全断血混介后，其迁移转化过程可 用一维模型来描述基本控制方程为：范1仙+ 貂-KAC *0+ S () 式中，C为污染物质的断面平均浓度;U为断面平 均流速M为过水断面面积M

6、为断面平均水深； 几为为湍流扩散系数;E*为为纵向扩散系数;K 为污染物降解系数;&为河床底泥禅放污染物的 速率;S为巾位时间内冲位河长上的污染物排放 量。式(1)适合于沿河乞断面的断面面积是变化项目来源牖歸严5助项呷錦舒仏nic Publishing House. All rights reserved.武汉大学学报信息科学版Geomatics and In form at ion Science of W uh an U niversity第34卷第2期2009年2月Vol. 34 No. 2Feb. 2(X)9项目来源牖歸严5助项呷錦舒仏nic Publishing House.

7、 All rights reserved.武汉大学学报信息科学版Geomatics and In form at ion Science of W uh an U niversity第34卷第2期2009年2月Vol. 34 No. 2Feb. 2(X)9收稿日期：2008-1221项目来源牖歸严5助项呷錦舒仏nic Publishing House. All rights reserved.132武汉人学学报信息科学版2(X)9年2刀© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

8、reserved, 132武汉人学学报信息科学版2(X)9年2刀的河段，即非均匀河段。方程左端第一项为污染 物浓度随时间的变化项;左端第二项是污染物浓 度的平流扩散项。实践证明，水的纵向(尤方向) 流速是引起污染物浓度变化的主要参数，因此，河 流各断1何的污染物浓度变化主要由这项引起。 右端第-项为纵向弥散和湍流扩散联合作用项; 右端第二项为污染物降解项；右端第三项为河床 底泥释放污染物的增加项；右端第以项是其他污 染源排放增加项。1.2模型的简化实际上,污染物运动的边界、浓度分布及其运 动过程在实际应急处置过程中能引起较大关注。I人眦对突发性水污染事故的预测预警模型，可以 根据河床地形、水流

9、状态、污染物状况及工程实际 应用的需要作相应的简化,得到实用型的匸程化 模型以满足应急模拟中快速、实时的特姝要求。在式(1)中，不考虑湍流扩散、河床底泥释放 污染物以及沿河其他污染物排放的影响，水污染 模型的基木方程变为：也目 + 也国二 AE AKC (2)1.3模型求解采用仃限差分方法中的四点隐式差分格式对 式(2)进行数值求解，将式(2)写成差分格式卫I:"八2刖+阳*kC宀石Ar2整理得:aCt i +1,2,(4)当匸H时,用传递边界作为下游边界条件C.：!, 并设等为常数，则有C = 2 刖-C：(6)将式(6丿代入式(4丿，即得第“个方程为；(Q* Y") C

10、fn- 1 + (h + 2y«) C« = & (7) 山式(4八式(5丿和式(7丿构成一维河流水污染 模型的数值方程组。它是种典型的44二对角线” 方程组，可以采用标准的追赶法进行求解。2突发性水污染扩散模型在应急平 台中的应用木文提出的突发性水污染扩散与分析模教可 广泛应用于各种应急处理系统中。通过对某河段 的实例模拟和显示，验证木文所提出的模型及算 法的有效性。2.1河道数据预处理河道数抑;是指河道两岸岸线的空间坐标数 据。实测的河道数据屮河岸线处标点的分布通 常是不均匀的，而在应急处理中为了方便模拟计 算，-般采用相等的空间步长，因此需要対河道 进行均匀划

11、分。考虑到实际污染事故的污染泄漏 点的位置是随机的、可变的，为了便于计算处理, 从泄漏点开始平均划分河道，生成自泄漏点起的 均匀的模拟断面，并提取各断血端点的坐标数据O某河段长度约30. 5 km,平均河宽为60 m, 平均水深为3 m,水流星为2 000 m3/so设污染 物为硫酸二甲酯污染物排放强度为300 kg/ h, 连续排放3 h,模拟72 h的污染物运移扩散过程。 将模拟河道均匀划分成650个计算断Ifli(依河流 岸线的复杂程度,复杂度越高断浙数越多)。图1 为原始河道边界点分布图，图2为经过均匀划分 处理之后的河道边界点分布图。图中,(Xl9 Yt) 为某断1何与左岸交点的坐标

12、;(Xr9 Yr)为该断面 与右岸交点的坐标,(XY,n)为该断面与河流中 线交点的坐标;(Xu, YB)为下断面与左岸交点 的坐标；(Xrrf Yrr)为下一断面与右岸交点的坐 标。2E K v Ax2+ 2；X、E n 1庐P1=矿b；5=£)合边界条件，就可以求解式,4丿。当i= 1时,把上游边界条件C« 1代入式(4力式中，8二Yz =Ax 2O再结得:3| (?1+ 1 + ¥1(?2 1 = & - di Co* 1(5)汚地点图1原始河道边界点分布图Fig. 1 Original Kiverway IJoundaryPoint Distrib

13、ution加地点(3)图2处理后河道边界点分布图 Fig2 Post processed R iverway lioundary Point Distribution© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第34卷第2期吴迪军等：突发性水汚染扩散模型及JtGlS '卜台中的町视化1332.2模拟计算采用式(5)表示的简化模型进行模拟计算，应 用四点隐式差分格式对方程进行求解。计算前碍 输入的主要参数有污染点源坐标、河流流向、污染 物排放强度、排放时

14、间、模拟时间、污染物降解系数 人、纵向分散系数E及河道数据。模拟计算后输出 7/时间标号八G(空间网格标号或距离八(X, YJ、 (Xr9 Yr)J)k(污染物浓度值，mg/m3)等信息。2.3模拟结果的可视化模拟计算的结果中包括了不同时刻、不同位 置的污染物浓度，利用CIS技术根据污染物浓度 值的大小以颜色的深浅动态显示各时刻的污染物 扩散运移过程。模拟过程为：顺序读取模拟讣 算输出数据文件中标记有时间、浓度信息的点位 数据，生成污染面；用Arc-GIS Engine提供的 方法将污染面制成地图元素Element;将Klein en t集合添加到地图图Ifil并不断刷新地图。参照污染物种类和

15、污染浓度分级标准，木文 将污染物浓度划分为4个级别，不同浓度以不同 颜色表示。模拟效杲图如图3 5所示。第34卷第2期吴迪军等：突发性水汚染扩散模型及JtGlS '卜台中的町视化133第34卷第2期吴迪军等：突发性水汚染扩散模型及JtGlS '卜台中的町视化133第34卷第2期吴迪军等：突发性水汚染扩散模型及JtGlS '卜台中的町视化133图3污染开始3 h 45 min后的模拟效果图Fig.3 Simulat ion MapA fter 3 h 45 mil? s PoIIut io图4污染开始9h后的模拟效果图Fig. 4 Simulat ion M apAfte

16、r 9 If s Pollution图5污染开始21 h后的模拟效果图Fig. 5 Simulation Ma()Aft(T 21 h9 s Pollut ion第34卷第2期吴迪军等：突发性水汚染扩散模型及JtGlS '卜台中的町视化133第34卷第2期吴迪军等：突发性水汚染扩散模型及JtGlS '卜台中的町视化1333结语针对突发性水污染事故应急处置快速、实时 性的要求和特点，本文采用经过适当简化的一维 水污染扩散模世对河流水污染爭故进行模拟能 快速、实时和比较准确地模拟污染物在河流中的 运动迁移过程。将模拟计算结杲输入ArcGIS平 台环境中，实现了污染物扩散随时间和空间

17、变化 的实时动态可视化.能科7、冇效和方便地辅助应 急处理的决策指挥。由于时间有限，木文研究尚存在一些不足，如 水污染模型与水力计算模型、GIS的集成,CIS平 台上实时查询和显示各时刻、各断Ifll处的污染浓 度等信息的功能的实现等，都启待于下一步的继 续研究。参考文献| 1|Parkb K. Kuo A Y, Neilson B J. A N umericalMo(k4 St udy of Hypoxia in the Tidal Bappahan nock Ki ver of (Jiesapeake Ha y | J | Estuarine C oastal and Shelf Scie

18、nce, 1996 42: 563*5812 Whelan M J, Ganddlfi C, Bischetti G B. A Simple Stochastic Model of Point Source Solute Transport ©旳费物ftr糯3曾脈脚怖侶閒¥幅嚮Fc cut ions for Sampling Kcquiremrnt s J . W at Rz 1999. 33( 14): 3 17 卜 3 1813 Zeng Guangming, Y iian X Z, Y in Y Y, et aL A Tw(t dimensional Water qu

19、ality M odel for a Wind* ing and Topographically (x)mplicated River | J |. Journal of Environmental Management, 2001, 61: 11 12114| H aag I. A Basic Water Quality Model for the River N eclair: Part 卜 model Develo pm ent. Parameter Sw sitivity and Identifiability. Calibration and Validar tion | J | .

20、 Acta Hydroohim H ydrobiol, 2()06. 34: 549 559|5|贤荣，徐健，姚琪，等.(；1S与数模集成的水污染突发事故时空模拟J|.河海人学学报(口然科学 版),2003,31( 2): 203 206|6|何进朝.突发性水汚染事故预警应急系统研究|1).成都：四川大学,2005|7朱国林，雷孝平，陆风桐.人连湾易溶保守液体化学 品污染扩散的数值计算J.大连海事人学学报. 1999. 25( 1): 74 7818侯国祥，郑文波，时闽，等.一种河流中突发污染事 故的模拟模型J环境科学与技术,2003, 26( 1): 9 1()9| Lenza M A, L

21、iizio M I). River Run an Interactive CIS and I)ynamic Graphing Website for Decision Suoport and Ex p lo rat on- Data A na lysis of WaterPublishing House. Allrfgriis reserved, ntfp:/ 第34卷第2期吴迪军等：突发性水汚染扩散模型及JtGlS '卜台中的町视化133134武汉人学学报信息科学版2(X)9 年 2 JQuality Parameters of the Lower Cape Fear River |

22、 J | . European Journal of Agronomy, 1997, 18( 6): 519 52()1()| Foster J A, Mc(k)ikiId A T Assessing Pollution Bisks to W at er Supply Intake L sing (；ro graphical liiformation Systems ( (；1S ) | J | Env iron in tilt al M o del ling & Softw are, 20(X). 15( 3): 225 23411 段徳宏，王根霞王 萍.一维稳态河流水质的计算 机模

23、拟J.水资源与水工程学报.2(X)5. 16(3): 54-5612 张行南，耿庆斋,逢勇.水质模型与地理信息系统 的集成研究J水力学报,2004(1): 90 94| 13方琼，唐仲华.环境模拟与组件CIS的集成策略| J|.江苏环境科技，2()05. 18(増)：II,|14|张艳军，彭虹肖彩等.汉江武汉段水质预警预报 系统研究与应用J青海坏境2()05. 15(4)： 155- 157| 151 Paliw al 1 仁 Sha rm a P, Kansal A W ater Quality M odd ling of the Kiv er Y aniuiia ( 1 ixlia) U

24、sing Q U A L2 k? UM CAS | J | . Journal of Env ii* on in ait al Management,2(X)7, 83(2) : 131- 144第一作者简介：吴迪军教授级髙级匚程师博士，主耍从事工程 测吊应用技术、地理信息系统程及公共安全应急科学勺技术等 方面的研究.Email: wudi01 163. com© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 134武汉人学学报信息科学版2(X)9 年 2 J

25、69; 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 134武汉人学学报信息科学版2(X)9 年 2 JA Water Pollution Diffusion Model on Emergency Responseand Its Visualization in a GIS PlatformW U I)ij uri' / UA NG Q ua ny i *3SUN / aiyan" SON G Yugan g'(1 Cliina Zliongtle

26、Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co. Ltd. , 34 II anvaiig Road. Wuhan 430050. China)(2 School of Geodesy and GeomaticH, Wuhan UDiversity9 129 Luoyu Roach Wuhan 430079. China(3 Center for Public Safety Research, Tsinghua University. Tsinghua Park, Haidian District. Beijing 100084, C

27、hina)Abstract： We pro x)se(l a practical m odel for w at er pollut ion accidents. The four point implicit difference scheme was used to discretize the governing equations. Then a geographical uiformat ion system ( GIS) was cm ploy <*<1 to realize the reah t ime dynarn ic visualizat ion of po卜 lution siinulating results on the ArcGIS pla