基于3S集成的突发水污染模拟研究

杨明祥，解建仓，李建勋，谢玉峰

（西安理工大学，710048，西安）

基于3S集成的突发水污染模拟研究

杨明祥，解建仓，李建勋，谢玉峰

（西安理工大学，710048，西安）

针对当前水污染研究多局限于模型开发，可视化工作较为薄弱的问题，提出了一种基于3S集成的突发水污染模拟方案，并讨论了河流三角化、离散点浓度拟合、基于视域的数据动态加载等关键技术，对松花江某取水口上游突发石油污染事件进行了动态模拟。结论表明，该方法可以形象地模拟污染物的扩散和运移过程，并提供定点的污染监测功能，为污染模型的检验提供了依据，为应急方案的制定提供了全方位的信息支持。

3S集成；三维可视化；水污染扩散

近年，我国GDP保持了较快的增长势头，经济建设突飞猛进，但在经济发展的同时，各种环境问题日益突出，特别是突发水污染更是频繁发生。由于突发水污染具有影响范围大、不确定性因素多、往往距离人口稠密区较近等特点，对人民生命财产和生态平衡造成了巨大威胁，制约了经济社会发展。因此，如何有效地分析突发水污染事件，制定有效地应急措施成为社会关注的热点问题。目前为止，国内对于突发水污染的研究多局限于污染物迁移扩散的模型开发，对其运移过程的可视化模拟还非常薄弱，特别是三维的可视化模拟方面，还没有成熟的系统出现。这样，就导致了现有模型多处于孤立状态，没有与其配套的验证和展示系统，不能很好地指导应急方案的制定。本文提出了基于3S集成的突发水污染模拟方案，利用3S集成平台的坐标和影像系统来实现污染物的定位及其周边地形的展示服务，为应急方案的制定提供全方位的信息支持，达到提高方案制定速度和质量的目的。

一、3S集成下的水污染模拟体系结构

1.3S集成平台

3S技术是指遥感技术（RS，remote sensing）、地理信息系统（GIS，geographic information system）和全球定位 系 统 （GPS，global positioning system）。3S集成则是三者的有机结合，其集成可以提供一些特定的功能，遥感（RS）和全球定位系统（GPS）的集成，可实现河流周边地形的展示。而地理信息系统（GIS）和其他各数据库的联合集成将构成一个功能强大的数据存储和分析平台，可以为河流水污染模拟提供强有力的技术支撑和保障。

水利行业自20世纪80年代初开始应用遥感（RS）技术，即通过对地观测获取信息。对GIS的使用则始于20世纪80年代后期，在经历了认识了解和初步应用两个阶段后，现已步入深入应用的阶段，且很快就与生产实际紧密地结合起来。全球定位系统（GPS）在水利行业的应用始于20世纪90年代初，但发展非常迅速，在地面及水下地形测绘中使用已很普遍。可见，水利行业经过多年的发展，已经积累了大量的空间信息资源，完全有条件开发和利用3S集成平台解决相关问题，特别是突发水污染问题，由于其涉及地域面积广，影响时间长，有明显的时空分布特点，仅靠模型计算难以实现对全局信息的掌握，很有必要引入3S集成平台，对污染数据进行全方位的信息展示和分析。

2.三维水质模拟体系结构

3S集成平台上三维水质模拟包含三个方面的内容：河面三维仿真、影像数据展示和污染物扩散运移可视化，三者通过地理空间坐标相联系形成污染物扩散运移可视化展示平台，在此基础上进行各种统计分析。系统结构如图1所示。

二、关键技术

1.河流三角化

为了实现河流的三维仿真，需要对河流进行三角化，本文提出了一种基于经纬方格的剖分算法来实现三角化。其步骤如下所述：

①解析河道二维GIS数据，获取待处理区域的经纬方格，如图2所示。经线（纬线）之间的间距越小，则单个经纬方格所围成的面积越小，代表河面被剖分得越为精细。

②求出经纬方格与河岸的所有交点，以及位于两岸之间的方格顶点，如图2中黑色圆点即为所求的点。该过程的核心是求经纬方格与河岸的交点。

③将相邻两经线上的点依次连接成三角形，如图2所示。

图1 突发水污染模拟系统结构图

图2 河面三角网

经过以上三个步骤，实现了河面的三角化，但这仅仅是二维平面的三角化，要实现河流的三维空间模拟，还要利用3S集成平台中的DEM模型，根据空间经纬度信息获取高程，这样，每个三角形的三个顶点都被赋予了不同的高程信息，模拟出的河流可以表现出实际的地貌信息。

2.离散点浓度拟合

河流的三角化为水质仿真提供了结构基础，通过将网格点赋予不同的浓度信息，可以实现不同污染情况的表现，然而污染物扩散模型计算出来的结果是离散点的浓度信息，这些点在空间上并不与网格点一一对应，需要将其拟合到网格点上才能实现三维的水质模拟。由于河道狭长且蜿蜒曲折，传统单一的拟合方法不能准确反映浓度信息，本文借鉴分段的思想，每隔一定距离将河道分割成一段，在每一个河段内使用最小二乘法拟合出网格点的浓度。需要说明的是，在河段较长的情况下，这种方法在断面处会形成较为明显的浓度跳变现象，所以在断面处需要使用线性插值进行浓度平滑。

3.水质仿真可视化

通过拟合获取网格点的污染物浓度后，再进行水质的仿真可视化。水质仿真可视化是指通过图形图像的方式对水质模型仿真过程进行跟踪、驾驭和结果的显示，同时实现整个过程的可视化，提供迅速、直观、高效和形象的模型展示效果。本文所述仿真可视化过程借助3S集成平台来实现，用户可以通过鼠标在屏幕上直观形象地进行操作 （开始、暂停、加速、减速等），根据实际需要控制整个仿真过程。污染物浓度与展示颜色之间的映射是可视化过程中的核心，其含义是把计算机数值模拟的数据转换为可供绘制的几何图素和属性，它决定在最后的图像中应该看到什么，又如何将其表现出来。

本文中，水质按被污染程度划分为5个等级，分别为Ⅰ类水、Ⅱ类水、Ⅲ类水、Ⅳ类水、Ⅴ类水。Ⅰ类水水质高锰酸盐指数(COD)浓度0～2.5，Ⅱ类水2.5～4.0，Ⅲ类水4.0～6.0，Ⅳ类水6.0～10.0，Ⅴ类水 10.0～15.0，通过不同的颜色表示被污染的程度，最好的Ⅰ类水质对应色带中蓝色部分，愈往右走，表示被污染的程度愈高，右端红色表示污染程度最严重，为Ⅴ类水。根据颜色和浓度的映射关系，将网格点着色，然后以三角形为单位，利用三个顶点的颜色信息进行平滑渲染，实现浓度信息向图像信息的转化，多组浓度值映射成一个图像序列，根据间隔的时间将这些真彩色图像顺序播放成动画，即实现了水污染过程中污染物的扩散演进模拟。

4.分析统计

突发水污染影响面广，危害大，发展瞬息万变，在污染发生后，需要根据污染物发展状态制定应急方案，最大限度降低损失。使用三维图形图像技术模拟污染物运移和扩散可以为应急方案的制定提供直观、形象和全景式的信息支持，但污染过程中的某些定量信息也很重要，例如对某个特定取水口的保护措施制定中，决策者需要了解的信息是取水口开始被污染的时间、污染物浓度达到峰值的时间以及水质达标的时间，所以还需要提供污染信息的分析统计功能，主要包括定点污染统计和重度污染区影响统计分析。

定点污染统计：水面上某一确定点在污染事件发生后其污染物浓度的变化。这里可以直接对污染扩散模型计算出来的某个时间点的成果文件进行分析。实际计算时，在成果文件中找出定点所在的三角形，然后根据三角形顶点差值计算出定点的浓度值。利用这种方法计算出各个时间点的浓度值，按照时间序列绘制浓度变化曲线，从而可以直观地看到定点水质的变化过程，为应急方案制定提供定量的数据支持。

重度污染区影响统计分析：在特定时间点对Ⅳ类、Ⅴ类水影响区域进行分析统计，主要包括影响到的取水口、灌区和生态保护区等。首先，将浓度达到Ⅳ类水及其以上的网格点找到，获取重度污染区域（不止一个），然后获取各个区域的边界 （由网格点组成），最后根据这些重度污染区域的边界对保护对象进行筛选，即可得到该时间点被重度污染的保护对象。这些信息可以帮助决策者判断污染事件的危害和影响程度，正确决策，尽可能降低重要保护目标的受污染程度。

5.基于视域的数据动态加载

水质模拟过程中，网格点对内存的耗费是不可忽视的。一个待模拟的网格点包括以下信息：经度、纬度和颜色，经度和纬度使用浮点数表示，颜色使用RGB值表示，故一个点占用28个字节，如果纬线和经线的间隔都取为5m，对50km长、平均300m宽的河道进行剖分，一个时间点的数据需要占用16MB的空间，这样大的数据量在两幅图像更替的时候必然导致画面的延迟，然而水质仿真需要达到平滑的颜色渐变效果，对实时性要求较高，是不允许出现延迟现象的。在系统运行过程中，人们能观察到的是一个视域范围内的图形图像信息，视域外的信息对用户没有任何意义，于是考虑对网格点数据进行基于视域的动态加载和卸载：在图像刷新的时候，判断当前视域经纬度的最大值和最小值，只有处于这个范围内的信息才被加载，反之则被卸载。通过这种数据动态加载的方法，实现了内存使用量的降低，从而达到了画面的流畅播放。获取视域经纬度范围的关键代码如下所示：

dc是3S集成平台运行中的上下文对象，包含平台当前的基本信息。

三、应用实例

松花江流域跨黑龙江省、吉林省和内蒙古自治区，汇入黑龙江后，经俄罗斯注入太平洋。流域全长2214.3 km，流域面积 55.68万 km2，流域总人口 5669 万（2000年），位居长江、黄河之后，为我国第三大河，是我国重要的工业、农业、能源基地。随着我国振兴东北老工业基地战略的实施，松花江流域的工业经济得到了再次发展，但与此同时，突发水污染事故也频频发生，严重威胁流域内人民生命财产安全，给国民经济造成了巨大的损失。如何及时应对和处理流域内的突发水污染事件，保护取水口等重要目标，成为当前治理松花江流域污染的关键。

松花江突发水污染水质时空分布模拟系统是利用现代网络通信、计算机、信息管理技术，并借助3S集成平台对水质的时空分布信息进行展示，为应急决策的制定提供直观且全方位的信息支持。系统主要模块及功能见表1。

系统以JAVA语言开发，采用C/S模式，实现了对松花江干流突发水污染水质时空分布情况的动态可视化模拟。假设位于“××”取水口上游5 km处，发生了油罐车翻车事故，有10m3油料进入河道，在水质数学模型支持下模拟油膜的扩散、分散过程，经系统模拟在翻车事故发生后的1小时9分钟取水口附近水质变为Ⅳ类水，在2小时42分钟后水质达到Ⅲ类水标准，从模拟图像可以看出，污染物呈带状分布，浓团位于河流中间部分，污染区域逐渐变大，且有逐渐稀释的趋势，与实际情况相符。

表1 系统主要功能

四、结 论

本文分析了突发水污染的特点以及我国的研究现状，阐述了传统水污染仿真手段的不足——缺乏空间定位信息、脱离实际地貌，提出了基于3S集成平台对污染物运移和扩散进行可视化展示的方法。实例研究表明，该方法形象直观地展示了污染物迁移扩散过程，为检验污染模型的准确性提供了参考和依据，也为快速有效处置突发水污染事件提供了全新的思路和有力的技术支持。

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责任编辑 邓淑珍

The research of sudden water pollution simulation based on 3 S integration

Yang Mingxiang,Xie Jiancang,LiJianxun，XieYufeng

This paper pointed out the problems that current water pollution research more confined to model development,and visualization work was weak.Then,it put forward a method of sudden water pollution simulation that based on 3S integration and discussed the river triangle melt,the discrete points concentration fitting,the data dynamic loading based on the horizon,and some key techniques.Simulated a sudden water pollution broke upstream a certain intake of songhua river.The conclusion show that this method can simulate the diffusion and transport process of pollutants better and provide the function of fixed-pointmonitoring,the basis for pollution model test and the comprehensive information support for emergencyplan formulation.

3Sintegration；3 Dvisuali zation；water pollution diffusion

国家863计划资助项目(2006AA01A126)，国家自然科学基金资助项目（50979088）。

X522

A

1000-1123（2011）11-0012-03

2011-02-01

杨明祥，硕士研究生。