基于动态实时监测数据的水污染模拟分析系统研究

马 辉，申邵洪，陈蓓青

(1.水利部水文局，北京 100053；2.长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)



基于动态实时监测数据的水污染模拟分析系统研究

马 辉1，申邵洪2，陈蓓青2

(1.水利部水文局，北京 100053；2.长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

以水污染应急事件中的水污染模拟分析为研究对象，从数据的采集、传输、模拟分析、应用等多层次出发，采用WebGIS为核心技术，建立了二维网络地理环境下的水污染模拟仿真决策支持系统。该系统重点研究了互联网环境下的二维水污染扩散模型和水污染模拟计算结果的可视化表达和交互应用。通过长江干流某河段的应用，验证了该研究系统的有效性和科学性，结果表明系统能够有效、科学支撑突发性水污染事件的自动监测和应急决策处理。

突发性水污染：动态实时监测；网络地理信息系统；模拟决策分析；互联网

1 研究背景

水是人民生活和社会经济发展的基础性自然资源，是生态环境的控制要素。近年来我国突发性水污染事件频发，已经得到了社会的广泛关注和高度重视。突发性水污染事件具有突发性、明显的不确定性和阶段性等特点。同时，在突发性水污染事件的应急管理处置工作中，需要大量的水文、水质、河道、水功能区、取水、排水、水利工程等系列水资源和水环境信息，利用现代化信息处理技术，对事件处理过程进行模拟分析和决策支持，快速、科学、有效指导事件处理。

在对突发性水污染事件应急处理研究工作中，研究者重点关注了事件的模拟分析和决策支持，分别从水文学、水资源管理、水信息学等角度出发，开展水资源、水环境信息动态实时监测，水污染模拟扩散模型设计与开发，事件过程动态模拟分析以及信息分享等多方面的研究。匡翠萍等[1]建立了黄浦江二维水污染模型，对黄浦江突发水污染事件进行模拟分析，模拟分析典型调水应急措施的效果。付俊娥等[2]以3S技术作为支撑建立了复杂水流条件和水质调度要求的水污染模拟仿真模型，并开发了实际系统，选择淮河流域作为应用实例，实现了对水污染的自动监测和突发事件应急决策处理。解建仓等[3]以水污染扩散模型三维表达为研究重点，构建出基于水质Agent的流域突发水污染物扩散模型，有效模拟出流域突发水污染事件。李国伟[4]开展了基于GIS的三峡库区事故型水环境污染风险评估与水污染扩散模拟研究，深入研究了三峡库区突发水污染事故风险评估方法以及基于元胞自动机的水污染扩散模拟方法，并且借助于GIS空间处理功能，直观可视化地、实时动态地模拟三峡库区水污染扩散的时空过程。宋筱轩等[5]基于动态数据驱动的突发水污染事故仿真方法，阐述动态数据驱动的突发水污染事故预测误差修正基本原理，引入反馈机制，水质污染演化模拟仿真结果得到了实时修正，减少了不确定因素对仿真输出的影响，提高了结果准确性和可靠性。以上研究主要从水污染模型和模拟分析的角度出发，在单机或者局域网环境开展水污染事件分析。伴随网络技术的飞速发展，开展互联网环境下的水污染模拟分析和交互应用具有更好的科学价值和应用前景。

本文针对突发性水污染应急事件，从数据采集、传输、模拟计算、分析结果表达及应用等角度出发，建立基于实时监测数据的水污染模拟分析系统，重点研究了监测数据与计算分析模型的无缝集成，以及仿真模拟计算结果在网络地理环境下的可视化表达及应用，科学支撑了突发性水污染事件的应急处理。

2 系统结构

本文研究的模拟分析系统由数据采集层、网络传输层、基础数据层、支撑层和应用层构成，如图1所示。

图1 基于动态实时监测数据的水污染模拟分析系统框架Fig.1 Framework of simulation and analysis system of water pollution based on dynamic real time monitoring data

各层次的主要功能简述如下。

(1) 采集层:主要实现应急监测数据的采集与传输，包括来自固定监测站、移动监测站的水质监测数据，以及水文监测数据，如水位、流量、流速等。

(2) 传输层:传输层是通过传输网络，如Internet或者GPRS,将监测数据传输至监测中心。

(3) 数据层：数据层用于存储和提供系统所需的各类基础数据和应急监测数据。基础数据包括基础地理数据、水资源专题空间数据、水利工程专题空间数据、水资源属性数据以及水资源动态监测数据。

(4) 支撑层：支撑层是系统建设所需要的各类软硬件环境，包括WebGIS软件、数据库、网络编程语言、水污染扩散计算模型等，其中污染物运移扩散模型对流域水环境进行模拟；GIS应用服务提供数据处理的应用工具，方便用户进行空间查询和分析。

(5) 应用层：应用层为用户提供交互式界面，包括水污染动态模拟结果展示，监测数据交互应用，信息动态发布以及应急预案决策支持等。

3 系统关键技术

3.1 基于动态监测数据的水污染扩散分析模型

在本文中，研究的突发水污染扩散模拟仿真模型主要包括经典水动力学方程和水质扩散方程，实现快速建模和仿真计算。

3.1.1 二维非恒定浅水运动方程

二维非恒定浅水运动方程包括连续性方程和动量方程，其中，连续方程为

(1)

x方向动量方程为

(2)

y方向动量方程为

(3)

式中：u,v分别为x,y方向的垂向平均速度；z为水面高程；h为水深；f为科氏力系数, f=2Ωsinθ,Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；ri为紊动黏性系数；ρa,ρw分别是空气和水密度；fw为风应力系数；wx,wy分别为x,y方向的风速。

3.1.2 非持久性污染物迁移转化方程

沿水深方向截取一个长为dx、宽为dy、高为水深h的柱体，类似推导一维水质迁移转化方程那样，根据质量平衡原理，可得到平面二维水质迁移转化基本方程，即

(4)

式中：∑Si为河段水体污染物的源项(g/s)；C为河段中某种污染物的浓度(mg/L),污染物浓度值由监测设备现场获取,通过GPRS无线网络远程传输至服务器，服务器通过接收程序将数据写入固定格式的浓度文件；Ex，Ey分别为x，y方向的分子扩散系数、紊动扩散系数和离散系数之和(m2/s)。

3.2 水动力-水质模型耦合与求解

(1)方程的离散 。对于动量方程和非持久性污染物迁移转化模型，采用有限体积法离散。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，具有很大的灵活性，是目前水质模拟问题的数值计算中应用较好的一种方法。

(2) 水深修正。DEM网格的水深修正与同位网格类似，采用SIMPLEC法和压力加权插值方法(PWIM)水深修正公式。

(3) 动边界问题。本模型采用干湿法处理动边界问题，经过研究比较，干湿法比较适合于DEM网格，且可以保证水量平衡。

(4) 方程组的求解。本模型采用三对角矩阵算法(TDMA)和交替方向隐式迭代法(ADI)算法求离散出来的方程组。具体实现较为简单，先对动量方程进行数值求解，得到一定时间步长的流速场，代入水质迁移方程中，采用相同步长，得到污染物浓度分布值。

(5) 初始条件。在计算的初始时刻，Z，u，v为已知值，Z通过内插得到，u=0,v=0。

(6) 边界条件。在水陆边界上，流速为0；在水流出边界上，给定水位的变化过程；在水流入边界上，给定流量过程。

3.3 模型和WebGIS耦合应用

水污染扩散分析模型的编程采用Fortran语言，系统平台总体采用C#作为开发语言，通过Fortran开发的水污染扩散分析模型具有高效计算的特点，C#开发的系统平台具备良好的网络适用性，2种开发语言的结合可以高效实现模型与系统的耦合，具体通过DLL(动态链接库)技术实现。将一组Fortran函数或子程序放在一个程序中，创建成DLL ，然后在C#调用，就可以实现具体功能。具体过程如下所述。

(1) 在Fortran中建立DLL工程。

(2) 将原程序改编成子函数，并对需调用的子函数进行声明：

subroutine WATERQ(M，N，C，C1，T，H，U，E)

!ms$if .not. defined(linkdirect)

!ms$attributes dllexport :: WaterQ

!ms$endif

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

(4) 在C#中调用DLL。

3.4 水污染模拟仿真模型

水污染模拟扩散结果在网络空间环境下的可视化动态表达主要包括水污染扩散模拟计算、计算结果的彩色图像仿真和网络地理环境可视化及交互应用[6]。

3.4.1 水污染扩散模拟计算结果获取

水污染扩散模拟计算是一个相对独立的模块，采用Fortran语言编程，封装了核心算法与数据结构，采用Windows管道(pipe)技术将污染扩散模拟计算的整个迭代过程，获得扩散模拟计算结果，结果中主要包括3个文件：①坐标文件，记录每个目标点的坐标值；②参数文件，记录污染事件的参数如坐标对数、时间段数、时间步长等；③污染浓度文件，记录每个坐标在不同时刻污染物的浓度值。

3.4.2 污染物浓度图像构建

污染物浓度图像构建是以污染点坐标、浓度、时间段为基础数据，通过色彩变换函数，构建特定计算时间段的污染物浓度图像。污染物浓度图像的坐标值为污染点坐标，每个时间段的污染计算结果对应一幅污染浓度图像，浓度色彩变换函数为

(5)

式中：C为污染物原始浓度值；h为经函数变化之后的浓度值(mg/h),对不同数值之间的h值，采用不同的红、绿、蓝3种颜色值进行组合生成伪彩色。色彩变换函数如下(函数中，h为浓度值，r,g,b分别为红、绿、蓝色彩值)。

(1) 当0

(6)

(2) 当40

(7)

(3) 当80

(8)

(4) 当120

(9)

3.5 污染浓度图像网络可视化与表达

污染浓度图像网络可视化与表达是将图像和WebGIS相互结合，以WebGIS为基础平台，实现图像在客户端的可视化表达。本研究采用ArcGIS Server为WebGIS基础平台，通过图层叠加的功能按照浓度图像的坐标值，实现浓度图像在网络地理环境下的精准可视化。

4 水污染时空模拟分析实例

4.1 模型计算参数输入及分析

模型计算功能主要用于特定污染物的模型计算，在模型计算界面中输入污染物地点、排污量、排污浓度、计算时段、时间步长等相关参数，可以对污染物扩散进行模拟。

通过模型计算，主要获得坐标文件和污染浓度文件。其中坐标文件记录分析区域内每个点的坐标值,污染浓度文件记录每一个坐标在不同时刻污染物的浓度值。

系统为B/S结构，客户端通过浏览器录入模型计算相关参数，计算模型布设于服务器。具体实现流程为：客户端通过浏览器登陆网站，点击模型计算菜单，客户端将弹出模型计算界面，将相关计算参数传输至服务器，服务器接收相关参数并启动模型计算程序，生成水污染模拟计算结果。图2为客户端模型参数输入界面。

图2 水污染扩散模型参数设置Fig.2 Parameter setting of water pollution diffusion model

根据水动力学模型计算出的流速分布，作为二维水质模型计算的输入条件，进行浓度场计算。浓度场验证计算结果见表1。由图2、表1可知，COD浓度计算值与实测值吻合较好，相对误差一般在±10%以内，浓度变化趋势也较为合理，浓度场模型模拟的污染带形状、范围、变化规律以及等浓度线的分布与实际情况基本相吻合。

通过模型计算，t时段的水污染计算结果可表现为(x,y,c,t)。其中：x为水平方向坐标；y为垂直方向坐标；c为浓度值；t为时间段。在本研究中，采用二维彩色图像实现水污染成果的模拟仿真表达，对水污染浓度值进行数值拉升，并作为彩色图像的像元值，将时段t内的模拟扩散结果形成为一幅色彩反差明显的污染物浓度图像。

表1 验证计算成果比较

4.2 模拟计算结果表达及分析

污染物扩散可视化子模块是将不同时段对应的空间范围内的污染物浓度采用网络二维地图进行表达，进行不同时段下污染范围的可视化仿真。通过选择时段参数，可以在系统的客户端显示特定时段的污染物空间分布结果，如图3所示为特定时段的污染物浓度地理空间可视化表达结果。通过不同时段的动态加载，可以有效展示污染物在时间及空间范围上的变化，能够有效模拟仿真污染物扩散的整个过程。

图3 污染物扩散时空分布动态模拟Fig.3 Dynamic simulation of spatial and temporal distribution of pollutant dispersion

4.3 污染物浓度变化分析

污染物浓度变化分析是在特定空间位置上查询特定点的水污染浓度，分析该点在不同时段下的浓度变化情况。通过坐标点击获取特定点的经纬度坐标，然后将坐标与模拟计算结果进行匹配，获得特定点对应的水污染浓度，提取浓度值，结果如图4所示。

图4 特定点水污染浓度变化及分析Fig.4 Variationandanalysisoftheconcentrationofwaterpollutionatspecificpoint

4.4 区域水质统计计算

区域水质统计是统计特定时段水质分布面积，通过在地图上绘制兴趣多边形，采用GIS的空间分析功能，具体是面积量算功能，获得多边形的面积。在每一类水所占面积分析过程中，是统计每一类水在兴趣多面形中所占的比例，然后将多面形面积乘以比例值，计算获得每一类水所占的面积。系统统计分析结果如图5所示。

图5 空间范围内水质分布空间统计分析Fig.5 Statisticalanalysisofwaterqualitydistributioninspace

5 结 论

本文根据我国突发性水污染事件的特点，从水污染事件过程中的数据采集、传输、应用等角度出发，基于网络地理信息环境，开发水污染模拟扩散计算模型，实现模型与WebGIS的相互集成，实现了二维网络地理环境下水污染事件的模拟分析与成果表达及应用。水污染模拟分析系统重点对动态实时监测数据驱动的水污染模拟扩散计算模型，模拟分析结果的可视化表达和交互应用进行了深入研究和探讨。通过长江干流某河段水污染事件的应急决策支持，验证了本系统的有效性和科学性，应用结果表明本文研究的系统可应用于突发性水污染事件的模拟分析，能科学指导突发事件应急决策处理。

[1] 匡翠萍，邢 飞，刘曙光，等.黄浦江突发水污染事件应急措施数值计算分析[J].人民长江， 2010, 41(7):43-47.

[2] 付俊娥，田宏红，李纪人. 流域水污染模拟预测及应急处理系统研究——以淮河为例[J]. 遥感信息，2011，(3):116-120.

[3] 解建仓，李维乾，李建勋，等. 基于Multi-Agent的流域突发水污染扩散模拟[J]. 西安理工大学学报, 2013, 29(1):13-19.

[4] 李国伟. 基于GIS的三峡库区事故型水环境污染风险评估与水污染扩散模拟研究[D].重庆：西南大学，2014.

[5] 宋筱轩，冯天恒，黄平捷，等. 基于动态数据驱动的突发水污染事故仿真方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2015,49(1):63-78.

[6] 陈蓓青，谭德宝，宋 丽. GIS技术在突发性水污染事件应急响应系统中的应用研究[J].长江科学院院报,2010, 27(1):29-32.

(编辑：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

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2015019/KJ)

马 辉(1974-),男，山西芮城人，高级工程师，硕士，主要研究方向为水文水资源、水信息学，(电话)010-63207185(电子信箱)2824977717@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160459

2016,33(11):54-58

TP3；X52

A

1001-5485(2016)11-0054-05