基于SD-GIS 的水污染事故水質(zhì)時空模擬研究.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-基于SD-GIS的水污染事故水質(zhì)時空模擬研究1張波1,2，孫強(qiáng)2,李順2,3,王利強(qiáng)2,虞朝暉2(1.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京100101；2.國家環(huán)境保護(hù)總局信息中心，北京100029；3.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京100875）摘要：將一維河流水質(zhì)系統(tǒng)動力學(xué)模型用于水質(zhì)模擬，建立SD和GIS關(guān)聯(lián)的概念框架，并基于組件式GIS和SD模型開發(fā)水污染事故水質(zhì)模擬實驗系統(tǒng)；以2005年11月發(fā)生的松花江水污染事故為例，對特征污染物硝基苯濃度的時空變化進(jìn)行了動態(tài)仿真模擬。結(jié)果顯示：通過建立SD和GIS的關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)水污染事故中污染物的時空分布模擬，以及基于模型參數(shù)的模型調(diào)控與情景分析，為突發(fā)水污染事故應(yīng)急措施方案的優(yōu)選提供科學(xué)、可行的依據(jù)。關(guān)鍵詞:系統(tǒng)動力學(xué)；地理信息系統(tǒng)；水污染事故；時空模擬；松花江中圖法分類號:TP79/X55文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A一、引言水污染事故是我國環(huán)境事故最主要的類型之一。它的發(fā)生不但導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化，影響水資源的有效利用，而且使社會、經(jīng)濟(jì)的正?；顒邮艿接绊?，對水生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。水污染事故發(fā)生后，污染物進(jìn)入水體隨水流遷移過程中受到水力、水文、物理、化學(xué)和生物等諸多因素的影響（徐孝平，1987），各因素之間存在著采用常規(guī)動力學(xué)方法難以表達(dá)的非線性關(guān)系。因此，從系統(tǒng)性和整體性出發(fā)，水污染事故中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化是一個典型的動態(tài)、復(fù)雜、非線性系統(tǒng)。動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)由于空間元素間的相互作用以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能隨時間變化而變化，往往難于理解和模擬（AhmadandSimonovic，2004）。傳統(tǒng)建模方法通常是分別考慮空間和時間的變化，而不是同時兼顧二者。為了更好地對動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模擬，需要考慮到系統(tǒng)行為隨時間的變化是由其空間狀態(tài)的變化導(dǎo)致的，因此對動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的模擬需要同時兼顧時間和空間的變化。在水污染事故應(yīng)急過程中，管理部門迫切需要了解污染帶的遷移狀況以及污染物濃度在時間、空間兩個維度上的變化，以便采取有效的應(yīng)急措施。因此，針對水污染事故的水質(zhì)模擬問題建立具有時空模擬能力的水質(zhì)模型，模擬污染物隨時間、空間的濃度變化，幫助決策者在二維空間上有效地掌控事故的發(fā)展變化趨勢，則顯得非常重要（張波，2007）。二、方法論系統(tǒng)動力學(xué)（SystemDynamics，縮寫為SD）是一門研究信息反饋系統(tǒng)動態(tài)行為的學(xué)科，通過分析系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間動態(tài)、復(fù)雜的相互關(guān)系和交互作用，建立系統(tǒng)仿真模型，描述與解釋系統(tǒng)的外在行為，尋求解決問題的正確途徑（王其藩，1988）。水污染事故水質(zhì)模擬問題的動態(tài)性、復(fù)雜性、非線性等特點，正是SD的優(yōu)勢所在，能夠?qū)⑵溆糜诮鉀Q水污染事故中的水質(zhì)模擬、預(yù)測以及模型調(diào)控等問題（張波，2007）。SD模型在時間尺度上模擬系統(tǒng)的動態(tài)行為是有效的，但卻很難描述和模擬系統(tǒng)的空間要素及其狀態(tài)，模擬結(jié)果僅僅通過圖表等簡單的形式表現(xiàn)，可視化程度低（裴相斌，趙冬至，2000）。因此針對復(fù)雜系統(tǒng)的時空模擬，僅僅依靠SD模型顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足應(yīng)用的要求。地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，縮寫為GIS）是一個采集、存儲、分析和顯示具有空間位置信息的計算機(jī)系統(tǒng)，是處理和分析地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)（陳述彭等，2000）。在水質(zhì)模型與GIS的集成過程中，GIS是水質(zhì)模型空間離散化、參數(shù)化以及可視化的有利工具（Liao,H.andTim.1997；馬蔚純等，1998）。雖然GIS能夠有效地管理、查詢、表達(dá)、分析和處理靜態(tài)的與地理空間分布有關(guān)的信息，但卻難以描述和模擬具有時間概念的復(fù)雜的動態(tài)行為及其過程，不能展示空間對-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-象的動態(tài)特征，在反映時間連續(xù)性、派生演繹系統(tǒng)語義信息以及表達(dá)動態(tài)變化過程方面，GIS還難以勝任（余潔，2002）。三、SD和GIS的關(guān)聯(lián)與集成1、SD和GIS的關(guān)聯(lián)需求考慮到SD在描述時間過程方面的優(yōu)勢及其具有的有限的空間模擬能力，以及GIS具有空間建模的能力但對時態(tài)模擬的不足，將二者關(guān)聯(lián)起來，能夠豐富和擴(kuò)展兩種分析技術(shù)的現(xiàn)有功能：GIS作為SD模型的前處理工具能夠大大減少數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理的工作量，能夠增強(qiáng)空間數(shù)據(jù)的顯示能力并揭示隱藏的空間關(guān)系；同時，SD模型可以擴(kuò)展GIS的空間分析功能，實現(xiàn)系統(tǒng)行為的動態(tài)模擬及趨勢預(yù)測。通過GIS和SD的關(guān)聯(lián)，在以空間分析為特色的GIS技術(shù)環(huán)境下融入時間動態(tài)模擬的SD模型，進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)模擬和預(yù)測分析，使GIS和SD的現(xiàn)有功能得到擴(kuò)展和延伸（AhmadandSimonovic，2004；余潔，2002）。2、SD和GIS關(guān)聯(lián)的概念框架SD和GIS的關(guān)聯(lián)包括數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和語義關(guān)聯(lián)兩方面。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：數(shù)據(jù)和信息在GIS和SD之間的雙向流通和交換，基于動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE），通過Excel實現(xiàn)（圖1）。首先由GIS通過Excel向SD模型提供空間信息，SD模型通過動態(tài)模擬在時間上確定空間特征的變化，然后通過Excel將其傳遞給GIS。建立SD和GIS的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，就能夠在時間和空間兩個方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理（AhmadandSimonovic，2001）；語義關(guān)聯(lián)：將同一個數(shù)據(jù)、變量在SD和GIS中的不同表現(xiàn)形式進(jìn)行關(guān)聯(lián)和對照，通過在GIS中進(jìn)行計算域的空間離散以及在SD中用數(shù)組的形式表示狀態(tài)變量來實現(xiàn)。如果空間動態(tài)模擬對象是線狀地物（例如，線狀河流），需要將研究對象分段（將河流均勻劃分為數(shù)段），SD中的狀態(tài)變量以一維數(shù)組的形式表示，一維數(shù)組的每個元素對應(yīng)著每個小段的狀態(tài)變量值；如果模擬對象是面狀地物（如，面狀湖泊），需要將研究對象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，SD中的狀態(tài)變量以二維數(shù)組的形式表示，二維數(shù)組的元素分別對應(yīng)每個網(wǎng)格的狀態(tài)變量值。這樣就確定了SD變量在GIS中的空間分布。通過建立SD和GIS的關(guān)聯(lián)，運(yùn)行SD模型，計算每段（或網(wǎng)格）上的SD狀態(tài)變量值，然后通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE），能夠?qū)⒚慷危ɑ蚓W(wǎng)格）的狀態(tài)變量值在GIS中進(jìn)行顯示，分析和計算（張波，2007）。圖1.SD與GIS的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)Fig.1ThedataintegrationofSDandGIS3、組件式GIS與SD模型的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)組件式GIS與SD模型的集成是SD與GIS關(guān)聯(lián)的概念框架下的技術(shù)實現(xiàn)方法之一。組件式GIS與SD的嵌入式軟件開發(fā)包不依賴于特定的開發(fā)語言，能夠在一個通用的開發(fā)環(huán)境（如VisualStudio2005）中實現(xiàn)GIS功能，同時集成了SD模型的組件對象，以及其它輔助控件。在通用開發(fā)環(huán)境下，GIS與SD無須經(jīng)過Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，直接通過程序語言將SD模型的計算結(jié)果動態(tài)更新GIS中地理對象的相關(guān)屬性，并基于更新后的屬性值在GIS中進(jìn)行實時顯示和分析。集成開發(fā)環(huán)境負(fù)責(zé)調(diào)用組件GIS提供的控件以及SD模型計算的結(jié)果并實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互；GIS-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-控件負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的管理和模型運(yùn)算結(jié)果的空間可視化表達(dá)；利用SD軟件提供的SDK開發(fā)包，通過模型DLL調(diào)用SD模型，接受系統(tǒng)提供的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型計算，模擬結(jié)果以表格、曲線或者通過GIS控件以專題地圖的形式由集成開發(fā)環(huán)境調(diào)用顯示（鄭澤梅，夏斌，張俊嶺，2005），如圖2所示。圖2組件GIS與SD模型的集成框架Fig.2TheintegrationframeworkofComGISandSDmodel四、水污染事故水質(zhì)模擬的案例研究1、研究背景及概況松花江流域位于中國東北地區(qū)的北部，東西長920km，南北寬1070km，流域面積55.68萬km2，松花江干流東流至同江附近注入黑龍江，第二松花江和嫩江分別作為松花江的南、北兩源。2005年11月13日，位于吉林省境內(nèi)第二松花江段的吉林石化公司雙苯廠發(fā)生爆炸事故，造成了硝基苯、苯、苯胺等污染物流入第二松花江，產(chǎn)生的污染帶達(dá)80公里，對水體造成了污染。污染帶順?biāo)苫ń闪飨蛳逻w移，在同江附近匯入黑龍江，流經(jīng)黑龍江流域后從黑龍江省撫遠(yuǎn)縣流入俄羅斯境內(nèi)并最終入海。松花江水系支流眾多，由于事故發(fā)生在冬季，河流均已進(jìn)入冰凍期，流量較小。在對研究區(qū)域概化時只考慮干流，對支流匯入導(dǎo)致干流水量的增加可以考慮增加干流河段的河流流速進(jìn)行簡化處理。研究區(qū)域為松花江干流哈爾濱蘇家屯斷面至樺川斷面之間的河段，其中選擇五個監(jiān)測數(shù)據(jù)較為齊全的斷面（分別為蘇家屯、巴彥港、依蘭達(dá)連河、佳木斯和樺川斷面，見圖3）作為研究斷面。初始斷面為蘇家屯斷面，斷面之間的距離及監(jiān)測數(shù)據(jù)的時段見表。圖3研究斷面的分布Fig.3Thedistributionofstudysections-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-表1研究斷面的信息Table1Theinformationofresearchsection編號斷面名稱距初始斷面的距離（km）監(jiān)測數(shù)據(jù)的時段（月-日時刻）1蘇家屯011-23-21:0011-27-8:002巴彥港12011-27-6:0012-2-8:003依蘭達(dá)連河33012-2-20:0012-9-20:004佳木斯44012-7-20:0012-12-18:005樺川48012-9-12:0012-14-6:002、一維河流水質(zhì)SD模型系統(tǒng)動力學(xué)以系統(tǒng)分析為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)動態(tài)的、復(fù)雜的（非線性、反饋回路、延遲和隨機(jī)性等）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為系統(tǒng)的行為模式與特征主要根植于系統(tǒng)內(nèi)部的反饋結(jié)構(gòu)與機(jī)制，因此適合于研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)行為之間的關(guān)系（王其藩，1988）。松花江水污染事故的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，哈爾濱以下江段中污染物硝基苯在整個河流的橫斷面上已經(jīng)基本混合均勻。假設(shè)在沿程流經(jīng)的途中沒有硝基苯的源再排入，因此，可以使用一維模型，式（1）進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測（彭澤洲，2007）。（1）式中，C為平均水質(zhì)濃度，mg/L；u為縱向水流流速，km/h；E為縱向彌散系數(shù)，km2/h；x為河水流動距離，km；k為衰減速率系數(shù)，h-1。采用顯式有限差分法，在j時刻用前差分表達(dá)t的偏導(dǎo)數(shù)和x的一階偏導(dǎo)數(shù)，用中心差分表達(dá)x的二階偏導(dǎo)數(shù)，可將方程（1）近似表達(dá)為如下的差分方程式（傅國偉，1987）：（2）式中，Ei為第i河段縱向彌散系數(shù)；ui為第i河段縱向水流流速；x為x方向的步長；t為時間t的步長；為第i河