基于SD-GIS的水污染事故水質(zhì)時空模擬和動態(tài)調(diào)控仿真系統(tǒng) - 圖文-

1、基于SD-GIS的水污染事故水質(zhì)時空模擬和動態(tài)調(diào)控仿真系統(tǒng)研究1張波1,秦宇1(1.環(huán)境保護部信息中心,北京市朝陽區(qū)育慧南路1號,100029摘要:針對我國面臨的重大水污染事故,結(jié)合前期建立的一維和二維系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型,將SD模型與GIS關(guān)聯(lián)與集成,開發(fā)基于二三維一體化的水污染事故水質(zhì)時空模擬和動態(tài)調(diào)控仿真系統(tǒng);以2005年11月發(fā)生的松花江水污染事件為例,進行水質(zhì)模擬結(jié)果驗證和可視化動態(tài)調(diào)控示范等,在時間和空間兩個維度上對污染帶遷移和轉(zhuǎn)化進行動態(tài)模擬和趨勢預(yù)測,實現(xiàn)了突發(fā)水污染事故水質(zhì)濃度的模擬、預(yù)測和基于不同應(yīng)急策略的模型調(diào)控。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;一、

2、引言近年來我國重大水污染事故頻繁發(fā)生,對生態(tài)環(huán)境、人民健康及社會安全造成嚴重影響。例如,發(fā)生在2005年11月份的松花江水污染事故和12月份的廣東北江鎘污染都是重大水污染事故的典型案例。在水污染事故的應(yīng)急過程中,迫切需要掌握污染帶的時空分布及污染物的濃度,從而快速、有效地制訂應(yīng)急響應(yīng)的策略方案。為滿足水污染事故快速處置的要求,結(jié)合事故現(xiàn)場的實際監(jiān)測數(shù)據(jù),利用水質(zhì)數(shù)學(xué)模型(簡稱“水質(zhì)模型”對污染團到達各重要斷面的時間、濃度、影響范圍等做出及時準確的預(yù)測,模擬各種應(yīng)急策略和方案的效果,為事故的應(yīng)急決策提供定量參考的依據(jù),是提升環(huán)境事故應(yīng)急能力的重要途徑。然而,由于水污染事故在發(fā)生時間和空間、污染強

3、度、污染物類型、發(fā)生水域的水文條件等方面具有很強的不確定性,并且污染物種類多樣,遷移轉(zhuǎn)化行為復(fù)雜,其運動機理比一般正常河流的污染狀況更難掌握。而現(xiàn)有水質(zhì)模型用于水污染事故的水質(zhì)模擬存在模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,參數(shù)眾多且難以率定,可視化動態(tài)調(diào)控功能弱等缺點,難以滿足水污染事故時空動態(tài)模擬和預(yù)測的需要,更難對事故應(yīng)急策略的制定提供快速和科學(xué)的依據(jù)。針對我國面臨的重大水污染事故,結(jié)合本文作者前期構(gòu)建的一維和二維系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型,以二三維一體化的GIS軟件作為空間計算平臺開發(fā)水污染事故水質(zhì)時空模擬和動態(tài)調(diào)控仿真系統(tǒng)。以2005年11月的松花江水污染事故為例,通過“三維調(diào)控二維計算三維顯示”的應(yīng)用模式研究各種應(yīng)

4、急調(diào)控的策略及其可視化實現(xiàn),在人工交互可視化界面下實現(xiàn)各種應(yīng)急調(diào)控策略效果動態(tài)模擬和可視化分析,為水污染事故應(yīng)急措施方案的優(yōu)選提供量化參考依據(jù)。國家自然科學(xué)基金項目(41071243和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃(2009AA12Z221支持。系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics,簡稱SD是一門定量研究復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)科,它的特點是以系統(tǒng)分析為基礎(chǔ),強調(diào)動態(tài)的、復(fù)雜的(非線性、反饋回路、延遲和隨機性等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它認為系統(tǒng)的行為模式與特征主要根植于系統(tǒng)的內(nèi)部反饋結(jié)構(gòu)與機制,因此適合用于研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)行為之間的關(guān)系?；谙到y(tǒng)動力學(xué)理論和水污染事故水質(zhì)模擬的應(yīng)用需求,本文作者

5、開展了基于系統(tǒng)動力學(xué)的水污染事故水質(zhì)模擬研究,構(gòu)建了一維和二維系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型,結(jié)合松花江水污染事故的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行驗證。課題組選擇松花江干流的哈爾濱蘇家屯斷面到樺川斷面之間大約500公里的河段作為研究對象,選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)比較齊全的巴彥港、依蘭達連河、佳木斯、樺川四個斷面的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對河流縱向水流流速u,衰減速率系數(shù)k和縱向彌散系數(shù)E三個模型參數(shù)進行率定,取得x了較好的效果。圖1和圖2分別為一維和二維系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型的結(jié)構(gòu)圖。 圖1 一維系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型結(jié)構(gòu) 圖2 二維系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)在時間尺度上可以很好地模擬系統(tǒng)的動態(tài)行為,但這種以信息反饋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的模型考

6、慮空間因素的功能很弱,即不具有空間數(shù)據(jù)的前處理功能,也不具有空間分析的能力。GIS系統(tǒng)能有效地管理、查詢、表達、分析和處理靜態(tài)的與地理空間分布有關(guān)的信息,但是它們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,不能展示空間對象的動態(tài)特征。GIS技術(shù)和系統(tǒng)動力學(xué)的結(jié)合可以極大地豐富擴展兩種分析技術(shù)的現(xiàn)有功能:GIS 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的緊密結(jié)合可為系統(tǒng)動力學(xué)模型的動態(tài)模擬研究提供有力的環(huán)境,在系統(tǒng)邊界定義、數(shù)據(jù)準備、可視化成果表現(xiàn)等方面發(fā)揮重要作用;同時,系統(tǒng)動力學(xué)模型可擴展GIS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,這樣不僅能在時間上模擬系統(tǒng)動態(tài)發(fā)展趨勢,而且也能在系統(tǒng)框架內(nèi)考

7、慮空間因素,使GIS和系統(tǒng)動力學(xué)現(xiàn)有功能得到擴展和延伸。傳統(tǒng)的水質(zhì)模型通常擁有獨立的模擬界面,只能實現(xiàn)與GIS的松耦合集成,很難集成到第三方信息系統(tǒng)中。而用戶經(jīng)常需要在應(yīng)急指揮、監(jiān)控預(yù)警等信息系統(tǒng)中嵌入水質(zhì)模型,實現(xiàn)水污染信息的綜合查詢、管理、模擬和發(fā)布等功能。系統(tǒng)動力學(xué)模型的開放性良好,能夠無縫集成到GIS及第三方信息系統(tǒng)中,大大增加模擬結(jié)果的可視化程度,方便用戶的使用和模型功能的共享。四、水污染事故水質(zhì)時空模擬和動態(tài)調(diào)控仿真系統(tǒng)本系統(tǒng)的GIS部分采用北京超圖公司基于二三維一體化的SuperMap Object.NET 6R開發(fā)包進行二次開發(fā),通過真空間(RealSpace技術(shù)構(gòu)建二三維一體

8、化的應(yīng)用系統(tǒng);一維和二維系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型采用美國isee公司的STELLA 9.1.3建立,系統(tǒng)動力學(xué)模型與GIS 的集成通過isee公司的isee.NET Framework 1.1開發(fā)包提供的接口組件實現(xiàn)。系統(tǒng)通過形象、直觀的水污染事故時空模擬及動態(tài)調(diào)控,可為不同條件下的突發(fā)事故發(fā)展變化趨勢預(yù)測以及相應(yīng)的應(yīng)急策略、指揮方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。1.水質(zhì)時空模擬和動態(tài)調(diào)控仿真系統(tǒng)框架系統(tǒng)的總體框架如圖3所示,包括以下幾部分:數(shù)據(jù)庫、模型和調(diào)控、計算與可視化、交互界面和用戶決策。 圖3 水質(zhì)時空模擬和動態(tài)調(diào)控仿真系統(tǒng)總體框架2. 系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)整體采用三層架構(gòu)設(shè)計,劃分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)

9、訪問層,能夠有效地提高代碼的復(fù)用性和可測試性,以適應(yīng)項目開發(fā)過程中需求的變化。系統(tǒng)操作界面主要采用二三維一體化的視圖窗口,方便用戶使用;在空間數(shù)據(jù)管理上,系統(tǒng)通過空間數(shù)據(jù)引擎(SDX+將二三維空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一建庫,實現(xiàn)了二三維數(shù)據(jù)的一體化管理和展示;在功能上,系統(tǒng)將二維空間查詢和空間分析功能集成到三維空間中,既能增強三維系統(tǒng)的實用性,又能通過二三維一體化的空間查詢分析方式得到更加直觀的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)。系統(tǒng)集成系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型主要通過isee 公司的isee.NET Framework1.1開發(fā)包提供的接口組件實現(xiàn),該組件的主要功能有:提供接口直接調(diào)用系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型,并將結(jié)果數(shù)據(jù)返回給調(diào)用者;提

10、供開放的參數(shù)設(shè)置接口,可以通過接口改變模型的參數(shù),然后用更新后的參數(shù)重新計算得到新的,調(diào)控后的結(jié)果。該組件是標準的.NET組件,可以將系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型方便地集成到第三方軟件中。系統(tǒng)開發(fā)采用框架、GIS 組件、模型組件分別開發(fā),統(tǒng)一組裝的方式進行。將系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型的時態(tài)特性和GIS 的空間特性整合起來,采用時態(tài)GIS 的思想,將整合后的時空一體化數(shù)據(jù)在二三維一體化的GIS 系統(tǒng)中展示。系統(tǒng)加入時間軸用于控制時態(tài)數(shù)據(jù)在空間上的展示,時間軸上的任意時刻都和該時刻污染物的擴散范圍和污染程度關(guān)聯(lián)起來。通過時間軸的順序播放可以直觀的表現(xiàn)污染物隨著時間在空間上動態(tài)遷移的過程。采用折線圖等方式比較原始模

11、型、調(diào)控模型、實驗區(qū)實際測量數(shù)據(jù)的差異,從而輔助決策者選擇最佳的應(yīng)急調(diào)控方案。3. 系統(tǒng)功能3.1基本GIS功能系統(tǒng)提供了常用的GIS功能(圖4,主要包括:二維GIS功能(包括:放大、縮小、漫游、全圖、地圖量算、圖層管理、鷹眼等,三維GIS功能(包括:三維地圖縮放、旋轉(zhuǎn)、全球、三維地圖量算等,視圖切換(包括:二維視圖、三維視圖、二三維一體化視圖。 圖4 GIS基本功能3.2 二三維一體化系統(tǒng)采用二三維一體化技術(shù)統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)(圖5,通過工作空間定義的方式將空間數(shù)據(jù)庫中的同源數(shù)據(jù)分別指定給二維和三維場景,用戶既能在二維場景中加載二維數(shù)據(jù),也能在三維場景中加載相同的二維數(shù)據(jù)。避免了GIS數(shù)據(jù)的重

12、復(fù)建設(shè)和大量的三維數(shù)據(jù)處理工作。同時,還能保證用戶在二維和三維場景下所編輯空間數(shù)據(jù)的一致性。 圖5 二三維一體化數(shù)據(jù)管理為了方便用戶操作,避免在處理業(yè)務(wù)時需要同時打開二維和三維兩套系統(tǒng)。本系統(tǒng)將二維和三維視圖集成到統(tǒng)一的窗口中,二維和三維窗口可以同步顯示相同的空間區(qū)域,清晰直觀的比較出相同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在二維和三維場景中的不同表現(xiàn)形式,方便用戶地瀏覽和使用。圖6為二三維一體化的操作界面。 圖6 二三維一體化的操作界面系統(tǒng)繼承了二維GIS強大的空間分析功能,將常用的二維空間分析工具應(yīng)用到三維場景中,通過二三維一體化的分析和表現(xiàn)方式,使傳統(tǒng)的空間分析功能的分析結(jié)果既保留了在二維地圖中展示的宏觀性,又增

13、加了在三維地圖中展示的直觀性。圖7為二三維一體化的緩沖區(qū)分析的界面。 圖7 二三維一體化的緩沖區(qū)分析3.3 模型時空模擬系統(tǒng)采用SD-GIS結(jié)合的時空動態(tài)模擬方式直觀地展示污染物在河流水體中的動態(tài)遷移過程。用戶能夠很方便的追蹤和分析河流水體中污染帶的遷移位置、速度、方向、濃度等特征參數(shù),從而判斷出采取何種應(yīng)急策略,以及在何時、何地使用該策略能夠起到最好的治污效果。3.3.1一維模型時空模擬和動態(tài)調(diào)控當(dāng)橫向彌散作用很弱時,污染物在河流中的遷移、轉(zhuǎn)化方式主要是平流推移、縱向彌散和衰減作用,此時一般采用一維水質(zhì)模型進行時空模擬。系統(tǒng)首先將實驗區(qū)按1公里1個斷面的形式進行分段,并通過模型計算出每個斷面

14、的時間濃度序列,同時將這些系統(tǒng)動力學(xué)模型計算出的時態(tài)數(shù)據(jù)按照斷面的空間關(guān)系綁定到GIS中的實驗區(qū)各斷面上。然后再以分級顏色渲染的方式,根據(jù)時間軸上當(dāng)前時刻每個河段濃度的大小進行渲染。濃度最高為紅色,最低為綠色。同時,模型的時間軸依次向后推移,直到模擬完成。模擬完成后,用戶還可以通過拖動時間軸上的指針回溯到之前任意時刻的污染狀況。圖8為一維模型時空模擬的界面。 圖8 一維模型時空模擬系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場反饋的情況和能夠采取的應(yīng)急策略來調(diào)整系統(tǒng)動力學(xué)水質(zhì)模型的參數(shù)(例如:通過流域中的水庫放水量的調(diào)整,加大河流的流量和流速,稀釋污染物。然后,系統(tǒng)重新進行模擬計算得到采取應(yīng)急策略后的污染變化趨勢,同時通過

15、對多組模擬數(shù)據(jù)的比較,對比調(diào)控前后對降低污染物濃度的影響,從而輔助決策者選擇最有效的應(yīng)急策略。圖9為一維模型動態(tài)調(diào)控的界面,圖10為調(diào)控前后污染物濃度變化的對比。 圖9 一維模型動態(tài)調(diào)控 圖10 調(diào)控前后污染物濃度對比3.3.2二維模型時空模擬和動態(tài)調(diào)控如果考慮河流的橫向彌散作用,需要采用二維水質(zhì)模型進行時空模擬。系統(tǒng)首先將實驗區(qū)網(wǎng)格化,并通過模型計算出每個網(wǎng)格的時間濃度序列。然后以分級顏色渲染的方式,根據(jù)時間軸上當(dāng)前時刻每個網(wǎng)格濃度的大小進行渲染。濃度最高為紅色,最低為綠色。同時,模型的時間軸依次向后推移,直到模型模擬完成。模型模擬完成后,用戶還可以通過拖動時間軸上的指針查看模擬時間段內(nèi)任意

16、時刻的污染情況。圖11為二維模型時空模擬的界面。 圖11 二維模型時空模擬在二維模型中,系統(tǒng)也可以根據(jù)現(xiàn)場反饋的情況和能夠采取的應(yīng)急策略來修改污染擴散模型的參數(shù),然后重新進行模擬計算以得到變化后的污染變化趨勢,同時通過對多組模擬數(shù)據(jù)進行比較,比較調(diào)控前后污染物的濃度變化情況,選擇效果最好的應(yīng)急策略。圖12為二維模型調(diào)控的界面。 圖12 二維模型調(diào)控五、結(jié)論本文將系統(tǒng)動力學(xué)引入水質(zhì)模擬計算,提出基于系統(tǒng)動力學(xué)的水質(zhì)模型構(gòu)建方法并開發(fā)水質(zhì)時空模型以及模擬系統(tǒng),較好地解決了突發(fā)水污染事故水質(zhì)濃度的模擬、預(yù)測和基于不同水文參數(shù)的模型調(diào)控問題,實現(xiàn)了基于時間和空間兩個維度上對復(fù)雜系統(tǒng)行為的動態(tài)模擬及趨勢

17、預(yù)測,并且建立了針對突發(fā)水污染事故高效、便捷的數(shù)字化管理工具,其研究內(nèi)容的開展及其成果在環(huán)境管理中的應(yīng)用將有助于提高我國水環(huán)境污染事故環(huán)境應(yīng)急工作的科學(xué) 性、有效性和定量性。 參考文獻： 1 余潔GIS支持下區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境響應(yīng)動態(tài)模擬SD的方法研究D武漢大學(xué)博 士學(xué)位論文，2002 2 張波基于GIS的水污染事故水質(zhì)模擬系統(tǒng)動力學(xué)模型研究與應(yīng)用D中國科學(xué)院遙感 應(yīng)用研究所博士學(xué)位論文，2007 3 張波、王橋等突發(fā)水環(huán)境污染事故的系統(tǒng)動力學(xué)模擬研究與應(yīng)用，中國環(huán)境科學(xué)， Vol.27.No.6: 811-815. 4 張波、 王橋等 基于SD-GIS的突發(fā)水污染事故水質(zhì)時空模擬， 武漢

18、大學(xué)學(xué)報信息科學(xué)版， Vol.34.No.3: 348-351. 5 Ahmad, S., Simonovic, S. P., 2004. Spatial System Dynamics: New Approach for Simulation of Water Resources Systems. Journal of Computing in Civil Engineering 18(4, 331-340. 6 Bier, A., 2010. Simulating a thermal water quality trading market for education and model

19、development. Journal of Environmental Management 91(12, 2491-2498. 7 Chung, G.H., Kim, J.H., Kim, T.W., 2008. System dynamics modeling approach to water supply System. KSCE Journal of Civil Engineering 12(4, 275-280. 8 Elshorbagy, A., Ormsbee, L., 2006. Object-oriented modeling approach to surface w

20、ater quality management. Environmental Modelling & Software 21(5, 689-698. 9 isee. NET, 2008. isee. NET Framework, - Software Development Kit (access to STELLA, isee system Inc., Accessed January 10, 2011. 10 Karamouz, M., Taheriyoun, M., 2010. Developing a system dynamics model for phosphorous

21、TMDL in reservoir; a case study. In: Proceedings of the World Environmental and Water Resources Congress 2010, Providence, Rhode Island, USA. pp. 1495-1502. 11 McKnight, U.S., Funder, S.G., Rasmussen, J.J. et al., 2010. An integrated model for assessing the risk of TCE groundwater contamination to h

22、uman receptors and surface water ecosystems. Ecological Engineering 36(9, 1126-1137. 12 SuperMap GIS, 2008. SuperMap Objects 5, - Component GIS Software, SuperMap Software, CO, Beijing, Accessed January 10, 2011 作者簡介: 張波， 高級工程師， 現(xiàn)從事環(huán)境地理信息系統(tǒng)的研究。 環(huán)境保護部信息中心工作， 北京市朝陽區(qū)育慧南路 1 號， 100029。 010-* （辦公室） 136* ，

23、 （手 機） ，zhangbo. Zhang Bo, senior engineer, major in environmental GIS. Work at Information Center of Ministry of Environmental Protection, 1 YuhuiNanlu Road, Chaoyang District Beijing 100029, P. R. China; 010-*(O, 136*(mobile, zhangbo. SD-GIS based temporal-spatial simulation and dynamic regulation system of water quality on sudden water pollution ZHANG Bo1, QIN Yu1 （1.Information Center，Ministry of Environmental Protection,1 YuhuiNanlu Road, Chaoyang District, Beijing 100029,China; Abstract: Aiming at the serious water pollution accidents happened in China, combined with pre-est