三峽流域一體化水污染應(yīng)急管理系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

翟 俊,何 強(qiáng),肖海文,萬 杰,寧可佳,榮 婧,阮 雨

(重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045）

突發(fā)性水污染事故已經(jīng)成為現(xiàn)代社會不可忽略的問題,正在引起全社會的高度重視?！八苫ń廴尽笔录捌浜蟀l(fā)生在北江、湘江、黃河的水污染事件凸現(xiàn)出我國針對突發(fā)性污染事故的應(yīng)急機(jī)制還欠科學(xué),應(yīng)急能力和技術(shù)手段還明顯不足。目前國內(nèi)外學(xué)者在突發(fā)性水污染事故應(yīng)急管理信息系統(tǒng)研究領(lǐng)域已開展了一些研究工作。美國WILLIAM“B.”SAMUELS等人[1]開發(fā)了一種基于GIS的飲用水水質(zhì)保障應(yīng)急系統(tǒng),可以模擬化學(xué)物質(zhì)和放射性物質(zhì)在供水管道系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程。哥倫比亞的W.F.Dabbert等人[2]認(rèn)真分析了當(dāng)前先進(jìn)的空氣質(zhì)量監(jiān)控和應(yīng)急技術(shù)并討論了大氣污染物的擴(kuò)散遷移模型。美國Kathleen T.Ward[3]等人探討了利用地理空間技術(shù)進(jìn)行城市森林保護(hù)和應(yīng)急管理。希臘的Keramitsoglou[4]等人運(yùn)用一系列相對獨(dú)立的軟件構(gòu)建了地中海原油泄漏事故管理系統(tǒng),并對其中一個島嶼進(jìn)行了應(yīng)用。美國Martin[5]等人利用二維地表水模型(CE-QUAL-W2 Version3.1)和GIS構(gòu)建了相對松散的污染物泄漏事故管理信息系統(tǒng)。我國王慶改[6]等人利用丹麥MIKE11一維模型定量模擬了突發(fā)性水污染事故發(fā)生后,漢江不同地點(diǎn)污染物達(dá)到的時間和濃度值。王鵬[7]等開發(fā)了耦合GIS的二維污染物遷移模型,針對松花江蘇家屯段進(jìn)行了應(yīng)用?，F(xiàn)有研究成果表明將GIS技術(shù)與數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合進(jìn)而構(gòu)建針對突發(fā)性水污染事故管理的決策支持系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個主要發(fā)展方向。但這些所開發(fā)的污染事故管理信息系統(tǒng)均只選用了一種水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,不成體系,難以適應(yīng)不同尺度水環(huán)境管理的需求,而且模型與GIS的系統(tǒng)集成以松散集成為主。以流域尺度為對象的水污染事故應(yīng)急管理信息系統(tǒng)的研究還較鮮見。

三峽庫區(qū)污染源眾多,有工業(yè)企業(yè)1700余家,營運(yùn)船只8500余艘。近年來每年發(fā)生船舶污染事故8～15起。利用空間信息技術(shù)對復(fù)雜的水環(huán)境系統(tǒng)和可能發(fā)生的污染事故進(jìn)行有效管理和輔助決策研究非常必要。本文以三峽庫區(qū)流域?yàn)閷ο?利用ArcGIS Engine組件庫,以VB為程序開發(fā)語言,以DLL動態(tài)連接庫的形式構(gòu)建了水力/水質(zhì)模型庫,開發(fā)了一體化的三峽庫區(qū)突發(fā)性水污染事故應(yīng)急管理信息系統(tǒng)(WaterPollutionManagement Information System for Emergency Response in the Three Gorges Reserviors Area,WPMIS_ER_TGRA),并對庫區(qū)翻船事故的應(yīng)急管理進(jìn)行了應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)是以 ESRI公司的GIS開發(fā)平臺ArcGIS Engine組件庫為基礎(chǔ),集成自主開發(fā)的三峽庫區(qū)水污染管理模型庫組件,通過計(jì)算機(jī)通用程序語言VB6.0編譯封裝形成專業(yè)的一體化水污染綜合管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以獨(dú)立安裝于普通PC機(jī)上,無需其它軟件的支持。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。整個系統(tǒng)包括四個層次:數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、可視化界面。

圖1 水污染應(yīng)急管理信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。WPMIS_ER_TGRA采用Geodatabase數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù),包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、(事故)污染源數(shù)據(jù)、水質(zhì)/水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、流速場和濃度場數(shù)據(jù),以及水質(zhì)評價結(jié)果、模型參數(shù)、水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境法規(guī)等。在系統(tǒng)中,采用特殊污染源來表示突發(fā)性污染事故,如油船傾瀉、工業(yè)企業(yè)事故排放等。

模型庫是開發(fā)人員針對系統(tǒng)功能需求,開發(fā)的具有特殊計(jì)算功能的計(jì)算機(jī)程序模塊的集合。為了實(shí)現(xiàn)大尺度流域范圍內(nèi)不同層次水環(huán)境管理的功能需求,WPMIS_ER_TGRA的模型庫同時集成了恒定流一維動態(tài)水質(zhì)模型、恒定流二維水力模型、二維動態(tài)水質(zhì)模型、河流一維網(wǎng)格概化模型、大型自然河道復(fù)雜邊界的二維適體網(wǎng)格離散模型,以及模糊綜合水質(zhì)評價(Fuzzy Comprehensive Water Quality Assessment,FCWQA)模型[8-10]等。該模型庫能與GIS相耦合,在GIS控件拓?fù)浞治龉δ艿闹С窒?實(shí)現(xiàn)了污染源與數(shù)學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的自動匹配和一維水質(zhì)模型與二維水質(zhì)模型的無縫銜接等效果。模型庫是系統(tǒng)具備決策支持功能的關(guān)鍵,也是本次開發(fā)的重點(diǎn)。本文將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)模型庫的構(gòu)建和系統(tǒng)在突發(fā)性水污染事故中的管理應(yīng)用。

2 模型庫系統(tǒng)

2.1 河流的網(wǎng)格概化模型

網(wǎng)格概化是實(shí)現(xiàn)水環(huán)境系統(tǒng)中各個要素(如:長江、支流、點(diǎn)污染源、面源污染等)的屬性數(shù)據(jù)能夠被數(shù)學(xué)模型調(diào)用的關(guān)鍵步驟。WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)的網(wǎng)格概化模型有一維概化模型和針對大型自然河道復(fù)雜邊界的二維適體網(wǎng)格概化模型。

對于一維網(wǎng)格概化,系統(tǒng)充分利用ArcGIS軟件提供的強(qiáng)大的空間拓?fù)浞治龉δ?對長江畫出了河道中弘線,并沿中弘線按20 m的流線間距,自動劃分了35500個計(jì)算網(wǎng)格,將河流離散成眾多的點(diǎn),并對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號。長江沿線的污染源和支流均可通過空間拓?fù)淦ヅ淠Ｐ妥詣哟_定在計(jì)算網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)編號,極大地提高了數(shù)據(jù)采集的自動化程度。

天然河流邊界都是不規(guī)則的曲線,對于這種不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行二維或三維的數(shù)值求解時都會遇到困難。將一個復(fù)雜的不規(guī)則求解區(qū)域變換成規(guī)則的矩形區(qū)域,對于數(shù)值求解可以有效提高數(shù)值計(jì)算收斂效率和模擬精度。WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)有效地將GIS技術(shù)與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合,利用ArcGIS的空間分析模塊,將計(jì)算物理域的4邊等分,然后利用邊界擬合微分方程[11]計(jì)算曲線正交網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際計(jì)算過程中,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法對復(fù)雜河道的適用性較差,所生成的適體曲線網(wǎng)格并不能保證正交。本文對其進(jìn)行了改進(jìn),提出邊界滑移方法,在求解構(gòu)造適體網(wǎng)格的Laplace方程和Possion方程時,采用3邊網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)固定,另一邊上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)可以沿河岸線自由滑動,通過迭代,可以得出正交效果良好的適體網(wǎng)格。圖2是采用改良方法和傳統(tǒng)方法對萬州段江面進(jìn)行適體網(wǎng)格劃分所得結(jié)果的對比。

圖2 改良方法生成網(wǎng)格與傳統(tǒng)方法生成網(wǎng)格的比較

2.2 水力/水質(zhì)模型

2.2.1 模型方程的選擇 考慮到三峽水庫建成后在不同水期水文條件將發(fā)生較大變化,但在同一水期內(nèi)其水文條件變化并不顯著的情況,選擇成庫前后6種典型水文條件作為水力/水質(zhì)模擬的邊界條件,如表1所示:

表1 設(shè)計(jì)水文條件

模型的水力、水質(zhì)方程均采用動態(tài)方程,如下式所示。在流速場模擬時,在同一水期,設(shè)定邊界條件不變,當(dāng)計(jì)算時間足夠長時,動態(tài)非恒定流將趨于穩(wěn)態(tài)恒定流。在水質(zhì)模擬時,既可以模擬邊界條件不變時的污染帶穩(wěn)態(tài)分布狀況,也可以通過改變污染源狀態(tài)和設(shè)定計(jì)算時間來模擬因污染源改變引起的污染帶變化情況或污染帶隨時間的遷移擴(kuò)散過程。

式中:Q為斷面流量;A為過水面積;q為單位河長側(cè)向入流量,流入為正,流出為負(fù);t為時間;h為斷面平均水深;i為河床坡度;Jf為沿程水頭損失的坡降。u,v為平均流速在x、y方向的分量;Z0為河底高程;n為為河床糙率;g為為重力加速度;vt為紊動粘性系數(shù)。Ex,Ey為x、y方向的混合系數(shù);S為源與匯;Kf為生物化學(xué)反應(yīng)率常數(shù)。

2.2.2 方程組的求解

WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)采用有限差分法(FDM)對一維、二維水力/水質(zhì)數(shù)學(xué)模型方程求解。有限差分法具有格式簡單,求解方便,計(jì)算內(nèi)存占用比較少,計(jì)算速度快,能夠充分反映流場和濃度場隨時間的變化規(guī)律,在非恒定性比較強(qiáng)的問題中應(yīng)用比較多[12]。

為了充分反映流速、水深、斷面特征、河道形態(tài)等水文條件對模型參數(shù)的影響,也為了保證在成庫前水文率定和驗(yàn)證所得數(shù)學(xué)模型能夠適用于成庫后的水文條件,將模型的關(guān)鍵參數(shù)通過前人研究所得的經(jīng)驗(yàn)公式[13-16]轉(zhuǎn)化為與水文參數(shù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。如下:

式中:u*為阻流速;B為水面寬度;u為斷面平均流速;h為平均水深;i為水力坡降;kf j為第j中污染物的衰減系數(shù);其余KE,K,Cn,Aj,Bj均為需要率定和驗(yàn)證的參數(shù)。

于是可以通過率定和驗(yàn)證KE,K,Cn,Aj,Bj等參數(shù)來驗(yàn)證水力/水質(zhì)模型。

對于一維水力/水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證,本文采用2003年(成庫前)枯水期和平水期三峽庫區(qū)重慶段16個控制斷面的水文、水質(zhì)數(shù)據(jù),以及流域內(nèi)的污染負(fù)荷進(jìn)行率定;采用2003年豐水期的數(shù)據(jù)對所率定模型進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算過程中充分考慮了不同水期面源污染負(fù)荷對長江水質(zhì)的影響。

對于二維水力/水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證,本文采用2003年(成庫前)長江萬州段的豐、枯水期的水文、水質(zhì)和污染負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定;采用2003年萬州段平水期、重慶主城區(qū)段豐水期、涪陵城區(qū)段枯水期的數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型參數(shù)的驗(yàn)證。

2.3 模型庫的程序?qū)崿F(xiàn)

在WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型組件與GIS組件的結(jié)合,采用Visual Basic.net程序語言編制,形成動態(tài)連接庫DLL文件,將系統(tǒng)所需的特殊功能數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為其它程序能夠調(diào)用的功能函數(shù)。這為開發(fā)能夠適用于任意河流的模塊式水環(huán)境管理信息系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。動態(tài)連接庫提供的功能函數(shù)包括:二維網(wǎng)格劃分、一維濃度場模擬、二維流場模擬、二維濃度場模擬等函數(shù)。以二維流場模擬功能函數(shù)為例:

函數(shù)原型為:Function EW_Speed(ByVal n As Integer,ByVal m As Integer,ByVal gridxy As Object,ByVal upsect As Object,ByVal undersect As object,ByVal Args As Object,Optional ByVal repeat As Integer=10000)As Double(,,)

輸入?yún)?shù):

表2 二維流場模型軟件參數(shù)輸入

返回值:三維Double型數(shù)組(0…n-1,0…m-1,0…3),表示各個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的x方向速度、y方向速度、水面高程Z、水深h,其中前兩維表示坐標(biāo)點(diǎn)號,第三維0表示、1表示、2表示Z、3表示h。

3 WPMIS_ER_TGRA在突發(fā)性水污染事故應(yīng)急管理中的應(yīng)用

WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)中針對突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急管理功能主要是在通過動態(tài)水質(zhì)模型對事故污染源產(chǎn)生污染帶隨時間的遷移擴(kuò)散情況進(jìn)行快速模擬的基礎(chǔ)上,利用GIS的查詢分析功能模塊,顯示并識別出不同時間超標(biāo)污染帶的位置和影響范圍,短時間內(nèi)(在得到事故信息后的10 min以內(nèi)即可預(yù)測出事故污染發(fā)生48 h內(nèi)的污染帶遷移擴(kuò)散情況)為相關(guān)區(qū)域和部門提出警示和決策支持。

事故污染帶的模擬分析過程主要分為 3個步驟:1)事故污染源的編輯,2)事故污染帶的動態(tài)模擬,3)模擬結(jié)果分析。下面以假定發(fā)生在重慶大渡口區(qū)江段的翻船事故為例(船上有約10 t的苯酚傾倒入長江,船舶傾覆過程持續(xù)2 h),介紹WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)對突發(fā)性污染事故的應(yīng)急管理應(yīng)用。

3.1 事故污染源的編輯

當(dāng)系統(tǒng)工作人員在得到事故的基本信息后,立即在事故發(fā)生的位置添加一個事故污染源,并設(shè)定其相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。其屬性數(shù)據(jù)的主要字段有:事故名稱(船舶污染),事故污染物名稱(苯酚),特殊污染物濃度(100000 mg/L),持續(xù)排放時間(7200 s)。對于其余的數(shù)據(jù)如:事故位置在計(jì)算網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)編號,受納水體名稱等,系統(tǒng)會調(diào)用拓?fù)浞治瞿K自動匹配。這些的屬性數(shù)據(jù)會存放在單獨(dú)的數(shù)據(jù)列表中,以供數(shù)學(xué)模型調(diào)用。

3.2 事故污染帶的動態(tài)模擬

根據(jù)需要,系統(tǒng)通過從模型庫中調(diào)用一維或二維動態(tài)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,在設(shè)定水期(如成庫后145 m水位)下,對事故污染物進(jìn)行水質(zhì)模擬,計(jì)算出事故發(fā)生后不同時間的污染帶分布情況。圖3為事故發(fā)生后4 h、12 h、24 h時事故污染帶的一維數(shù)字地圖。圖4為事故發(fā)生后2 h、4 h、8 h時事故污染帶的二維數(shù)字地圖。

圖3 污染事故發(fā)生后各個時段污染帶一維分布

圖4 污染事故發(fā)生后各個時段污染帶二維分布

3.3 模擬結(jié)果分析

系統(tǒng)利用GIS的查詢分析組件,能夠自動分析統(tǒng)計(jì)出因事故引起的超出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值污染帶的涉及城市和影響范圍,并彈出警示對話框,可以提示相關(guān)部門做出應(yīng)急措施。表3為上述假定事故發(fā)生后各個時段的污染帶影響范圍。

表3 假定污染事故發(fā)生后污染帶隨時間的變化過程

4 結(jié)論

1)采用Visual Basic.net程序開發(fā)語言,將系統(tǒng)所需的特殊功能數(shù)學(xué)模型編譯成動態(tài)連接庫DLL文件,轉(zhuǎn)化為其它程序能夠調(diào)用的功能函數(shù),實(shí)現(xiàn)了GIS、數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)庫的全面集成,自主開發(fā)了一體化的三峽庫區(qū)突發(fā)性水污染事故應(yīng)急管理信息系統(tǒng),可以獨(dú)立應(yīng)用于普通PC計(jì)算機(jī),而不需其它軟件的支持,大大降低該系統(tǒng)的建設(shè)成本。

2)該信息系統(tǒng)覆蓋整個三峽庫區(qū),從流域管理角度出發(fā),實(shí)現(xiàn)了整個庫區(qū)范圍內(nèi)眾多污染源信息管理和污染事故應(yīng)急管理。所開發(fā)的模型庫系統(tǒng)集成了一維動態(tài)水質(zhì)模型、二維動態(tài)水力/水質(zhì)模型等一系列模型,并實(shí)現(xiàn)了不同維數(shù)模型計(jì)算結(jié)果的無縫銜接。與現(xiàn)有類似管理信息系統(tǒng)相比,其功能更強(qiáng)大,運(yùn)用更靈活,科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價值更高。

3)通過對翻船事故污染帶遷移擴(kuò)散過程的快速模擬和分析應(yīng)用,表明WPMIS_ER_TGRA系統(tǒng)具備了針對突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急管理功能,能夠在事故發(fā)生后的短時間內(nèi)快速計(jì)算并顯示出不同時間超標(biāo)污染帶的位置、影響范圍及影響程度,為相關(guān)區(qū)域和部門提出警示和決策支持。

4)將GIS的空間拓?fù)浞治龉δ芘c邊界擬合微分方程有機(jī)結(jié)合,并提出邊界滑移方法,實(shí)現(xiàn)了自然復(fù)雜河道計(jì)算區(qū)域適體網(wǎng)格的快速自動劃分。

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