水质预警预报系统的研究与应用以汉江武汉段为例精文档格式.docx
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水质预警预报系统针对水质状况、水华、化学物品泄漏等水环境问题,可在一定精度内描述其工作范围内任意地点的水质状况、预测数日内的水质状况,并能以浓度场的形
为大众理解、接受。
为此,
建设水质预警预报系统是十分必要的。
1 水质预警预报系统的建设目标[1,2]
水质预警预报系统是以信息技术、水质模拟技术为基础,综合运用地理信息系统(GIS、遥感(RS、网络、多媒体及计算机仿真等现代高新科技手段,对目标流域的地形地貌、水质状况、生态环境、水资源分布等各种信息进行数字化采集与存储,动态监测、模拟各种污染物的迁移转化过程,并将其显示、发布给公众,成为一个集监测、计算、模拟、管理为一体的系统;
使政府决策部门对目标流域水质环境进行有效的综合管理和宏观决策,公众能及时得到最新的环境信息资讯。
2 水质预警预报系统分析
收稿日期:
2005-03-02;
2005-05-10修回
作者简介:
肖 彩,女,1980年生,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向:
环境规划与管理。
・
1・2005年第3期 贵 州 环 保 科 技 Vol111 No13
211 系统流程[2]
水质预警预报系统是一个由数据层、模型层、系统界面层和网络层组成的完整体系,
具备对流域水质实时监控、水质变化常规预
报、水华预警以及水污染事故应急响应等功能,其结构示意见图1
。
图1 水质预警预报系统结构示意
212 数据层
数据层是系统的基础层,由空间数据与属性数据组成,同一位置上的空间数据和属性数据分别存储在相应的数据库中,由相同的ID连接,形成一个统一的机体。
数据层从功能来讲,则主要由初始数据输入、数据库、发布子数据库以及数据功能模块等部分组成。
数据来源包括遥感数据、各种监测仪器自动采集的数据、由人工输入的历史数据,以及由系统中模型计算后的返回结果;
发布用的公众查询子数据库和共享数据库包含主数据库的部分内容,为主数据库派生而成的独立数据库。
数据层提供的数据功能则主要包括提供自动化仪器的接口和模型返回数据接口,获取数据更新,实施三性(可靠性、一致性、代表性审查,数据资料的整编、输入、存储等。
213 模型层[3~5]
模型层是整个水质预警预报系统的核心,它采用Fortran语言编写水质模型,通过
2・2005年第3期 贵 州 环 保 科 技 Vol111 No13
动态链接库(DLL链接到VB开发的系统上。
其基本理论包括:
21311 河流一维水流水力学数学模型连续方程:
B5t+5x=∑qi(1式中:
B——河道宽度,m;
h——水深,m;
t——时间,d;
Q——流量,m3s;
x——河水的流动距离,km;
qi——旁侧入流或出流,以单宽流量表示,m2s。
动量方程:
-x=gx+gt+
2
Cn2R
+
gA(2
式中:
z——水位,m;
u——流速,ms;
Cn—
R—,;
q—,以单宽流量表示,m2s1
g——自由落体加速度,ms2;
A——河段断面面积,m2。
21312 物质输移对流扩散方程
t+udx=x(Ex+
∑Si(3式中:
ci——反应单元内t时刻的污染物浓度,mgL;
ud——河段水流的流速,kmd;
E——纵向离散系数,km2d;
∑Si——河段水体的污染物的源漏项,mg(L・d。
21313 富营养化的动力学模型
富营养化主要考虑的参数包括浮游植物、浮游动物、COD、氮、磷、溶解氧、温度和光照等14个参数。
其中最为重要的浮游植物的反映项可以用浮游植物的出生率和死亡率来表示:
Sk4j=(Gplj-Dplj-Ks4jC4j(4式中:
Sk4j——浮游植物的源漏项,mg(L・d;
C4j——浮游植物浓度,mgL;
Gplj——出生率,1d;
Dplj——死亡率,1d;
Ks4j——降解率,1d。
其中,出生率Gplj是温度、光照和营养的函数:
Gplj=G(TG(IG(N(5式中:
G(T——温度调节因子;
G(I——光照衰减因子;
G(N——营养限制因子。
:
1GZ+1R(6R
的氧化率,1d;
K1G——浮游动物的捕食率,mgd;
Z(t——与碳等价的浮游动物浓度,mgL。
214 网络层和系统界面层
为避免整体性规划的不完善或实施不利而导致各个系统的兼容性差,信息流不畅,致使信息化大量投入的结果成为“信息孤岛”,水质预警预报系统通过网络层采用ClientServer(客户端服务器方式向各级水利系统提供网络接口、数据接口和系统接口使各类信息在部门间得到充分共享;
并根据公众要求提出数据库的部分内容,架设HTTP服务器使部分预测结果采用BlowserServer(浏览器服务器方式向公众开放,凸现水环境保护的社会效应。
系统及界面采用VB在MapObject(GIS的二次开发控件与ArcSDE(空间数据库引擎的基础上开发[6],其中ArcSDE用于空间数据库管理,MapObject则用于数据库表达。
・3・
2005年第3期 贵 州 环 保 科 技 Vol111 No13
3 水质预警预报系统功能
311 常规预报
鉴于水污染难以逆转,并会对人类造成相当大程度的危害,所以水环境管理中需要在其发生恶化之前,提出预警预报,以便及时采取措施,对水环境污染加以有效抑制、减缓、控制和整治,以期减少各种危害和降低危害程度。
水质预报系统中的水质预测模型需要包含磷、氮、COD、BOD、DO等多种水质参数。
312 “水华”预警预报
“水华”预警预报模块在综合考虑各种浮游植物生长的营养物质磷、氮、碳等的基础上,还考虑了水文条件如流量、流速变化对浮游植物的影响,此外还考虑了气象因素如光照、云层消光对浮游植物生长的影响,繁殖时,313近年来水污染突发事故屡见不鲜,水污染事故不仅造成直接的财产损失与健康伤害,而且造成许多环境灾害问题。
为了使水污染事故造成的经济社会损失减小到最低程度,有必要对水污染事故造成的污染水体进行时空监测与模拟,为行政主管部门提供事故应变决策依据。
对突发污染模拟需要给定污染物种类、发生时间、地点、浓度、总量等参数,来模拟水污染事故造成的污染物随时间变化的污染范围、污染物随时间变化的污染影响程度。
4 应用实例
从多年的水质检测结果来看,汉江武汉段水质总体状况尚好,大部分指标符合II类水质标准。
但是随着汉江沿江两岸经济的发展,汉江污染加大,部分与富营养化相关的指标严重超标,至2004年已观察到的“水华”现象有5次,这反映出汉江脆弱的水环
境状况。
同时,南水北调中线工程的实施使汉江干流水文情势发生变化,研究汉江中下游水环境变化已成为社会各界普遍关注的焦点,为此,建立汉江武汉段水质预警预报系统是十分有益和必要的。
411 流域概况
汉江在武汉市境内长62km,市区(从新沟起江段长约50km,城区(从新港起27km,流经武汉市的蔡甸区、东西湖区、汉阳区和汉口的石乔口区。
汉江武汉段河道弯曲,丰水期江面宽度约400m,枯水期约100m;
汉江是武汉市重要的饮用水源,同时又是重要的工业、农业用水水源以及部分工生活污水的承。
2层、模型层、系统界面层和网络层组成,考虑到以后各水利部门间的数据交互,预留可被其他部门查询数据的接口;
并可提供适当的BlowserServer服务,以供公众查询。
413 系统功能
汉江武汉段水质预警预报系统的功能包括:
数据处理、常规预报、水华预警和突发污染模拟等。
数据处理指将历史数据、实测数据以及自动采集数据自动归类整理后存入数据库,按加权平均法或向量模法[7]对水质进行初步评价,并在系统中显示评价结果;
常规预报是指模拟预测河流正常情况下磷、氮、COD、BOD、DO等指标的迁移转化,反映河流水质状况的变化趋势,效果见图2(图2显
示,汉阳县、四水闸、龙王庙附近江段有一个或多个排污口;
汉江武汉段上游至汉阳县为类水,汉阳县至慈惠农场为类水,慈惠农场至四水闸为类水,四水闸下游部分为类水,龙王庙上游至龙王庙为类水;
水华预警是指根据实测资料,预测数日内藻
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类的生长速率、总量以及是否可能发生水华;
突发污染模拟则是针对目前频繁发生的化学物品泄漏事故,可模拟污染的范围、影响时间等,效果见图3(图3显示,慈惠农场上游江段发生了突发污染事件,慈惠农场上游至舵落口为污染带
图2 常规水质预报界面显示
5 结 语
水质预警预报系统针对传统计算流程中只能依据经验、截取其中的某段在某个时刻的结果来代表整体、而不能将水环境变化的连续特征反映出来的不足,可实现实时、连续地反映各种污染物的时空分布变化。
它同时还利用了GIS的空间表达能力,以直观的形式表达了各种污染物的矢量场,浓度场,使专业的空泛的数据实现了可视化,可满足普通人群对环境的广泛关注。
汉江武汉段水质预警预报系统作为水质
预警预报系统的一个试点范例,顺应技术发展的要求,在汉江武汉段的水环境管理中得到了较好的应用,若在整个汉江流域上通过本系统联网,可突破以往水环境管理的地域限制,对汉江流域实现统一管理。
将该系统加以推广,必将在水环境管理决策中得到更为广泛的应用。
参 考 文 献
1 FosterJA,McdonaldAT1Assessingpollution
riskstowatersupplyintakesusinggeographicalinformationsystems(GIS1Environmental
5・2005年第3期 贵 州 环 保 科 技 Vol111 No13
Modelling&
Software12000,15(3:
225234~513520~592 LenzeMA,LuzioMD,RiverrunaninteractiveGISanddynamicgraphingwebsitefordecisionsupportandexploratorydataanalysisofwater3 彭虹,张万顺,夏军1河流综合水质生态数值模4 彭虹,郭生练1汉江下游河段水质生态模型及数5 雒文生,宋星原1水环境分析及预测1武汉:
武・6・汉水利电力大学出版社,20001168219~值模拟1长江流域资源与环境,2002,11(4:
363369~qualityparametersofthelowerCapeFearriver1EuropeanJournalofAgronomy12003,18(6:
型1武汉大学学报(工学版,2002,35(4:
56~2005年第3期 贵 州 环 保 科 技 ol111 No13V图3 突发事件水质模拟示意6 薛伟1apObjects2地理信息系统程序设计1北M7 陆书玉1环境影响评价1北京:
高等教育出版 网上浏览《贵州环保科技》京:
国防工业出版社,20041165214~社,200119395~http:
∥www.cqvip.com.http:
∥gzhb.chinajournalnet.cnhttp:
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