基于GIS的河流水环境污染模拟研究

摘要：环境是人类赖以生存和发展的基本条件，环境污染问题已经成为威胁人类生存的头号问题之一，尤其是水环境污染更是直接危及到人类的生命和健康。本文以黄河某河段的硫化物污染为例，基于GIS技术和水环境数值模拟方程，研究污染物在水环境中的运移扩散规律，并实现污染物扩散的可视化表达，探索污染控制和治理的新方法。
关键词：水污染 GIS可视化水污染数值模拟

Abstract: Environment is a basic condition that human being live. Environment pollution has been 0ne of the serious problems affect human being living. Water pollution endangers the health and life of human being more directly. Based on GIS and water pollution model, the paper discusses sulfured pollution in Yellow River, analyses diffusion equation of sulfured pollution, implements visible presentation, provides a new method for water pollution control and management.
Key words: Sulfured pollution, GIS visualization, Water pollution model

环境是人类赖以生存和发展的基本条件，环境污染问题已经成为威胁人类生存的头号问题之一，尤其是水环境污染更是直接危及到人类的生命和健康。近些年来，水污染事件连续发生――松花江硝基苯污染、广东吴江三叉江污染等，更是给我们敲响了警钟。水环境模拟通常有两种方法，一是物理模拟，即依据相似定律，通过建立物理模拟，对水流运动和污染物变化进行模型实验研究；二是数学模拟，即根据流体力学和污染物迁移转化规律，建立数学模型，在一定的边界条件和初始条件下，对水流运动和污染物变化进行数值分析。
本文以黄河某河段的硫化物污染为例展开研究，基于GIS技术和水环境数值模拟方程，研究污染物在水环境中的运移扩散规律，实现污染物扩散的可视化表达，探讨水环境污染监测的新方法和新途径，对于有效地进行污染治理具有重要实践意义。
1. 水环境污染GIS模拟和可视化表达思路
基于GIS技术的水环境数值模拟，其核心就是在地理信息系统平台上，运用科学计算可视化技术，实现水质数值模拟结果的可视化显示。本文以电子地图为基础，进行水质趋势分析和水质模型运算，将结果在电子地图上的模拟显示,基本思路如图1。
1）采集数据，包括属性数据和空间数据。
2）建立空间数据库。
3）构建或选取水质数学模型。
4）利用边界条件进行数学模型求解。
5）利用计算机图形图像处理技术，进行科学计算可视化和动态模拟。
6）验证。如果符合物理模型或原形观测，则采用之；否则，需进行参数修正。若经多次参数修正仍不符合实际，则重新构建或选取数学模型。
     在上述步骤中，关键问题是模型选取与解算、可视化模拟表达，下面将详细讨论。

2. 水污染模型及其解算
人类对水环境污染问题一直十分重视，水质数学模型的研究取得了相当多的成果。在实际工作中可以根据系统状况选取数学模型。在为解决一个具体问题而选择模型时应注意以下两点：
1）模型的适用性。一方面模型要包容污染现场的水文地质条件；另一方面模型中要考虑到特定研究的污染物在迁移扩散过程中的主要影响因子。
2）模型和模拟程序的复杂程度既要与污染现场条件的复杂性相匹配，也应和可获得的参数的充分性相匹配。
本文充分考虑污染物在x,y,z三个方向的运移情况以及环境介质中由于物理、化学、生物作用等引起污染物的增减因素，给出环境中污染物迁移、转化的基本方程[1]（公式①）。
                                                            ①
在公式①中，x,y,z为污染物的运移扩散方向；ux,uy,uz分别为x,y,z方向上环境介质流速分量；Ex,Ey,Ez分别为x,y,z方向上的弥散系数（混合系数）；t为时间；c为污染物在环境介质中的浓度；S(x,y,z,c,t)为附加的源－-汇项；

分别表示扩散－弥散作用在x,y,z方向上的质量通量；表示污染浓度随时间的变化。
公式①在理论上是完整的，但是要将该公式与流体运动方程耦合运用，需要掌握不同时间各空间位置上的许多参数和模型系数的实际资料，而这些资料又包含着复杂的时间和空间函数关系，所以这个方程的求解十分困难。在实际工作中需要根据预测目标、水文、水力等条件的具体情况加以简化。
本文进行的水环境污染模拟是在二维电子地图上进行的，模拟河段自东经110.301°起，止于东经110.5111°，大致相当于黄河流经河南省三门峡市内的河段。全长大约20公里，平均水深1.9米，平均河宽1800米，流速580米/小时，污染物扩散系数1.41，紊动扩散系数4.29。在北河岸一条支流连续向黄河排入污水，排放强度为8g/m硫化物。考虑到该河段河面较宽，水深较浅，模拟河段水流比较稳定、边界条件比较均匀且水质稳定，将公式①简化为二维模型进行解算（公式②）。

       ②

公式②适合于大型河流、河口、海湾、浅湖等的水质模拟和预测。
在稳态条件下（＝0时，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化），公式②再次简化为：

③

河流水污染类型是属于有边界的连续点源排放，且污染源为边界排放，这样，我们通过假设对应的虚源来模拟边界的反射作用，则有下面解算公式（公式④）。


④

公式④正是本文进行水环境污染物模拟的解算公式。

3. 基于GIS的水污染模型可视化模拟
基于GIS的水污染数学模型可视化模拟，需要找出污染物浓度值与颜色的对应关系。在 WINDOWS中确定颜色的一个通用方法是运用 RGB宏指令，它通过指定相应的红、绿、蓝分量来定义一种颜色参数。每种基色都对应一个范围在 0—255之间的整数。表1列出了部分颜色定义宏RGB的参数。
表1 RGB颜色定义
宏指令调用定义的颜色宏指令调用定义的颜色
RGB(0,0,0) 黑 RGB(0,0,255) 蓝
RGB(255,0,0) 红 RGB(0,255,255) 青
RGB(0,255,0) 绿 RGB(255,255,255) 白

在本文中，将浓度值分为9级，每级对应一个颜色分量，从而得到污染物浓度的渐次变化（图2）。
颜色参量
RGB(250,0,0)
RGB(225,0,0)
RGB(200,0,0)
RGB(175,0,0)
RGB(150,0,0)
RGB(125,0,0)
RGB(100,0,0)
RGB(75,0,0)
RGB(50,0,0)

本文还将浓度值与图标的大小建立了对应关系。浓度值越大，图标就越大。这样，图标的大小与颜色相结合，计算结果的可视化表达就更加清晰明了。
4. 模拟结果分析
利用GIS技术和上述水质数学模型，得到硫化物污染运移扩散模拟图（图3）。从图3可以看出硫化物扩散迁移的变化轨迹。
由于水流的作用，在离污染源8公里以内的河段，污染较轻，只在北岸水流小的地方污染较重，浓度达到1.5—2 （mg/L）。大约在8—16公里河段，污染物充满整个河流，浓度达到2—2.5 （mg/L）。从时间上看，5分钟以后，模拟河段内河流的污染物浓度没有太大的变化，污染物沿着河道向下游延伸，由于紊流扩散的作用，其速度比水流速度快得多。这种污染物扩散情况与实际情况基本吻合，本文的研究成果在河南省科技攻关项目<河南省水环境监测地理信息系统>中得到应用，取得了较好的效果。

5. 结语
本文将GIS技术与水质数学模型结合起来，提出了基于GIS技术的水质污染模拟可视化表达开发流程和技术方法，并对黄河三门峡段硫化物迁移扩散污染过程进行了动态模拟，水环境模拟的成果已经应用与<河南省水环境地理信息系统>中，为河南省水环境综合整治与管理走向定量化、科学化提供了一种崭新的思路和可靠的技术支持。

参考文献
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王桥张宏等，环境地理信息系统[M]，北京：科学出版社，2004.
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李欣，袁一星，水环境信息学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.
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