基于GIS的景观湖体水质管理系统（SLMGIS）研究

论文摘要

在我国大力推进节能减排,建设资源节约型、环境友好型社会的战略决策大背景下,为应对城市建设,特别是绿色建筑、绿色住区推广带来的景观湖体数量的快速增长,和再生水回用对景观湖体水质管理提出更高要求,以及景观湖体受污染严重的现状之间的矛盾,开展了基于地理信息系统（GIS:geographic information system）的景观湖体水质管理系统（SLMGIS:GIS-based Scenic Lake Water Quality Management System）研究。首先针对景观湖体的水质特征和管理需求,构建了独立的水质模型,模型与水动力学模型EFDC相耦合,实现三维水力+水质模拟,并采用民主湖实测数据对模型进行了参数率定和验证;在此基础上,引入时态GIS构建了SLMGIS,系统可以进行水力、水质数据时空四维存储、动态可视化与分析,对景观湖体进行流域范围内的污染源和水质管理;最后,开发了基于GIS的龙景湖景观湖体水质管理系统,利用该系统对龙景湖进行水质管理的动态化和可视化,包括流域分析、污染源管理、水质预测以及水质保障措施的设计和效果预测等功能。在现有湖库水质模型研究的基础上,结合景观湖体水质特征和管理要求,构建了景观湖体水质模型。模型包括9个状态变量、5个子系统,以水质边界的方式引入植物浮床、喷泉和跌水三种水质保障措施以及底泥的作用效果;采用显格式有限差分法对模型控制方程进行离散;以水力文件为链接进行水质模型与水动力学模型EFDC的耦合,运用面向对象的C++语言,在microsoft visual C++平台编写水质模型软件,实现三维水动力学+水质模拟。水力、水质独立建模、联合应用的方式建立的景观湖体耦合模型,可根据需要灵活选择是否进行水力模拟,提高了决策效率。该模型包含了部分原位人工水质保障措施的效果模拟,为景观湖设计、水质预测提供技术支持。以民主湖为例进行模型的验证。根据高温多雨期的水质监测数据进行模型参数的率定,低温枯雨期的水质监测数据进行模型验证,证实该模型可以成功实现景观湖体的水质模拟和预测,并利用模型进行数值试验,模拟了对民主湖进行“控源”、“水力循环”以及“控源+水力循环”三种措施后的水质变化,结果证明控源能降低民主湖的污染物浓度,水力循环能改善水体的水力条件,改变污染物浓度分布,二者联合使用能有效控制湖水水质。将水质模型与时态GIS集成,建立了SLMGIS。水质模型与GIS之间完全集成,采用共同的空间数据库实现双向的数据交换,二者与水动力学模块EFDC之间紧密集成,通过空间数据转换和水力链接文件实现联合;利用COM （ComponentObject Model-based）组件技术和Visual C++平台编制水质管理软件,软件集成了EFDC水动力学模型和景观湖体水质模型的计算功能和网格划分,速度场、浓度场的显示查询、GIS空间分析等功能;在数据存储策略上,采用通用的netCDF文件格式存储模拟结果,实现了水力、水质数据时空四维存储、动态可视化与分析,将景观湖体水质管理范围扩展到整个流域的污染源控制,为景观湖体水质与其污染源的统一控制、管理提供技术支持。开发了基于GIS的龙景湖SLMGIS。建立了园区的三维数字模型,利用GIS对龙景湖进行流域分析、园区内污染源分析、计算网格的划分和模拟结果的动态可视化,利用水力/水质耦合模型进行水质预测。系统预测了建成后龙景湖水质,选择“控源”作为水质保障措施,并对比了措施前后的水质变化,引入综合营养状态指数法进行湖体的富营养化评价,为水质管理提供验证性应用和示范。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 景观湖体水质现状及存在的问题
• 1.1.1 国内外景观湖体水质现状
• 1.1.2 我国景观湖体存在的问题
• 1.1.3 问题的提出
• 1.2 湖库水质模型国内外研究现状
• 1.2.1 湖库水质模型研究综述
• 1.2.2 近年国内外湖库水环境模型最新发展
• 1.3 景观湖水质原位保障技术
• 1.3.1 水力循环
• 1.3.2 植物浮床技术
• 1.3.3 喷泉、跌水等扰流曝气技术
• 1.4 GIS 在湖库水质管理方面的应用
• 1.4.1 GIS 在湖库水质管理中的应用现状
• 1.4.2 GIS 技术的新发展
• 1.5 研究目的和主要研究内容
• 1.5.1 研究目的与意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 2 景观湖体水质模型的建立
• 2.1 模型的界定
• 2.2 概念模型的建立
• 2.2.1 模型复杂程度分析
• 2.2.2 景观湖体水质概念模型
• 2.3 景观湖体水质模型的建立
• 2.3.1 模型基本方程
• 2.3.2 大气复氧水质边界
• 2.3.3 植物浮床水质边界
• 2.3.4 喷泉、跌水水质边界
• 2.3.5 底泥水质边界
• 2.3.6 模型驱动参数
• 2.4 模型方程的离散
• 2.4.1 空间离散
• 2.4.2 时间离散
• 2.5 景观湖体水质模型与水动力学模型的耦合
• 2.5.1 水动力学模型（EFDC）介绍
• 2.5.2 网格生成技术
• 2.5.3 水质模型与EFDC 耦合方式
• 2.6 景观湖体水质模型的实现
• 2.7 本章小结
• 3 景观湖体水质模型的验证
• 3.1 研究方法
• 3.1.1 研究对象
• 3.1.2 模型参数率定方法
• 3.1.3 模型验证方法
• 3.1.4 所需数据及数据获取
• 3.1.5 试验测试
• 3.2 灵敏度分析
• 3.3 水动力学模拟
• 3.3.1 数据准备
• 3.3.2 物理模型的构建
• 3.3.3 水动力学模拟结果
• 3.4 景观湖体水质模型参数率定
• 3.4.1 数据准备
• 3.4.2 初值及边界条件设置
• 3.4.3 参数率定
• 3.5 模型验证
• 3.5.1 叶绿素a 验证结果与分析
• 3.5.2 总磷验证结果与分析
• 3.5.3 氨氮验证结果与分析
• 3.5.4 模型验证结论
• 3.6 模型数值试验
• 3.6.1 数值试验方案设计
• 3.6.2 数值试验结果与分析
• 3.7 本章小结
• 4 基于 GIS 的景观湖体水质管理系统（SLMGIS）
• 4.1 系统的总体设计
• 4.1.1 系统的优势
• 4.1.2 系统设计目标
• 4.1.3 系统结构
• 4.2 水质模型与GIS 的集成
• 4.2.1 集成方式
• 4.2.2 开发工具的选择
• 4.2.3 时态GIS 的应用
• 4.2.4 模拟结果的处理
• 4.3 本章小结
• 5 景观湖体水质管理系统的应用
• 5.1 龙景湖概况
• 5.2 水质预测基础数据处理
• 5.2.1 模型空间数据的获取
• 5.2.2 龙景湖园区内流域
• 5.2.3 龙景湖污染源分析
• 5.2.4 计算网格划分
• 5.3 龙景湖建成后水质预测
• 5.3.1 初始条件与边界设置
• 5.3.2 水动力学模拟结果及分析
• 5.3.3 水质模拟结果分析
• 5.3.4 富营养化评价
• 5.4 水质保障方案设计及效果预测
• 5.4.1 水质保障方案
• 5.4.2 方案实施后水质预测
• 5.4.3 水质评价
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 模型参数汇总
• B. 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目