基于GIS的河流水质模拟系统研究

论文摘要

建立水质模拟信息系统是环境监测部门和管理部门对河流水环境进行管理、模拟、预测以及决策的有效手段和方法之一。本文建立了基于GIS的河流水质模拟系统,并以湘江长沙段为例,进行河流水环境信息的管理分析以及水质的模拟预测。论文主要包括以下几个方面的内容:根据水环境管理与模拟预测的需求以及地理信息系统的特征,设计了基于GIS的河流水质模拟系统。从结构、功能等方面对基础信息管理、监测数据信息管理以及水质模拟与预测等三个子系统进行了详细设计。通过对相关软件进行综合分析,结合系统特点,确定了系统开发的技术路线,即以ArcSDE作为空间数据引擎,采用Oracle进行数据管理,在.NET环境下结合ArcEngine进行组件式二次开发,利用Matlab对水质模型进行数值计算并将其与GIS集成。研究了组件技术、插件技术等系统构建的关键技术,使系统具有良好的可维护性和可扩展性。介绍了河流一维和二维水质基本模型及其解析解,在Matlab中实现了求解一维模型的有限差分法和求解二维模型的特征有限元法,并通过.NET与Matlab的联合编程,将模型与GIS集成,通过河流一维、二维空间数据的离散化,实现了水质模拟的可视化表达。利用相关技术和方法,以湘江长沙段为例,构建了河流水质模拟地理信息系统,并实现了对水环境信息的管理与水质模拟预测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 论文的组织
• 第二章 系统设计及技术路线
• 2.1 系统结构设计
• 2.1.1 系统设计的目标和原则
• 2.1.2 系统逻辑结构设计
• 2.1.3 系统总体结构设计
• 2.2 系统功能设计
• 2.2.1 基础信息管理子系统
• 2.2.2 监测数据信息管理子系统
• 2.2.3 河流水质模拟与预测子系统
• 2.3 技术路线
• 2.3.1 组件式GIS及ArcEngine
• 2.3.2 插件式软件开发
• 2.3.3 .NET与Matlab联合编程技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 河流一维水质模拟
• 3.1 水质数学模型概述
• 3.1.1 污染物在水环境介质中的运动特征
• 3.1.2 河流水质基本数学模型的推导
• 3.2 河流一维水质基本模型及其解析解
• 3.2.1 稳态解析解
• 3.2.2 瞬时排污情况的动态解析解
• 3.3 求解河流一维水质模型的有限差分法
• 3.3.1 有限差分法的基本思想与步骤
• 3.3.2 显式差分体系
• 3.3.3 隐式差分体系
• 3.3.4 特征差分法
• 3.4 差分方程的求解
• 3.4.1 Thomas方法的求解过程
• 3.4.2 几种差分体系的Matlab求解
• 3.5 河流一维水质模型与GIS的集成
• 3.5.1 基于ArcEngine的一维河流空间离散化
• 3.5.2 基于ArcEngine的空间可视化表达
• 3.6 本章小结
• 第四章 河流二维水质模拟
• 4.1 河流二维水质基本模型及其解析解
• 4.1.1 稳态点源排放的解析解
• 4.1.2 点源瞬时排放的动态解析解
• 4.2 求解河流二维水质模型的特征有限元法
• 4.2.1 有限元法的基本原理和步骤
• 4.2.2 特征有限元方程的建立
• 4.3 二维河流的空间离散化
• 4.3.1 Delaunay三角网
• 4.3.2 Matlab中三角网的建立
• 4.4 节点坐标的求取
• 4.4.1 基于坐标变换的坐标求取
• 4.4.2 基于垂线的坐标求取
• 4.5 二维河流水质模拟的实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果