河流一维水质模拟及其可视化研究

论文摘要

水质模拟预测是研究污染物的水环境行为的重要方法。可以为水污染调控、水质管理规划和环境管理提供科学依据。本文通过对东江干流惠州段的水质情况及其污染源的分析,确定了高锰酸盐指数与氨氮两种主要污染指标。根据河道水动力学特性以及污染物的输运特征,建立了一维水动力学模型(圣维南方程组)和一维对流扩散水质模型。其中圣维南方程组采用普列斯曼四点偏心隐格式离散方程组并用追赶法求解,对流扩散方程则选用了隐式差分托马斯方法求解污染物浓度值。在求解过程中,结合高效的数据处理软件MATLAB6.5,利用其强大的数值计算功能编制了东江惠州段的水动力、水质模型计算程序,其中主要监测断面的各水力学要素均由不规则断面的计算程序求得。水质参数由率定的综合降解系数结合经验公式求得。经验证,模拟值与实测值的误差可以控制在一定范围内。将验证后的模型体系应用于目标河段在不同水文条件下的水质模拟,并对模拟结果加以分析预测。最后,在Visual Studio 2005开发平台上,结合ArcGIS Engine二次开发控件,编程开发了河流一维水质可视化系统,实现了对河流一维水质的动态可视化演示。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 水动力模型概况
• 1.2.1 水动力模型的发展过程
• 1.2.2 水动力模型的求解方法
• 1.3 水质模型概况
• 1.3.1 水质模型的分类
• 1.3.2 国内外河流水质模型的研究与发展
• 1.3.3 水质模拟预测的发展前景
• 1.4 水质可视化概述
• 1.4.1 水质可视化研究现状
• 1.4.2 水质可视化研究的发展方向
• 1.5 论文的研究内容和技术路线
• 第二章 研究区域概况
• 2.1 珠江流域自然地理概况
• 2.2 惠州市水文状况
• 2.3 河流水质概况
• 2.3.1 惠州市河流水质概况
• 2.3.2 目标河流段水质概况
• 第三章 一维非恒定流水动力模型
• 3.1 控制方程组
• 3.2 方程组的离散
• 3.3 方程组的求解
• 3.4 初始边界条件
• 3.4.1 边界条件
• 3.4.2 初始条件
• 3.5 参数的选取
• 3.5.1 河段的划分及断面处理
• 3.5.2 糙率的选取
• 3.5.3 设计流量
• 3.5.4 时间步长的选取
• 3.5.5 水力学参数的计算过程
• 第四章 一维非恒定流水质模型
• 4.1 污染物在河流中的混合输移过程
• 4.2 水质模型的概念及建立步骤
• 4.3 水质模型的选择
• 4.4 一维对流扩散方程
• 4.4.1 控制方程
• 4.4.2 方程的离散及求解
• 4.5 参数的确定
• 4.5.1 纵向弥散系数
• 4.5.2 综合降解系数K值的率定
• 4.6 拟合验证
• 4.7 模型的应用与分析
• 4.7.1 一维流场预测
• 4.7.2 一维水质模拟预测
• 第五章 河流一维水质可视化系统实现
• 5.1 系统的总体框架设计
• 5.2 系统的功能设计
• 5.2.1 底图的显示与控制功能
• 5.2.2 数据录入功能
• 5.2.3 空间查询功能
• 5.2.4 水质动态模拟功能
• 5.2.5 统计分析功能
• 5.2.6 数据输出功能
• 5.3 河流水质GIS动态模拟
• 5.3.1 模型参数设置及模型计算
• 5.3.2 水质动态可视化演示
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果