基于GIS的湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统的研究与实现

论文摘要

湘江作为洞庭湖水系最大的河流,既是流域主要饮用水源地,又是沿江城市的重要纳污水体,是湖南经济社会发展的重要命脉。湘江运输业及沿江工业的发展,使湘江发生重金属污染突发事件的频率增加,使得湘江突发事件重金属水质模型的需求日趋迫切,然而目前对突发事件重金属水质的模拟还集中于一维情形,二维模型只有理论模型,而实际求解困难并且可视化程度不高,根据国家“十一五”重大科技专项中的《国家水体污染控制与治理科技项目》的《湘江水环境重金属污染整治关键技术研究与综合示范》课题,本文结合湘江的实际情况,对湘江重金属突发事件水质模拟与预警进行研究,通过简化基本模型,推导出适用于湘江重金属迁移扩散的一维和二维动态水质模型,并研究了一维模型的有限差分法求解和二维模型的有限元法求解,获得了一维模型和二维模型的数值解。针对湘江水环境的实际需求,开展了对湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统的需求和目标分析,采用UML建模技术,对系统总体结构、开发模式、功能结构体系以及数据库进行了详细设计,基于GIS技术、计算机网络技术和数据库技术,以ArcSDE为空间数据引擎,以Oracle9i为后台数据库,通过Matlab7.5进行重金属迁移扩散的一维和二维动态水质模型求解,在.NET平台上利用ArcGISEngine9.2进行组件式二次开发,将模型与GIS进行有机集成,研究开发了C/S模式的湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统,进而实现了湘江重金属水质模拟预测的动态可视化表达。本系统通过交互式操作,实现重金属污染事故和突发事件(非常规)监测数据的管理以及各种空间信息和数据的查询和统计,以水质可视化模型和电子地图结合的形式,反映重金属突发污染事件后污染带的时空变化与趋势、污染带波及的范围及其污染程度,为有效控制湘江流域重金属污染和应急处置方案的制定提供决策支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义与目的
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究意义及目的
• 1.2 河流重金属突发污染事件水质模拟预测研究现状
• 1.3 GIS技术在水质模拟的应用
• 1.4 主要研究内容及技术路线
• 第二章 湘江重金属水质数学模型的研究
• 2.1 河流中重金属污染物迁移转化规律
• 2.1.1 推流迁移
• 2.1.2 分散稀释
• 2.1.3 降解和转化
• 2.1.4 基本模型的建立
• 2.2 湘江重金属污染物迁移转化模型的建立与求解
• 2.2.1 调查和监测
• 2.2.2 湘江水面的分段
• 2.2.3 模型的表达式及求解
• 第三章 湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统需求分析
• 3.1 数据需求分析
• 3.2 系统功能需求
• 3.2.1 数据管理功能
• 3.2.2 模拟预测
• 3.2.3 数据查询
• 3.2.4 统计分析
• 3.2.5 用户管理
• 3.2.6 系统管理
• 3.3 非业务性需求分析
• 3.3.1 安全性需求
• 3.3.2 系统性能要求
• 3.4 系统运行环境需求分析
• 3.4.1 硬件配置
• 3.4.2 软件配置
• 第四章 湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统设计
• 4.1 系统构架及平台选择
• 4.1.1 系统体系结构的选择
• 4.1.2 系统硬件构架
• 4.1.3 系统软件构架
• 4.1.4 系统开发工具的选择
• 4.2 系统功能设计
• 4.2.1 系统功能组件
• 4.2.2 各组件功能详细设计
• 4.3 系统数据库设计
• 4.3.1 数据库概念模型
• 4.3.2 数据库逻辑结构设计
• 第五章 预测模拟与可视化表达的关键技术研究
• 5.1 组件式GIS技术
• 5.1.1 组件式GIS的特点
• 5.1.2 ArcGIS Engine组件技术在本系统中的应用
• 5.2 UML建模技术
• 5.3 插件技术
• 5.3.1 插件技术概述
• 5.3.2 模型插件与系统集成
• 5.4 Matlab与.NET平台集成
• 5.4.1 .NET组件的生成
• 5.4.2 .NET平台下的联合编程
• 5.5 Web Servicses技术
• 第六章 湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统实现
• 6.1 系统加密算法的实现
• 6.2 GIS基本功能的实现
• 6.3 河流离散化的实现
• 6.3.1 单线河流的离散化
• 6.3.2 二维河流的离散化
• 6.4 预测模型的计算
• 6.4.1 一维预测模型的求解
• 6.4.2 二维预测模型的求解
• 6.5 预测结果可视化的实现
• 6.5.1 一维预测模型可视化的实现
• 6.5.2 二维预测模型可视化的实现
• 6.6 离散点重金属浓度查询的实现
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果