湘江流域重金属水环境污染团跟踪模拟与预警系统的研究与实现

论文摘要

湘江作为洞庭湖水系最大的河流,既是纳污水体,又是流域居民的重要生活饮用水及工农业用水水源。近年来湘江水环境重金属污染的累积越来越严重,造成的危害越来越具有突发性和爆发性。水质监测的缺乏使得建立湘江流域水环境重金属污染监控预警体系显得非常必要和紧迫,综合利用相关理论知识和科学方法跟踪模拟、分析和预警水资源污染是一项有着深刻意义的研究活动。本文以水资源重金属污染团为目标,通过污染团三维运动模型推导出二维污染扩散模型,将模型分解为污染物在开始排放时的点源瞬时排放,以及在经过一段时间的污染物与流体充分混合的过程,以及排放停止时的瞬时排放三个过程,然后通过拉普拉斯和逆变换求解扩散方程,得到浓度场。由于天然河道边界曲折多变,采用矩形单元离散河道时,网格单元的边界难以与河道实际边界紧密地贴合,影响计算结果的精确度。本文采用贴体网格的思想剖分河道,基于河流流场的中心线准对称网格划分方法,引入了微分的理论,以纯几何的思想优化了网格计算算法。最后在河流网格的生成基础上,利用WCF通信框架和Si lverlight技术以及ArcGIS Server组件进行模型可视化展示,将整个数值求解过程按功能分解网格剖分模块和浓度场生成模块,通过交互式操作,将数值计算的污染团扩散浓度值与地图结合,用色彩等级图直观显示,从而较准确地反映了河流中污染团的时间性和空间性的扩散规律,实现了对污染团的在线实时监测,为及时制定应急方案提供决策支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 系统分析与设计
• 2.1 系统需求
• 2.2 系统架构
• 2.2.1 网络架构
• 2.2.2 系统逻辑架构
• 2.3 系统功能设计
• 2.4 数据库设计
• 2.4.1 空间数据和属性数据
• 2.4.2 关键数据库表结构
• 2.5 开发环境与运行平台
• 2.5.1 开发环境
• 2.5.2 硬件平台
• 2.5.3 软件平台
• 第三章 污染团扩散跟踪和预警模型
• 3.1 污染团在流体中的运动
• 3.2 污染团在流体环境中运动基本数学模型
• 3.2.1 三维模型
• 3.2.2 零维模型
• 3.2.3 一维模型
• 3.2.4 二维模型
• 3.3 污染团在流体运动中的二维扩散模型的求解
• 3.3.1 贴体坐标系
• 3.3.2 初始条件的确定
• 3.3.3 方程的求解
• 3.4 预警模型
• 第四章 污染团可视化模拟
• 4.1 数据预处理
• 4.1.1 河流中心线的提取
• 4.1.2 河流中心线拓扑关系的建立
• 4.2 河流中心网格的建立
• 4.2.1 河流网格生成原理
• 4.2.2 沿中心线准对称网格生成流程图
• 4.2.3 沿中心线准对称网格划分
• 4.2.4 网格编码
• 4.3 河网可视化研究
• 4.3.1 河网静态可视化过程
• 4.3.2 河网动态可视化过程
• 第五章 系统实现
• 5.1 通信技术的选择
• 5.2 关键功能的实现
• 5.2.1 河流网格的生成实现
• 5.2.2 可视化渲染
• 5.3 系统成果展示
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要成果
• 6.2 创新之处
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果