GIS技术在河流水质模型数值模拟中的应用研究

论文摘要

当今世界,环境污染已严重影响人类的健康和生存,综合利用相关理论知识和科学方法分析、预测和治理环境污染是一项有着深刻意义的研究活动。本论文以预测浅水型河流的水质变化为目标,选用河流二维水质模型,采用有限差分法离散求解水流控制方程,得到河流流速场,基于流速场,再离散求解水质方程,得到浓度场。由于天然河道边界曲折多变,直角坐标下选用矩形单元离散河道时,网格单元的边界难以紧密地贴合河道实际边界,影响计算结果的精确度。本文采用贴体网格剖分河道,选用贴体坐标系为计算坐标系,同时将水流控制方程和水质方程相应地进行坐标转换,采用分数步法(Fractional Step Method)简化计算过程,用交替方向隐式(Alternative Direction Implicit,简称ADI)法保证计算结果的稳定性和精度。最后利用地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)技术进行应用程序开发,将整个数值求解过程按功能分解成数据载入模块、网格剖分模块、流场生成模块和浓度场生成模块,计算过程中所需的基础数据如河道边界、河床地形、河流水文,污染源位置、污染物排放量等,以GIS中的地理空间数据格式存储和管理,计算出来的污染浓度等结果用色彩等级图直观显示。整个研究过程耦合在GIS系统中,充分发挥了GIS技术对空间信息和属性信息的采集、存储、分析、显示等优势,具有良好的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 当前我国水资源现状
• 1.1.1 我国的水资源
• 1.1.2 水污染及危害
• 1.1.3 我国水污染的现状
• 1.2 GIS 技术在水环境管理中的应用
• 1.2.1 GIS 技术及特点
• 1.2.2 水资源管理信息系统
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第2章 河流水质模型
• 2.1 水环境数学模型
• 2.1.1 数学模型在环境问题中的应用
• 2.1.2 建立数学模型的步骤
• 2.1.3 水环境数学模型的分类与水质模型
• 2.2 水质模型发展概况
• 2.3 河流水质模型的基本方程
• 2.3.1 零维水质模型的基本方程
• 2.3.2 一维河流水质模型的基本方程
• 2.3.3 二维河流水质模型的基本方程
• 2.3.4 三维河流水质模型的基本方程
• 参考文献
• 第3章 复杂边界二维河道的贴体网格生成
• 3.1 贴体坐标系
• 3.2 偏微分方程法
• 3.3 椭圆型偏微分方程生成法
• 3.3.1 椭圆型偏微分方程
• 3.3.2 滑移边界点
• 3.3.3 示例及分析
• 参考文献
• 第4章 二维河流流场求解
• 4.1 浅水方程
• 4.2 河流平面二维控制方程坐标转换
• 4.2.1 河流二维水流直角坐标控制方程
• 4.2.2 河流二维水流曲线坐标控制方程
• 4.3 河流平面二维控制方程修正
• 4.4 河流平面二维控制方程离散求解
• 4.4.1 交错网格
• 4.4.2 离散求解方程
• 参考文献
• 第5章 二维河流水质模拟预测
• 5.1 二维污染物对流扩散方程
• 5.1.1 直角坐标下的水质方程
• 5.1.2 曲线坐标下的水质方程
• 5.2 二维污染物对流扩散方程离散求解
• 5.2.1 剖分方程
• 5.2.2 交替方向隐式格式离散
• 5.2.3 定解条件
• 5.2.4 计算方法
• 5.2.5 示例及分析
• 参考文献
• 第6章 GIS 技术应用
• 6.1 基于GIS 平台的数据处理
• 6.1.1 GIS 中的基础数据
• 6.1.2 二维河道的网格剖分
• 6.2 数值模型模拟结果的显示
• 6.2.1 基于GIS 的实现方法
• 6.2.2 模拟结果的可视化
• 6.2.3 模拟结果的查询
• 6.3 系统结构体系
• 6.3.1 系统总体结构
• 6.3.2 系统功能模块
• 6.3.3 系统开发模式
• 参考文献
• 第7章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢