中国长江三峡库区水污染应急系统的开发与应用(中文)

中国长江三峡库区水污染应急系统的开发与应用何强，王淑娟，翟军，海问律师事务所肖鹏三峡库区生态环境重点实验室，教育部，重庆大学中国重庆400045，电子邮箱：[e-mail]2010年3月5日收稿，2010年6月28日修订，2010年7月7日公认摘要：每年，在中国长江的三峡库区有许多船只和安全生产事故，如果石油和化学品泄漏发生，将会威胁三峡库区1085平方公里的水质，以及影响数百万当地人民的生活，为了便于这方面的污染的管理，污染的水管理系统，应急响应，因此设计。一个以三峡库区水体污染管理信息系统为基础的集成的地理信息系统（GIS），称为ERTGRAWPMS，被开发，地理信息系统引擎被用作系统开发平台和VisualBasic的编程语言。水力和水质模拟模型以及在生成贴体坐标的动态链接库文件中，使用VisualBasic编程，它们可以推出其他计算机程序。随后，基于GIS的信息系统应用于一次海难在两小时释放10吨苯酚入长江紧急水污染治理，结果表明：集成的地理信息系统可以协助应急水源污染管理和模拟传输和双扩散意外在河中的污染物。此外，它可以快速识别影响区域，以及在几分钟之内发生的事故它将随着时间的推移而改变。关键词：水体污染应急，应急管理信息系统，三峡库区DOI:10.1016/S1001-0742(10)60424-X引用：何强，王淑娟，翟军，海问律师事务所肖鹏，2011年水污染应急系统的开发与应用三峡水库在长江流域，中国。中国环境科学，23（4）：595-600引言：世界著名的三峡坐落在全长193公里的长江中游，新建成的三峡大坝已经建立了一个巨大的水库，它的长度是663公里，水面面积达1085平方公里，水库总库容39.3十亿立方米。三峡水库区（TGRA），是迄今为止中国最大的新建成的水电站，装机容量大致等于15个核电站。有8500多艘商船在水库运作，17个城市和1700多个工业企业坐落于水库。工业，市政和船舶出水已成为长江的主要污染源和导致在三峡库区平均每年水污染事故达12次的原因。对三峡库区来说水污染事故是一个至关重要的问题，将直接危及供应30多万人和水生生态系统的饮用水。在国际经验的基础上世界银行提供了中国政府的政策建议，旨在水污染防治和响应（世界银行，2007）。为了减少污染事故所造成的损害，水污染应急管理系统建立是有必要的，有助于水有关的各部门迅速做出决策和响应。塞缪尔斯和巴哈杜尔·（2006）开发的地理信息系统（GIS）为基础的综合应急系统在饮用水管道上可模拟移动和转换放射性物质。目前先进的空气质量监测和应急响应技术已经由Dabberdt等（2004年）仔细分析。他们评估了激光雷达，全球定位系统（GPS），微波辐射，和车辆传统的近地遥感（RS）技术，并讨论了污染物运输大气模型。WARDA和约翰逊（2007年）为了城市森林保护和应急管理，使用地理空间技术（主要是地理信息系统，GPS装置和RS），Wang等人（2008）使用一维（1D）MIKE-11型，为了在污染事故发生后能够模拟污染物到达的时间以及不同地点的浓度。目前本文介绍了在三峡库区如何设计和应用一个新的水污染应急响应管理系统（ERWPMS）。这个信息系统具有污染动态管理功能，其中包括污染源，水的质量查询和评估，数值仿真的速度和浓度的字段，并加强在紧急污染事故中的应急管理功能。在接收基本污染事故信息后，该系统可快速地模拟污染迁移转化过程，自动的产生数据，这些数据是关于影响区域以及事故发生后在不同地方的污染区域的污染程度，为应急措施提供决策支持。1、管理信息系统的结构三峡库区的水污染应急响应管理系统是一种新开发的河流污染管理信息系统（MIS）。ArcGIS引擎是GIS软件组件的集合，用作为软件开发工具。一个专业的模型编程，以提供特殊的计算和分析功能以帮助决策水污染治理，并被集成WPMSERTGRA。该系统的总体结构如图1所示，该系统包括四个层次：一个数据库，基于模型的系统，地理信息系统，和一个友好的用户界面。WPMSERTGRA不同功能部分之间的相互作用可描述如下：首先，GIS组件从空间数据库中读取数字地图，在模型的计算中用户可以设置边界/初始条件，包括编辑污染源信息和入口的横截面的参数，如流量和水的质量的参数。订立的边界条件和初始信息是基于空间对象的数据库。随后的数学模型从数据库中阅读这些基本的数据，根据预设程序进行计算任务。这些输出，如速度矢量和目标污染物参数在不同的位置的浓度，也存储在空间的基于对象的数据库。最后，结果可视地显示在用户界面上作为专题电子地图，这将提供决策者时空定量的建模数据。来自工业城市生活非点源污染支流和水质量水流量流出部分污水处理厂的污染基本的具体数据分析具体数据GIS1D，2D网格泛化数学模型计算数据库用户界面可视化图1WPMSERTGRA的总体结构2、数据库WPMSERTGRA使用地理数据库存储初始基本数据，这些数据的生成是通过模型，其中包括基本的空间数据，污染源信息数据，水质和水文监测数据，速度矢量场的数据，污染物浓度场数据，水质评价数据，模型组的参数，和水的质量标准和法规。空间数据库不仅包括在数字地图上显示的基础空间信息，而且包括计算网格的地理数据，这可以表示的长江有浩大网格节点的数学模型的物理域。地理数据库中，几乎所有的数据具有地理属性，这些属性被存储为空间对象的数据。因此，空间数据和非地理数据可以存储在以数据库中的相同的标识号为基础一对一形式中。污染事故的信息，如工业企业事故和船舶倾覆的信息存储在特殊数据的一个数组中，这些特殊数据可以在事故发生后被用户添加和编辑。3、基于模型的系统一个基于模型的系统是编程模块的集合，它通常有特殊的功能，这些特殊的功能主要是执行计算和分析任务，并帮助用户提供有用的计算输出的合理决策。WPMSERTGRA的包括一个一维（1D）动态水质模型，一个两维（2D）稳流的水力模型，二维动态模型，用于产生河流复杂边界条件的贴体坐标二维模型（BFC）和模糊综合水质评价模型（翟等人，2006年，2007年，何等人，2006）3.1电网泛化模型在实现信息在分水岭中通过数学模型证明的所有元素的属性上，电网泛化是一个关键的步骤，（如长江，河流，树枝，点源污染和面源污染）。ERWPMSTGRA电网泛化模型在大型复杂边界条件的河流中采用简单的一维和二维模型。对于1D电网的泛化中，本系统在ArcGIS中绘制长江河的菲利普线时采用空间拓扑分析功能，并自动建立35,500计算网格，这些网络沿着菲利普线以20米为增量，河流的拓扑结构划分成大量的点，ArcGIS的空间拓扑结构的模块可以自动匹配污染源，以及在长江支流生成网格，大大提高数据采集效率。天然河流有不规则的三维形状，这使得几何和边界条件很难定性，ERTGRAWPMS贴体坐标（BFC）系统可以将物理域的不规则的几何形状转变为简单而规则的计算域的几何形状，它可以在ArcGIS空间分析模块的帮助下和新开发的基于边界拟合微分方程（毛泽东等人，2008）的BFC产生模型帮助下自动生成。3.2液压/水质模型3.2.1模型方程的选择一般的自然河流流场模拟和水质场模拟一维和二维方程在直角坐标系中可表示为如下：一维液压方程式：qtxAQf-ixhxuutug1J（1）一维水质方程：SCAKACCAEACfx-xu-xxt二维液压方程式：0yhvxhuth34202222huvngxhZgyuvuvyvvxuutht34202222vhuvngyhZgyvxvvyvvxutht二维水质方程：SCKxyCExxCEyvCxuCtCfyx（2）其中：Q（立方米╱秒）横截面流量；A（M2）截流面面积；Q（m2/sec）沿河岸的流量（流入为正，流出为负）；T（s）时间；h（m）为平均水深；i是河床坡度；C（毫克/升）是模拟污染物的浓度；JF是每单位长度的水头损失；U（米/秒）和v（米/秒）为分别在x和y方向上的速度；Z0（m）为河床高程；n是河床粗糙度；g是重力加速度；VT是湍流粘度；Kf为反应速率；S是源；控制方程组是动力学方程，可以用于建模非定常流量和浓度。然而，如果我们设置的边界条件在设计的液压条件和设置足够长的时间条件不变，那么非定常流动的动态和浓度场将趋向一个稳定的状态。3.2.2建模设计的水文情况TGRA操作禁忌性质模式（图2）在结束了五月或六月初，直到雨季开始的期间，水位降低到145米，因此，有充足的的均衡量可用于在接下来几个月的强降水。在最大的天然水量已过后，水位在10月升高至最大量175m，然后接着就形成了能源生产高峰。从1月到次年4月，水位下降，是因为在那个赛季水库的洗脱量超过流入量，然而，水位不下降低于155米直到五月，从而水库六月至九月打击泥沙淤积，这几个月，具有最高的沉淀效果，洗去一些现有的积存物。水文条件明显的随季节而变化，水位波动高达30米。图2三峡水库一年的运行水位表1水质模型设计的液压条件然而，过了一个赛季水文条件仍然相对稳定，因此，选择的6个典型的水文条件作为液压/水质模拟的边界条件，如表1所示。WPMSERTGRA系统使用有限差分法（FDM）来解决一维或二维液压/水质方程。FDM有一个较小的计算机内存需求，与其他的数值计算方法有更高的计算速度比较，如有助于动态建模的有限体积法和有限元方法，（毛泽东等人，2008年哥斯达黎加唐，2007年）。为了反映速度的影响，水深的影响，河流形态的模型参数，并保证基于自然水文验证数学模型在大坝建成前都适用，大坝建设后，下面的经验公式用于转化模型参数为表达式，相关液压参数基于以前的研究成果（Li等人，2002年，李辽，2002年，彭等，2005年，谢等人，2008）。*7.0*1.2xhuuuhBKEE089.024.0*48.007.1yhBuuKiEh8*uCvnhuBAkjjfj（3）其中，u*（米/秒），是摩擦速度；B（M）是水面宽度，U（米/秒）的断面平均流速；H（M）的平均深度，i是河坡；KFj是污染物J的反应系数；其它参数KE，K，CN;AJ和BJ需要进行设置，并用于核实验证该模型。我们使用16监测点的水文水质数据，接受TGRA收纳水体的污染负荷，是TGRA在2003年干燥和水平期间的收纳水体来设置参数的一维液压/水质数学模型。我们使用的数据从2003年雨季期间到对模型的验证，这个计算充分考虑了在不同水期面源污染的影响。要设置并验证二维参数的液压/水质的数学模型，要从2003年万州控制部分在干燥和水平的时期使用的水文，水质数据和污染负荷。2003年万州江段水质量和水平时期的水文数据，2003年重庆段的梅雨时期的数据，2003年涪陵部分枯水期数据被用作验证数据的二维液压/水质模型。3.3程序中的数学模型WPMSERTGRA在WPMSERTGRA中要结合数学模型和地理信息系统，我们使用VisualBasic编程语言，形成一个动态链接库（DLL）文件，并转换的数学模型，该数学模型有一个特殊的功能，可以受雇于另一计划。这种发展为模块化水环境管理信息系统创造了条件，可以应用到任何河流，这种功能由DLL提供，包括一个二维的网格功能，一维浓度场模拟功能，二维流场仿真功能，和一个二维浓度场仿真功能。4WPMSERTGRA的应用WPMSERTGRA是用来在水体污染事故发生的情况下提供紧急管理职能。这个系统主要是基于随着时间污染推移的快速仿真。利用GIS分析和查询功能模块，WPMSERTGRA可以识别和显示位置以及影响在不同时间点的污染超标的面积，帮助有关地区和部门的领导人发出警报，并为他们提供决策支持。例如，在10分钟之内，该系统可以预测将在48小时内发生的污染的扩散条件。