基于SD-GIS的水污染事故水质时空模拟和动态调控仿真系统

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1、基于SD-GIS的水污染事故水质时空模拟和动态调控仿真系统研究'张波‘，秦宇1（1・环境保护部信息中心，北京市朝阳区育慧南路1号，100029）摘要：针对我国面临的重大水污染事故，结合前期建立的一维和二维系统动力学水质模型,将SD模型与GIS关联与集成，开发基于二三维一体化的水污染事故水质时空模拟和动态调控仿真系统；以2005年11月发生的松花江水污染事件为例，进行水质模拟结果验证和可视化动态调控示范等，在时间和空间两个维度上对污染带迁移和转化进行动态模拟和趋势预测，实现了突发水污染事故水质浓度的模拟、预测和基于不同应急策略的模型调控。关键词：系统动力学；地理信息系统；水污染事故；

2、时空模拟；一、引言近年來我国重大水污染事故频繁发生，対生态环境、人民健康及社会安全造成严重影响。例如，发生在2005年11月份的松花江水污染事故和12月份的广东北江镉污染都是重大水污染事故的典型案例。在水污染事故的应急过程屮，迫切需要掌握污染带的时空分布及污染物的浓度，从而快速、有效地制订应急响应的策略方案。为满足水污染事故快速处置的要求,结合事故现场的实际监测数据，利用水质数学模型（简称“水质模型”）对污染团到达各重要断面的时间、浓度、影响范围等做出及时准确的预测，模拟各种应急策略和方案的效果,为事故的应急决策提供定量参考的依据，是提升环境事故应急能力的重要途径。然而，由于水污染

3、事故在发生时间和空间、污染强度、污染物类型、发生水域的水文条件等方面具有很强的不确定性，并II污染物种类多样，迁移转化行为复杂，其运动机理比一般正常河流的污染状况更难掌握。而现有水质模型用于水污染事故的水质模拟存在模型结构复杂，参数众多且难以率定，可视化动态调控功能弱等缺点，难以满足水污染事故时空动态模拟和预测的需要，更难对事故应急策略的制定提供快速和科学的依据。针对我国面临的重大水污染事故，结合本文作者前期构建的一维和二维系统动力学水质模型，以二三维一体化的GIS软件作为空间计算平台开发水污染事故水质时空模拟和动态调控仿真系统。以2005年11月的松花江水污染事故为例，通过“三维

4、调控一二维计算一三维显示”的应用模式研究各种应急调控的策略及英可视化实现，在人工交互可视化界面下实现各种应急调控策略效果动态模拟和可视化分析，为水污染事故应急措施方案的优选提供量化参考依据。二、模型构建系统动力学（SystemDynamics,简称SD）是一门定量研究复杂系统的学科，它的特点是以系统分析为基础，强调动态的、复杂的（非线性、反馈冋路、延迟和随机性等）系统结构。它认为系统的行为模式与特征主要根植于系统的内部反馈结构与机制，因此适合用于研究复杂系统的结构、功能与动态行为之间的关系。基于系统动力学理论和水污染事故水质模拟的应用需求，本文作者开展了基于系统动力学的水污染事故水

5、质模拟研究，构建了一维和二维系统动力学水质模型，结合松花江水污染事故的现场监测数据对模拟结果进行验证。课题组选择松花江干流的哈尔滨苏家屯断面到桦川断面之间大约500公里的河段作为研究对国家自然科学基金项目（41071243）和国家高技术研究发展计划（863计划）（2009AA12Z221）支持。象，选择监测数据比较齐全的巴彦港、依兰达连河、佳木斯、桦川四个断面的现场监测数据对河流纵向水流流速％,衰减速率系数k和纵向弥散系数E,三个模型参数进行率定，取得了较好的效果。图1和图2分别为一维和二维系统动力学水质模型的结构图。图1一维系统动力学水质模型结构图2二维系统动力学水质模型结构三、

6、SD与GIS的关联与集成系统动力学在时间尺度上可以很好地模拟系统的动态行为,但这种以信息反馈结构为基础的模型考虑空间因素的功能很弱，即不具有空间数据的前处理功能，也不具有空间分析的能力。GIS系统能有效地管理、查询、表达、分析和处理静态的与地理空I'可分布有关的信息,但是它们却难以描述和模拟具有时间概念的复杂的动态行为及其过程，不能展示空间刈像的动态特征。GIS技术和系统动力学的结合对以极大地丰富扩展两种分析技术的现有功能：GIS空间数据与属性数据的紧密结合可为系统动力学模型的动态模拟研究提供有力的环境，在系统边界定义、数据准备、可视化成果表现等方面发挥重要作用；同时，系统动力学模

7、型可扩展GIS空间分析功能，实现系统行为的动态模拟及趋势预测，这样不仅能在时间上模拟系统动态发展趋势，而且也能在系统框架内考虑空间因素，使GIS和系统动力学现有功能得到扩展和延伸。传统的水质模型通常拥有独立的模拟界面，只能实现与GTS的松耦合集成，很难集成到第三方信息系统中。而用户经常需耍在应急指挥、监控预警等信息系统中嵌入水质模型，实现水污染信息的综合查询、管理、模拟和发布等功能。系统动力学模型的开放性良好,能够无缝集成到GIS及第三方信息系统屮，大大增加模拟结果的