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1、基于SD-GIS的水污染事故水质时空模拟研究1张波1,2，孙强2,李顺2,3,王利强2,虞朝晖2(1. 中国科学院遥感应用研究所，北京100101；2.国家环境保护总局信息中心，北京100029；3.北京师范大学资源学院，北京100875）摘要：将一维河流水质系统动力学模型用于水质模拟，建立SD和GIS关联的概念框架，并基于组件式GIS和SD模型开发水污染事故水质模拟实验系统；以2005年11月发生的松花江水污染事故为例，对特征污染物硝基苯浓度的时空变化进行了动态仿真模拟。结果显示：通过建立SD和GIS的关联，能够实现水污染事故中污染物的时空分布模拟，以及基于模型参数的模型调控与情景分析，为突
2、发水污染事故应急措施方案的优选提供科学、可行的依据。关键词: 系统动力学；地理信息系统；水污染事故；时空模拟；松花江中图法分类号: TP79/X55 文献标识码: A 一、 引言水污染事故是我国环境事故最主要的类型之一。它的发生不但导致水体水质恶化，影响水资源的有效利用，而且使社会、经济的正常活动受到影响，对水生态环境造成严重危害。水污染事故发生后，污染物进入水体随水流迁移过程中受到水力、水文、物理、化学和生物等诸多因素的影响（徐孝平，1987），各因素之间存在着采用常规动力学方法难以表达的非线性关系。因此，从系统性和整体性出发，水污染事故中污染物的迁移、转化是一个典型的动态、复杂、非线性系统
3、。动态复杂系统由于空间元素间的相互作用以及系统结构和功能随时间变化而变化，往往难于理解和模拟（Ahmad and Simonovic，2004）。传统建模方法通常是分别考虑空间和时间的变化，而不是同时兼顾二者。为了更好地对动态复杂系统进行模拟，需要考虑到系统行为随时间的变化是由其空间状态的变化导致的，因此对动态复杂系统的模拟需要同时兼顾时间和空间的变化。在水污染事故应急过程中，管理部门迫切需要了解污染带的迁移状况以及污染物浓度在时间、空间两个维度上的变化，以便采取有效的应急措施。因此，针对水污染事故的水质模拟问题建立具有时空模拟能力的水质模型，模拟污染物随时间、空间的浓度变化，帮助决策者在二维
4、空间上有效地掌控事故的发展变化趋势，则显得非常重要（张波，2007）。二、 方法论系统动力学（System Dynamics，缩写为SD）是一门研究信息反馈系统动态行为的学科，通过分析系统内部各组成部分之间动态、复杂的相互关系和交互作用，建立系统仿真模型，描述与解释系统的外在行为，寻求解决问题的正确途径（王其藩，1988）。水污染事故水质模拟问题的动态性、复杂性、非线性等特点，正是SD的优势所在，能够将其用于解决水污染事故中的水质模拟、预测以及模型调控等问题（张波，2007）。SD模型在时间尺度上模拟系统的动态行为是有效的，但却很难描述和模拟系统的空间要素及其状态，模拟结果仅仅通过图表等简单的
5、形式表现，可视化程度低（裴相斌，赵冬至，2000）。因此针对复杂系统的时空模拟，仅仅依靠SD模型显然远远无法满足应用的要求。地理信息系统（Geographic Information System，缩写为GIS）是一个采集、存储、分析和显示具有空间位置信息的计算机系统，是处理和分析地理数据的通用技术（陈述彭等，2000）。在水质模型与GIS的集成过程中，GIS是水质模型空间离散化、参数化以及可视化的有利工具（Liao,H. and Tim.1997；马蔚纯等，1998）。虽然GIS能够有效地管理、查询、表达、分析和处理静态的与地理空间分布有关的信息，但却难以描述和模拟具有时间概念的复杂的动态行
6、为及其过程，不能展示空间对象的动态特征，在反映时间连续性、派生演绎系统语义信息以及表达动态变化过程方面，GIS还难以胜任（余洁，2002）。三、 SD和GIS的关联与集成1、 SD和GIS的关联需求考虑到SD在描述时间过程方面的优势及其具有的有限的空间模拟能力，以及GIS具有空间建模的能力但对时态模拟的不足，将二者关联起来，能够丰富和扩展两种分析技术的现有功能：GIS作为SD模型的前处理工具能够大大减少数据准备和处理的工作量，能够增强空间数据的显示能力并揭示隐藏的空间关系；同时，SD模型可以扩展GIS的空间分析功能，实现系统行为的动态模拟及趋势预测。通过GIS和SD的关联，在以空间分析为特色的
7、GIS技术环境下融入时间动态模拟的SD模型，进行复杂系统的动态模拟和预测分析，使GIS和SD的现有功能得到扩展和延伸（Ahmad and Simonovic，2004；余洁，2002）。2、 SD和GIS关联的概念框架SD和GIS的关联包括数据关联和语义关联两方面。数据关联：数据和信息在GIS和SD之间的双向流通和交换，基于动态数据交换（DDE），通过Excel实现（图1）。首先由GIS通过Excel向SD模型提供空间信息，SD模型通过动态模拟在时间上确定空间特征的变化，然后通过Excel将其传递给GIS。建立SD和GIS的数据关联，就能够在时间和空间两个方面对数据进行分析和处理（Ahmad
8、and Simonovic，2001）；语义关联：将同一个数据、变量在SD和GIS中的不同表现形式进行关联和对照，通过在GIS中进行计算域的空间离散以及在SD中用数组的形式表示状态变量来实现。如果空间动态模拟对象是线状地物（例如，线状河流），需要将研究对象分段（将河流均匀划分为数段），SD中的状态变量以一维数组的形式表示，一维数组的每个元素对应着每个小段的状态变量值；如果模拟对象是面状地物（如，面状湖泊），需要将研究对象进行网格划分，SD中的状态变量以二维数组的形式表示，二维数组的元素分别对应每个网格的状态变量值。这样就确定了SD变量在GIS中的空间分布。通过建立SD和GIS的关联，运行SD模
9、型，计算每段（或网格）上的SD状态变量值，然后通过动态数据交换（DDE），能够将每段（或网格）的状态变量值在GIS中进行显示，分析和计算（张波，2007）。图1. SD与GIS的数据关联Fig.1 The data integration of SD and GIS3、 组件式GIS与SD模型的关联实现组件式GIS与SD模型的集成是SD与GIS关联的概念框架下的技术实现方法之一。组件式GIS与SD的嵌入式软件开发包不依赖于特定的开发语言，能够在一个通用的开发环境（如Visual Studio 2005）中实现GIS功能，同时集成了SD模型的组件对象，以及其它辅助控件。在通用开发环境下，GIS与
10、SD无须经过Excel进行数据传递，直接通过程序语言将SD模型的计算结果动态更新GIS中地理对象的相关属性，并基于更新后的属性值在GIS中进行实时显示和分析。集成开发环境负责调用组件GIS提供的控件以及SD模型计算的结果并实现与数据库的交互；GIS控件负责空间数据的管理和模型运算结果的空间可视化表达；利用SD软件提供的SDK开发包，通过模型DLL调用SD模型，接受系统提供的输入数据，进行模型计算，模拟结果以表格、曲线或者通过GIS控件以专题地图的形式由集成开发环境调用显示（郑泽梅，夏斌，张俊岭，2005），如图2所示。图2 组件GIS与SD模型的集成框架Fig.2 The integratio
11、n framework of ComGIS and SD model四、 水污染事故水质模拟的案例研究1、 研究背景及概况松花江流域位于中国东北地区的北部，东西长920km，南北宽1070km，流域面积55.68万km2，松花江干流东流至同江附近注入黑龙江，第二松花江和嫩江分别作为松花江的南、北两源。2005年11月13日，位于吉林省境内第二松花江段的吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，造成了硝基苯、苯、苯胺等污染物流入第二松花江，产生的污染带达80公里，对水体造成了污染。污染带顺松花江干流向下迁移，在同江附近汇入黑龙江，流经黑龙江流域后从黑龙江省抚远县流入俄罗斯境内并最终入海。松花江水系支流众多
12、，由于事故发生在冬季，河流均已进入冰冻期，流量较小。在对研究区域概化时只考虑干流，对支流汇入导致干流水量的增加可以考虑增加干流河段的河流流速进行简化处理。研究区域为松花江干流哈尔滨苏家屯断面至桦川断面之间的河段，其中选择五个监测数据较为齐全的断面（分别为苏家屯、巴彦港、依兰达连河、佳木斯和桦川断面，见图3）作为研究断面。初始断面为苏家屯断面，断面之间的距离及监测数据的时段见表。图3研究断面的分布Fig.3 The distribution of study sections表1 研究断面的信息Table 1 The information of research section编号断面名称距初
13、始断面的距离（km）监测数据的时段（月-日时刻）1苏家屯011-23-21:0011-27-8:002巴彦港12011-27-6:0012-2-8:003依兰达连河33012-2-20:0012-9-20:004佳木斯44012-7-20:0012-12-18:005桦川48012-9-12:0012-14-6:002、 一维河流水质SD模型系统动力学以系统分析为基础，强调动态的、复杂的（非线性、反馈回路、延迟和随机性等）系统结构，认为系统的行为模式与特征主要根植于系统内部的反馈结构与机制，因此适合于研究复杂系统的结构、功能与动态行为之间的关系（王其藩，1988）。松花江水污染事故的监测数据表
14、明，哈尔滨以下江段中污染物硝基苯在整个河流的横断面上已经基本混合均匀。假设在沿程流经的途中没有硝基苯的源再排入，因此，可以使用一维模型，式（1）进行水质预测（彭泽洲，2007）。 （1）式中，C为平均水质浓度，mg/L；u为纵向水流流速，km/h；E为纵向弥散系数，km2/h；x为河水流动距离，km；k为衰减速率系数，h-1。采用显式有限差分法，在j时刻用前差分表达t的偏导数和x的一阶偏导数，用中心差分表达x的二阶偏导数，可将方程（1）近似表达为如下的差分方程式（傅国伟，1987）： （2）式中，Ei为第i河段纵向弥散系数；ui为第i河段纵向水流流速；x为x方向的步长；t为时间t的步长；为第i
15、河段，第j时刻的污染物浓度。整理为： （3）由式（3）可见，第i断面（j+1）时刻的浓度值，可由前一时刻即j时刻的（i+1），i，（i-1）断面的浓度值以及其他参数（Ei，ui，ki）迭代计算而得。因此，若已知初始时刻j=0时各断面的浓度初始值和河道的起始断面各时刻的浓度值，且令，即可迭代求出各断面、各时刻的浓度。根据系统动力学理论以及方程式（3）建立一维水质模拟的系统动力学模型。由图2可知，系统动力学模型可将变量间复杂的关系以图形的方式表现。图4 系统动力学模型结构Fig.4 The structure of system dynamics model图4中，状态变量C表示江中污染物硝基苯的
16、浓度值；inflow和outflow表示每段河流上控制浓度C的变化速率；状态变量S表示污染物在模拟时间内流过的距离，f为控制S的速率，其值等于河流纵向水流流速u；辅助变量b表示模型的边界条件，即初始断面的污染物浓度值；辅助变量k，表示综合衰减速率系数；辅助变量E，为纵向弥散系数；辅助变量dx表示河段长度，即模拟过程的空间步长。3、 水质时空模拟实验系统开发本研究基于组件GIS技术、SD的嵌入式软件开发包和API应用程序接口技术，开发水污染事故水质时空模拟的实验系统，实现了组件式GIS与SD模型的集成。实验系统采用Microsoft Visual Studio 2005作为系统集成开发环境，SD
17、软件采用STELLA9.0及其提供的SDK开发包isee.NET Framework，GIS组件采用国产SuperMap Object 5在Windows系统环境下开发，图5为实验系统的主界面。图5 实验系统的主界面Fig.5 The main interface of experimental system该界面主要由地图显示主窗口、水质模拟界面、工作空间管理器、图例管理器以及菜单和工具栏等组成。地图显示主窗口作为地图显示区，显示研究区域及断面的空间分布；水质模拟界面主要用于模型参数调整、运行SD模型、以及模拟结果的图表显示。图6 实验系统的水质模拟界面Fig.6 The water qua
18、lity modeling interface of the experimental system图6为实验系统的水质模拟界面，主要由水质模型的参数选择区、模拟计算次数显示区、模型计算结果的表格显示区、按钮区组成。在水质模型的参数选择区，四个参数u，k，E，dx都可以通过下拉列表框方便地进行参数选择；模拟计算次数显示区主要显示模型计算运行的次数（Current Run）和每次模拟计算时间的步长数（Time）；模型计算结果的表格显示区通过一个Grid控件显示不同断面（C1、C2、C3等）的模型计算结果，即硝基苯浓度值随时间的变化；按钮区由两个按钮组成，可以选择单步运行（Run One Paus
19、e Interval）和直接运行（Run）两种方式。4、 模型应用4.1污染物的时空分布预测通过SD模型模拟预测污染物浓度随时间的变化，同时在GIS中显示浓度变化的空间分布情况，能够实现污染物的时空分布预测，例如：决策者希望知道污染带迁移20个小时后所处的位置及其浓度分布。在图6中选择“Run One Pause Interval”开始模拟，在模型运行到第20步（模拟的时间步长为1小时）时，暂停模型，即得到污染带迁移20个小时后的空间分布专题图（图7）。图7 污染带迁移20个小时后的空间分布专题图Fig.7 The spatial distribution theme map after th
20、e pollution moving twenty hours4.2特定断面污染物浓度随时间变化的预测水污染事故应急过程中，需要预测某些重要断面的污染物浓度随时间的变化。例如：大来断面距离初始断面约385公里，由于线状河流被离散化为数段，通过选择SD模型状态变量中表示该段河流的元素（如果离散化后的每段河流长度为0.5公里，则C771表示该断面的污染物浓度），能够实现该断面污染物的浓度预测（图8）。图8 大来断面的污染物浓度随时间的变化Fig.8 The pollutant concentration changes with time at Dalai section 4.3污染物浓度变化趋势
21、分析水污染事故中，除了需要对某些断面的浓度进行预测外，定量化地确定污染物迁移转化的趋势同样具有重要意义。在某些实时监测数据缺乏的情况下，此时的SD模型可能无法对污染物浓度进行准确地定量模拟，但模型依然可以模拟污染物迁移转化的整体行为和变化趋势。图9显示了流速u减小50%，某断面污染物浓度随时间的变化曲线（曲线1和2分别为u调整前后的模拟曲线）。图中可以看出，随着流速的减小，污染物高峰通过该断面的时间滞后大约200小时，并且峰值浓度下降大约50%。图9 参数u调整前后的污染物浓度趋势变化Fig.9 The change tendency of pollutant concentration af
22、ter the adjustment of parameter u4.4模型调控与情景分析SD的特点决定使用者可以通过对模型的调控，“随心所欲”地考察河流系统对各因素或参数的灵敏度和系统的稳定性，并且能够根据各种需要和可能做出多方案的模拟和比较，以获得不同参数或策略因素输入时系统动态变化的行为和趋势。本文基于两种不同的情景对模拟结果进行比较（张波，2007）。情景一：将依兰达连河至桦川断面之间的u提高10%，即由1.25km/h提高到1.375km/h，同时将k减少50%，即由0.003h-1减少到0.0015h-1。由图6可见，桦川断面硝基苯峰值出现的时间由第427h减少到第421h，即污染
23、物的峰值提前6h到达桦川断面，峰值浓度增加了大约12%。在实际情况下，u的增大可以考虑通过增加水库放水量来实现；如果气温降低，所引发的硝基苯挥发，化学反应等减弱，将会导致k的降低。情景二：将依兰达连河至桦川断面之间的u减少10%，即由1.25km/h减少到1.125km/h，同时将k提高50%，即由0.003h-1提高到0.0045h-1。由图6可见，桦川断面硝基苯峰值出现的时间由第427h增加到第433h，即污染物的峰值拖后6h到达桦川断面，峰值浓度降低了大约15%。在实际情况下，u的降低可以考虑通过水库蓄水减少水量来实现；而如果气温提高，所引发的硝基苯挥发，化学反应等的加强，将会导致k的提
24、高。图10 情景一的模拟结果Fig.10 The simulated results of scenario 1图11 情景二的模拟结果Fig.11 The simulated results of scenario 2五、 结论将系统动力学应用于水污染事故的水质模拟，构建一维水质模拟的系统动力学模型，以松花江水污染事故的实际案例证明系统动力学用于构建水质模型的可行性；考虑到环境状况中的水流和水质具有空间连续性的特点，在构建一维SD模型过程中，利用STELLA软件具有的数组功能，将河流分为数段进行模拟，并通过建立GIS与SD的数据关联和语义关联，能够展现水污染事故中污染物在时间及空间上的动态变
25、化趋势；通过组件式GIS与SD的嵌入式软件开发包实现SD和GIS的集成，能够模拟复杂系统的基于时间和空间的动态变化过程，为水污染事故应急措施方案的优选提供了科学、可行的依据。参考文献：1 徐孝平环境水力学M北京：中国水利水电出版社，19872 张波基于GIS的水污染事故水质模拟系统动力学模型研究与应用D中国科学院遥感应用研究所博士学位论文，20073 王其藩系统动力学M北京：清华大学出版社，19884 裴相斌，赵冬至基于GIS-SD的大连湾水污染时空模拟与调控策略研究J遥感学报，2000，4(2)：118-1245 陈述彭，鲁学军，周成虎地理信息系统导论M北京：科学出版社，20006 马蔚纯，
26、陈立民等水环境非点源污染数学模型研究进展J地球科学进展2003，18(3)：358-3667 余洁GIS支持下区域社会经济发展与环境响应动态模拟SD的方法研究D武汉大学博士学位论文，20028 宋关福，钟耳顺组件式地理信息系统研究与开发J中国图象图形学报，1998，Vol3（4）：313-3179 郑泽梅，夏斌，张俊岭GIS与水质模型集成研究与实践J环境科学与技术，2005，28（增刊）：10-1110 彭泽洲，杨天行，梁秀娟，等水环境数学模型及其应用M北京：化学工业出版社，200711 傅国伟河流水质数学模型及其模拟计算M北京：中国环境科学出版社，198712 Ahmad, S.,and S
27、imonovic, S. P. (2004). Spatial System Dynamics: New Approach for Simulation of Water Resources SystemsJ. Journal of Computing in Civil Engineering, Vol.18(4).13 Liao, H, and Tim. (1997). An interactive modeling environment for Non-point source pollution controlJ. Journal of the American Water Resou
28、rces Association, 33 (3):591-603.14 Ahmad, S.,and Simonovic, S. P.(2001). Modeling dynamic processes in space and time-A spatial system dynamics approachC. Proc.,World Water and Environmental Resources Congress, ASCE, Reston,Va.15 isee systems, inc. (2006b). isee.NET Framework helpR.作者简介:张波(1972-)，男
29、，山东济南人，中国科学院遥感应用研究所，博士，现在环境保护总局信息中心工作，高级工程师。主要从事环境地理信息系统的研究，发表论文20多篇。The research of GIS-SD based temporal-spatial modeling of water quality on Water PollutionZHANG Bo1,2, LI Shun2,3, SUN Qiang2, WANG Liqiang2, YU Chaohui2(1.Institute of Remote Sensing Applications Chinese Academy of Science, Beijin
30、g 100101,China;2.Information Center of State Environmental Protection Administration, Beijing 100029,China;3.School of Resource, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)Abstract: One-dimension river quality system dynamics model was applied to the water quality simulation and conceptual GIS
31、-SD frame was constructed. Based on ComGIS and system dynamics model, the experimental system of water quality simulation in water pollution accident was developed. The Songhua River water pollution accident which happened on November, 2005 was taken as example, the temporal-spatial change of nitrob
32、enzene concentration was dynamically simulated. The results show that the simulation of temporal-spatial distribution of the pollutant in water pollution accident and model regulation, scenario analysis can be realized. It can provide the decision-makers with scientific and feasible bases to optimiz
33、e the related emergency response measures.Key words: system dynamics; Geographic Information System; water pollution accident; temporal-spatial simulation; Songhua River更多测绘论文请登录测绘网论文频道查询：http:/ Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN fo
34、r four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed
35、watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has re
36、newed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Me
37、xico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the li
38、ve stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a
39、photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust o
40、f swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith ea
41、ch twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early
42、 as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the tro
43、posphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tr
44、opopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platfo
45、rm.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big
46、jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins
47、 out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, an
