基于GIS的景观湖体水质管理系统（SLMGIS）研究

【摘要】：在我国大力推进节能减排,建设资源节约型、环境友好型社会的战略决策大背景下,为应对城市建设,特别是绿色建筑、绿色住区推广带来的景观湖体数量的快速增长,和再生水回用对景观湖体水质管理提出更高要求,以及景观湖体受污染严重的现状之间的矛盾,开展了基于地理信息系统(GIS:geographic information system)的景观湖体水质管理系统(SLMGIS:GIS-based Scenic Lake Water Quality Management System)研究。首先针对景观湖体的水质特征和管理需求,构建了独立的水质模型,模型与水动力学模型EFDC相耦合,实现三维水力+水质模拟,并采用民主湖实测数据对模型进行了参数率定和验证;在此基础上,引入时态GIS构建了SLMGIS,系统可以进行水力、水质数据时空四维存储、动态可视化与分析,对景观湖体进行流域范围内的污染源和水质管理;最后,开发了基于GIS的龙景湖景观湖体水质管理系统,利用该系统对龙景湖进行水质管理的动态化和可视化,包括流域分析、污染源管理、水质预测以及水质保障措施的设计和效果预测等功能。 在现有湖库水质模型研究的基础上,结合景观湖体水质特征和管理要求,构建了景观湖体水质模型。模型包括9个状态变量、5个子系统,以水质边界的方式引入植物浮床、喷泉和跌水三种水质保障措施以及底泥的作用效果;采用显格式有限差分法对模型控制方程进行离散;以水力文件为链接进行水质模型与水动力学模型EFDC的耦合,运用面向对象的C++语言,在microsoft visual C++平台编写水质模型软件,实现三维水动力学+水质模拟。水力、水质独立建模、联合应用的方式建立的景观湖体耦合模型,可根据需要灵活选择是否进行水力模拟,提高了决策效率。该模型包含了部分原位人工水质保障措施的效果模拟,为景观湖设计、水质预测提供技术支持。 以民主湖为例进行模型的验证。根据高温多雨期的水质监测数据进行模型参数的率定,低温枯雨期的水质监测数据进行模型验证,证实该模型可以成功实现景观湖体的水质模拟和预测,并利用模型进行数值试验,模拟了对民主湖进行“控源”、“水力循环”以及“控源+水力循环”三种措施后的水质变化,结果证明控源能降低民主湖的污染物浓度,水力循环能改善水体的水力条件,改变污染物浓度分布,二者联合使用能有效控制湖水水质。 将水质模型与时态GIS集成,建立了SLMGIS。水质模型与GIS之间完全集成,采用共同的空间数据库实现双向的数据交换,二者与水动力学模块EFDC之间紧密集成,通过空间数据转换和水力链接文件实现联合;利用COM (ComponentObject Model-based)组件技术和Visual C++平台编制水质管理软件,软件集成了EFDC水动力学模型和景观湖体水质模型的计算功能和网格划分,速度场、浓度场的显示查询、GIS空间分析等功能;在数据存储策略上,采用通用的netCDF文件格式存储模拟结果,实现了水力、水质数据时空四维存储、动态可视化与分析,将景观湖体水质管理范围扩展到整个流域的污染源控制,为景观湖体水质与其污染源的统一控制、管理提供技术支持。 开发了基于GIS的龙景湖SLMGIS。建立了园区的三维数字模型,利用GIS对龙景湖进行流域分析、园区内污染源分析、计算网格的划分和模拟结果的动态可视化,利用水力/水质耦合模型进行水质预测。系统预测了建成后龙景湖水质,选择“控源”作为水质保障措施,并对比了措施前后的水质变化,引入综合营养状态指数法进行湖体的富营养化评价,为水质管理提供验证性应用和示范。