阿什河流域突发环境事件应急决策支持系统研究
发布时间：2020-08-08 17:00
【摘要】：“十三五”期间,国家提出要加快生态文明建设,改善生态环境质量。但是目前在我国河流突发环境事件应急处理处置方面还存在许多需要改进的方面,需要进行更进一步的研究探索以实现国家层面的生态文明建设。本文以阿什河为研究对象,以突发污染物的正向模拟和污染源的反向追踪两条主线为研究思路。针对阿什河目前的环境应急管理现状,利用水质模型WASP和EFDC分别模拟了一维和二维阿什河突发污染物的迁移转化过程,以人工智能算法为核心构建了突发污染源项识别框架,实现污染源项推演。最后探索设计了以“河长制”为中心的阿什河突发环境事件应急预警决策支持平台。突发污染物的正向模拟利用WASP和EFDC水动力-水质模型分别对一维和二维河流突发污染物的迁移转化过程进行模拟。将阿什河从西泉眼水库至阿什河口内监测断面概化为一维河道,并划分为16段,沿途支流概化为6条,利用WASP水动力-水质模型模拟此河段的水动力变化过程,用实际的流量数据进行验证,结果显示各监测河段模拟流量值与实际值相对误差均小于20%,且河流的水动力状况比较稳定,有利于进行突发污染物水质模拟。假设在西泉眼水库发生重金属铅泄漏,模型预测了重金属铅的污染物扩散状况,各河段的重金属铅浓度随时间变化近似呈正态分布。利用二维网格划分软件CLVGrid1.1将阿什河从阿城镇下至信义沟上监测断面概化为二维河道,并沿河流纵向和横向划为5180个网格,沿途支流概化为3条,同理利用EFDC水动力-水质模型模拟了该河段的流速分布状况,用实际的流速数据进行验证,结果表明模拟河流水动力与实际河流水动力状况吻合相对较好。随后利用染色剂模拟突发污染物,结果显示河流右岸的染色剂浓度相对左岸较高,且染色剂浓度随河流长度的增加逐渐减小。污染源的反向推演即以水质迁移转化模型为基础,以人工智能算法为核心,从而构建了污染源反向推演框架。同时,巧妙地将遗传算法和模拟退火法相耦合产生一种新的人工智能算法,将三种污染源反向推演框架应用到Matlab软件仿真假想案例中,结果表明,相对于遗传算法和模拟退火法,耦合遗传算法与模拟退火法产生的新算法具有更好的溯源效率,其对污染源三个参数(污染物排放量、污染物初始排放时间、污染物初始排放位置)的识别相对误差分别为1.1%,3.0%,2.2%,均优于两种经典的人工智能算法识别结果。以“河长制”为中心,利用C语言探索设计了阿什河突发环境事件应急预警决策支持平台。平台主要包括环境应急信息管理、应急指挥调度和辅助决策和突发事故处置评估三个系统。各系统之间通过相互协作,共同完成河流突发污染事件的预警、决策和评估。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52;X507
【图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 2 章 研究对象和研究方法介绍2.1 研究对象阿什河作为松花江右岸重要的一级支流，按照水利部河道等级划为属于 3 级河道[39]。其自东南向西北流经黑龙江省尚志市、五常市和哈尔滨市，在哈尔滨市道外区汇入松花江。阿什河干流全长 257km，流域面积为 3493km2。阿什河有南北两个源头：南源称黄泥河，发源于尚志市蜜蜂山；北源为阿什河，发源于阿城市与宾县交界处的秋皮顿山。两源汇合后沿着尚志市和阿城边界流向西北方，最终在哈尔滨东面汇入松花江[40]。阿什河支流较多，主要有阿城河、大石河、玉泉河、黄泥河、海沟河、庙台子沟和信义沟等。
流域发生突发污染事故，对阿什河流域的水生态造成破坏，严重影响到下游群众的用水安全。2.2 水质模型由阿什河河道特征和已有的水文水质数据，本文选择两种经典的水质模型软件 WASP 和 EFDC 来分别模拟和预测阿什河一维和二维水质迁移转化规律。2.2.1 WASP 水质模型2.2.1.1 水质模型简介本研究应用的是 WASP7.3 模型，其作为一个可以用来分析多种水域的多箱式模型，WASP 模型的基本方程是建立在质量守恒的基本原则上，此方程实质上是平移-弥散质量迁移方程，包括了平移和扩散项以及源汇项。因为该方程不仅考虑到污染物质在水体中的平移扩散过程，还考虑到其在水体中的物理、化学和生物等质量变化过程，因此该方程可以描述任一水质指标在时间维度与空间维度上的变化。WASP 模型的质量平衡方程建立在如下图 2-2 所示的坐标系统上，水面上纵向为 x轴，横向为 y 轴，垂直方向为 z 轴。
图 3-1 河段概化3.2.2 参数设置3.2.2.1 基础数据设置打开 WASP7.3 软件，点击数据设置按钮后进行参数输入。在此界面中，用户可以进行以下主要操作：（1）定义模拟初始时间和终止时间；（2）选择需要模拟的模块，主要有富营养化模块（EUTRO）、简单有毒物质（SimpleToxicant）、易降解有毒物质（Organic Toxicant）；（3）导入面源数据文件；（4）选择水动力控制方程。主要应用一维网格动力学波动方程。（5）选择水质求解方程，通常选择欧拉方程。在本次研究中，基本模拟参数的选择为：模拟时间段为 2016 年 7 月 1 日至2016 年 7 月 15 日，总共 15 天时间，选择需要模拟的模块为简单有毒物质（SimpleToxicant）模块，时间步长设置为 0.01 天，水动力学模型选择 net flows，求解方法选择 EULER，基本参数如图 3-2 中所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52;X507
【图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 2 章 研究对象和研究方法介绍2.1 研究对象阿什河作为松花江右岸重要的一级支流，按照水利部河道等级划为属于 3 级河道[39]。其自东南向西北流经黑龙江省尚志市、五常市和哈尔滨市，在哈尔滨市道外区汇入松花江。阿什河干流全长 257km，流域面积为 3493km2。阿什河有南北两个源头：南源称黄泥河，发源于尚志市蜜蜂山；北源为阿什河，发源于阿城市与宾县交界处的秋皮顿山。两源汇合后沿着尚志市和阿城边界流向西北方，最终在哈尔滨东面汇入松花江[40]。阿什河支流较多，主要有阿城河、大石河、玉泉河、黄泥河、海沟河、庙台子沟和信义沟等。
流域发生突发污染事故，对阿什河流域的水生态造成破坏，严重影响到下游群众的用水安全。2.2 水质模型由阿什河河道特征和已有的水文水质数据，本文选择两种经典的水质模型软件 WASP 和 EFDC 来分别模拟和预测阿什河一维和二维水质迁移转化规律。2.2.1 WASP 水质模型2.2.1.1 水质模型简介本研究应用的是 WASP7.3 模型，其作为一个可以用来分析多种水域的多箱式模型，WASP 模型的基本方程是建立在质量守恒的基本原则上，此方程实质上是平移-弥散质量迁移方程，包括了平移和扩散项以及源汇项。因为该方程不仅考虑到污染物质在水体中的平移扩散过程，还考虑到其在水体中的物理、化学和生物等质量变化过程，因此该方程可以描述任一水质指标在时间维度与空间维度上的变化。WASP 模型的质量平衡方程建立在如下图 2-2 所示的坐标系统上，水面上纵向为 x轴，横向为 y 轴，垂直方向为 z 轴。
图 3-1 河段概化3.2.2 参数设置3.2.2.1 基础数据设置打开 WASP7.3 软件，点击数据设置按钮后进行参数输入。在此界面中，用户可以进行以下主要操作：（1）定义模拟初始时间和终止时间；（2）选择需要模拟的模块，主要有富营养化模块（EUTRO）、简单有毒物质（SimpleToxicant）、易降解有毒物质（Organic Toxicant）；（3）导入面源数据文件；（4）选择水动力控制方程。主要应用一维网格动力学波动方程。（5）选择水质求解方程，通常选择欧拉方程。在本次研究中，基本模拟参数的选择为：模拟时间段为 2016 年 7 月 1 日至2016 年 7 月 15 日，总共 15 天时间，选择需要模拟的模块为简单有毒物质（SimpleToxicant）模块，时间步长设置为 0.01 天，水动力学模型选择 net flows，求解方法选择 EULER，基本参数如图 3-2 中所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 卢宇婷;林禹攸;彭乔姿;王颖U
本文编号：2785843
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