楊金華

（山東省聊城市環(huán)保局，山東 聊城 252000）

EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code）模型是由威廉瑪麗大學維吉尼亞海洋科學研究所（VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary）的John Hamrick等人開發(fā)的三維地表水水質(zhì)數(shù)學模型，可實現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動力學和水質(zhì)模擬，是一個多參數(shù)有限差分模型。該模型系統(tǒng)主要包括水動力、泥沙、有毒物質(zhì)、水質(zhì)、底質(zhì)、風浪等模塊。水動力學模塊可計算如下內(nèi)容：流速，示蹤劑，溫度，鹽度，近岸羽流和漂流。水動力學模型輸出變量可直接與有毒物質(zhì)等模塊耦合，作為物質(zhì)運移的驅(qū)動條件，可以模擬各類污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化過程以及水體的生態(tài)動力學過程。本文以某河流為例，利用EFDC模型的有毒物質(zhì)模塊，實現(xiàn)模擬污染物在水體中擴散的過程，同時結(jié)合GIS實現(xiàn)整個過程的動態(tài)可視化。

1.GIS數(shù)據(jù)建立與處理

1)GIS數(shù)據(jù)庫的建立

在整個系統(tǒng)建立過程中，首先要建立數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的建立主要包括GIS數(shù)據(jù)和業(yè)務屬性數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)主要包括：水系、居民地及設施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌、植被等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；以及河流周邊的敏感點信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的坐標系采用WGS84（World Geodetic System 1984，是為GPS全球定位系統(tǒng)使用而建立的坐標系統(tǒng)）。其中屬性數(shù)據(jù)包括與模型計算相關(guān)的參數(shù)信息數(shù)據(jù)、模型計算的結(jié)果數(shù)據(jù)、濃度信息數(shù)據(jù)等，模型計算結(jié)果數(shù)據(jù)量較大，為了提高性能需要建立相關(guān)的索引。

2)GIS數(shù)據(jù)的處理

查詢出面狀水系圖層被研究對象的數(shù)據(jù)，提取河流兩岸坐標點對（經(jīng)緯度格式）信息，并序列化，以文件格式進行保存，然后啟動坐標轉(zhuǎn)換程序，導入序列化坐標文件，批量轉(zhuǎn)換成大地坐標點對文件。

2.二維正交網(wǎng)格化

河道平面二維數(shù)學模型網(wǎng)格生成方法研究中兩個關(guān)鍵問題：第一網(wǎng)格與河道擬合的貼體問題；第二二維網(wǎng)格、控制方程和數(shù)值方法三者之間的匹配問題。目前，常用的河道二維正交網(wǎng)格生成方法是邊界擬合坐標系方法，即河道Thompson法，它主要是通過物理平面(天然河道平面)與變換平面(數(shù)模計算平面)之間Poisson方程邊值問題數(shù)值解實現(xiàn)二維正交網(wǎng)格的生成。但河道Thompson法存在一些問題。本文采用Hermite三次插值函數(shù)，生成河道沿程縱向與河勢或主流線相擬合的河勢擬合線(曲線)，并使得河寬方向橫向網(wǎng)格線(直線)與網(wǎng)格控制斷面相吻合，從而構(gòu)造出平面二維正交四邊形網(wǎng)格。具體網(wǎng)格化主要包括以下幾個步驟：

1)確定網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點

選取研究河段的進出口斷面、河段內(nèi)水位/水文站點或測流斷面、河勢控制斷面以及需要重點研究河段的控制斷面等作為網(wǎng)格控制斷面；在所選取的網(wǎng)格控制斷面上確定網(wǎng)格控制節(jié)點，根據(jù)上面所生成的坐標點作為控制節(jié)點，所選擇的網(wǎng)格控制節(jié)點即為數(shù)學上Hermite三次插值函數(shù)的計算節(jié)點。

2)生成河勢擬合曲線

利用上述Hermite三次插值函數(shù)，可以生成一條既通過網(wǎng)格控制節(jié)點，又垂直于網(wǎng)格控制斷面的河道縱向網(wǎng)格控制曲線。通過多次調(diào)整網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點，使得所生成的網(wǎng)格控制曲線與研究河段的河勢或主流線相擬合，將最終生成的河道縱向網(wǎng)格控制曲線確定為河勢擬合曲線。這一步是河勢貼體網(wǎng)格生成方法的關(guān)鍵和核心。

3) 構(gòu)造平面二維網(wǎng)格

選取和調(diào)整縱向和橫向網(wǎng)格間距，構(gòu)造由平行于河勢擬合曲線的曲線簇和垂直于河勢擬合曲線的直線簇 (包括網(wǎng)格控制斷面)的河勢貼體平面二維正交四邊形網(wǎng)格。經(jīng)過處理后網(wǎng)格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以文件的方式導出進行保存，供EFDC模型計算應用。

3、EFDC模型計算

表1

EFDC具有通用性好、數(shù)值計算能力強、數(shù)據(jù)輸出應用范圍廣等特點。尤其有毒物質(zhì)模塊的模擬精度已經(jīng)達到相當高的水平。為了實現(xiàn)EFDC模型可視化的計算過程，對系統(tǒng)進行了重新的架構(gòu)。首先把模型參數(shù)進行了梳理，編寫了模型參數(shù)錄入界面；然后把調(diào)用EFDC程序進行計算；最后以文件方式輸出計算結(jié)果。

1)模型計算參數(shù)的說明和相關(guān)值明細表如表1所示：

2）模型計算

模型輸入?yún)?shù)后點擊“模型計算”按鈕后，把相關(guān)參數(shù)傳遞給配置文件，然后啟動EFDC計算程序進行計算。在計算過程中不要關(guān)閉視窗，直到計算完畢。最后計算的結(jié)果存放在TOXCONH.OUT文件中，供集成系統(tǒng)進行調(diào)用。

4.與GIS集成展示

為了能夠使得模型計算結(jié)果動態(tài)的、直觀的展現(xiàn)，本系統(tǒng)實現(xiàn)了模型結(jié)果與GIS無縫的對接，同時實現(xiàn)了模擬結(jié)果的動態(tài)展示，能夠直觀展示出污染物在水體中擴散的過程，以及系統(tǒng)能夠手動添加監(jiān)測點，并展示該監(jiān)測點污染物濃度的變化值。

結(jié)語

1)計算機技術(shù)、水質(zhì)模型技術(shù)與GIS技術(shù)的發(fā)展為我們水污染擴散的模擬提供了強有力的工具。特別是本系統(tǒng)的建立使得整個數(shù)據(jù)處理、參數(shù)錄入、模型計算、結(jié)果展示實現(xiàn)了可視化、自動化、直觀化。

2)基于GIS的EFDC模型的無縫集成系統(tǒng)經(jīng)過運行表明，這種集成化的方式能夠快速的計算模擬出某條河流出現(xiàn)污染物泄漏或排放的擴散過程。能夠為應急決策提供依據(jù)。該系統(tǒng)可以在水源地保護應急工作中應用。

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