摘 要

为方便研究者对河流水质进行模拟，简化图像分析处理的步骤，提高工作效率，本研究利用ArcMap中的ModelBuilder模块进行模型构建，为相关研究人员提供具有参考价值的模型功能。本文以武汉水系作为模型验证数据，采用传统的瞬时点源二维的水质扩散模型和二维稳态河流水质模型作为建模理论，使模型可模拟各类河流。对于建模过程中难以实现的模块功能，本文还借助Python语言进行脚本编写，以增强所建模型的功能。

结果表明，该模型具有一定的实用性。同时，在模型为获得高效计算速度而适当降低水质评价精度的情况下，模型仍可保持结果准确，与各类相关文献中案例模型结果相近。

关键词：武汉水系；ModelBuilder；河流水质模型

Abstract

To make researchers easy to simulate river water quality, simplify the procedure of image analysis and processing, and increase work efficiency, this study uses the ModelBuilder module in ArcMap to build the model, providing relevant researchers with model functions for reference. In this paper, Wuhan Water System is used as model validation data, and the traditional instantaneous point source two-dimensional water quality diffusion model and two-dimensional steady-state river water quality model are used as the modeling theory, so that the model can simulate various types of rivers. To solve the problem that it’s hard to realize the model functions in model building, this article also uses Python language for scripting to enhance the model function.

The results show that the model has a certain degree of practicality. At the same time, the model still has accurate results although the model reduce the accuracy of water quality assessment appropriately to get efficient calculation speed. And it is similar to the results of case models in various related literatures.

Key Words：Wuhan Water System；ModelBuilder；River water quality model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 WASP水质模型和GIS的集成应用 2

1.2.2 基于GIS的模糊综合水质评价模型 2

1.2.3 潘阳湖水环境信息管理系统 2

1.3基本内容和技术方案 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术方案： 3

第2章 相关技术与模型 5

2.1 相关技术 5

2.1.1 ArcMap： 5

2.1.2 ModelBuilder 5

2.1.3 Python 6

2.2 相关模型 6

2.2.1 MIKE21 6

2.2.2 RMA2/RMA4/SED-2D 6

2.2.3 CE-QUAL-W2 7

2.2.4 FESWMS 7

第3章 系统分析与设计 8

3.1瞬时污染源扩散模型 8

3.1.1模型理论 8

3.1.2 模型构建 10

3.2二维河流降解污染物水质模型 19

3.2.1模型理论 19

3.2.2 模型构建 21

4 结果与分析 24

5 结论与展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 目的及意义

统计调查表明，国际上常利用水质模型对水体污染进行研究，对水环境污染治理起到重要作用。水质模型能够定量地描述水体的污染情况，并说明水体污染问题所在，帮助决策者做出合理的规划决策分析方案。GIS作为一种用于存储和管理地理空间信息的计算机分析与管理系统，将各种地理数据存储到数据库中，利用其更新、分析、处理等功能，实现各种地理模型的显示。随着近年来我国GIS技术的迅速发展，广泛应用于各行各业。为了实现水质模型的模拟和预测能力的提高，简化模型使用的操作步骤， GIS技术与水质模型的集成已逐渐成为该领域的发展趋势。本课题针对二维水质模型中的各种输入参数，结合现有的GIS技术，实现ArcGIS ModelBuilder支持下的二维河流水质模型的构建。采用现有的GIS技术与水质模型对河流水资源进行监测，可以及时得到二维可视化状态下的水污染情况，为河流流域水污染的防控和宏观调控提供科学的管理与决策分析。GIS强大的处理能力同时能够大大地缩短二维河流水质模型的建模周期，提高模型精度。

1.2 国内外研究现状

由于基于ArcMap的ModelBuilder构建河流水质模型的相关文献较少，基本通过常规的ArcEngine对水质模型进行二次开发，因此本文仅参考与水质模型研究相关的文献进行本节论述。本节所介绍的模型包括WASP水质模型和GIS的集成应用，基于GIS的模糊综合水质评价模型，潘阳湖水环境信息管理系统。下面逐一介绍。

1.2.1 ModelBuilder建模及在铀矿资源评价中的应用

ArcMap中的ModelBuilder建模功能为模型构建者提供了极大的便利，模型设计者无需从零开始进行模型开发，可以在ArcMap已有功能模块的基础上进行进一步的开发，并融合设计者自身的算法。赵永安等人研究的铀矿资源评价模型^[1] 是ModelBuilder建模的一个典型的例子。其基于矿区的信息数据库，结合ModelBuilder的建模技术，利用研究区域的铀矿寻找特征，构建了适应各种情况的预测评价模型。根据用户输入的预测评价因子，在鄂尔多斯盆地进行了铀成矿有利远景区的预测分析，为研究区域的进一步找矿提供了理论支撑。同时，该文献也为其他模型在ModelBuilder上的模型构建提供了参考，其多个预测评价模型也为模型的综合预测提供了新的思路。

1.2.2 WASP水质模型和GIS的集成应用

由于WASP模型具有良好灵活性的优势，使其与其他模型相互耦合，进行GIS系统的二次开发，可以完善水质模型结果，得到更佳的模拟效果。将WASP模型与GIS集成^[2] 进行研究已经成为了该领域的主要研究方向之一，该项研究也已投入项目工程的现实使用当中，并取得理想的成效。利用WASP模型与GIS技术的融合，基于不同尺度的耦合方式，可以使所构建的水质模型具有较佳的计算效率，这种高效处理方法的创新也让水污染实时监测具有可能性。WASP是由美国环境保护局提出的，适用于各种环境污染决策系统分析预测受自然和人为因素影响水质状况，可模拟各种污染物在水中的迁移规律，被认为是万能水质模型。张行南等人利用水质模型在GIS平台上进行功能集成研究，建设的江苏省水环境容量信息管理系统都取得了较好的收益。

1.2.3 基于GIS的模糊综合水质评价模型

由于国内外将模糊水质数学模型与GIS集成开发的研究和应用较少，一种由重庆大学何强等人研究发明的新型模糊综合水质评价模型FCWQA^[3] ，在我国得到了应用并取得了成功。该模型是基于模糊数学隶属度的理论基础上创建的，其能够根据多个水质指标，得到一个综合评价结果，该数值直接对应于我国的地表水质量标准。GIS-FCWQA系统^[4] 将FCWQA模型的运算结果与传统GIS上的空间分析功能、可视化功能整合在一起。相比于传统的水质指标法WQI构建的GIS系统，GIS-FCWQA系统更能说明处于不同功能区的水质间状况的好坏，亦可表达出某水体的水质状况处于哪一类水质标准。将FCWQA模型与GIS技术相结合，使其能够利用模糊隶属度理论在GIS上进行综合评价分析，并可获得不同方案下的水质预测报告。

1.2.4 潘阳湖水环境信息管理系统

该系统是国内的马玉宽等人^[5] 利用ArcGIS API for Flex开发，Model Builder工具，结合反距离权重法和克里金算法，构建了水质水位空间插值模型；其中，水质水位预测模型是通过简单平均法、指数平滑法、线性权重法等构建的。该系统充分利用了WebGIS和移动GIS的优势，为用户提供便捷。同时，其设计的系统框架亦为其进一步添加三维GIS功能提供技术支持。然而该系统仅仅加入了ArcMap的空间分析功能，并未通过Model Builder结合水质模型进行集成开发，因此本文研究具有一定的研究价值。

1.3基本内容和技术方案

1.3.1 研究内容

1. ARCGIS ModelBuilder中的河流水质模型集成：

根据文献资料，收集关于二维河流水质模型的理论模型方程，结合时间、污染物浓度、污染源位置、河流流速、有机污染物降解系数和河宽等影响参数数据，在Python语言的基础上结合ArcGIS Model Builder进行功能的集成开发，作为二维水质模型系统中的核心功能。

2. 二维河流水质模型与GIS的集成研究。

水质模型——GIS系统必须包含GIS系统的基本操作，同时针对专题内容，补充相关的功能，以方便用户使用。利用数据库对系统进行管理与存储，利用Python将模型以脚本的方式嵌入到水质模型——GIS系统中，并设计输出功能，生成决策分析图，供用户分析使用。

1.3.2 技术方案：

1. 查看并阅读文献，获取二维水质模型基本方程，并对模型进行一定的解释。

2. 寻找各大网站，获取某一地区的各种河流的模型参数。同时，也需要获取该地区的河流矢量图，以获取河流的流向，构建二维河流水质模型。

3. 对整个空间分析过程中所需要用到的各种空间分析和运算方法进行集成，利用ArcGIS ModelBuilder和Python语言编程实现，实现“一步”获取水质评价。操作界面可设计成二维河流水质模型以及瞬时点源扩散模型两种，供用户自行选择。

4. 二维河流水质模型的系统设计需要包括常规的GIS系统操作，如shapefile的加载、投影坐标系的设置、图层的增删操作、地图视角操作和对河流水质评价图的渲染。

5. 收集地面实测资料或者通过自行实地考察随机样本点，验证水质模型的精确度，并根据不同时段数据，寻找合适的模型对水质进行结果分析。以下为技术流程图：

图1.1 技术流程图

第2章 相关技术与模型

2.1 相关技术

2.1.1 ArcMap：

ArcMap是美国环境系统研究所公司（ESRI）公司旗下用于地理信息处理的一个桌面应用程序，可以给用户提供方便快捷的地图制作、地理空间数据管理、空间分析、地理建模、等实用性操作，进而分析各种地理现象，为决策者提供方便理解的渲染图等各种丰富的地图表达。

本地理处理软件对于拥有编程能力的用户来说具有一定的优势，用户可以利用其它编程语言对其进行功能上的优化，根据用户的需要在其基础上制作解决特定地理问题的功能，简化用户解决地理问题时的操作步骤，提高用户的工作效率。其中，ArcGIS Engine 是开发者用来构建应用程序的一整套嵌入式GIS 组件。使用ArcGIS Engine，用户可以将一些GIS 功能嵌入到已有的应用程序中。GIS开发者一般使用C#语言进行二次开发，但软件开发成本较大，难度相对较大，开发时间长，因而当需要大量使用ArcMap的功能并引入少量自主开发功能时，开发者一般选择较为方便快捷的python等脚本语言进行功能的嵌入式开发。Python语言不仅有其独特的跨平台属性，并且由于其代码大小往往只有几十MB，方便多个用户之间的转发使用。基于Python开发的脚本，不仅使用户能够使用ArcMap内的众多功能，而且还能基于用户的需求构建特定的功能，扩大ArcMap的应用范围。

2.1.2 ModelBuilder

ModelBuilder模块是ArcGIS for Desktop 产品中十分重要的功能模块，其主要作用是尽可能的帮助缺乏编程能力的用户构建某些功能，为用户减少大量不必要的重复性操作。

ModelBuilder其中包含了众多拥有编程思想的功。如类似for循环的迭代器，在需要构建多个不同距离的地理缓冲区时，可以利用迭代器对建立缓冲区这一步骤进行多次操作。如类似C#开发中拖拽控件一般拖拽ArcMap中原有的功能，这也将大大减少了用户进行二次开发时的代码量。

其次，ModelBuilder还可以将用户构建的模型自动转换成python语言，以便用户在此基础上进一步地进行代码的修改和改进，加入一些ModelBuilder难以构建的功能，以完善ModelBuilder在模型构建功能上的不足。有一定编程能力的模型构建者可以使用Python语言对模型进行优化，如可使用if判断语句使模型具有多个分支操作，提高了所构建模型的稳定性，降低模型出现异常情况的可能性。此外，利用Python语言甚至可以验证用户输入的图层或数据是否符合设计者所定义的格式，利用try语句捕捉异常来构建零异常的模型。

2.1.3 Python

Python语言作为一种解析性语言，可以使大部分代码和应用程序处在Python环境中运行。同时， Python语言由于具有的扩展性与跨平台的属性而深受广大程序员的热爱。ESRI公司旗下的ArcGIS平台完全支持Python环境，并且ArcGIS平台中包含的ArcPy包涵盖了ArcMap等产品的大部分功能，支持程序员基于ArcGIS的二次开发以及脚本插件的制作，亦可调用大粒度GP工具或者小粒制图工具，甚至可以实现数据读取接口。

2.2 相关模型

2.2.1 MIKE21

MIKE21水质模型是二维表面流模型的其中一种，由丹麦水动力研究所（DHI）独自开发而成。MIKE21模型衍生自MIKE11模型，可以模拟出多种水质变化过程，这也是众多研究学者热衷使用的原因。MIKE21模型适用于多种情况的计算，如二维水动力模型、水质评价以及水体富营养化等研究，其常用于水库、江河或河口等地段的研究。众多研究采用MIKE21水质模型作为基础模型，并针对各自研究的特点对模型进行多次改进与发展，以适应各研究的实际状况以及提高模型的精度。自上个世纪以来，综合世界各地各研究所和研究学者的研究成果与经验，MIKE21水质模型持续地发展，并进而衍生出其他模型，使其在二维的自由表面流数值模拟方面拥有特定的优势。Patrick Poulin等人^[6] 运用MIKE21-NHD模型预测了潮汐通量，进而对养分通量发生的变化进行评价分析。王哲等人基于MIKE21水质模型^[7] 对金仓湖在各种方案下的湖泊流场进行场景模拟，根据其模拟过程和结果选择合适的方案，并对湖中水质变化进行监测、合理分析以及预测，进而对金仓湖的水质情况给出合理的评价结果。

2.2.2 RMA2/RMA4/SED-2D

由美国资源管理协会开发的RMA2/RMA4/SED-2D模型，是美国陆军工程兵团所使用的TASB模型系统中的其中一部分，被运用在表面水质模型系统（SMS）中。其中，作为有限元水动力模型的RMA2模型，参考了高等数学中的微分思想，利用空间坐标离散成有限个均匀段，将连续的偏微分方程进而转化为差微分方程的水质模型；RMA4水质模型^[8] 可以模拟多个用户定义的组份传输，用户最多可以定义6个组份作为输入参数；SED-2D^[9] 作为底泥传输模型，适用于黏土、有机质等各种矿物混合物由于水体传输作用而沉积于水底的情况。张伟等人为了控制颗粒污染物沉积于特定位置，使用RMA2模型获取改造前后排放沟渠的流场变化数据，分析其改变原因，从模拟结果判断改造后的排放沟渠是否符合工厂的实际情况，并利于污染颗粒的沉降。可见，以上几种水质模型具有可行性，可投入现实工厂中的模拟与应用。

2.2.3 CE-QUAL-W2

与上述模型相同，本模型同样用于美国陆军工程兵团，是美国陆军工程兵团独自研发的。该模型与其他水质模型有所不同，其默认横向数值平均，所模拟的结果只在纵向和垂直方向上存在明显的区别。该模型对于狭长的湖泊和分层水库的模拟评价准确度较佳，另外具有湖泊特征的河流同样可以使用本模型进行合理地模拟预测。Liu等人曾通过CE-QUAL-W2模型对湖泊水深以及水体温度等水体特征进行模拟监测，并通过实验得出适当减少磷负荷能够有效控制水体的富营养化的增减，为控制湖泊水质富营养化提供前提条件^[10] 。Gregory E.Norton等人基于CE-QUAL-W2模型对河流水温进行模拟，本研究通过对河流上游开始模拟，以达到减少人为因素对水体温度产生的影响，减少实验模拟的误差^[11] 。

2.2.4 FESWMS

本模型是另外一种有限元表面水质模型系统，由美国联邦高速公路管理局开发完成的。该模型可对人为搭建的建筑物附近江河的水动力情况进行模拟预测。王远航等人研究的FESWMS模型可对城市桥梁以及桥墩附近的水域进行模拟，动态模拟洪水突发时的水动力情况，以达到预测防洪，应急预警的作用^[12] 。该模型还可以考虑河流入口处的水质情况，其包含的平衡挟沙经验模型也能够解决平衡输沙问题，并对该过程进行构建和模拟。另外需要注意的是，在公式选择时要考虑参数的适用范围。本模型仅适用于某些比较简单的模型构建当中，所获得结果的计算精度以及准确度是具有保证的。但对于一些复杂的河道来说，实际高程点等影响参数决定了模型的稳定性，对模型模拟出的结果有较大的影响。

第3章 系统分析与设计

3.1瞬时污染源扩散模型

3.1.1模型理论

业界内二维河流水质模型变式多样，各种模型各有各的优势，本论文选择较为常规的二维河流水质模型进行模型构建，为其他在此基础上发展的二维河流水质模型提供在模型构建上的参考。本模型的构建过程是基于ArcMap内的ModelBuilder（模型构建器）进行的，并参考彭泽洲等人编写的《水环境数学模型及其应用》^[13] ，引用其中在无随流情况下的瞬时污染点源二维空间扩散水质模型进行模型构建。该模型是假设河流水体的水平面是无限大的，并且默认瞬时投放点坐标位置为（0,0）。假定用户在污染源所投放的质量为M，随着时间的推移，污染物质会在水平方向上（即x轴和y轴方向上）向四周扩散，D_x、D_y分别是x和y轴方向上的扩散系数。同时，河流速度用u来表示，其在x轴和y轴方向上的流速表示为u_x，u_y。故可设计出其数学模型为

（3.1）

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