基于大数据决策支持的城市健康水系统平台构建及应用

摘要

城市化进程的快速推进，城市水系泄洪通道和原有生态系统被破坏等原因，导致“暴雨淹城”事故时有发生，城市水环境污染加剧，城市范围内社会水循环与自然水循环不和谐，不同区域之间水的供需矛盾较为突出。城市流域范围内分布着河流湖库、给水厂、污水厂，污水厂排放口、次级河流河口与给水厂取水口相互交错，水系统健康问题较为突出。城市快速扩张过程中，城市土地覆盖、水系统结构演变迅速，传统规划建设体系难以系统、全面、快速地对城市健康水系统构建进行决策，通过大数据决策支持平台为城市健康水系统构建提供策略具有重要意义。
　　研究在大数据的支持下，通过空间地理信息数据库的构建与城市健康水系统模型库的研究，集成了基于网络化格块的水文响应模型和水体环境模型，开发了城市健康水系统决策支持平台，并在两江新区水系统规划建设与运行管理中进行应用，为其城市健康水系统的构建提供决策支持，得出两江新区城市健康水系统构建技术方案。研究取得的主要成果如下：
　　①针对城市化过程中的健康水系统构建需求，基于空间大数据进行数字高程模型、遥感影像、气象土壤等基础数据以及流域单元、河流湖库基础资料、水质监测、水的利用与排放等水系统空间及属性数据，形成了海量、多样、复杂、集成的空间大数据支持下的水系统数据库。
　　②基于数字高程模型水流方向的基本算法和地理信息系统空间拓扑关系，利用高精度网络化格块模拟实际降雨径流路径，构建了支持大数据算法的城市下垫面水文响应模型，建立了统一的土地利用分类体系，利用超高精度土地利用栅格对格块的土地利用、土地覆盖进行水信息挖掘，总结了不同坡度、不同土壤质地、不同土地类型的水文响应径流参数，实现了水文响应模型沿高精度网络化格块建立的径流路径，进行径流流量和污染物浓度的汇流演算。
　　③在水文响应模型的基础上，构建了适用于大数据分析的水体环境模型，模型在空间大数据系统的支持下进行水体网格的概化和水系结构的自行编号，采用隐式差分格式离散对水力水质模型控制方程进行离散，通过土地利用、降雨、水文、水质监测资料对水环境模型进行参数率定，实现城市流域的水环境模拟。
　　④开发了包括水信息大数据管理、水文响应模型子系统、水体环境模型子系统的城市健康水系统决策支持平台，并将决策支持平台应用到基于水环境目标的城市未来健康水系统构建中，可通过“设定情景—平台决策支持—方案构建”的交互模式，模拟不同情景条件下城市水系统健康状况，并进行可视化表达，形成城市健康水系统构建的综合技术。
　　⑤以两江新区为例，建立两江新区城市健康水系统决策支持平台，对现状发展、规划发展、最低保障、严格保护四种情景下两江城市水系统进行模拟分析，预测了四种情景的水系统演变趋势，结合模拟结果和城市经济发展进程，得出两江新区城市健康水系统构建技术方案。
　　研究以地理信息系统为基础，水文响应和水体环境模型为驱动，决策支持平台为支撑，建立了城市健康水系统构建的综合技术，考虑了水体本身及其流域土地利用的相互耦合作用，将为城市健康水系统的构建、决策、管控提供共性技术和平台支持，具有直接的参考意义和较高的应用价值。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 城市水系统与水循环

1.2 城市水系统信息化

1.3 流域水环境模型

1.4 课题的提出、研究目的与内容

2 城市健康水系统构建理论

2.1 城市健康水系统基本理念

2.2 城市水系统健康评价

2.3 新型城镇城市水系统构建模式

3 基于大数据的城市水系统数据库建设

3.1 城市水系统的大数据特征

3.2 基础地理信息数据库建设

3.3 城市水循环数据库建设

3.4 小结

4 基于网络化格块的城市下垫面水文响应模型构建

4.1 基于数据高程模型的城市下垫面格块径流路径构建

4.2 基于土地利用统一分类转换的网络化格块属性提取

4.3 基于流域网络化格块的水文响应模型计算

4.4 小结

5 城市水系统水环境模型构建

5.1 城市水系统水体的一维网格概化

5.2 水体水环境的一维水力水质模型

5.3 水体水环境的一维水力水质模型的运行

5.4 小结

6 城市健康水系统决策支持平台

6.1 决策支持平台总体框架设计

6.2 平台数据库系统建设

6.3 模型与平台的集成

6.4 平台功能模块设计

6.5 小结

7 城市健康水系统决策支持平台应用——以两江新区为例

7.1 两江新区城市水系统数据库建设

7.2 两江新区城市水系统水文响应模型的运行

7.3 两江新区城市水系统水环境模型的运行

7.4 两江新区城市健康水系统决策支持

7.5 小结

8 结论与建议

8.1 结论

8.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目：

C. 作者在攻读博士学位期间申请与获批的专利