调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统

摘要

本发明提供一种调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统，该系统采用面向服务体系和持续集成方法，集成湖泊水质在线动态监测模块、湖泊群水文水循环模块、湖泊分布式流场计算模块、湖泊水质水环境分析模块和数字湖泊可视化仿真平台。能模拟各种复杂地形、复杂气候以及复杂流态下的湖泊流场，具有数值模拟仿真精度高的优点。

说明书

技术领域

本发明属于湖泊水质改善技术领域，具体涉及一种调度工程水质改善的数 值模拟及可视化仿真系统。

背景技术

湖泊水网是我国最重要的淡水资源之一，对社会和经济的发展起着不可估 量的作用。然而，随着经济发展以及城市化进程的加快，工业废水和生活污水 排放量日益增加，导致湖泊水网富营养化加剧、湖泊萎缩、湖泊水质日益恶化。

湖泊水网调度工程即是对被污染湖泊进行治理和管理的工程，现有技术中， 采用数值预测方法对湖泊水网调度工程各可选调度方案进行水质模拟仿真。在 水质模拟仿真中，通常基于预建立的水动力学模型进行。然而，传统基于水动 力学模型的水质预测方法忽视或概化了复杂气候、地形、流态、排污口、突发 事件等因素的影响，过于注重理想环境条件下污染物迁移过程模拟，其预测结 果精度有限，无法精确描述湖泊污染物迁移规律和水质改善机制，难以满足指 导湖泊水网调度工程管理实际需求。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种调度工程水质改善的数值模拟 及可视化仿真系统，具有数值模拟仿真精度高的优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统，该系统 采用面向服务体系和持续集成方法，集成湖泊水质在线动态监测模块、湖泊群 水文水循环模块、湖泊分布式流场计算模块、湖泊水质水环境分析模块和数字 湖泊可视化仿真平台。

优选的，所述湖泊水质在线动态监测模块用于：以异步伺服Web Service形 式，接收并处理各信息源发布的湖泊属性信息，并以时空索引形式对该湖泊属 性信息进行组织、分析与共享；其中，所述湖泊属性信息包括：初始流场信息 和水质信息；

所述湖泊群水文水循环模块包括：基础水雨情信息管理单元和分布式产汇 流计算单元；其中，所述基础水雨情信息管理单元用于储存、共享与管理湖区 的自然地理信息和历史水雨情观测数据；所述分布式产汇流计算单元用于：采 用具有局部加密特征的结构网格，将湖区的仿真区域划划分成若干个具有水平 联系和垂向联系的单元栅格；然后，采用基于分布式栅格新安江模型的湖泊群 水循环时空模型，分别计算每个单元栅格的产汇流及各类污染物容量；

所述湖泊分布式流场计算模块用于：首先加载并查看计算域内水下DEM， 依次设置各闸口、泵站的引水流量及各湖泊的初始运行水位；然后选取计算域 内风项背景场，以二维浅水方程为水流控制方程，集成并采用自适应矩形网格 上的高精度有限体积模型进行求解，模拟得到湖区流场分布情况；

所述湖泊水质水环境分析模块用于：建立湖泊污染物变化的时空预测模型， 对湖泊水网调度工程不同调度方案对水质的影响进行预测计算；

所述数字湖泊可视化仿真平台用于：将水质改善过程数值模拟结果处理为 二、三维情景推演动画。

优选的，所述湖泊水质水环境分析模块包括：

湖泊纳污能力计算单元：用于计算湖区水网各湖泊的最大纳污能力，具体 为：根据湖泊类型，采用均匀混合模型、非均匀混合模型或富营养模型计算湖 泊的纳污能力；

典型情景模拟单元：用于根据观测资料、专题图、监测站实测数据，使用基 于有限体积法的湖泊污染物迁移模型，对典型背景风场、突发污染物或暴雨情 景下的湖泊水质进行综合模拟；

调度方案模拟单元：用于基于湖泊水质在线动态监测模块所获取的湖泊属 性信息、湖泊群水文水循环模块所预报的调度时间区间内的水文信息和每个单 元栅格的产汇流及各类污染物容量、湖泊分布式流场计算模块所分析的调度时 间区间内的流场信息，对给定调度方案实施期间的湖泊水质改善过程进行数值 仿真。

优选的，所述湖泊水质水环境分析模块还以流体动力学为基础，基于有限 体积法建立了湖泊污染物水质迁移模型，具体包括化学需氧量COD水质迁移模 型、总磷TP水质迁移模型和总氮TN水质迁移模型。

优选的，所述数字湖泊可视化仿真平台包括：模拟结果可视化处理单元、 二维展示单元和三维展示单元；

其中，模拟结果可视化处理单元用于：通过发布在服务器端的GIS服务完 成模拟结果到栅格信息的处理工作，具体包括以下步骤：

S1：格式化模拟单元，具体步骤如下：(1)提取各模拟单元的几何中心信 息；(2)生成节点矢量数据集；(3)计算生成各节点间的处理次序索引链；(4) 按Delaunay规则，依次连接各节点，使所有模拟单元都包含于连续且不重叠的 三角形网络中；

S2：初始化调度工程水质改善数值模拟结果，生成ASCII码数据流；

S3：设置时间步长，生成调度工程水质改善过程的关键帧队列；

S4：按S3生成的队列顺序，批量处理关键帧，具体步骤如下：(1)根据 S1生成的三角形网格，在各顶点处依次插入预测项模拟值；(2)仿TIN结构， 生成预测项模拟值的伪地形数据结构；(3)沿“地形”坡面插值；(4)设置输 出网格大小，将插值后的伪地形数据转换为栅格数据；(4)沿模拟单元边界与 物理约束边界裁剪栅格数据；(5)设置多个等级段，重分类栅格数据；(6)依 次完成所有关键帧的可视化处理工作；

S5：将处理结果储存进空间数据库；

二维展示单元用于：利用WPF和ArcGIS API for WPF将各模块计算结果进 行二维动态渲染与可视化展示；

三维展示单元用于：利用VPB的地形建模功能、OSG-GIS的地理信息可视 化查询和操作功能以及OSG的三维渲染功能，对湖区进行三维可视化建模与模 拟结果的动态渲染。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统，通过集成 湖泊水质在线动态监测模块、水文水循环模块、湖泊分布式流场模块与湖泊水 质水环境分析模块，采用非统一结构网格划分计算区域，能模拟各种复杂地形、 复杂气候以及复杂流态下的湖泊流场，具有数值模拟仿真精度高的优点。

附图说明

图1为本发明提供的调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统的整 体树状结构图；

图2为本发明提供的调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统的三 层软件架构图；

图3为本发明提供的湖泊群水文水循环模块中分布式栅格新安江模型计算 流程图；

图4为本发明提供的模拟数据可视化数据转换流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提供一种调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真 系统，该系统集成湖泊水质在线动态监测模块、湖泊群水文水循环模块、湖泊 分布式流场计算模块、湖泊水质水环境分析模块和数字湖泊可视化仿真平台。 以下分别介绍这几个功能模块的具体结构和相应功能：

(一)湖泊水质在线动态监测模块

湖泊水质在线动态监测模块用于：以异步伺服Web Service形式，接收并处 理各信息源发布的湖泊属性信息，例如，ZigBee采集节点、水文站点、气象站 点等信息源发布的XML或JSON格式的湖泊属性信息；并以时空索引形式对该 湖泊属性信息进行组织、分析与共享；其中，湖泊属性信息包括：初始流场信 息和水质信息，例如，初始流场信息为水深或流速等信息，水质信息为湖泊水 的PH值、COD浓度、TP浓度、TN浓度、水温、溶解氧、浊度、电导率等参 数值。

采用异步伺服Web Service形式，湖泊水质在线动态监测模块作为客户端， 当其向信息源发送数据获取请求后，可继续进行其他操作，而不必等待信息源 返回信息，从而提高了湖泊水质在线动态监测模块的工作效率。

(二)湖泊群水文水循环模块

湖泊群水文水循环模块用于：针对湖泊水资源分布和水循环条件，综合水 系下垫面条件、蒸发、降水、下渗、经济社会用水及自然水系水量交换等不同 因素，应用基于分布式栅格新安江模型的湖泊水循环时空模型，实现湖区水系 分布式产汇流计算及管理功能。

具体包括：基础水雨情信息管理单元和分布式产汇流计算单元。

其中，基础水雨情信息管理单元用于储存、共享与管理湖区的自然地理信 息和历史水雨情观测数据，其中，湖区的自然地理信息包括湖区DEM(Digital  Elevation Model，数字高程模型)、DOM(Document Object Model，文件对象模 型)等基本地理数据，历史水雨情观测数据包括湖区历史降雨、气温、风速、 相对湿度等水文气象观测资料，还具有湖泊上层、下层、深层张力水容量和自 由水容量信息的统计分析功能；

分布式产汇流计算单元用于：采用具有局部加密特征的结构网格，将湖区 的仿真区域划分成若干个具有水平联系和垂向联系的单元栅格；然后，采用基 于分布式栅格新安江模型(XAJGridModel)的湖泊群水循环时空模型，分别计 算每个单元栅格的产汇流及各类污染物容量。

(三)湖泊分布式流场计算模块

湖泊分布式流场计算模块用于：首先加载并查看计算域内水下DEM，依次 设置各闸口、泵站的引水流量及各湖泊的初始运行水位；然后选取计算域内风 项背景场，以二维浅水方程为水流控制方程，集成并采用自适应矩形网格上的 高精度有限体积模型进行求解，模拟得到湖区流场。其中，有限体积模型可预 置8种风向下3种引水方案的湖泊流场计算结果。

此外，该模型还提供了自定义边界条件的流场计算模式；用户可以根据经 验或专家决策方案，手动输入各闸泵引水流量、背景风风速大小及风向，并提 供了湖泊流场实时计算的辅助模块接口，最终查看流场的计算结果。

(四)湖泊水质水环境分析模块

湖泊水质水环境分析模块是在湖泊分布式流场计算模块的基础上，研究各 种水体污染物在不同气候条件和流场条件下的迁移规律，另外根据降水导致的 面源污染带来的各相交换特性及其空间分布规律，综合考虑湖区水系水体中各 污染物相自身变化规律，建立湖泊污染物变化的时空预测模型，对湖泊水网调 度工程不同调度方案对水质的影响进行预测计算。

湖泊水质水环境分析模块包括以下三个功能单元：

1)湖泊纳污能力计算单元：用于计算湖区水网各湖泊的最大纳污能力，具 体的，可以根据湖泊的大小、种类、污染物混合能力等自身特性，采用均匀混 合模型、非均匀混合模型以及富营养模型中的一种计算。

2)典型情景模拟单元：用于根据观测资料、专题图、监测站实测数据，使 用基于有限体积法的湖泊污染物迁移模型，对典型背景风场、突发污染物或暴 雨情景下的湖泊水质进行综合模拟；

3)调度方案模拟单元：用于基于湖泊水质在线动态监测模块所获取的湖泊 属性信息、湖泊群水文水循环模块所预报的调度时间区间内的水文信息和每个 单元栅格的产汇流及各类污染物容量、湖泊分布式流场计算模块所分析的调度 时间区间内的流场信息，对给定调度方案实施期间的湖泊水质改善过程进行数 值仿真。

湖泊水质水环境分析模块还以流体动力学为基础，基于有限体积法建立了 湖泊污染物水质迁移模型，具体可以包括化学需氧量COD、总磷TP、总氮TN 这3种污染物的水质迁移模型。在污染物的迁移模拟过程中，考虑了引水流量 引起的污染物对流和扩散的外在因素，以及各污染物自身形态的内在因素，比 如总磷分为溶解态的无机磷、游离态的有机磷以及沉淀态的磷，总氮分为有机 氮、氨氮、亚硝酸氮等5种形态。另外，污染物水质迁移模型还考虑了水温、 底泥的吸收与释放以及点源排污的影响。污染物水质迁移模型可以通过集中批 量导入参数的方法设置参数，从而进行水质模拟，通过污染物具体数值和曲线 直观的观察引水过程中各个湖泊中这三种污染物含量的变化。

(五)数字湖泊可视化仿真平台

数字湖泊可视化仿真平台用于：将水质改善过程数值模拟结果处理为二三 维情景推演动画。

数字湖泊可视化仿真平台包括：模拟结果可视化处理单元、二维展示单元 和三维展示单元。其中二维展示单元与三维展示单元均具备与基于WPF开发的 系统平台中图表控件联动交互的功能。

1)模拟结果可视化处理单元

模拟结果可视化处理单元主要通过发布在服务器端的GIS服务来完成模拟 结果到栅格信息的处理工作，如图4所示，包括以下步骤：

Step1：格式化模拟单元，具体步骤如下：(1)提取各模拟单元的几何中心 信息，(2)生成节点矢量数据集，(3)计算生成各节点间的处理次序索引链，(4) 按Delaunay规则，依次连接各节点，使所有模拟单元都包含于连续且不重叠的 三角形网络中；

Step2：初始化调度工程水质改善数值模拟结果，生成ASCII码数据流；

Step3：设置时间步长，生成调度工程水质改善过程的关键帧队列；

Step4：按Step3生成的队列顺序，批量处理关键帧，具体步骤如下：(1) 根据Step1生成的三角形网格，在各顶点处依次插入预测项模拟值，(2)仿TIN 结构，生成预测项模拟值的伪地形数据结构，(3)沿“地形”坡面插值，(4) 设置输出网格大小，将插值后的伪地形数据转换为栅格数据，(4)沿模拟单元 边界与物理约束边界裁剪栅格数据，(5)设置多个等级段，重分类栅格数据，(6) 依次完成所有关键帧的可视化处理工作；

Step5：将处理结果储存进空间数据库。

2)二维展示单元

二维展示单元利用WPF和ArcGIS API for WPF将各模块计算结果进行二维 动态渲染与可视化展示，可基于ArcGIS API for WPF开发。其中，WPF(Windows  Presentation Foundation)是微软推出的基于Windows Vista的用户界面框架，属 于NET Framework3.0的一部分。它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正 做到了分离界面设计人员与开发人员的工作；同时它提供了全新的多媒体交互 用户图形界面。ArcGIS API是基于浏览器的API,用于开发高性能、易于使用的 地图应用。

具体的，传统的ArcGISDynamicMapServiceLayer用于实时显示空间数据库 的模拟结果时，具有显示效果差，且刷新速度慢的不足；理由为： ArcGISTiledMapServiceLayer通过调用缓存图片来提高了显示效率，但不具备动 态投影，且无法单独控制图层可见性，都不满足流场水质变化过程精细展示的 工程需求。

而本发明中，二维展示单元通过改写TiledMapServiceLayer进行二维动画 的展示。首先，客户端继承TiledMapServiceLayer，通过GetUrl()方法获取切片， 返回REST SDK中ExportMap拼接的Url，从而实现了动态数据的缓存图层显示 方式。

3)三维展示单元

三维展示单元利用VPB(Virtual Planet Builder)的地形建模功能、OSG-GIS 的地理信息可视化查询和操作功能以及OSG的三维渲染功能，对湖区进行三维 可视化建模与模拟结果的动态渲染，可基于OSG开发。

三维展示单元可采用C++进行开发，模拟结果以颜色矢量的形式标记在三 维地形上；三维水面效果是采用水面波动法及离散傅立叶变换方法实现水流的 模拟，采用OpenGL进行纹理的映射或粒子效果在仿真平台中进行显示，从而 逼真的显示仿真画面。

如图2所示，本发明提供的调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统 可采用面向服务体系和持续集成方法构建，包括基础层、服务层与执行层三层 软件架构。

(一)基础层

基础层包括统一数据支持平台与用户交互平台两大部分。

1)统一数据支持平台：

统一数据支持平台通过数据管理模块与服务层进行数据交互，针对不同的 开发平台与编程语言，数据管理模块提供了统一格式的标准数据规范，当数据 管理模块接收到XML(可扩展标记语言)格式的数据请求时，首先识别需求类 型，并对存储过程中的数据进行编码，将对应的数据类型转换成XML数据流再 通过通信接口进行数据传输，从而实现了统一数据源的多平台支持。图2中，数 据管理模块连接专题数据库、GIS数据库和异步伺服的监测接口。

2)用户交互平台

用户交互平台可以是基于WPF开发的开放式动态生成交互系统，可以将可 视化定制的交互平台信息通过界面模块传送到指定模块自动集成客户端并发布 使用，图2中，客户端集成的指定模块为主功能模块。

(二)服务层

服务层是整个分布式系统的核心，由主服务模块与若干个异步伺服的功能 服务模块组成，其核心部分包括数据库通信服务、GIS服务、界面服务与算法模 型服务等，各种功能服务不受地域和平台的限制，只需要在主服务模块上完成 服务注册以提供标准的消息接口，即可以服务组合的形式集成到系统；

(三)执行层

执行层以Web Service为主要形式支撑服务层的正常运行。使用Web服务描述 语言(WSDL)描述服务，使用统一描述、发现和集成协议(UDDI)进行服务 注册与发现，使用简单对象访问协议(SOAP)进行消息交换，服务层与执行层 间通过一个工作流完成映射，包括发布、发现、组合、绑定与执行五个步骤， 以实现服务层的异步增量式更新。

为更详细的阐述本发明提供的方案，选取位于我国湖北省武汉市城区的大 东湖生态水网连通工程为例进行阐述。该工程的目的是通过改建或新建引水设 施，恢复长江与大东湖区域六个主要湖泊的自然联系，通过“引江济湖”，为生态 修复创造良好的外部条件和环境。模拟情景设为湖区20年一遇暴雨(263mm) 时大东湖生态水网连通工程执行如表1所示的调度方案，仿真周期为3天。

表1设定情景下大东湖各湖泊排水渠道流量值

港渠名称 新沟渠 沙湖港 东沙湖渠 九峰渠 红旗渠 北湖大港 排水流量(m³／s) 85 15 0 0 49 100

调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真过程为：

(1)通过湖泊水质在线动态监测模块处理采集节点信息，以异步伺服的Web  Service形式，处理分析ZigBee采集节点、水文站点、气象站点等信息源发布的 XML或JSON格式的数据信息，并以时空索引进行组织、分析与共享，得到各湖 区水源水质初始条件，如表2所示，主要包括初始流场信息(水位、流速)和水 质信息(COD浓度、TP浓度、TN浓度、水温)。

表2大东湖水网调度各水源水质初始条件

(2)使用湖泊群水文水循环模块模拟大东湖湖泊群各个湖泊水量、水位以 及数值变化过程，如图3所示。

对于分布式栅格新安江模型，输入参数为环湖气象站的气温、降水、大东 湖流域DEM、土壤类型、土地利用等数据，经模型计算，输出各个大东湖区域 水文循环演化信息；

产水量的计算主要采用径流系数法，计算公式如下：

W=1000*α*F*I

公式中：W为产水量，单位为m³；α为径流系数；F表示汇水面积，单位为 km²；I表示设计暴雨大小，单位为mm。

(3)使用湖泊分布式流场计算模块计算湖泊流场。

设定湖泊初始运行水位，边界引水方案、模型控制参数和糙率，利用有限 体积法在四边形网格上求解二维浅水方程，计算所有网格在不同时刻的水深、 流速单元平均值。

具体的，对于二维浅水方程，输入数据包括底高程文件、重力加速度、临 界重构流速、湖泊糙率、CFL数、模拟时间、输出结果时间步长、选取引水流量 方案，风速。经计算，输出所有节点在多个时刻的水深、流速单元平均值及水 体更新周期。

其中，水流控制方程为二维浅水方程，其守恒形式为：

$\frac{\partial U}{\partial t}+\frac{\partial E}{\partial x}+\frac{\partial G}{\partial f}=S$

t为时间；x和y为空间坐标，U为守恒量；E和G分别为x和y方向的通量； S为源项。

(4)湖泊水质水环境分析模块

湖泊水质水环境分析模块包括湖泊纳污能力计算单元、典型情景模拟单元 与调度方案模拟单元：

1)湖泊纳污能力计算单元：

根据大东湖各湖泊的规模、水深、库容、入湖污染物种类等信息，选择均 匀混合模型、非均匀混合模型或富营养模型，计算大东湖水网各湖泊的最大纳 污能力；

输入数据包括：污染物入湖速率、湖泊现有污染物的排放速率、湖泊容积、 湖泊现状污染物浓度、湖泊出流量、污染物降解系数、时段长等。

输出数据为各湖泊最大纳污能力。

2)典型情景模拟单元：

包括典型风场、突发污染物与暴雨情景模拟；分别设置特定参数进入调度 方案模拟单元，完成后续操作；

3)调度方案模拟单元：

通过设置不同的引水流量、边界条件、糙率、温度、点源污染物的排放量 及浓度，长江水体污染物浓度、底泥溶解与释放系数，采用正交网格上有限体 积法求解二维水流水质数学方程，计算所有网格在不同时刻的水深、流速单元 平均值，水质单元平均值；

输入数据：正交单元文件、底高程文件、临界水深、临界流速、临界重构 流速、湖泊糙率系数、CFL数、设计流量、长江水体污染物浓度、点源污染物的 排放量及浓度、模拟起始时间，模拟结束时间等；

输出数据：所有节点在不同时刻的水深、流速单元平均值，水质单元平均 值，水环境状态。

本发明提供的调度工程水质改善的数值模拟及可视化仿真系统，进行可视 化仿真的过程为：采用具有局部加密特征的结构网格划分湖泊仿真区域；依托 湖泊水质在线动态监测模块，获取初始的水文水质与湖泊流量信息；再通过湖 泊群水文水循环模块与湖泊分布式流场计算模块，直观刻画和展示湖区水体自 然循环与人工循环的时空特性和演变规律；基于湖泊水质水环境分析模块，综 合考虑地球柯氏力、风应力、排污口、调度工程、各污染物相自身变化规律以 及水文气象条件等因素的影响，模拟各种复杂地形、复杂气候以及复杂流态下 污染物迁移过程；最后，建立数字湖泊可视化仿真平台，利用GIS技术对模拟结 果进行可视化处理，对湖区降雨-径流、流场、污染物扩散、调度过程进行精细 化情境推演和历史重现，实现湖泊水质水环境模拟过程的可视化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。