環(huán)境系統(tǒng)分析論文

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1、WASP 水質(zhì)模型及其研究進(jìn)展 [摘 要] WASP(The water qual ity analysis simulation program,水質(zhì)分析模擬程序)是EPA推薦使用的水質(zhì)模型軟件, 使用較為廣泛,能夠模擬河流、湖泊、水庫(kù)、 河口等多種水體的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的水質(zhì)過(guò)程。介紹了 WASP 的組成 (DYNHYD、 EUTRO、TOXI)、基本原理及 EUTRO中8個(gè)指標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)化,最后介紹了該模型在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用和發(fā)展前景、方向。 [關(guān)鍵詞] WASP;DYNHYD,EUTRO,TOXI,水質(zhì)模擬; EFDC; GIS 前言 水是人類生存與發(fā)展之本

2、, 水質(zhì)模型研究一直是環(huán)境科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。它研究天然水在自然或人類活動(dòng)影響下水質(zhì)隨時(shí)間和空間變化規(guī)律的數(shù)學(xué)描述, 涉及氣象、水文、水力、水化學(xué)、水生物、湖沼、土壤、沉積物、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科知識(shí), 直接為水質(zhì)評(píng)價(jià)、 預(yù)測(cè)及污染調(diào)控與管理提供依據(jù)[ 1]。在眾多水質(zhì)模擬中, 比較先進(jìn)、 應(yīng)用較多的主要有最早的 Streeter - Phelps 模型體系、 20世紀(jì) 70 年代初期的多變量水質(zhì)模型 QUAL- I 模型、70 年代中期的非恒定水質(zhì)模型QUAL- II模型和 80 年代功能全面的水質(zhì)模型WASP系列。本文主要介紹 WASP模型的基本原理及其發(fā)展前景。 1 WASP

3、 水質(zhì)模型概述 WASP(The water q uali ty analysi s simulatio n program, 水質(zhì)分析模擬程序)是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng),能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預(yù)測(cè)由于自然和人為污染造成的各種水質(zhì)狀況, 可以模擬水文動(dòng)力學(xué)、河流一維不穩(wěn)定流、 湖泊和河口三維不穩(wěn)定流、 常規(guī)污染物(包括溶解氧、 生物耗氧量、 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及海藻污染)和有毒污染物(包括有機(jī)化學(xué)物質(zhì)、 金屬和沉積物)在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律,被稱為萬(wàn)能水質(zhì)模型[ 2]。 WASP模型系統(tǒng)由2個(gè)獨(dú)立的程序組成:水動(dòng)力模型程序 DYNHYD5和水質(zhì)模型程序WASP5 水質(zhì)模型由

4、2個(gè)模塊組成:模擬常規(guī)水質(zhì)的EUTRO5 模型和模擬有毒物質(zhì)污染的TOXI5 模型EUTRO5 模型用來(lái)分析常規(guī)的污染項(xiàng)目，包括溶解氧 生化需氧量 氨氮 葉綠素 a 有機(jī)氮 硝酸鹽 有機(jī)磷 無(wú)機(jī)磷8 種物質(zhì)在水體中的遷移變化情況;TOXI5 模型用來(lái)模擬有毒物質(zhì)的污染，包括有機(jī)化學(xué)物質(zhì) 金屬和泥沙等 DYNHYD5 水動(dòng)力模塊不具有模擬水利工程運(yùn)行的功能 。它的主要特點(diǎn)是: 基于 Windows 開(kāi)發(fā)友好用戶界面; 包括能夠轉(zhuǎn)化生成WASP 可識(shí)別的處理數(shù)據(jù)格式; 具有高效的富營(yíng)養(yǎng)化和有機(jī)污染物的處理模塊; 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的結(jié)果可直接進(jìn)行曲線比較[2]。但是由于它們的源碼不公開(kāi),給模型的二次開(kāi)

5、發(fā)帶來(lái)了很大限制。 2 WASP 的組成及其原理 2. 1 WASP的組成 WASP有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)程序 DYNHYD 和 WASP組成, 兩個(gè)程序可連接運(yùn)行, 也可以分開(kāi)執(zhí)行。 2. 2 WASP水質(zhì)模型 WASP程序也可與其它水動(dòng)力程序如 RIVMOD(一維) , SED3D(三維)相連運(yùn)行, 如果有已知水力參數(shù), 還可單獨(dú)運(yùn)行。WASP是水分析模擬程序,是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型模擬體系,它基于質(zhì)量守恒原理,待研究的水質(zhì)組分在水體中以某種形態(tài)存在,WASP在時(shí)空上追蹤某種水質(zhì)組分的變化。它由兩個(gè)子程序組成:有毒化學(xué)物模型 TOXI和富營(yíng)養(yǎng)化模型 EUTRO,分別模擬兩類典型的水

6、質(zhì)問(wèn)題: 傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(DO、 B OD和富營(yíng)養(yǎng)化) ; 有毒物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(有機(jī)化學(xué)物、 金屬、 沉積物等)。 TOX是有機(jī)化合物和重金屬在各類水體中遷移積累的動(dòng)態(tài)模型,，采用了EXAMS的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu), 結(jié)合 WASP 遷移結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的沉積平衡機(jī)理,它可以預(yù)測(cè)溶解態(tài)和吸附態(tài)化學(xué)物在河流中的變化情況。EUTRO采用了POTOMAC富營(yíng)養(yǎng)化模型的動(dòng)力學(xué),結(jié)合WASP遷移結(jié)構(gòu),該模型可預(yù)測(cè) DO、COD、 BOD、富營(yíng)化、 碳、葉綠素a、氨、硝酸鹽、有機(jī)氮、正磷酸鹽等物質(zhì)在河流中的變化情況[ 3 ]。 該模型的使用方法,首先是河網(wǎng)模型概化, 然后按照如下4個(gè)主要步驟進(jìn)行:水動(dòng)力研

7、究、質(zhì)量傳輸研究、水質(zhì)轉(zhuǎn)化研究和環(huán)境毒理學(xué)研究。第一步水動(dòng)力研究要應(yīng)用水動(dòng)力模型程序 DYNHYD; 第二步研究水流中物質(zhì)的傳輸,要靠示蹤劑研究和水質(zhì)模型程序WASP的TOXI模塊校驗(yàn)來(lái)完成;第三步研究水流和底質(zhì)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化, 要依靠實(shí)驗(yàn)室研究、現(xiàn)場(chǎng)觀察和試驗(yàn)、參數(shù)估計(jì)、模型研究相結(jié)合來(lái)完成,其模型計(jì)算結(jié)果要驗(yàn)證;最后一步研究污染物怎樣影響環(huán)境[4]。將 WASP5 水質(zhì)模型中的相關(guān)污染因子的循環(huán)考慮到二維水動(dòng)力模型，并建立二維水量水質(zhì)耦合模型， 同時(shí)增強(qiáng)水動(dòng)力水質(zhì)模型的適用性，從而節(jié)約時(shí)間和成本，達(dá)到模擬水環(huán)境的目的， 對(duì)湖區(qū)的水環(huán)境預(yù)測(cè)與污染防治具有很重要的作用。 2.2.1 二維水量數(shù)

8、學(xué)模型 基本方程： 方程(1)可表達(dá)為:， 式中，a為風(fēng)的密度;CD 為風(fēng)拖拽系數(shù);Wa 為水面以上10 m 處的風(fēng)速;為守恒物理量; 為 x 向通量;為y 向通量;h 為水深;u 和v 分別為x 和y 向垂線平均流速分量;C 為污染物垂線平均濃度;g 是重力加速度。源(或匯)項(xiàng) b(q)為 ， 其中 ， ， ， ， 式中， 和 分別是 x 向的水底底坡和摩阻坡度;和分別是 y 向的水底底坡和摩阻坡度;和 分別為x y 方向風(fēng)應(yīng)力;為擴(kuò)散系數(shù); 為梯度算子，是 Laplace 算子。 數(shù)值求解 對(duì)于任意單元 Ω(圖1)，其邊界為 ，對(duì)方程(1)進(jìn)行積分并利用散度定理可得到 F

9、VM 的基本方程，離散后，F(xiàn)VM 基本方程最終形式： 式中，b* (q)為單元的源項(xiàng)平均值;m 為單元邊總數(shù);為第 j 單元邊的長(zhǎng)度，單元邊法向通量為。式中為法向向量 n 與 x 軸的夾角。根據(jù)通量向量 f(q)和 g(q)的旋轉(zhuǎn)不變性， FVM 方程表達(dá)為，其中，，和是坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換和逆變換矩陣可見(jiàn)，問(wèn)題又歸結(jié)為確定法向通量，f(q)即跨單元邊界的水量 動(dòng)量 污染物輸運(yùn)量的通量，此時(shí)可通過(guò)解一維黎曼問(wèn)題求得 模型采用平面無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;時(shí)間項(xiàng)用顯格式離散 由黎曼近似解模型Osher格式求解法向數(shù)值通量。 2. 3 DYNHYD水動(dòng)力模型 DYNHYD適用于一維的水動(dòng)力模擬, 它描

10、述在淺水系統(tǒng)中長(zhǎng)波的傳播。適用條件是: 假定流動(dòng)是一維的;Coriolis和其它加速度相對(duì)于流動(dòng)方向可忽略; 渠道水深可變動(dòng)而水面寬度認(rèn)為基本不變; 波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于水深; 底坡適度。 DYNHYD程序以運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程為基礎(chǔ)。前者可預(yù)測(cè)水體流速和流量;后者可預(yù)測(cè)水位和河道體積。 2. 3.1運(yùn)動(dòng)方程： 式中為時(shí)變加速度,。為位變加速度，。為沿渠道方向重力加速度，。為阻力加速度，。為沿渠道方向風(fēng)加速度，。K為渠道方向。t為時(shí)間, s 。U為沿渠道的流速, m/ s。x為沿渠道的距離, m。 2. 3.2 連續(xù)性方程： 式中 Q 為流量; B為

11、寬度, m; H為水面高度(水頭) ,m;為水面高度隨時(shí)間變化率, m/ s;為單位寬度水體積變化率, m/ s。 3 WASP 的應(yīng)用及發(fā)展前景 3. 1 WASP模型的應(yīng)用 自 20世紀(jì) 80 年代 WASP模型提出以來(lái),已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。在國(guó)外,Thomann 和Fitzpatrick 對(duì)美國(guó)東部波托馬可河的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行模擬; Ambro se對(duì)美國(guó)東部特拉華港口的揮發(fā)性有機(jī)物污染進(jìn)行模擬; JRB 對(duì)美國(guó)卡羅萊納州的重金屬污染進(jìn)行模擬。在國(guó)內(nèi), 逄 勇等人[14]曾進(jìn)行了太湖藻類的動(dòng)態(tài)模擬研究, 探討了太湖藻類的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制, 對(duì)治理太湖藻、水華有一定的現(xiàn)實(shí)

12、意義;廖振良等對(duì) WASP模型進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),建立了蘇州河水質(zhì)模型, 并運(yùn)用該模型對(duì)蘇州河環(huán)境綜合整治一期工程中有關(guān)工程和方案進(jìn)行了模擬計(jì)算; 楊家寬等運(yùn)用 WASP6預(yù)測(cè)南水北調(diào)后襄樊段的水質(zhì), 最終的運(yùn)行結(jié)果令人都較為滿意,表明 WASP的水質(zhì)模擬能夠較好地模擬各種水質(zhì)過(guò)程。 3. 2 WASP模型的發(fā)展前景 在短短的20年間,WASP模型取得了飛速的發(fā)展,所建立的各類模型從總體上能較好地適用于各自的研究對(duì)象。WASP模型的最大特點(diǎn)是它的靈活性, 能與其它模型能夠很好地耦合,進(jìn)行二次開(kāi)發(fā), 使水質(zhì)模擬達(dá)到更加完善的效果。 3. 2. 1 WASP模型與EFDC模型耦合 WA

13、SP模型由于其子模塊的獨(dú)立性可以與其它模型相結(jié)合使用,目前較為廣泛使用的是與環(huán)境流體動(dòng)態(tài)模型 EFDC相耦合進(jìn)行水質(zhì)模擬。EFDC 是一個(gè)地表水模擬系統(tǒng), 其優(yōu)點(diǎn)十分明顯: 具有極強(qiáng)的問(wèn)題適應(yīng)能力;所采用的數(shù)值方法和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法代表了目前國(guó)際上水環(huán)境模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、 研究的主流方向; 其中所包括的多種水動(dòng)力過(guò)程; 模型本身還提供多種模擬計(jì)算方案。王建平等耦合 WASP和 EFDC 模型開(kāi)發(fā)了三維生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行密云水庫(kù)水質(zhì)模擬, 取得了令人滿意的結(jié)果。 3. 2. 2 基于地理信息系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā) 水質(zhì)模型是一種數(shù)學(xué)模型, 它在數(shù)值計(jì)算、 參數(shù)率定上具有長(zhǎng)處,但在數(shù)據(jù)管理和維護(hù)、 模擬

14、結(jié)果表現(xiàn)及空間分析上能力有限,為了提高水質(zhì)模型的預(yù)測(cè)、 模擬能力及易用性,出現(xiàn)了水質(zhì)模型與地理信息系統(tǒng)( GIS)技術(shù)集成的趨勢(shì)。將 GIS 與 WASP模型集成進(jìn)行研究是目前和今后一段時(shí)間內(nèi)主要的研究方向之一, 這項(xiàng)研究已在許多實(shí)際工程中得到了廣泛地應(yīng)用, 并取得了良好的成效。馬蔚純等基于 GIS平臺(tái)運(yùn)用 WASP模型對(duì)上海市蘇州河進(jìn)行水質(zhì)模擬, 賈海峰等應(yīng)用 GIS 與地表水質(zhì)模型WASP5的集成對(duì)密云水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行模擬研究, 結(jié)果令人滿意。 水質(zhì)模型與 GIS耦合的優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾方面: 利用數(shù)字化儀及 GIS將研究區(qū)域數(shù)字化,并進(jìn)行概化以及網(wǎng)格化, 使得模型的前期工作大大減少, 人

15、為誤差減小,精度提高; 利用 GIS的柵格矢量化功能可以生成高質(zhì)量的填充顏色的濃度分布圖;GIS的空間數(shù)據(jù)處理功能可以進(jìn)行實(shí)時(shí)濃度、 時(shí)間和空間的平均濃度的計(jì)算并顯示、輸出, 查詢模塊可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行訪問(wèn)和查詢。這樣為決策部門進(jìn)行區(qū)域污染監(jiān)控、 管理提供有效方便的科學(xué)手段; 利用可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)使得模型的結(jié)果更直觀、明確; 結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息集中管理和共享。我們相信, 基于地理信息系統(tǒng)的WASP 水質(zhì)模擬將是一個(gè)具有廣闊前景的發(fā)展方向。 [參考文獻(xiàn)] [ 1]水質(zhì)模型研究進(jìn)展與流域管理模型 WARMF評(píng)述[ J] . 水科學(xué)進(jìn)展 [ 2]WASP6 水質(zhì)模型

16、應(yīng)用于漢江襄樊段水質(zhì)模擬研究[ J] . 水資源保護(hù) [ 3]水質(zhì)模型、 生態(tài)模型及計(jì)算機(jī)模型軟件[ J] . 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展 [ 4]WASP- 5 系統(tǒng)及其述評(píng)[ J] . 上海環(huán)境科學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境工程專業(yè)08級(jí) 楊迪 學(xué)號(hào)20072101088