环境系统分析论文

WASP 水质模型及其研究进展摘 要 WASP(The water qual ity analysis simulation program,水质分析模拟程序)是EPA推荐使用的水质模型软件, 使用较为广泛,能够模拟河流、湖泊、水库、 河口等多种水体的稳态和非稳态的水质过程。介绍了 WASP 的组成 (DYNHYD、 EUTRO、TOXI)、基本原理及 EUTRO中8个指标之间的相互转化,最后介绍了该模型在国内外的应用和发展前景、方向。关键词 WASP;DYNHYD,EUTRO,TOXI,水质模拟; EFDC; GIS前言 水是人类生存与发展之本, 水质模型研究一直是环境科学研究的重要内容之一。它研究天然水在自然或人类活动影响下水质随时间和空间变化规律的数学描述,涉及气象、水文、水力、水化学、水生物、湖沼、土壤、沉积物、数学、计算机等多门学科知识, 直接为水质评价、 预测及污染调控与管理提供依据 1。在众多水质模拟中, 比较先进、 应用较多的主要有最早的 Streeter - Phelps 模型体系、 20世纪 70 年代初期的多变量水质模型 QUAL- I 模型、70 年代中期的非恒定水质模型QUAL- II模型和 80 年代功能全面的水质模型WASP系列。本文主要介绍 WASP模型的基本原理及其发展前景。1 WASP 水质模型概述WASP(The water q uali ty analysi s simulatio n program, 水质分析模拟程序)是美国环境保护局提出的水质模型系统,能够用于不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况, 可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、 湖泊和河口三维不稳定流、 常规污染物(包括溶解氧、 生物耗氧量、 营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、 金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律,被称为万能水质模型 2。WASP模型系统由2个独立的程序组成:水动力模型程序 DYNHYD5和水质模型程序WASP5 水质模型由2个模块组成:模拟常规水质的EUTRO5 模型和模拟有毒物质污染的TOXI5 模型EUTRO5 模型用来分析常规的污染项目，包括溶解氧 生化需氧量 氨氮 叶绿素 a 有机氮 硝酸盐 有机磷 无机磷8 种物质在水体中的迁移变化情况;TOXI5 模型用来模拟有毒物质的污染，包括有机化学物质 金属和泥沙等 DYNHYD5 水动力模块不具有模拟水利工程运行的功能 。它的主要特点是: 基于 Windows 开发友好用户界面; 包括能够转化生成WASP 可识别的处理数据格式; 具有高效的富营养化和有机污染物的处理模块; 计算结果与实测的结果可直接进行曲线比较2。但是由于它们的源码不公开,给模型的二次开发带来了很大限制。2 WASP 的组成及其原理2. 1 WASP的组成WASP有两个独立的计算机程序 DYNHYD 和 WASP组成, 两个程序可连接运行, 也可以分开执行。2. 2 WASP水质模型 WASP程序也可与其它水动力程序如 RIVMOD(一维) , SED3D(三维)相连运行, 如果有已知水力参数, 还可单独运行。WASP是水分析模拟程序,是一个动态模型模拟体系,它基于质量守恒原理,待研究的水质组分在水体中以某种形态存在,WASP在时空上追踪某种水质组分的变化。它由两个子程序组成:有毒化学物模型 TOXI和富营养化模型 EUTRO,分别模拟两类典型的水质问题: 传统污染物的迁移转化规律(DO、 B OD和富营养化) ; 有毒物质迁移转化规律(有机化学物、 金属、 沉积物等)。TOX是有机化合物和重金属在各类水体中迁移积累的动态模型,，采用了EXAMS的动力学结构, 结合 WASP 迁移结构和简单的沉积平衡机理,它可以预测溶解态和吸附态化学物在河流中的变化情况。EUTRO采用了POTOMAC富营养化模型的动力学,结合WASP迁移结构,该模型可预测 DO、COD、 BOD、富营化、 碳、叶绿素a、氨、硝酸盐、有机氮、正磷酸盐等物质在河流中的变化情况 3 。该模型的使用方法,首先是河网模型概化, 然后按照如下4个主要步骤进行:水动力研究、质量传输研究、水质转化研究和环境毒理学研究。第一步水动力研究要应用水动力模型程序 DYNHYD; 第二步研究水流中物质的传输,要靠示踪剂研究和水质模型程序WASP的TOXI模块校验来完成;第三步研究水流和底质中的物质转化, 要依靠实验室研究、现场观察和试验、参数估计、模型研究相结合来完成,其模型计算结果要验证;最后一步研究污染物怎样影响环境4。将 WASP5 水质模型中的相关污染因子的循环考虑到二维水动力模型，并建立二维水量水质耦合模型， 同时增强水动力水质模型的适用性，从而节约时间和成本，达到模拟水环境的目的， 对湖区的水环境预测与污染防治具有很重要的作用。2.2.1 二维水量数学模型基本方程：方程(1)可表达为:， 式中，a为风的密度;CD 为风拖拽系数;Wa 为水面以上10 m 处的风速;为守恒物理量;为 x 向通量;为y 向通量;h 为水深;u 和v 分别为x 和y 向垂线平均流速分量;C 为污染物垂线平均浓度;g 是重力加速度。源(或汇)项 b(q)为 ， 其中 ， ， ， ， 式中， 和 分别是 x 向的水底底坡和摩阻坡度;和分别是 y 向的水底底坡和摩阻坡度;和 分别为x y 方向风应力;为扩散系数; 为梯度算子，是 Laplace 算子。数值求解对于任意单元 (图1)，其边界为 ，对方程(1)进行积分并利用散度定理可得到 FVM 的基本方程，离散后，FVM 基本方程最终形式： 式中，b* (q)为单元的源项平均值;m 为单元边总数;为第 j 单元边的长度，单元边法向通量为。式中为法向向量 n 与 x 轴的夹角。根据通量向量 f(q)和 g(q)的旋转不变性， FVM 方程表达为，其中，和是坐标旋转变换和逆变换矩阵可见，问题又归结为确定法向通量，f(q)即跨单元边界的水量 动量 污染物输运量的通量，此时可通过解一维黎曼问题求得 模型采用平面无结构网格;时间项用显格式离散 由黎曼近似解模型Osher格式求解法向数值通量。2. 3 DYNHYD水动力模型DYNHYD适用于一维的水动力模拟, 它描述在浅水系统中长波的传播。适用条件是: 假定流动是一维的;Coriolis和其它加速度相对于流动方向可忽略; 渠道水深可变动而水面宽度认为基本不变; 波长远大于水深; 底坡适度。DYNHYD程序以运动方程和连续方程为基础。前者可预测水体流速和流量;后者可预测水位和河道体积。2. 3.1运动方程： 式中为时变加速度,。为位变加速度，。为沿渠道方向重力加速度，。为阻力加速度，。为沿渠道方向风加速度，。K为渠道方向。t为时间, s 。U为沿渠道的流速, m/ s。x为沿渠道的距离, m。2. 3.2 连续性方程： 式中 Q 为流量; B为宽度, m; H为水面高度(水头) ,m;为水面高度随时间变化率, m/ s;为单位宽度水体积变化率, m/ s。3 WASP 的应用及发展前景 3. 1 WASP模型的应用自 20世纪 80 年代 WASP模型提出以来,已在国内外得到了广泛应用。在国外,Thomann 和Fitzpatrick 对美国东部波托马可河的富营养化进行模拟; Ambro se对美国东部特拉华港口的挥发性有机物污染进行模拟; JRB 对美国卡罗莱纳州的重金属污染进行模拟。在国内, 逄 勇等人14曾进行了太湖藻类的动态模拟研究, 探讨了太湖藻类的动态变化机制, 对治理太湖藻、水华有一定的现实意义;廖振良等对 WASP模型进行了二次开发,建立了苏州河水质模型, 并运用该模型对苏州河环境综合整治一期工程中有关工程和方案进行了模拟计算; 杨家宽等运用 WASP6预测南水北调后襄樊段的水质, 最终的运行结果令人都较为满意,表明 WASP的水质模拟能够较好地模拟各种水质过程。3. 2 WASP模型的发展前景在短短的20年间,WASP模型取得了飞速的发展,所建立的各类模型从总体上能较好地适用于各自的研究对象。WASP模型的最大特点是它的灵活性, 能与其它模型能够很好地耦合,进行二次开发, 使水质模拟达到更加完善的效果。3. 2. 1 WASP模型与EFDC模型耦合WASP模型由于其子模块的独立性可以与其它模型相结合使用,目前较为广泛使用的是与环境流体动态模型 EFDC相耦合进行水质模拟。EFDC 是一个地表水模拟系统, 其优点十分明显: 具有极强的问题适应能力;所采用的数值方法和系统开发方法代表了目前国际上水环境模拟系统开发、 研究的主流方向; 其中所包括的多种水动力过程; 模型本身还提供多种模拟计算方案。王建平等耦合 WASP和 EFDC 模型开发了三维生态动力学模型来进行密云水库水质模拟, 取得了令人满意的结果。3. 2. 2 基于地理信息系统的二次开发水质模型是一种数学模型, 它在数值计算、 参数率定上具有长处,但在数据管理和维护、 模拟结果表现及空间分析上能力有限,为了提高水质模型的预测、 模拟能力及易用性,出现了水质模型与地理信息系统( GIS)技术集成的趋势。将 GIS 与 WASP模型集成进行研究是目前和今后一段时间内主要的研究方向之一, 这项研究已在许多实际工程中得到了广泛地应用, 并取得了良好的成效。马蔚纯等基于 GIS平台运用 WASP模型对上海市苏州河进行水质模拟, 贾海峰等应用 GIS 与地表水质模型WASP5的集成对密云水库的水质进行模拟研究, 结果令人满意。水质模型与 GIS耦合的优越性表现在以下几方面: 利用数字化仪及 GIS将研究区域数字化,并进行概化以及网格化, 使得模型的前期工作大大减少, 人为误差减小,精度提高; 利用 GIS的栅格矢量化功能可以生成高质量的填充颜色的浓度分布图;GIS的空间数据处理功能可以进行实时浓度、 时间和空间的平均浓度的计算并显示、输出, 查询模块可以对结果进行访问和查询。这样为决策部门进行区域污染监控、 管理提供有效方便的科学手段; 利用可视化开发语言开发的系统使得模型的结果更直观、明确; 结合计算机技术实现了数据信息集中管理和共享。我们相信, 基于地理信息系统的WASP 水质模拟将是一个具有广阔前景的发展方向。参考文献 1水质模型研究进展与流域管理模型 WARMF评述 J . 水科学进展 2WASP6 水质模型应用于汉江襄樊段水质模拟研究 J . 水资源保护 3水质模型、 生态模型及计算机模型软件 J . 环境科学进展 4WASP- 5 系统及其述评 J . 上海环境科学 环境科学与工程学院 环境工程专业08级 杨迪 学号20072101088