環(huán)境系統(tǒng)分析論文

1、wasp 水質(zhì)模型及其研究進展摘 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、 河口等多種水體的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的水質(zhì)過程。介紹了 wasp 的組成 (dynhyd、 eutro、toxi)、基本原理及 eutro中8個指標之間的相互轉(zhuǎn)化,最后介紹了該模型在國內(nèi)外的應用和發(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, 水質(zhì)模型研究一直是環(huán)境科學研究的重要內(nèi)容之一

2、。它研究天然水在自然或人類活動影響下水質(zhì)隨時間和空間變化規(guī)律的數(shù)學描述,涉及氣象、水文、水力、水化學、水生物、湖沼、土壤、沉積物、數(shù)學、計算機等多門學科知識, 直接為水質(zhì)評價、 預測及污染調(diào)控與管理提供依據(jù) 1。在眾多水質(zhì)模擬中, 比較先進、 應用較多的主要有最早的 streeter - phelps 模型體系、 20世紀 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 水質(zhì)模型概述wasp(the water q uali ty

3、 analysi s simulatio n program, 水質(zhì)分析模擬程序)是美國環(huán)境保護局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng),能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預測由于自然和人為污染造成的各種水質(zhì)狀況, 可以模擬水文動力學、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、 營養(yǎng)物質(zhì)以及海藻污染)和有毒污染物(包括有機化學物質(zhì)、 金屬和沉積物)在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律,被稱為萬能水質(zhì)模型 2。wasp模型系統(tǒng)由2個獨立的程序組成:水動力模型程序 dynhyd5和水質(zhì)模型程序wasp5 水質(zhì)模型由2個模塊組成:模擬常規(guī)水質(zhì)的eutro5 模型和模擬有毒物質(zhì)污染的toxi

4、5 模型eutro5 模型用來分析常規(guī)的污染項目，包括溶解氧 生化需氧量 氨氮 葉綠素 a 有機氮 硝酸鹽 有機磷 無機磷8 種物質(zhì)在水體中的遷移變化情況;toxi5 模型用來模擬有毒物質(zhì)的污染，包括有機化學物質(zhì) 金屬和泥沙等 dynhyd5 水動力模塊不具有模擬水利工程運行的功能 。它的主要特點是: 基于 windows 開發(fā)友好用戶界面; 包括能夠轉(zhuǎn)化生成wasp 可識別的處理數(shù)據(jù)格式; 具有高效的富營養(yǎng)化和有機污染物的處理模塊; 計算結(jié)果與實測的結(jié)果可直接進行曲線比較2。但是由于它們的源碼不公開,給模型的二次開發(fā)帶來了很大限制。2 wasp 的組成及其原理2. 1 wasp的組成wasp

5、有兩個獨立的計算機程序 dynhyd 和 wasp組成, 兩個程序可連接運行, 也可以分開執(zhí)行。2. 2 wasp水質(zhì)模型 wasp程序也可與其它水動力程序如 rivmod(一維) , sed3d(三維)相連運行, 如果有已知水力參數(shù), 還可單獨運行。wasp是水分析模擬程序,是一個動態(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在時空上追蹤某種水質(zhì)組分的變化。它由兩個子程序組成:有毒化學物模型 toxi和富營養(yǎng)化模型 eutro,分別模擬兩類典型的水質(zhì)問題: 傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(do、 b od和富營養(yǎng)化) ; 有毒物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(有機化學物、

6、金屬、 沉積物等)。tox是有機化合物和重金屬在各類水體中遷移積累的動態(tài)模型,，采用了exams的動力學結(jié)構(gòu), 結(jié)合 wasp 遷移結(jié)構(gòu)和簡單的沉積平衡機理,它可以預測溶解態(tài)和吸附態(tài)化學物在河流中的變化情況。eutro采用了potomac富營養(yǎng)化模型的動力學,結(jié)合wasp遷移結(jié)構(gòu),該模型可預測 do、cod、 bod、富營化、 碳、葉綠素a、氨、硝酸鹽、有機氮、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個主要步驟進行:水動力研究、質(zhì)量傳輸研究、水質(zhì)轉(zhuǎn)化研究和環(huán)境毒理學研究。第一步水動力研究要應用水動力模型程序 dynhyd; 第二步研究水流中

7、物質(zhì)的傳輸,要靠示蹤劑研究和水質(zhì)模型程序wasp的toxi模塊校驗來完成;第三步研究水流和底質(zhì)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化, 要依靠實驗室研究、現(xiàn)場觀察和試驗、參數(shù)估計、模型研究相結(jié)合來完成,其模型計算結(jié)果要驗證;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)考慮到二維水動力模型，并建立二維水量水質(zhì)耦合模型， 同時增強水動力水質(zhì)模型的適用性，從而節(jié)約時間和成本，達到模擬水環(huán)境的目的， 對湖區(qū)的水環(huán)境預測與污染防治具有很重要的作用。2.2.1 二維水量數(shù)學模型基本方程：方程(1)可表達為:， 式中，a為風的密度;cd 為風拖拽系數(shù);wa 為水面以上10 m 處的風速;為守恒物理

8、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 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 方向風應力;為擴散系數(shù); 為梯度算子，是 laplace 算子。數(shù)值求解對于任意單元 (圖1)，其邊界為 ，對方程(1)進行積分并利用散度定理可得到 fvm 的基本方程，離散后，fvm 基本方程最終形式： 式中，b* (q)為單元的源項平均值;m 為單元邊總數(shù);為第 j 單元邊的長度，單元邊法向通量為。式中

9、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 方程表達為，其中，和是坐標旋轉(zhuǎn)變換和逆變換矩陣可見，問題又歸結(jié)為確定法向通量，f(q)即跨單元邊界的水量 動量 污染物輸運量的通量，此時可通過解一維黎曼問題求得 模型采用平面無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;時間項用顯格式離散 由黎曼近似解模型osher格式求解法向數(shù)值通量。2. 3 dynhyd水動力模型dynhyd適用于一維的水動力模擬, 它描述在淺水系統(tǒng)中長波的傳播。適用條件是: 假定流動是一維的;coriolis和其它加速度相對于流動方向可忽略; 渠道水深可變動而水面寬度認為基本不變; 波長遠大于水深; 底坡適度。d

10、ynhyd程序以運動方程和連續(xù)方程為基礎(chǔ)。前者可預測水體流速和流量;后者可預測水位和河道體積。2. 3.1運動方程： 式中為時變加速度,。為位變加速度，。為沿渠道方向重力加速度，。為阻力加速度，。為沿渠道方向風加速度，。k為渠道方向。t為時間, 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為寬度, m; h為水面高度(水頭) ,m;為水面高度隨時間變化率, m/ s;為單位寬度水體積變化率, m/ s。3 wasp 的應用及發(fā)展前景 3. 1 wasp模型的應用自 20世紀 80 年代 wasp模型提出以來,已在國內(nèi)外得到了廣泛

11、應用。在國外,thomann 和fitzpatrick 對美國東部波托馬可河的富營養(yǎng)化進行模擬; ambro se對美國東部特拉華港口的揮發(fā)性有機物污染進行模擬; jrb 對美國卡羅萊納州的重金屬污染進行模擬。在國內(nèi), 逄 勇等人14曾進行了太湖藻類的動態(tài)模擬研究, 探討了太湖藻類的動態(tài)變化機制, 對治理太湖藻、水華有一定的現(xiàn)實意義;廖振良等對 wasp模型進行了二次開發(fā),建立了蘇州河水質(zhì)模型, 并運用該模型對蘇州河環(huán)境綜合整治一期工程中有關(guān)工程和方案進行了模擬計算; 楊家寬等運用 wasp6預測南水北調(diào)后襄樊段的水質(zhì), 最終的運行結(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

12、水質(zhì)過程。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象。wasp模型的最大特點是它的靈活性, 能與其它模型能夠很好地耦合,進行二次開發(fā), 使水質(zhì)模擬達到更加完善的效果。3. 2. 1 wasp模型與efdc模型耦合wasp模型由于其子模塊的獨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)境流體動態(tài)模型 efdc相耦合進行水質(zhì)模擬。efdc 是一個地表水模擬系統(tǒng), 其優(yōu)點十分明顯: 具有極強的問題適應能力;所采用的數(shù)值方法和系統(tǒng)開發(fā)方法代表了目前國際上水環(huán)境模擬系統(tǒng)開發(fā)、 研究的主流方向; 其中所包括

13、的多種水動力過程; 模型本身還提供多種模擬計算方案。王建平等耦合 wasp和 efdc 模型開發(fā)了三維生態(tài)動力學模型來進行密云水庫水質(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)的二次開發(fā)水質(zhì)模型是一種數(shù)學模型, 它在數(shù)值計算、 參數(shù)率定上具有長處,但在數(shù)據(jù)管理和維護、 模擬結(jié)果表現(xiàn)及空間分析上能力有限,為了提高水質(zhì)模型的預測、 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。將 gis 與 wasp模型集成進行研究是目前和今后一段時間內(nèi)主要的研究方向之一, 這項研究已在許多實際工程中得到了廣泛地應用, 并取得了良好的成效。馬蔚純等基于 gis平臺運

14、用 wasp模型對上海市蘇州河進行水質(zhì)模擬, 賈海峰等應用 gis 與地表水質(zhì)模型wasp5的集成對密云水庫的水質(zhì)進行模擬研究, 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,并進行概化以及網(wǎng)格化, 使得模型的前期工作大大減少, 人為誤差減小,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)處理功能可以進行實時濃度、 時間和空間的平均濃度的計算并顯示、輸出, 查詢模塊可以對結(jié)果進行訪問和查詢。這樣為決策部門進行區(qū)域污染監(jiān)控、 管理提供有效方便的科學手段; 利用可視化開發(fā)語言開發(fā)的系統(tǒng)使得模型的結(jié)果更直觀、明確; 結(jié)合計算機技術(shù)實現(xiàn)了