論水質(zhì)模型在武漢水環(huán)境管理中的應(yīng)用

1、論水質(zhì)模型在武漢水環(huán)境管理中的應(yīng)用論文導(dǎo)讀：并分別建立這些水域的陸地、水動力和水質(zhì)模型。圖2-1SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的關(guān)系。圖2-2SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的關(guān)系。模型是美國HydroQual公司的第三代水質(zhì)模型。關(guān)鍵詞：水質(zhì)模型，SWMM模型，ECOM模型，RCA模型1 緒論水質(zhì)模型是應(yīng)用物理學(xué)生物學(xué)化學(xué)、 數(shù)學(xué)等方面的知識，在監(jiān)測和收集有關(guān)數(shù)據(jù)的根底上，借助編制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)手段，模擬、反映和預(yù)測水質(zhì)變化的情況。水質(zhì)模型最根本的功能是模擬和預(yù)測污染物在水環(huán)境中的行為。博士論文，ECOM模型。污染物在遷徙的過程中行為非常復(fù)雜。用模型的方法有助于

2、了解污染物的運(yùn)動規(guī)律，而且省時(shí)，經(jīng)濟(jì)。國外的學(xué)者在這方面做了很多工作，研究也較為成熟，獲得了較多成功實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，但在國內(nèi)以研究的深入和成熟度而言，本工程尚屬首例。武漢市水資源非常豐富。地表水分布以長江和漢江為主干，還有府河、東湖等等，河流縱橫交錯，湖泊庫塘星布，構(gòu)成了龐大的地表水網(wǎng)，水域面積占全市總面積的 1/4。然而，快速的經(jīng)濟(jì)增長、工業(yè)化、城市化和造成的污染量的上升，給武漢市的水環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。二十世紀(jì)八十年代以來，長江水質(zhì)不斷惡化，從II類水體到目前旱季武漢段全部不到III類水平，其它季節(jié)，全年三分之二的時(shí)間不到III類水體。使武漢市處于優(yōu)于水而憂于水;的為難境地。為了全面提升武漢

3、市水環(huán)境管理的能力，為優(yōu)化污水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)的決策支持系統(tǒng)，2003年亞行和武漢市把建設(shè)水質(zhì)模型工程作為提升武漢市水環(huán)境管理水平的一局部，列入了亞行貸款武漢污水管理工程中。博士論文，ECOM模型。該工程總投資250萬美元，于2007年開始實(shí)施，2021年10月份根本完成。主要內(nèi)容是通過對東湖、南湖、長江武漢段、漢江武漢段等重點(diǎn)水域的水質(zhì)、水文、氣象等歷史與現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并分別建立這些水域的陸地、水動力和水質(zhì)模型，從而形成一套能自行分析、計(jì)算并且有模擬預(yù)測功能的水環(huán)境監(jiān)控管理工作平臺，為武漢市的水環(huán)境管理提供決策依據(jù)。2 武漢水質(zhì)模型的研究目的、方法、主要內(nèi)容及根本功能2.1

4、本工程的主要目的通過初步建立東湖、南湖、長江、漢江等試點(diǎn)水體的水質(zhì)模型，為江湖排污口的合理布局、排污方式排水體制的科學(xué)選擇、治污工程的方案優(yōu)化乃至城市排水系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃等方面提供模擬演示并對水體水質(zhì)變化情況進(jìn)行定時(shí)、定量、定性分析、結(jié)合城市建設(shè)規(guī)劃科學(xué)地預(yù)測試點(diǎn)水體水環(huán)境質(zhì)量未來變化趨勢，以便為武漢市水環(huán)境治理提供科學(xué)技術(shù)分析平臺，為恢復(fù)和改善水環(huán)境質(zhì)量、提高水環(huán)境管理提供決策依據(jù)水平。2.2本工程的研究方法根據(jù)建立的試點(diǎn)水體的水質(zhì)模型，采用遞交求近法，通過比擬模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整、率定，逐步完善模型，力求提高模型精確度。2.3本工程的主要研究內(nèi)容1資料分析：通過對現(xiàn)有水體

5、及水質(zhì)資料的分析，了解系統(tǒng)中存在的物理和化學(xué)過程。2模塊劃分：構(gòu)建網(wǎng)格以準(zhǔn)確地表達(dá)河岸線變化特性，河、湖的邊界。3模型率定：將模擬值與實(shí)測值進(jìn)行對照以校正模型參數(shù)。4模型驗(yàn)證：根據(jù)現(xiàn)有資料，對模型模擬的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。5模型試驗(yàn)：在整個模擬工作過程中，將通過多種數(shù)模試驗(yàn)來決定模型的精確性。6模型預(yù)測：在率定、驗(yàn)證模型以及建立一套統(tǒng)一的模型系數(shù)后，模型將用于對各種改善方案的效益進(jìn)行預(yù)測及評估。建模流程見圖2-1：圖2-1 建模流程圖2.4武漢水質(zhì)模型設(shè)定的根本功能1診斷：深入了解污染負(fù)荷與水質(zhì)現(xiàn)象的變化機(jī)制，由此可推演出各種有效的改善方案。2預(yù)測：提供評估現(xiàn)有及預(yù)測未來水質(zhì)狀況的科學(xué)依據(jù)。3規(guī)

6、劃：從現(xiàn)代科學(xué)和工程角度設(shè)定公平合理的排放標(biāo)準(zhǔn)及工程方案。4管理：提供決策者一套精確及有效地科學(xué)管理工具。3 武漢水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)及根本原理武漢水質(zhì)模型建立由三局部組成，即：SWMM-流域模型、ECOM-水動力模型、RCA-水質(zhì)模型，三個模型相互關(guān)聯(lián)，相互支持，三者之間的具體關(guān)系如圖2-1、2-2所示。圖2-1 SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的關(guān)系圖2-2 SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的關(guān)系SWMM-流域模型利用集水區(qū)域面積與形狀、非滲透比例、傾斜/粗糙數(shù)、污水管道系統(tǒng)與湖泊/河流相連接等流域信息以及降雨強(qiáng)度來計(jì)算徑流量以及污染物負(fù)荷，用戶圖形界面將把由城市陸地徑流模型計(jì)算出

7、的水流量與ECOM水動力模型的輸入值相連，其計(jì)算出來的點(diǎn)源和面源負(fù)荷也可以作為RCA-水質(zhì)模型的輸入條件。ECOM-水動力模型輸入值包括使其能夠利用氣象參數(shù)準(zhǔn)確地計(jì)算水溫。該模型還包括風(fēng)浪子模型，用于計(jì)算底部剪應(yīng)力(輸送進(jìn)水質(zhì)模型并用于沉積物再懸浮計(jì)算)。ECOM-水動力模型的輸出值被作為輸入值送入RCA水質(zhì)模型中。RCA-水質(zhì)模型有一系列的模塊來處理各種水質(zhì)問題。這包括常規(guī)污染物(需氧量，碳質(zhì)生化需氧量，氮質(zhì)生化需氧量，富營養(yǎng)化，病原微生物)以及一系列有機(jī)/無機(jī)有毒污染物。3.1SWMM陸域模型SWMM模型全稱Storm Water Management Model，是由美國環(huán)保局和CDM公

8、司聯(lián)合開發(fā)，免費(fèi)使用、編碼公開的公共模型，在世界范圍內(nèi)得以廣泛使用和測試，適用于城市水域和排水系統(tǒng)，是美國環(huán)保局研制的模擬城市雨水、洪水和水質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型。1集水區(qū)與子集水區(qū)在SWMM模型中,一般將一個集水區(qū)劃分成假設(shè)干個子集水區(qū),根據(jù)各子集水區(qū)的特性分別計(jì)算其徑流過程,并通過流量演算的方法將各子集水區(qū)的出流組合起來。各子集水區(qū)按其透水特性可分成透水區(qū)和不透水區(qū)。不透水區(qū)又有滯蓄庫容和無滯蓄庫容之分。有、無滯蓄即在暴雨初始是否立即產(chǎn)生地表徑流,以反映不同的地表特性對產(chǎn)流的影響。2地表產(chǎn)匯流計(jì)算對于無滯蓄不透水區(qū),凈雨量等于它的降雨量。博士論文，ECOM模型。對于有滯蓄的不透水區(qū), 凈雨量等于

9、從降雨過程中去除初損量，主要是填洼量。博士論文，ECOM模型。而透水區(qū)要考慮填洼和下滲兩方面的損失量,模型是通過霍頓模型及格林安普特模型來計(jì)算下滲量的。模型通過地表匯流演算把各個子集水區(qū)的凈雨量轉(zhuǎn)化成子集水區(qū)的出流。在模型中,把子集水區(qū)的3個組成局部近似作為非線性水庫處理而實(shí)現(xiàn)的,即聯(lián)立求解曼寧方程和連續(xù)方程。3排水系統(tǒng)的流量演算SWMM模型包括徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)展的輸送模塊、調(diào)蓄/處理模塊和受納水體模塊等主要模塊。模型采用輸送模塊和擴(kuò)展輸送模塊進(jìn)行排水系統(tǒng)的演算。圖3-1和圖3-2是SWMM模型的建模過程和SWMM模型所需的數(shù)據(jù)資料。圖3-1 SWMM模型建模過程圖3-2 SWMM模型所

10、需數(shù)據(jù)資料3.2 ECOM水動力模型ECOM可在一、二、三維模式下運(yùn)行。在二維(橫向平均)與三維模式下，水體的垂直分割可以基于本地水深的分層或固定厚度的分層兩種方式。模型輸入值包括可以計(jì)算底部剪應(yīng)力。該模型還包括一個熱通量子模型,能夠利用氣象參數(shù)準(zhǔn)確地計(jì)算水溫。ECOM模型還能夠同時(shí)反映不規(guī)那么海岸線和局部水體的各種深度，而且，ECOM模型的計(jì)算機(jī)代碼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜接口技術(shù)，將模型的輸出與RCA的輸入直接對接。建立水動力模型的第一步是建立一個定義分析工作空間范圍與精確度的網(wǎng)格。網(wǎng)格設(shè)計(jì)可提供不同水平的平面解析度。比方，該網(wǎng)格可以在特殊研究區(qū)域(如污水排放點(diǎn)或供水取水點(diǎn))或在水深變化劇烈的區(qū)域使

11、用小的網(wǎng)格間隙，即高分辨率。河流系統(tǒng)要求的垂直解析度將在評估了水溫與水質(zhì)參數(shù)(如溶解氧或顆粒物質(zhì))在垂直方向的梯度之后確定。水動力模型需要模型研究范圍內(nèi)底部測深的描述以及由城市與郊區(qū)陸地模型生成的隨時(shí)間變化的通過上游邊界與支流的流入量、污水流入量、水提取量、以及雨水流入量。最后，氣象條件可能成為重要的影響函數(shù)。因此，風(fēng)速與風(fēng)向、氣溫、相對濕度、云層遮蓋率、大氣壓以及太陽輻射均是必須的輸入值。水體內(nèi)的升溫與降溫由熱通量計(jì)算提供。該計(jì)算除了考慮上游流入水的水溫以及通過下游邊界的熱損失通量，還考慮了太陽輻射、近水氣溫、濕度以及云層遮蓋率。風(fēng)速與風(fēng)向除了影響水體的升溫與降溫之外，還會影響系統(tǒng)內(nèi)的湍流程

12、度。最后，在將波浪模型參加計(jì)算后，風(fēng)速與風(fēng)向?qū)⒂绊懖ɡ四Ｊ?，并由此有助于理解系統(tǒng)中可能的沉積物傳輸(該特性對于湖泊模型更為重要)。模型率定使用遞次求近法。博士論文，ECOM模型。通過比擬模型結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)來評估與改善模型參數(shù)。模型的驗(yàn)證是律定工作的延伸，用于保證律定后的模型可以表現(xiàn)更長時(shí)間段內(nèi)變量與條件。雖然相互關(guān)聯(lián)，這兩個步驟可以被分成兩個過程?？捎脭?shù)據(jù)中的一局部被用于率定，剩下的被用于驗(yàn)證。水動力模型的模型數(shù)據(jù)比擬工作將由可獲得的數(shù)據(jù)來決定，但可以包括水流、水速以及垂直溫度圖。圖3-3是ECOM模型所需要收集的數(shù)據(jù)資料。圖3-3 ECOM模型所需數(shù)據(jù)資料3.3 RCA水質(zhì)模型RCA模型是美

13、國HydroQual公司的第三代水質(zhì)模型，可用于大型河流、湖泊、河口及海岸的水質(zhì)模擬，全稱ROW-Column AESOP。RCA模型可以直接與水動力計(jì)算模型ECOM和ECOMSED相兼容，直接利用與水動力模型相同的網(wǎng)格、幾何信息，以及水動力計(jì)算輸出的流場信息。RCA可以直接從水動力模型中獲得平流和散流的流場RCA模型以研究區(qū)域中所有進(jìn)入和離開所研究水體的二維變量和狀態(tài)變量的質(zhì)量平衡為根底，構(gòu)建質(zhì)量平衡方程式進(jìn)行計(jì)算。質(zhì)量平衡方程式中考慮的參數(shù)包括：各模型網(wǎng)格片斷間平流和散流的橫向、豎向和側(cè)向分量；各模網(wǎng)格型片斷中二元變量的生物、化學(xué)、物理轉(zhuǎn)化；以及通過點(diǎn)源、面源、支流、大氣影響水體的水質(zhì)變量

14、。整個模型的框架包括兩個局部組成：1潮汐、氣象、生系統(tǒng)以及密度梯度對物質(zhì)傳輸?shù)挠绊懀?在變量和外部輸入之間的動力學(xué)相互作用。淡水流密度梯度、潮汐以及風(fēng)引起的混合是水體中水質(zhì)要素流動的主要原因。外部進(jìn)入成分以及污染物都有多種來源，包括：市政和工業(yè)污水排放，加上污水外溢CSOs、下水道污水外溢SSOs、天然地表徑流和大氣沉降到水體的水面。RCA直接利用水動力模型提供的干濕網(wǎng)格、幾何信息、流場信息、流量等數(shù)據(jù)。如圖3-4所示，水動力模型輸出文件經(jīng)過10-test;測試水動力是否流量守衡，如果測試顯示錯誤那么對水動力模型進(jìn)行10-test;錯誤檢查，如果測試通過那么結(jié)合已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入文件，合并運(yùn)行

15、RCA模型。模型結(jié)果將與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)相比照，然后對參數(shù)反復(fù)率定，以取得最正確參數(shù)組合。圖3-45RCA模型的構(gòu)建圖3-5 RCA模型的結(jié)構(gòu)框架圖3-5是RCA模型的結(jié)構(gòu)框架，主要描述了RCA模型所需的數(shù)據(jù)輸入文件構(gòu)成。RCA模型除需要水動力模型提供的文件外，還需要用根據(jù)實(shí)際監(jiān)測準(zhǔn)備邊界條件文件、點(diǎn)源負(fù)荷文件、面源負(fù)荷文件、支流文件、初始條件文件、參數(shù)函數(shù)文件以及底泥文件，另外還需要一個文本格式的主控制文件。博士論文，ECOM模型。模型結(jié)果可以通過H4D程序直觀形象的看到某水體的水質(zhì)變化情況如圖3-6所示，也提取某觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)直接觀察該點(diǎn)的水質(zhì)變量隨時(shí)間的變化趨勢如圖3-7所示。圖3-6 H4D可

16、視化結(jié)果顯示圖3-7 某觀測點(diǎn)隨時(shí)間變化趨勢圖4水質(zhì)模型在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用情況4.1起源與開展水質(zhì)模型起源于1925年美國工程師Streeter和Phelps的氧平衡模型，即Streeter-PhelpsS-P水質(zhì)模型，該模型最初被應(yīng)用于城市排水工程的設(shè)計(jì)和簡單水體自凈作用研究。S-P水質(zhì)模型原理相當(dāng)合理，因此至今仍使用其某些修正形式。自S-P水質(zhì)模型建立以來，水質(zhì)模型的研究越來越深入和廣泛。隨著污染物水環(huán)境行為和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制定工作研究的不斷深入，而后另一種模型即形態(tài)模型，逐步代替了氧平衡模型。所謂形態(tài)模型即同一個污染物由于它在水體中的存在狀態(tài)和化學(xué)形態(tài)不同而表現(xiàn)出完全不同的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)

17、。該模型對化學(xué)反響、污染物形態(tài)識別和輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性要求更高。上世紀(jì)八十年代以來，由于全球性的水污染日趨嚴(yán)重，各國對水質(zhì)模型的研究也加快了步伐，一些國家如美國、加拿大、丹麥、澳大利亞德國、荷蘭等走在了世界水質(zhì)模型研究的前沿，建立了多種水質(zhì)模型，廣泛地應(yīng)用在水質(zhì)規(guī)劃及環(huán)境治理中，并將其軟件化，提高了模型的通用性。4.2國外水質(zhì)模型的應(yīng)用。有關(guān)資料說明：1深入了解水質(zhì)現(xiàn)象的變化機(jī)制，其中包括：水質(zhì)評估、富營養(yǎng)化課題研究、有毒有害物質(zhì)遷移及變化趨勢摸擬、法定混合區(qū)分析、受污染底泥的管理、點(diǎn)源及非點(diǎn)源影響評估、生態(tài)系統(tǒng)危機(jī)摸擬分析、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)及水質(zhì)工程評價(jià)等。2預(yù)測及評估各種污染整治措施的

18、效益:廢水處理升級的效益、點(diǎn)源及非點(diǎn)源消減方案、集水區(qū)最正確管理操作方案、排放設(shè)施規(guī)劃、綜合排水系統(tǒng)暴雨整治方案、流域污水系統(tǒng)綜合管理方案。 3流域系統(tǒng)整體水質(zhì)綜合整治-總量控制(TMDL):水質(zhì)目標(biāo)確實(shí)定及水體使用目的劃分、最大日負(fù)荷量分析、污染負(fù)荷的重新分配、負(fù)荷消減方案的制定、排放口重新選址的評估、排放量交易行為的評估、操作方案執(zhí)行成效的追蹤、估算何時(shí)到達(dá)一定的水質(zhì)指標(biāo)。比方美國弗羅里達(dá)州圣約翰河營養(yǎng)鹽總量控制案例因?yàn)椴贿_(dá)標(biāo)的溶解氧水平及過度負(fù)荷的營養(yǎng)鹽(C,N,P)導(dǎo)致富營養(yǎng)化問題，要解決這個問題通過模型通過總量控制，計(jì)算要到達(dá)目標(biāo)需要采取的措施及執(zhí)行方案。在武漢水質(zhì)模型中應(yīng)用的三個子

19、模型SWMM模型、ECOM模型、RCA模型在國外也得到廣泛的應(yīng)用的驗(yàn)證：SWMM模型是由美國環(huán)保局開發(fā)，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于城市水域和排水系統(tǒng)。ECOM模型是普林斯頓海洋模型(POM)的擴(kuò)展，目前世界上有50多個國家的650個政府部門、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和研究團(tuán)體使用這個模型，并取得成功經(jīng)驗(yàn)，如印尼、阿聯(lián)酋、哈得遜河、密西西比河、Housatonic河、下帕塞克河、波拖馬可河等河流區(qū)域以及紐約州Onondaga湖、新澤西州Wanaque水庫、明尼蘇達(dá)州Pepin湖、威斯康星州綠灣、麻薩諸塞州Waban湖等湖泊區(qū)域。RCA模型已被應(yīng)用于許多湖泊系流中，如東非維多利亞湖、Champlain湖、Pepin湖

20、和Wanaque水庫等，同時(shí)也被應(yīng)用許多河流系統(tǒng)中，包括哈得遜河、密西西比河、Housatonic河、下帕賽克河和波拖馬可河等。4.3武漢水質(zhì)模型的初步應(yīng)用情況與國外相比，我國對水質(zhì)模型的研究和應(yīng)用起步都比擬晚，目前，主要是借鑒美國WASP系列以及Qual系列的水質(zhì)模型對國內(nèi)水體、水質(zhì)進(jìn)行研究和管理。近年來，國內(nèi)的水質(zhì)模型自主研究，特別是在湖泊生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型的研究上取得了長足的開展，但是，由于模擬和驗(yàn)證數(shù)據(jù)缺乏，對形態(tài)模型的研究相當(dāng)有限，對于一些對底泥和上覆水等關(guān)鍵過程考慮也不夠。在對湖泊的治理上，可以通過水質(zhì)模型的計(jì)算確定面源、點(diǎn)源以及內(nèi)源對各子湖區(qū)的影響，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果規(guī)劃治理方案，對

21、污源的消減量進(jìn)行客觀和科學(xué)的評估，以面源污染為主的區(qū)域那么對湖區(qū)周邊進(jìn)行規(guī)劃整治，以點(diǎn)源污染為主的區(qū)域那么對點(diǎn)源進(jìn)行截污，以內(nèi)源污染為主的區(qū)域那么進(jìn)行湖底清淤。同時(shí)可以通過以初期雨水水量和污染負(fù)荷的數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算初期雨水對東湖水體的水質(zhì)影響。并以此為根據(jù)對城市排水系統(tǒng)和暴雨排洪系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃或整治。飲用水平安預(yù)警是武漢水質(zhì)模型的重點(diǎn)應(yīng)用和亮點(diǎn)。通過飲用水平安預(yù)警系統(tǒng)的計(jì)算可以評價(jià)日常及事故情況下自來水廠的平安性。如當(dāng)長江某點(diǎn)出現(xiàn)污染事故，通過水質(zhì)模型的計(jì)算可以預(yù)知長江武漢段任一時(shí)刻任一區(qū)域污染物的遷移情況，也可以知道污染物在什么時(shí)候經(jīng)過各取水口，什么時(shí)候濃度到達(dá)峰值，自來水廠什么時(shí)候采取什么程度的處理可以輸出平安的飲水，什么時(shí)候可以放心取水等等。又如當(dāng)長江某地發(fā)生偷排，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)可以大概估計(jì)偷排的工廠類型和偷排位置，利用水質(zhì)模型的計(jì)算那么可以推斷出上游偷排的時(shí)間