湖泊水质模型研究进展_万金保

Cq 入流 或出流 的组分 的物质 流量率
( mg/ L s) ; S 相对组分浓度的源汇项( m g/ L s) 。 2. 4 CE QUAL R1 CE QU AL R1 是由美国陆军工程兵团开发的 垂向一维水质模型。它被用于模拟湖泊、水库的水 质在深度方向的变化。它包括的水质 变化过程很 多 。研究 的状 态变 量包 括水 温、氮 、磷 、DO 、藻类 、水 生动物、鱼类、硅土、硫、金属、悬浮颗粒物、可溶固体 颗粒、pH 值。它可 采用 M onte Carlo 法计 算可靠 度, 有用户界面, 免费使用。 2. 5 CE QUAL ICM CE QU AL ICM 是由美国陆军工程兵团开发 的模型, 它能模拟一维、二维、三维。ICM 代表集成 网格模型。它不模拟流量, 所以必须从别的模型获 得流量。在大部分应用中, 它与美国陆军工程兵团 的另一个水动力模型 CH 3D( 曲线水动力三维模型) 合用。它是目前世界上发展程度最高的三维模型之 一, 将要并入 SM S 系统中。 2. 6 MIKE M IKE 模型体系是由丹麦水动力研究所( DH I) 开发的。它 包 括 3 个 版 本 M IKE11、M IKE21 和 M IKE3。其中 M IKE21 和 M IKE3 可以用于湖泊水 质的模拟。M IKE21 模型是 M IKE11 的姐妹模型, 在全世界广泛应用。它是一个极优秀的模型, 用来 模拟在水质预测中垂向变化常被忽略的湖泊、河口、 海岸地区。它 提供的水质变化过程 很多。M IKE3 与 M IKE21 类似, 但它能处理三维空间。M IKE 模 型体系界面都很友好, 但它的源程序不对外公开, 使 用有加密措施, 而且售价很高。 2. 7 SMS SM S( Surf ace Wat er M odeling Syst em) 是由美 国 Brigham Young 大学图形工程计算机图形实验 室开发的。与其它模型系统的不同在于它不模拟降 雨 径流过程。它在二维( 垂向平 均) 方向模拟河 流、河口、湖泊、海岸。该软件中的计算模块包含美 国陆军工 程兵 水 道实 验 站开 发 的几 个 程 序模 块 ( RMA2 、GF GEN、RMA4 等) 和美国联邦公路管理 局的两个模块 ( F ESWMS、WSPRO) 。它仅含有限 的水质 变化 过 程。但 这种 情况 将改 变, 因 为 CE
这一模型由直接耦合的水动力学模型和水质输移模
型组成, 用来模拟湖泊和水库, 也适合模拟一些具有 湖泊特性的河流。它可模拟 包括 DO、T OC、BOD、
大肠杆菌、藻类等在内的 17 种水质变量浓度变化,
对相对狭长 的湖泊 和分层型如下:
BC t
与国外相比, 我国水质模型的研究起步较晚, 20 世纪 80 年代中期才开始湖泊水动力学数值模拟的 研究。不过近 20 多年以来也取得了一些的成果。如 河海大学开发了河网、水质统一的 H w qnow 模型。 华东师大、清华大学、同济大学在这方面也开展了
一些工作。上海市对苏州河水系水动力水质模型的
收稿日期: 2006 07 20; 修回日期: 2006 09 20 作者简介: 万金保( 1952~ ) , 男, 江西省南昌人, 教授, 博士生导师, 主要从事水污染控制理论与方法研究.
1. 2 湖泊水质模型的类型
根据湖泊的形状与性质, 其水质模型可分为完 全混合型和非均匀混合型[ 5] 。
1. 2. 1 完全混合型
对于面积小、封闭性强、四周污染源多的小湖或
湖湾, 污染物入潮后, 在湖流和风浪作用下, 与湖水
混合均匀, 湖泊各处污染源浓度均一。
对完全混合型的湖泊, 根据物质平衡原理
+
UB x
C
+
WBC z
-
BD x
C x
x
-
BD z
C z
= CqB + SB
z
其中 : B 时间空间变化的层宽( m) ;
C 横向平均的组分浓度( mg/ L) ;
U, W 分别为 x 方向( 水平), z 方向( 竖 直) 的横向平均流速( m/ s) ;
D x , D z 分别为 x , z 方向上温度和组分的 扩散系数( m2 / s) ;
量速率;
t 计算时段;
K 污染物衰减率。
Vollenw eider 模型假定湖泊属于完全混合型, 且富营养化状态只与营养物负荷有关, 入湖与出湖
水量相等, 根据物质平衡原理, 某时段任何水质含量 的变化等于该时段入湖含量减去出湖含量, 以及该 水质元素降解或沉淀所损失的量[ 4] , 从而可得出
dC dt
(- UxAC + ExA
C x)
)
t
x
+ A( SL + SB ) + AS K
第6期
万金保等: 湖泊水质模型研究进展
807
其中: C 组分浓度( mg/ L ) ;
t 时间( s) ; A 横截面积( m2 ) ; Ux 纵向速度( m/ s) ; Ex 纵向弥散系数( m2 / s) ; SL , S B , SK 直接与弥散负 荷率、边界 负荷
80 6
长江流域资源与环境
第 16 卷
研究达到一个前所未有的理论深度[ 3] 。我国的研究
主要集中在太湖、滇池、巢湖等污染严重的湖泊。其
中, 太湖是目前我国在水动力学、水质和生态系统动 力学模型方面开展研究相对较多的湖泊, 成功应用
了很多的模型, 如太湖三维动态边界层模型、梅梁湾 三维营养盐浓度扩散模型、太湖藻类生长模拟[ 1] 等。
质模型系统, 可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸 的水质进行模拟。WASP 最原始的版本是于 1983
年 发 布 的, 之 后 又 经 过 几 次 修 订, 如 WASP4、
WASP5、WASP6 和 WASP7。WASP 包括两 个独
立的计算程序: 水动力学程序 DYNH YD 和水质程 序 WASP, 它 们可以 联合运 行, 也可以 独立运 行。
=
W V
-
QC V
-
KC
式中: C W V Q K
湖泊中营养物质( 磷) 的浓度( mg/ L) ;
总磷的入湖量( g/ d) ; 湖水的体积( m3 ) ; 出湖流量( m 3 / d) ; 湖中磷的沉降系数( 1/ d) ;
t 时间( d) 。
1. 2. 2 非均匀混合型 水域宽阔的大湖, 由于湖流、风浪等因素较为复
EU T RO( 用来分析传统的水质指标项) 和 T OXI( 可
以模拟固体类物质和有毒物质的污染) 是两个子模 型, 它们可以装入水质程序中。WASP 在其基本程
序中反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷
以及边界 的交换 等随 时间 变化 的过 程。经简 化,
WASP 常用如下模型:
( AC ) =
某时段任何污染物含量的变化等于该时段流入总量
减去流出总量, 再减去元素降解或沉淀等所损失的
量, 建立数学方程如下:
M t
=
-
- KM
对难降解的污染物为
M t
=
-
M = M t - M0 式中: Mt 时段末湖泊内污染物总量;
M0 时段初湖泊内污染物总量; M 时段内湖泊平均污染物总量;
,
时段内平均流入、流出湖泊污染物总
对难降解污染物, 当排污稳定, 且边界 条件为
r = r 0 时, C= C0 , 则得
C = C0 -
1 -
1( r1-
-
r10- )
=
1-
q DH
式中: r 距排污口距离;
q 入湖污水量;
C r 处污染物浓度; H 污染物扩散区平均湖水深;
污染物在湖水中的扩散角, 如排污口在
平直的湖岸, = 180 ;
关键词: 水质模型; 模型; 湖泊; 富营养化 文献标识码: A
湖泊是最重要的淡水资源之一, 是一种易为人 们直接利用的自然资源, 有史以来就是人类赖以生 存、栖息之地, 具有举足轻重的生态服务功能, 对社 会和经济的发展起着不可估量的作用。随着经济的 迅速发展以及城市化进程加快, 加以湖泊流域一些 不合理的开发活动, 导致湖泊富营养化、湖泊淤积或 萎缩、湖泊生态被破坏和水质恶化, 使湖泊流域的社 会和经济可持续发展受到制约。如何保护和改善湖 泊环境已日趋成为当前世界关注的一个焦点。
率、总动力输移率( m g/ L s) 。
2. 2 EFDC
EF DC ( Environmental F luid Dy namics Co de)
即环境流体动态代码, 它由 John H am rick 开发, 目
前己由美国环保局( U SEP A) 支持, 正作为 USEPA
模型进行升级。它可用于模拟来自点源非点源的污
1 湖泊水质模型研究进展
1. 1 国内外研究动态简述 湖泊水质模型是在河流水质模型发展的基础上
建立起来的。对它的研究, 始于 20 世纪 60 年代中 期。经过了 40 多年的发展历程, 湖泊水质模型已经 逐渐成熟完善起来, 取得了很多成果。在模型结构
上从简单的零维模型发展到复杂的水质 水动力 学 生态综合模型和生态结构动力学模型[ 1] , 在理 论上发展了许多新鲜的理论, 如随机理论、灰色理论 和模糊理论等, 在研究方法上也结合运用了迅猛发 展的计算机新技术如人工神经网络( ANNS) 和地理 信息系统( GIS) 等。这些成果都极大地推动了湖泊 水环境管理技术的现代化[ 2] 。
染物、有机物迁移、归趋等。EF DC 模型可以用于模
拟包括 COD、氨氮、总磷、藻类在内的 22 种水质变
量的浓度变化。EFDC 模型如下:
C t
+
( uC ) x
+
( vC ) y
+