（地图学与地理信息系统专业论文）基于wasp7的渭河陕西段水质模拟分析研究.pdf

基于w a s p 7 的渭河陕西段水质模拟分析研究 摘要 渭河是黄河最大的一级支流，陕西省渭河流域是陕西省国民经济发展中心， 随着西部大开发的进一步实施，流域内人口逐年增长、工业快速发展和人民生活 水平不断提高，大量的工业废水、生活污水未经处理就近排入河道，渭河水体污 染逐年加重，水环境质量不断恶化，严重地阻碍了区域经济的发展。 本文以渭河陕西段为研究对象，从水污染的角度出发，以陕西渭河段1 3 个 水文站的实测资料、陕西省环境统计双月报、陕西环境统计年报和陕西统计年鉴 等资料为研究基础，对渭河陕西段水污染现状进行了分析，并利用w a s p 7 水质模 型对渭河干流水质进行了模拟，从模拟结果追溯其污染原因，进一步探讨了渭河 干流的水环境容量。研究得到以下主要结论： ( 1 ) 应用水动力学原理和w a s p 7 软件，以化学需氧量c o d 为水质评价标准，对 渭河干流水质变化进行动态模拟，有效的把握了渭河干流水质变化规律，为渭河 污染治理提供依据。模拟结果达到预期目的，反应了c o d 的变化规律。通过对模 拟结果分析可知：渭河主要污染来源是生活污水和工业废水，西安段污染最为严 重；气候干旱，河水流量减少，是导致渭河水质严重污染的客观原因；城市的污 水处理率低以及严重污染企业的不达标排放也是水质恶化的主要原因。 ( 2 ) 应用w a s p 7 水质模型模拟计算了渭河干流的水环境容量，在p 5 0 流量保证 率下，渭河的c o d 环境容量为3 5 5 0 2 0 7 千克日，现有污染物排放量应削减 5 6 4 ；在p 7 5 流量保证率下，渭河的c o d 环境容量为2 5 3 2 4 0 3 千克日，现有 污染物排放量应削减6 8 9 ：在p 9 0 流量保证率下，渭河的c o d 环境容量为 1 9 4 1 1 2 千克日，现有污染物排放量应削减7 6 2 。依据模拟分析结果，提出了 渭河流域污染控制和流域生态治理的具体对策。 关键词：w a s p 7 ；渭河；水环境；化学需氧量 s m d yo n w a t e ra 1 1 a l y s i sf o rw - e i h er i v e ri i ls h 甜ib a s e do n w a s p 7 a b s t r a c t w e i h c 融v e ri st h eb i g g e s tb 舳c ho fh 眦培硒v e r ，w e i h ev a l l e yo fs h a i 】越i sm e c e n t e ro f c o u n 向眵e c o n o m yd e v e l o p m e n t f o rs h a n x i w i 也t h ew e s t e 吼d e v e l o p m e n t 嘶v e ，p o 叫a t i o ni si n c r e a s i n g ，砌u s 姆i sp r o g r e s s 堍a l l ds t a n d 砌o fl i v i n gi s i m l ) r o v i n g ，s oam 嬲so f 触w a t e r a 1 1 ds e w a g ei n p o u rr i v e rw 嘞w a t e rp o l l u t i o n 锄d e n v i r o n i l l e n to fw e 龇a g 铲a v a t e ，t h i sk n d e r 也ed e v c l o p m e n to fw e i l l ev a l l e yo f s h a l l ) 【is 耐o u s l y 1 kp a p e rt a k ew e i h ei 1 1s h l x ia s 咖d yo b j e c t 舶mw a t e rp o l l 砸o na 1 1 9 l e ， b a s e do nd a _ t a 舶m13h y d r o m e t r i cs t a t i o l l s ，e n v i r o n m e n ts t a t i s t i ca n n a l sa 1 1 ds o o n ，w a t e rp o l l u t i o na c t u a l i 锣o fw e i h ei ns h a 似ii sa n a l y z e d ，w i n lt h eh e l po fe p a w a s p 7 ( w a t e rq u a l 蛔a n a 】y s i ss i n l u l a t i o np r o 黟锄) ，t 1 1 ew a t e rq u a l 毋o fw e i h e m v e ri sm o d e l e d ，r e s u l t so fs h u l a t i o na r e 锄a l y z e d 锄dd i s c u s st l l er c a s o n s ，m e n c a 】c u l a t ew a t e re n v 衲姗e n tc a p a c 毋o fw e i h e c 0 n c l l l s i o l l sa r eg a i n e da sf 0 1 1 0 w s ： a p p l i e do f h y ( h d ) ，l l a i l l i c sa n dw a s p 7s o 小v a r e ，m ew a t e rq u a l 时o fw e i h e 黜v e r i sm o d e l e d ，w 1 1 i c he x p l 咖st 1 1 er u l e sc o d 觚s f i o mi i l 鼬v e re 髓c t i v e l y r e 妯t s a ：t t a i n a n t i c i p a t e da i l l l t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h cd o m e s t i ca 1 1 dt 1 1 ei n d u s t r i a l w a s t e w a t e ra r e 也ek e yp o l l u t i o ns o u r c e ，p o l l u t i o ni i lx i a na r em o s ts e r i o u s ；c l i m a t i c d r o u g h t 锄dr i v e rn u xr e d u c ea r ee x t e m 2 l lr e a s o nf o rw a t e rp 0 1 1 u t i o n ；t h a lt h er a t eo f d i s p o s i n gs e w a g ei sl o wa i l dc o r p o r a t i o nd 0n o tr e a c ht l l es t a n d a r dd i s c h a 玛i n gf o 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d ( c o d ) 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 亟二曼 指导教师签名： 护， 力致泛 伽。缪年6 月l 6 日? 秒矿年月厂日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：书7 良 d 旷年6 月f6 日 1 1 研究的背景及意义 第一章引言 渭河是黄河最大一级支流，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山。自西向东流经甘肃 省渭源县、陇西、武山、甘谷、天水等地后于宝鸡市凤阁岭乡进入陕西省，经宝 鸡、杨凌、咸阳、西安、渭南等市( 区) 后于陕西省潼关县港口镇注入黄河，全长 8 1 8l 【i i l ，总流域面积1 3 4 8 万砌2 。 陕西省境内渭河长5 0 2 i ( 1 i l ，流经宝鸡、咸阳、西安、渭南等地市，流域面 积7 0 6 万。北岸大支流有金陵河、千河、漆水河、石川河、径河、洛河；南岸 支流较多，沿秦岭素有7 2 峪之称，较大支流有石头河、黑河、沣河、灞河等。 图1 1 渭河流域 陕西省渭河流域集中了陕西省人口6 0 1 8 ，工农业总产值的7 2 1 7 ， 耕地的5 6 1 3 ，灌溉面积的7 7 1 7 ，是陕西省最富饶的地区，该地区水资源 总量8 5 1 5 7 亿历3 ，人均及耕地亩均占有水资源量分别为3 8 6 掰3 和3 2 6 m 3 ，仅 为全国平均水平的1 5 和1 6 ，缺水相当严重，供需矛盾十分突出。随着西部 大开发的进一步实施，流域内人口逐年增长、工业稳步发展和人民生活水平不断 提高，大量的工业废水、生活污水未经处理就近排入河道，渭河水体污染逐年加 重，水环境质量不断恶化，水质污染严重，非汛期主要河道流量锐减甚至断流， 水污染事故时有发生已成为全国少有的重污染河流，水资源紧缺的矛盾也更加突 出，这必将影响着渭河流域的经济发展和沿岸人民群众的生存环境。 对渭河流域进行合理、有效的水质评价、预测和治理刻不容缓。为了更好地 反映渭河的水质特征，研究防止、抑制和净化水污染的有效方法和措施，实现水 资源的可持续利用和良性循环，对渭河水质现状条件下以及采取各种可能措施下 的水质状况进行模拟研究，为水质规划和环境质量管理提供重要依据：水质模型 作为模拟水质的有效工具，不仅可以预测水质的时空变化，描述污染物在特定水 体中的迁移、转化和扩散等变化规律，而且又能避开物理模型难于处理的相似准 则问题，具有投资小、见效快等优点。因此，本文将利用水质模型对渭河水质进 行预测模拟分析，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外水质模型研究现状及发展趋势 1 2 1 水质模型的概念 水质模型( w a t e rq u a l i t ym o d e l ) 是研究和解决水体污染的一种常用方式， 它在水环境模拟中扮演着非常重要的角色，且应用越来越广泛，能为水质管理部 门提供决策依据。它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工 具。它的研究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问 题，其发展在很大程度上取决于污染物在水环境中的迁移、转化和归宿研究的不 断深入，以及数学手段在水环境研究中应用程度的不断提高。 污染物进入水体后，随水流迁移，在迁移过程中受到的水力、水文、物理、 化学、生物、生态、气候等因素影响，从而引起污染物的输移、混合、分解、稀 释和降解。水质模型就是描述水体( 河流、湖泊等) 的水质要素( b o d 、d 0 等) 在各种因素( 物理、化学、生物等) 作用下随时间和空间变化关系的数学表达式， 是定量描述污染物在水环境中迁移转化规律及其影响因素之间相互关系的数学 描述。在一个较综合的水质模型中，有许多影响水体水质的因素，因此水质模型 的研究实际上又是一项多学科交叉领域研究，涉及到水环境科学的许多基本理论 问题和水污染控制问题。随着计算机技术的发展及应用范围的不断扩大，数学模 型与计算机程序设计相结合，产生了应用鼠标或菜单式界面和实用化的环境水质 模型数据库和计算机软件，这大大提高了水质模型的适用性，也有利于各种水质 模型的推广。 2 1 2 2 水质模型的分类 水质模型可以从不同的角度来进行分类，但一般情况可以从以下五个方面来 划分： ( 1 ) 按方程的特性可分为确定性模型和随机性模型：对一组给定的输入条 件，确定性模型只给出一组确定值，是用得最广泛的一种数学模型。随机性模型的 输入是随机的，其解不具有唯一性。 ( 2 ) 按随时间的变化可分为稳态模型和动态模型：当水流运动要素和系统 的输入都不随时间而变化时，系统的物质量也不随时间而变，这种模型称为稳态 模型；当水流为非恒定流动，不管输入是否随时间而变，系统内的物质量将随时间 而变，这种模型叫动态模型；介于这两种模型之间，当水流为恒定流动，由于输入 随时间而变，系统内的物质量也随时间而变的模型称为准动态模型。 妇) 按空间维数分为一维、二维、三维模型：当系统内质点的水力水质要 o - ： 素只在一个方向有梯度存在，在另外两个方向上均匀分布的模型称为一维模型； 若在二个方向上有梯度存在，另一个方向上均匀分布时称为二维模型；若三个方 向上都有梯度存在时的模型叫三维模型；若三个方向上都均匀分布，水体处于完 全混合状态时，这种模型称为零维模型。 ( 4 ) 按物质的转移特性可分为对流移流模型、扩散模型和对流扩散模型： 水环境中物质的输移包括两个主要过程对流和扩散，当对流作用占绝对优势， 不计扩散项时为对流模型；如对流项不存在，只有扩散作用的模型称扩散模型； 两项都不能忽略的模型叫对流扩散模型。 ( 5 ) 按反应动力学的性质分为纯转移模型、纯反应模型、转移及反应模型 和生态模型：当系统内为不随时间而衰减的保守物质时，物质只随水流作机械运 动，这种模型称为纯转移模型；当系统内为非保守物质，水体基本上静止，物质只 有生物化学反应的模型称为纯反应模型；当系统内为非保守物质，水体处于运动 状况，物质既有转移又有生物化学反应的模型称为转移及反应模型；包含有生物 生长过程的模型称为生态模型，一个综合性的生态模型，不但要描述生物过程， 还要描述水的转移现象及其水质要素的变化。 1 2 3 水质模型研究进展 水质模拟模型的形成和发展已经经历了半个多世纪，大致可以分为以下三个 发展阶段。 第一阶段：2 0 世纪2 0 年代中期7 0 年代初期为水质模型发展的第一阶段( 基 础阶段) 。在这一阶段中，水质模型的研究处于最初时期，研究对象仅是水体水 质本身，s t r e e t e r 和p h e l p s 共同研究并提出了第一个水质模型，后来科学家在 其基础上成功的运用了b o d d o 模型于水质预测等方面。 第二阶段：2 0 世纪7 0 年代初期8 0 年代中期，在s p 模型的基础上有了新 的发展，将其用于比较复杂的系统。这是水质模型的迅速发展阶段，特点是在状 态变量( 水质组分) 数量上的增长；在多维模型系统中纳入了水动力模型；将底 泥等作用纳入了模型内部) ；与流域模型进行连接，以使面污染能被连入初始输 入；开始出现了多维模拟、形态模拟、多介质模拟、动态模拟等特征的多种模型 研究，代表模型有一维动态模型l a k e c 0 ，w r 删s ，动态水质模型w a s p ，能进行一 维、二维、三维动态水质模拟。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代中期至今，是水质模型研究的深化、完善与广泛 应用的阶段。随着发达国家对面污染源控制的增强，面源污染减少了，而大气中 污染物质，如有机化合物和氮化合物等对河流湖泊水质的影响日显重要。虽然营 养物和有毒化学物由于沉降直接进入水体表面已经被包含在模型框架内，但是， 大气的沉降负荷不仅直接落在水体表面，也落在流域内，再通过流域转移到水体， 这已成为日益重要的污染负荷要素。这个阶段模型的主要特点有：正式出现完 善的多介质模型，代表河流模型有：q u a l 系列模型。代表湖泊模型有：动态w a s p 模型等，特别是w a s p 模型在此阶段得到进一步更新，适用于河流、水库、湖泊、 河口、海岸等多种区域；考虑水质模型与面源模型的对接；多种新技术方法， 如：随机数学、模糊数学、人工神经网络、3 s 技术等引入水质模型研究。 1 2 4 水质模型发展趋势 总体上讲，水质模型发展的特点可归结为三个增加和三项技术：即研究的范 围、变量、网格不断增加；以g i s ，r s ，g p s 等为代表的新技术的不断深入应用。 4 ( 1 ) 研究范围日益扩大。从最初的只研究水体本身发展到流域，再向流域一大 气一河口海岸模型以及整个生态和资源模型方向发展。 ( 2 ) 状态变量不断增多。随着人们对水质变化机理的不断深入认识和研究范围 的不断扩大，水质模型研究的状态变量也从最初的几个增加到十几个甚至几十 个，这一数字还在不断增加。 ( 3 ) 时空网格几何增长。一方面是范围增大所致，另一方面也表明能够对水质 进行精确模拟。这都是基于计算机科技的发展、计算能力的增强。有资料显示， 今后十年，计算网格数目将增加一至两个数量级，到2 0 1 0 年，计算网格能达到 1 亿。 ( 4 ) g i s 成为水质模型的平台。计算机技术的飞速发展，使得以前想得到却做 不到的事，甚至以前想都想不到的事情成为可能。利用g i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，即地理信息系统) 技术，人们不仅能处理海量的数据、使 得输入输出变得非常容易，还能对水质计算结果进行空间分析，使对复杂模型的 理解变得容易，并得到很多有价值的信息，从而辅助决策。 ( 5 ) 实时监测被纳入模型系统。这是当今另一个发展的最前沿，随着r s ( 遥测) 、 g p s ( 全球卫星定位系统) 以及前面所述g i s ( 地理信息系统) ，这被称为“3 s 技 术的发展以及它们在水质模型中的日益应用，专家们可以做到实时、动态地应用 模型分析和解决水环境问题。 ( 6 ) 成为各方理解、沟通的工具。随着互联网的发展，水质模型己不只是专家、 政府部门所独享的了，普通公众也能利用它对环境进行查询、关心，甚至分析问 题并提出解决问题的方案，这在欧美等发达国家己成为现实。而政府的环境决策 正需要公众的理解支持，这样，水质模型才真正成为环境决策的有力工具。应该 指出，虽然随着发展，水质模型已变成越来越庞大复杂的系统，但它的本质特性 却不在此，而在于能正确反映现实。所以，模型的正确性是一切模型发展的前提。 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文主要是通过水质模拟软件对渭河陕西段水体进行水质模拟，对模拟 5 结果进行评价分析，并提出治理措施，为改善渭河陕西段水质提供决策支持。具 体研究内容如下： ( 1 ) 搜集资料。包括水动力学资料，如水位、流速、流量、出水入水口位置等； 水质资料，如污染物c o d ，b o d 等浓度。 ( 2 ) 利用收集到的水质资料及环境统计年报等资料，对渭河水质现状进行评 价分析。 ( 3 ) 运用水动力学原理，在水质模拟软件w a s p 7 环境下对渭河陕西段水质现 状进行模拟，检验软件对渭河水质模拟的可行性和适用性。对模拟结果进行分析， 并探讨渭河污染严重的主要原因。 ( 4 ) 运用水质模拟软件计算渭河水环境容量。 ( 5 ) 分析水质模拟结果，提出一些防治水污染生态治理的建议及措施。 1 3 2 技术路线 根据研究对象的概况、所需资料、研究内容和研究方法等方面，确定本文 的技术路线如图1 2 ： 6 1 4 论文章节安排 图卜2 技术路线 本文一共包括七个章节： 第一章引言 本章对渭河陕西段的水环境概况和水质模型进行了简要介绍。对论文的目 的、意义以及结构进行了说明，并对与论文相关的国内外研究现状与成果进行了 系统论述和回顾。 第二章水质数学模型的选取 本章在综述和分析典型的水质模型软件的基础上，选用w a s p 7 作为本研究使 用的软件，并详细介绍该软件的基本原理，对它的应用实例及发展趋势进行阐述。 第三章渭河流域水环境演变及现状 本章详细介绍渭河流域的基本概况，水环境演变，及渭河流域的水环境现状， 在此基础上应用收集到的水质监测资料，对渭河陕西段水质现状进行分析，掌握 渭河陕西段的水质污染情况，为下一步工作做好准备。 第四章渭河陕西段水质模拟与分析评价 用w a s p 7 软件模型对渭河2 0 0 3 年的c o d 进行模拟，进一步分析和掌握了渭 河水质的时空变化规律，验证了模型的适用性和合理性，并对模拟结果及造成对 渭河水质严重污染的原因进行分析。 第五章渭河干流陕西段水容量计算 采用w a s p 7 模型，模拟了在一定保证率流量、一定污染物排放条件下渭河水 体水质的变化趋势，从而定量的估算出渭河的水环境容量。 第六章结论与展望 这章是对本次研究主要成果和结论的总结，提出了需要补充的工作和今后研 究的方向以及一些建议。 8 第二章水质数学模型的选取 本章首先综述典型的水质模型软件，选用w a s p 7 作为本研究使用的软件，详 细介绍该软件的基本原理，应用的实例以及它的发展趋势。 2 1 典型水质模型简介 多年以来，水质模型从产生到不断发展，出现了多种可以应用到不同水体和 模拟不同水质变化的模型。可以用来模拟湖泊水质的模型主要c e q u a l w 2 ，1 | l m s ， s m s ，e f d c ，m i k e 2 1 、w a s p 等8 1 2 1 。 ( 1 ) c e q u a l w 2 模型 c e q u a l w 2 是由美国陆军工程兵团水道实验站开发的二维水动力和水质 模型，该模型由直接藕合的水动力学模型和水质输移模型组成。水动力学的计算 受可变化的水的密度的影响。密度的变化是由于温度、含盐度的变化以及溶解和 悬移的固体造成的。水质的算法包含了2 1 种组分，缺氧时营养物、浮游植物、 溶解氧( d 0 ) 之间的相互作用。组分之间的化合都可以被模拟，总的溶解固体或盐 度对浓度的影响都被包含在内。此模型可应用于地表水水域，如湖泊、水库和河 流。 ( 2 ) w m s 模型 w m s ( w a t e r s h e dm o d e l i n gs y s t e m ) 是一个综合的、基于g i s 的专业水文模拟 处理软件，它是由美国b r i g h 锄y o u n g 大学环境模型研究实验室( e m r l ) 开发，可 以提供水文模拟全过程。它包括流域、子流域的自动生成、几何参数的计算、水 文参数( 如汇流时间、降雨深度等) 的计算，并能实现模拟结果的可视化。w m s 模 型具体可以用来：使一个流域中子流域形象的绘出，计算每个子流域的水力和 几何参数：规定不能由计算机自动算出的水力参数；运行其他的水力模型和 国家洪水频率方法；查看水力模型的结果；输入和输出地理信息系统( g i s ) 的数据。 ( 3 ) s m s 模型 s m s ( s u r f a c ew a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 水动力学软件是由美国b r i g h 锄大学 环境模型研究实验室开发的，该软件可用于模拟和分析地表水的运动规律，并包 9 括前后处理软件。它包含一、二维有限单元模型、有限差分模型，以及三维水动 力学模型。该模型通过求解二维完全圣维南方程组，求解出计算时间内整个研究 区域的水位、流量及二维x ，y 方向的水流速度。模型采用隐式差分别式，具有 计算稳定性好、精度高的特点。每种模块都可以计算特定类型的水动力学问题， 软件包含的模块可计算以下范围水动力学问题：计算水位、流速等的模块：计算 污染物运移的模块；计算波浪要素( 如波高、波向等) 的模块；计算急变流的模块； 计算泥沙的模块。这些模块中既有恒定流模块也有非恒定流模块。该模型在北美 地区广泛应用，是国际上流行的水力学商业化软件之一。 s m s 模型软件前处理功能很强大，主要表现在它的地形网格生成技术，其网 格生成主要有两种方式：直接利用导入数据点生成网格和自动生成网格，并用实 测数据点插值网格节点。它的后处理能方便的展示计算结果( 流带、水位和水深) ， 结果数据的提取并不局限在网格节点，可以提取模型范围内任何一个点的计算数 据。而且，软件能进行流场动态演示及动画制作、断面流量计算、不同方案的比 较等。 ( 4 ) e f d c 模型 e f d c 是由美国国家环保署资助开发，用于模拟湖泊、水库、海湾、湿地和 河口等地表水的多维水体生态动力学模拟系统，它可以模拟水动力、水质、富营 养化和沉积物输移的动态变化及其相互影响，可以用于一维、二维和三维水环境 模拟适用于模拟水动力( 湖流和温度场) 、溶解态和颗粒态物料的迁移、沉积物的 作用、营养化过程以及水生生物的不同生命周期的湖泊生化过程等。模型由水动 力学模块、水质模块组成。模型的计算过程被设计为具有通用性，用户可通过设 置初始化文件和时间序列输入文件调整模拟的维数、时空特性、环境条件和负荷 等，使模型适用于具体的湖泊模拟和情景预测。 e f d c 具有以下特点：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；模拟的精度 较高，尤其水动力模块的模拟精度已达到相当高的水平。同时该模型对输入数据 的要求也非常高，要求有r p o p ，l p o p 等非常规监测的负荷数据、详尽的气象数 据和深入的湖泊物理学数据，对底质行为、藻类活动规律等也要求有相当的认识 l o 才能使水质模拟的精度得到较大提高，这使一般河流、湖泊水质的模拟受到了一 定的限制。 ( 5 )m i k e l l w q m i k e l l w q 模型子系统包括非粘性沙输沙过程模型子系统( n s t ) 以及对流扩 散( a d ) 和水质过程( w q ) 模型子系统。非粘性沙输沙和河床演变模型的使用具有很 大的灵活性。对于河床稳定性较好的情况，它可以直接由水流条件给出输沙率和 河床冲淤演变。反之，可以与水动力模型h d 祸合运行得到动力平衡的计算结果。 a d 模块可以模拟溶解或悬浮物质( 如盐分、热、粘性沙、溶解氧、无机物、有机 物等) 在水流和浓度梯度作用下的不同时刻的分布，这些物质可以是守恒的或者 非守恒的。对于非守恒物质可以通过源项或汇项来进行处理。 水质过程模拟( w q ) 用于评价污染源对水环境的影响，它与对流扩散模块( a d ) 藕合运行，通过求解描述与细菌生存有关的物理、化学、生物过程的微分方程组， 对工农业和生活污水排放与河流水体相互作用及其对生态环境的影响过程进行 模拟，确定水质指标( 包括温度、b o d ，c o d ，d o ，氨氮等) 随时间的变化。水质模型 共分六级，从简单的b o d d o 关系模型到包括硝化、反硝化、水底生物生长、泥 沙沉积和再悬浮、底泥耗氧以及化学和生物过程的滞后等各种因素在内的复杂过 程。 水质模型子系统还包括富营养模型( e u ) 和重金属模型( n m ) 。富营养模型模拟 水体中氮循环、氧平衡、水生动物、浮游植物和水底植物的生长和分布。重金属 模型用来模拟城市污水或工业废水排入河道，废气排放和粉尘扩散，陆地化学物 品和重金属堆场渗流等原因引起的金属或其它化学物品的污染扩散，可以模拟以 溶解、悬浮、泥沙吸附或沉积等多种形态的金属浓度，还可以进行逆反过程分析 ( 离析、再悬浮、生物体内金属物的排泄等) 。 ( 6 ) w a s p 模型 w a s p 全称为w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i 叫l a t i o np r o g r a m ，即水质分析模 拟程序。由美国国家环保局环境研究实验室开发，可以用来模拟水文动力学、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。w a s p 水质模型主要有三个方面的作用：描述水质现 状，提供一般性水质预测和提供特定位置水质预测。 w a s p 包括两个独立的计算程序：d y n h y d 和w a s p ，它们可以联合运行，也可 以独立运行。删d 是水动力学程序，它模拟水的运动；w a s p 是水质程序，它 模拟水中各种污染物的运动与相互作用。w a s p 水质模型可以通过数据形式输出 结果，也可以通过图形的方式( x y 直角坐标折线图) 直观显示模型运行的结果。 2 2 模型的选用 选择和建立水质模型，应根据所需解决问题的种类、运用模型的目标和实际 所能提供的信息量而定，一般应遵循以下原则： ( 1 ) 实用性：根据具体的研究目的，可以解决实际问题的模型； ( 2 ) 先进性：在选择模型时，应该阅读大量的文献，掌握国内外最新的研究 动态，尽可能选择国际上最先进并为实践证明最佳的模型； ( 3 ) 可行性：需对实际情况有较深刻的了解，根据实际数据的全面与否、多 寡选择模型，不可盲目的选择先进、但实际无法应用的模型； ( 4 ) 简洁性：不要试图建立全能的模型，这样的模型太繁琐、使用起来很昂 贵，且需要大量和全面的实际数据； ( 5 ) 适应性：模型对外界条件的变化具有一定的应变能力，能适用管理上进 一步发展的需要： ( 6 ) 现实性：能最大可能的对现实系统进行仿真； ( 7 ) 开发性：应让模型的使用者参与模型的开发，使使用者熟悉模型的原理， 更容易接受这个模型，并能使模型成为管理工具。 从对渭河流域的现场考察可以看出，渭河干流的污染物质主要为有机污染 物。基于己有的资料和分析需要，考虑模拟c o d 的变化趋势以及用水质模型分析 和估算渭河有机污染物质( c o d ) 的环境容量。 针对渭河陕西段的具体情况，渭河中下游混合较好，但渭河流量随时间、 空间变化幅度大，延岸排污企业密集，支流多，所以考虑对渭河陕西段进行动态 模拟，真实反应其污染物随空间和时间变化的趋势，有效控制和管理沿河排污， 故选择国际上近年应用比较广泛的w a s p 模型对渭河干流陕西段水质进行模拟。 1 2 w a s p 模型在国外应用广泛，在美国该模型曾应用大湖流域的富营养化研究，北 卡罗莱纳州d e e pr i v e r 的重金属污染研究，特拉华州河口( d e l a w a r ee s t u a r y ) 的挥发性有机物污染研究等。在国内，孙学成等学者已成功应用w a s p 模型进行 三峡地区河流水库的水质管理，同济大学廖振良也曾经用w a s p 对苏州河水系水 质进行模拟，证明该模型具有较大的合理性和可信度。 2 3w a s p 7 软件介绍 w a s p ( t h ew a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i 聊1 a t i o np r o g r 锄) 水质分析模拟 程序是美国环境保护局a t h e n s 实验室开发的一种水质模型系统，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。 w a s p 最原始的版本是1 9 8 3 年发布的，它综合了以前其它许多模型所用的概 念，之后w a s p 模型又经过几次修订，逐步成为u s e p a 开发成熟的模型之一。w a s p 5 及其以前的版本都为d o s 程序，而w a s p 6 则发展为w i n d o w s 下的程序，但是只能在 w i n d o w s 9 8 操作系统下使用，随着w i n d o w s 9 8 操作系统被w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w s x p 取代，w a s p 6 的不适应性就显现了出来。于是，能够在w i n d o w s 2 0 0 0 和x p 系统 下运行的w a s p 7 版本于2 0 0 5 年孕育而生了。w a s p 6 和w a s p 7 都具有可视化的操作 界面，运行速度是以前的d o s 版本的1 0 倍以上。它们基于w i n d o w s 开发，具有友好 的用户界面，包括能够转化生成w a s p 可识别数据格式的模块，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。w a s p 7 是w a s p 的最新版本，在美国环保局( e p a ) 的主页上可自由下载。 w a s p 7 模型包括d y n h y d 5 和w a s p 7 两个独立的计算子程序。d y n h y d 5 是水力学计 算程序，为w a s p 7 传输所需的水力学参数；w a s p 7 提供e u t r u 和t o x i 两类水质模型 子程序，分别用来解决两类水质问题。传统的水质问题，由e u t r u 子模块来完成， 包括b o d 、d o 、p 、n 等；有毒污染问题，由t o x i 子模块来完成，包括有机污染物、 重金属、底泥等。 1 3 2 3 1w a s p 模型的组成 w a s p 有两个独立的计算机程序d y n h y d 和w a s p 组成，两个程序可连接运行， 也可以分开执行。w a s p 程序也可与其它水动力程序如r i 0 d ( 一维) ，s e d 3 d ( 三 维) 相连运行，如果有已知水力参数，还可单独运行。w a s p 是水质分析模拟程序， 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，w a s p 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t o x i 和富营养化模型e u t r 0 ，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( d o 、b o d 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) 。t 0 x i 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e ) 洲s 的动力学结构，结合w a s p 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。e u t r 0 采用了 p o t o m a c 富营养化模型的动力学，结合w a s p 迁移结构，该模型可预测d o 、c o d 、b o d 、 富营养化、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d 一砒s p 7 的计算模块结构见图2 一k 一 图2 1w a s p 7 计算模块结构图 该模型的使用方法，首先是河网模型概化，然后按照如下四个主要步骤进行： 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d y n h y d ；第二步研究水流中物质的传输，要靠示踪剂 1 4 研究和水质模型程序w a s p 的t o x i 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。 2 3 2 眦p 软件工作窗口及基本操作功能 w a s p 软件的基本工作窗口如图2 2 所示。在窗口的上部是下拉菜单栏，它 的下面是一排快捷功能按钮，窗口的下部是状态显示区，窗口中间是显示区域。 下拉菜单栏中包括：文件( f i l e ) ，项目( p r o j e c t ) ，前处理( p r e p r o c e s s o r ) ， 模型( m o d e l ) ，后处理( p o s t p r o c e s s o r ) ，帮助( h e l p ) 。 西墨皿雹囝墨盘墨臣盈匿誉豳盟墨盔墨譬蹈盛毯黧麓鬻黧缀鬟黼i 鬈翳戮鬟纂一。互l 童 图2 2w a s p 软件工作窗口 快捷功能按钮从左到右为：创建新文件，打开已有文件，保存文件，执行模型， 模型参数设置，定义时间步长，模拟结果存储间隔时间定义，模拟分区定义，模 型系统定义，分区参数范围要素，模型动力学常数定义，载入污染物时间序列定 义，环境时间序列定义，离差数据，流动数据，边界条件时间序列，导入网络模 型，输出控制，模型后处理。 旦l 鎏l 篓l 堡| 墼| 竺睦迪l 剑i 到燕i 坠l | 翌| 鳖| 丝i 。划 w a s p 软件可以导入的文件格式有三种： 木w i w a s p 输入文件； 奉d b 一包括观测数据的数据库文件； 串s h p a r c i n f o a r c v i e w 类文件。 1 5 2 3 3 模拟功能简介 w a s p 提供了一个很灵活的模拟系统，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。具体的模拟方 法是把水系统分割成段，而每段可以按照一维、二维或三维来安排。 w a s p 模型需要对水下地形等三维空间特征做出精细的描述。如果进行水系 的水动力学模拟，则首先要根据水动力学特点将水体简化为一系列相互连接的水 体节点( j u n c t i o n ) 和渠道( c h a n n e l ) ，并计算出水体节点的水面面积、水底高 程、渠道的长度、宽度、水利半径或渠道深度、渠道方向、每个渠道的宽度随时 间的变化率等。如要进行水体的水质模拟，则首先要将实际水体简化为一系列相 互关联的分区，并计算出每个分区的水体体积、相邻分区间的特征距离以及分区 间剖面面积等。 w a s p 模型集成了g i s ，并利用g i s 的空间分析和空间建模功能，可以准确、 便捷的获取空间特征数据。这些空间特征数据包括：分区表面积、垂直剖面面积， 平均坡度、平均深度，取样点之间的插值等。 2 3 4w a s p 模型的原理 ( 1 ) 基本方程m 1 w a s p 水质模块的本方程是一个平移扩散质量迁移方程，它能描述任一 水质指标的时间与空间变化。在方程里除了平移和扩散项外，还包括由生物、化 学和物理作用引起的源漏项。对于任一无限小的水体，水质指标c 的质量平衡式 为 筹= 一昙c 虬c ，一昙c q c ，一昙c 虬c ，+ 昙c e 篆，+ 专c b 爹， 。2 1 ， + 昙( t 誓) + 瓯+ & + & 式中u x ，u y ，u z 为流速m s ；c 为水质指标浓度，m g l ：e x ，e y ，e z 为 河流纵向、横向、垂向扩散系数m 2 s ；s 。为点源和非点源负荷，正为源、负为漏， g ( m 3 d ) ；s 。为边界负荷，包括上游、下游、底部和大气环境，g ( m 3 d ) ； 1 6 s 。为动力转换项，g ( m 3 d ) 。 ( 2 ) e u t r o 模块 e u t r o 模拟了8 个常规水质指标，即n h 3 一n ( c 1 ) 、n 0 3 一n ( c 2 ) 、无机磷 ( c 3 ) 、浮游植物( c 4 ) 、c b o d ( c 5 ) 、d 0 ( c 6 ) 、有机氮( c 7 ) 和有机磷( c 8 ) ；这8 个 指标分为四个相互作用子系统，即浮游植物动力学子系统、磷循环子系统、氮循 环子系统和d o 平衡子系统。这四个系统之间的相互转换关系，见图2 3 。在 e u t r o 模型中，充分考虑了各系统间的相互转化关系，即s 。项反映了这四个系统 八个指标之间的相互转化和影响。而这些指标除了相互影响之外，还会受到光照、 温度等的影响。 图2 3e u t r 0 变量之间的相互转化关系 ( 3 ) t o x i 模块 t o x i 模块模拟有毒物质的污染，可考虑1 3 种化学物质和1 3 种颗粒物质， 包括有机化合物、金属和泥沙等。对于某一污染物质可分别计算出其在水体中溶 解态和颗粒态的浓度，在底泥孔隙水和固态