论水质模型在武汉水环境管理中的应用

1、论水质模型在武汉水环境管理中的应用论文导读：并分别建立这些水域的陆地、水动力和水质模型。图2-1SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系。图2-2SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系。模型是美国HydroQual公司的第三代水质模型。关键词：水质模型，SWMM模型，ECOM模型，RCA模型1 绪论水质模型是应用物理学生物学化学、 数学等方面的知识，在监测和收集有关数据的根底上，借助编制的计算机软件系统等先进技术手段，模拟、反映和预测水质变化的情况。水质模型最根本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的行为。博士论文，ECOM模型。污染物在迁徙的过程中行为非常复杂。用模型的方法有助于

2、了解污染物的运动规律，而且省时，经济。国外的学者在这方面做了很多工作，研究也较为成熟，获得了较多成功实践的经验，但在国内以研究的深入和成熟度而言，本工程尚属首例。武汉市水资源非常丰富。地表水分布以长江和汉江为主干，还有府河、东湖等等，河流纵横交错，湖泊库塘星布，构成了庞大的地表水网，水域面积占全市总面积的 1/4。然而，快速的经济增长、工业化、城市化和造成的污染量的上升，给武汉市的水环境带来了严重的污染。二十世纪八十年代以来，长江水质不断恶化，从II类水体到目前旱季武汉段全部不到III类水平，其它季节，全年三分之二的时间不到III类水体。使武汉市处于优于水而忧于水;的为难境地。为了全面提升武汉

3、市水环境管理的能力，为优化污水处理设施的设计和运行提供科学的决策支持系统，2003年亚行和武汉市把建设水质模型工程作为提升武汉市水环境管理水平的一局部，列入了亚行贷款武汉污水管理工程中。博士论文，ECOM模型。该工程总投资250万美元，于2007年开始实施，2021年10月份根本完成。主要内容是通过对东湖、南湖、长江武汉段、汉江武汉段等重点水域的水质、水文、气象等历史与现状的数据进行分析，并分别建立这些水域的陆地、水动力和水质模型，从而形成一套能自行分析、计算并且有模拟预测功能的水环境监控管理工作平台，为武汉市的水环境管理提供决策依据。2 武汉水质模型的研究目的、方法、主要内容及根本功能2.1

4、本工程的主要目的通过初步建立东湖、南湖、长江、汉江等试点水体的水质模型，为江湖排污口的合理布局、排污方式排水体制的科学选择、治污工程的方案优化乃至城市排水系统的科学规划等方面提供模拟演示并对水体水质变化情况进行定时、定量、定性分析、结合城市建设规划科学地预测试点水体水环境质量未来变化趋势，以便为武汉市水环境治理提供科学技术分析平台，为恢复和改善水环境质量、提高水环境管理提供决策依据水平。2.2本工程的研究方法根据建立的试点水体的水质模型，采用递交求近法，通过比拟模拟结果与观测数据对模型参数进行反复调整、率定，逐步完善模型，力求提高模型精确度。2.3本工程的主要研究内容1资料分析：通过对现有水体

5、及水质资料的分析，了解系统中存在的物理和化学过程。2模块划分：构建网格以准确地表达河岸线变化特性，河、湖的边界。3模型率定：将模拟值与实测值进行对照以校正模型参数。4模型验证：根据现有资料，对模型模拟的数据作进一步分析。5模型试验：在整个模拟工作过程中，将通过多种数模试验来决定模型的精确性。6模型预测：在率定、验证模型以及建立一套统一的模型系数后，模型将用于对各种改善方案的效益进行预测及评估。建模流程见图2-1：图2-1 建模流程图2.4武汉水质模型设定的根本功能1诊断：深入了解污染负荷与水质现象的变化机制，由此可推演出各种有效的改善方案。2预测：提供评估现有及预测未来水质状况的科学依据。3规

6、划：从现代科学和工程角度设定公平合理的排放标准及工程方案。4管理：提供决策者一套精确及有效地科学管理工具。3 武汉水质模型结构及根本原理武汉水质模型建立由三局部组成，即：SWMM-流域模型、ECOM-水动力模型、RCA-水质模型，三个模型相互关联，相互支持，三者之间的具体关系如图2-1、2-2所示。图2-1 SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系图2-2 SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系SWMM-流域模型利用集水区域面积与形状、非渗透比例、倾斜/粗糙数、污水管道系统与湖泊/河流相连接等流域信息以及降雨强度来计算径流量以及污染物负荷，用户图形界面将把由城市陆地径流模型计算出

7、的水流量与ECOM水动力模型的输入值相连，其计算出来的点源和面源负荷也可以作为RCA-水质模型的输入条件。ECOM-水动力模型输入值包括使其能够利用气象参数准确地计算水温。该模型还包括风浪子模型，用于计算底部剪应力(输送进水质模型并用于沉积物再悬浮计算)。ECOM-水动力模型的输出值被作为输入值送入RCA水质模型中。RCA-水质模型有一系列的模块来处理各种水质问题。这包括常规污染物(需氧量，碳质生化需氧量，氮质生化需氧量，富营养化，病原微生物)以及一系列有机/无机有毒污染物。3.1SWMM陆域模型SWMM模型全称Storm Water Management Model，是由美国环保局和CDM公

8、司联合开发，免费使用、编码公开的公共模型，在世界范围内得以广泛使用和测试，适用于城市水域和排水系统，是美国环保局研制的模拟城市雨水、洪水和水质过程的数学模型。1集水区与子集水区在SWMM模型中,一般将一个集水区划分成假设干个子集水区,根据各子集水区的特性分别计算其径流过程,并通过流量演算的方法将各子集水区的出流组合起来。各子集水区按其透水特性可分成透水区和不透水区。不透水区又有滞蓄库容和无滞蓄库容之分。有、无滞蓄即在暴雨初始是否立即产生地表径流,以反映不同的地表特性对产流的影响。2地表产汇流计算对于无滞蓄不透水区,净雨量等于它的降雨量。博士论文，ECOM模型。对于有滞蓄的不透水区, 净雨量等于

9、从降雨过程中去除初损量，主要是填洼量。博士论文，ECOM模型。而透水区要考虑填洼和下渗两方面的损失量,模型是通过霍顿模型及格林安普特模型来计算下渗量的。模型通过地表汇流演算把各个子集水区的净雨量转化成子集水区的出流。在模型中,把子集水区的3个组成局部近似作为非线性水库处理而实现的,即联立求解曼宁方程和连续方程。3排水系统的流量演算SWMM模型包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体模块等主要模块。模型采用输送模块和扩展输送模块进行排水系统的演算。图3-1和图3-2是SWMM模型的建模过程和SWMM模型所需的数据资料。图3-1 SWMM模型建模过程图3-2 SWMM模型所

10、需数据资料3.2 ECOM水动力模型ECOM可在一、二、三维模式下运行。在二维(横向平均)与三维模式下，水体的垂直分割可以基于本地水深的分层或固定厚度的分层两种方式。模型输入值包括可以计算底部剪应力。该模型还包括一个热通量子模型,能够利用气象参数准确地计算水温。ECOM模型还能够同时反映不规那么海岸线和局部水体的各种深度，而且，ECOM模型的计算机代码已经实现了复杂接口技术，将模型的输出与RCA的输入直接对接。建立水动力模型的第一步是建立一个定义分析工作空间范围与精确度的网格。网格设计可提供不同水平的平面解析度。比方，该网格可以在特殊研究区域(如污水排放点或供水取水点)或在水深变化剧烈的区域使

11、用小的网格间隙，即高分辨率。河流系统要求的垂直解析度将在评估了水温与水质参数(如溶解氧或颗粒物质)在垂直方向的梯度之后确定。水动力模型需要模型研究范围内底部测深的描述以及由城市与郊区陆地模型生成的随时间变化的通过上游边界与支流的流入量、污水流入量、水提取量、以及雨水流入量。最后，气象条件可能成为重要的影响函数。因此，风速与风向、气温、相对湿度、云层遮盖率、大气压以及太阳辐射均是必须的输入值。水体内的升温与降温由热通量计算提供。该计算除了考虑上游流入水的水温以及通过下游边界的热损失通量，还考虑了太阳辐射、近水气温、湿度以及云层遮盖率。风速与风向除了影响水体的升温与降温之外，还会影响系统内的湍流程

12、度。最后，在将波浪模型参加计算后，风速与风向将影响波浪模式，并由此有助于理解系统中可能的沉积物传输(该特性对于湖泊模型更为重要)。模型率定使用递次求近法。博士论文，ECOM模型。通过比拟模型结果与观测数据来评估与改善模型参数。模型的验证是律定工作的延伸，用于保证律定后的模型可以表现更长时间段内变量与条件。虽然相互关联，这两个步骤可以被分成两个过程。可用数据中的一局部被用于率定，剩下的被用于验证。水动力模型的模型数据比拟工作将由可获得的数据来决定，但可以包括水流、水速以及垂直温度图。图3-3是ECOM模型所需要收集的数据资料。图3-3 ECOM模型所需数据资料3.3 RCA水质模型RCA模型是美

13、国HydroQual公司的第三代水质模型，可用于大型河流、湖泊、河口及海岸的水质模拟，全称ROW-Column AESOP。RCA模型可以直接与水动力计算模型ECOM和ECOMSED相兼容，直接利用与水动力模型相同的网格、几何信息，以及水动力计算输出的流场信息。RCA可以直接从水动力模型中获得平流和散流的流场RCA模型以研究区域中所有进入和离开所研究水体的二维变量和状态变量的质量平衡为根底，构建质量平衡方程式进行计算。质量平衡方程式中考虑的参数包括：各模型网格片断间平流和散流的横向、竖向和侧向分量；各模网格型片断中二元变量的生物、化学、物理转化；以及通过点源、面源、支流、大气影响水体的水质变量

14、。整个模型的框架包括两个局部组成：1潮汐、气象、生系统以及密度梯度对物质传输的影响；2在变量和外部输入之间的动力学相互作用。淡水流密度梯度、潮汐以及风引起的混合是水体中水质要素流动的主要原因。外部进入成分以及污染物都有多种来源，包括：市政和工业污水排放，加上污水外溢CSOs、下水道污水外溢SSOs、天然地表径流和大气沉降到水体的水面。RCA直接利用水动力模型提供的干湿网格、几何信息、流场信息、流量等数据。如图3-4所示，水动力模型输出文件经过10-test;测试水动力是否流量守衡，如果测试显示错误那么对水动力模型进行10-test;错误检查，如果测试通过那么结合已准备好的数据输入文件，合并运行

15、RCA模型。模型结果将与实际监测数据相比照，然后对参数反复率定，以取得最正确参数组合。图3-45RCA模型的构建图3-5 RCA模型的结构框架图3-5是RCA模型的结构框架，主要描述了RCA模型所需的数据输入文件构成。RCA模型除需要水动力模型提供的文件外，还需要用根据实际监测准备边界条件文件、点源负荷文件、面源负荷文件、支流文件、初始条件文件、参数函数文件以及底泥文件，另外还需要一个文本格式的主控制文件。博士论文，ECOM模型。模型结果可以通过H4D程序直观形象的看到某水体的水质变化情况如图3-6所示，也提取某观测点数据直接观察该点的水质变量随时间的变化趋势如图3-7所示。图3-6 H4D可

16、视化结果显示图3-7 某观测点随时间变化趋势图4水质模型在国内外的研究和应用情况4.1起源与开展水质模型起源于1925年美国工程师Streeter和Phelps的氧平衡模型，即Streeter-PhelpsS-P水质模型，该模型最初被应用于城市排水工程的设计和简单水体自净作用研究。S-P水质模型原理相当合理，因此至今仍使用其某些修正形式。自S-P水质模型建立以来，水质模型的研究越来越深入和广泛。随着污染物水环境行为和水质标准制定工作研究的不断深入，而后另一种模型即形态模型，逐步代替了氧平衡模型。所谓形态模型即同一个污染物由于它在水体中的存在状态和化学形态不同而表现出完全不同的环境行为和生态效应

17、。该模型对化学反响、污染物形态识别和输入数据的准确性及可靠性要求更高。上世纪八十年代以来，由于全球性的水污染日趋严重，各国对水质模型的研究也加快了步伐，一些国家如美国、加拿大、丹麦、澳大利亚德国、荷兰等走在了世界水质模型研究的前沿，建立了多种水质模型，广泛地应用在水质规划及环境治理中，并将其软件化，提高了模型的通用性。4.2国外水质模型的应用。有关资料说明：1深入了解水质现象的变化机制，其中包括：水质评估、富营养化课题研究、有毒有害物质迁移及变化趋势摸拟、法定混合区分析、受污染底泥的管理、点源及非点源影响评估、生态系统危机摸拟分析、水质标准的研发及水质工程评价等。2预测及评估各种污染整治措施的

18、效益:废水处理升级的效益、点源及非点源消减方案、集水区最正确管理操作方案、排放设施规划、综合排水系统暴雨整治方案、流域污水系统综合管理方案。 3流域系统整体水质综合整治-总量控制(TMDL):水质目标确实定及水体使用目的划分、最大日负荷量分析、污染负荷的重新分配、负荷消减方案的制定、排放口重新选址的评估、排放量交易行为的评估、操作方案执行成效的追踪、估算何时到达一定的水质指标。比方美国弗罗里达州圣约翰河营养盐总量控制案例因为不达标的溶解氧水平及过度负荷的营养盐(C,N,P)导致富营养化问题，要解决这个问题通过模型通过总量控制，计算要到达目标需要采取的措施及执行方案。在武汉水质模型中应用的三个子

19、模型SWMM模型、ECOM模型、RCA模型在国外也得到广泛的应用的验证：SWMM模型是由美国环保局开发，在世界范围内广泛应用于城市水域和排水系统。ECOM模型是普林斯顿海洋模型(POM)的扩展，目前世界上有50多个国家的650个政府部门、学术机构和研究团体使用这个模型，并取得成功经验，如印尼、阿联酋、哈得逊河、密西西比河、Housatonic河、下帕塞克河、波拖马可河等河流区域以及纽约州Onondaga湖、新泽西州Wanaque水库、明尼苏达州Pepin湖、威斯康星州绿湾、麻萨诸塞州Waban湖等湖泊区域。RCA模型已被应用于许多湖泊系流中，如东非维多利亚湖、Champlain湖、Pepin湖

20、和Wanaque水库等，同时也被应用许多河流系统中，包括哈得逊河、密西西比河、Housatonic河、下帕赛克河和波拖马可河等。4.3武汉水质模型的初步应用情况与国外相比，我国对水质模型的研究和应用起步都比拟晚，目前，主要是借鉴美国WASP系列以及Qual系列的水质模型对国内水体、水质进行研究和管理。近年来，国内的水质模型自主研究，特别是在湖泊生态系统动力学模型的研究上取得了长足的开展，但是，由于模拟和验证数据缺乏，对形态模型的研究相当有限，对于一些对底泥和上覆水等关键过程考虑也不够。在对湖泊的治理上，可以通过水质模型的计算确定面源、点源以及内源对各子湖区的影响，再根据计算结果规划治理方案，对

21、污源的消减量进行客观和科学的评估，以面源污染为主的区域那么对湖区周边进行规划整治，以点源污染为主的区域那么对点源进行截污，以内源污染为主的区域那么进行湖底清淤。同时可以通过以初期雨水水量和污染负荷的数据为依据，计算初期雨水对东湖水体的水质影响。并以此为根据对城市排水系统和暴雨排洪系统进行规划或整治。饮用水平安预警是武汉水质模型的重点应用和亮点。通过饮用水平安预警系统的计算可以评价日常及事故情况下自来水厂的平安性。如当长江某点出现污染事故，通过水质模型的计算可以预知长江武汉段任一时刻任一区域污染物的迁移情况，也可以知道污染物在什么时候经过各取水口，什么时候浓度到达峰值，自来水厂什么时候采取什么程度的处理可以输出平安的饮水，什么时候可以放心取水等等。又如当长江某地发生偷排，通过实时监测的水质数据可以大概估计偷排的工厂类型和偷排位置，利用水质模型的计算那么可以推断出上游偷排的时间