地表水環評數值模擬精細化研究

賈鵬，王慶改，周俊，趙曉宏，李時蓓

(1.環境保護部環境工程評估中心， 北京　100012；

2.國家環境保護環境影響評價數值模型重點實驗室， 北京　100012)

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地表水環評數值模擬精細化研究

賈鵬1,2，王慶改1,2，周俊1,2，趙曉宏1,2，李時蓓1,2

(1.環境保護部環境工程評估中心， 北京100012；

2.國家環境保護環境影響評價數值模型重點實驗室， 北京100012)

摘要：基于《環境影響評價技術導則 地面水環境》(HJ/T 2.3—93)的數值模型部分內容已經落后于水動力及水質等數學模型的發展，不能滿足環境影響評價工作的實際需要。建議開展地表水環境影響評價數值模擬精細化研究，研究不同模型維數、不同模型類型之間模擬結果的差異，并開展模型參數的敏感性分析，闡明影響預測結果的主要模型參數，建立適合我國環評應用的數值模擬預測共享軟件平臺。同時，開展地表水環境影響評價模型法規化研究，提出適用于國內地表水環境影響評價的數值模型清單，建立法規模型驗證案例庫和法規模型庫，提出進入法規模型庫的入庫標準，規范環境影響評價中模型的使用，為環境影響評價領域的數值模擬預測規范化、科學化提供技術支持。

關鍵詞：地表水；環境影響評價；數值模擬；模型

《環境影響評價導則 地面水環境》(HJ/T 2.3—93)是指導開展地表水環境影響評價的依據、方法和技術指南，于1993年頒布，導則詳細說明了地表水環境影響評價需要開展的主要工作內容、技術方法等。地表水環境影響預測是地表水導則的重要內容，也是地表水環境影響評價的重要內容，環境影響的大小決定了污染防治措施選取的依據和環保投資的大小，在整個環評過程中起著重要作用。《環境影響評價技術導則 地面水環境》(HJ/T 2.3—93)中給出了適合河流、湖(庫)、河口、海灣等各類水體類型的環境影響預測模式，其中包括持久性污染物、非持久性污染物、酸堿污染物、廢熱預測等的各類穩態預測模型及部分數值模型。

但是經過20多年來地表水環境預測數學模型的不斷發展，導則中給出的數學模型已經不能滿足目前環境影響評價的實際需要，特別是數值模型部分，已經落后于水動力及水質等數學模型的發展。導則中數值模型介紹內容比較少，只給出了部分數值模型的計算公式，實際環評中，涉及河口、海灣、大型河流的污染排放量較大的石化化工項目、直流火電廠及大型水庫等，一般都采用數值模型進行水環境影響的預測。而且在實際環評中，不同的環評單位往往應用不同類型的數值模型軟件，但是不同模型之間模擬結果的差別究竟有多大，什么樣的情況應采用什么樣的模型，尚沒有研究成果提供相關技術支持。因此，開展水環境影響評價數值模擬精細化研究，研究不同模型軟件、模型維數模擬結果的差異，分析模型參數的敏感性和模型的不確定性是目前水環境影響評價的重大需求。

1國外水環境數值模型研究現狀

從1925年斯特里特(H.W.Streeter)和費爾普斯(E.B.Phelps)研究建立了第一個水質模型(S-P模型)，到目前為止，水環境質量模型經歷了近90年的發展歷程。水環境質量模型從單項水質因子發展到多項水質因子，從穩態模型發展到動態模型，從點源模型發展到點源和面源耦合的模型，從零維完全混合模型發展到一維、二維、三維模型，有關地表水環境影響預測的模型有上百種。水環境模型數值模擬計算的發展始于20世紀60年代，在河口海岸水動力、水沙等的數值模擬方面應用研究的比較多，到70年代，河流湖庫水動力、水質模型的數值模擬研究開始出現[1- 3]。發展至今，國際上已經推出多個商業版和免費版的水環境數值模擬軟件。

美國在水環境質量模型研究方面是走在最前面的，1972年美國頒布實施了《清潔水法》，該法對美國各州水域的水質標準和TMDL計劃的制定、實施做出了具體規定，其控制對象包括點源和非點源。《清潔水法》要求根據水域的水質標準、應用水環境數學模型，計算出該水域日最大能容納的某種污染物的總量；然后根據點源與非點源造成污染的比例，進行點源與非點源之間污染排放許可的分配。美國環境保護局(EPA)資助Tetra Tech公司開展了TMDL模型評價和研究需求分析項目(TMDL Model Evaluation and Research Needs)[4]，該項目對60多個模型進行了評估，對各種模型的模擬能力、適用性等進行了詳細的評估對比。2002年，EPA發布了模型應用指南(Guidance for Quality Assurance Project Plans for Models)，對環境質量模型的應用提出了建議和指導原則。2009年，EPA發布了《環境模型開發、評估及應用指南》(Guidance on the Development,Evaluation and Application of Environmental Models)[5]，該指南分類給出了一系列模型，其中地表水環境模型有HSPF，WASP及QUAL2E等，并簡要介紹了各種模型的模型特征、適用模擬的環境過程以及模型的詳細介紹網址等。美國EPA環境模擬監管委員會(CREM)在其網站[6]建立了模型庫，美國地質調查局[7]、聯邦風險應急管理局[8]、美國陸軍工程兵團[9]等機構都建有類似的模型庫，并對各類模型進行了詳細介紹。

英國發布的《地表水和地下水污染影響評估指南》提出了針對潛在污染源地表水環境影響評價的步驟和方法，推薦了65種適合河流、湖泊、水庫、河口、海域等不同條件的地表水預測模型，并給出了每個模型的適用條件、應用說明等的詳細介紹，可以精細化定量評估污染源對地表水環境影響的程度。韓國環境部2006年提出了水環境管理總體計劃，針對具體的水質預測，推薦了一系列的數學模型，實際應用最廣泛的為QUAL2E模型、EFDC模型等。澳大利亞地表水環境預測應用較為普遍的模型為MIKE系列模型以及Tuflow模型。丹麥水環境模型應用最廣泛的是丹麥水利研究所(DHI)開發的MIKE系列模型，該系列模型可以針對生態與環境化學、水資源、水利工程、水動力學及其相關領域進行模擬分析。

美國、英國、韓國等發達國家都建立了水環境數值模型庫，并詳細給出了模型的適用條件、應用范圍等內容，以及可采納應用的各類水環境數值模型。但對于不同模型軟件、不同維數模型之間模擬結果差別的深入、精細化研究尚不多見。

2國內水環境數值模型研究現狀

20世紀70年代中期，香港開始使用Delft3D水動力-水質模型系統，涉及水環境模擬預測的環境影響評價項目一般都采用該模型進行預測，現在已經成為香港環境署的標準產品。臺灣“環保局”發布了《環境影響評估河川水質評估模式技術規范》，推薦了適合不同水環境條件下的預測模式清單，主要有BASINS/HSPF、QUAL2K、SWMM、WASP，如果要選用其他模式，需要經過模型驗證，提交模型理論公式，以及與推薦模型的對比結果。

我國大陸地區的數值模擬研究始于20世紀70年代，在水環境數值模擬研究方面做了很多工作，就數值模型的計算網格生成、離散方法、數值計算方法、模型參數、模型開發等方面做過很多研究，引進了國際上常用的MIKE、EFDC、DELFT3D、WASP、SWAT、QUAL2E等數值模型軟件，并在我國水利水電工程、河口海岸工程等建設項目的水環境影響預測及規劃管理中得到廣泛應用。一些科研院所和大學也開發了數值模型軟件，取得了較好的應用效果。

南京水利科學研究院建立了河口海岸潮流泥沙數值模擬系統，該系統選用成熟的計算方法，編制出完整的河口海岸數值模擬可視化系統，集成了平面二維、三維水流、鹽度、泥沙、水質、溫排水、溢油等模塊。大連理工大學開發了HydroInfo軟件，可用來進行復雜水流與輸運問題的大型數值模擬計算，系統集成了一維、二維、三維及多維耦合模型，采用無結構化網格高分辨率離散格式，來模擬計算水流、水質、泥沙等輸運過程，且開發了易用的前后處理工具及與GIS、CAD軟件的數據接口，采用并行技術以提高模型的計算效率，并提供了多種標準算例。珠江水利委員會珠江水利科學研究院開發了HydroMPM模型軟件，包括三種計算模式：一維模式、二維模式、一二維聯解模式。該軟件可以利用數值計算手段對水(潮)流、泥沙、水質、咸潮等水動力及其伴生過程進行模擬分析。浙江省水利河口研究院開發了ZIHE-2DS軟件，可以進行水流、鹽度、水質的計算，模型采用OpenMP并行編程技術對基于多核處理器的計算程序實現了并行計算，控制方程采用二維淺水方程和對流擴散方程，水流計算采用有限體積KFVS(Kinetic Flux Vector Splitting)格式，水質計算采用有限體積Godunov格式。四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室研發了West Water-Lateral (WWL)立面二數值模擬軟件，該水溫分析軟件計入地形、入流、發電泄流、防洪泄流、水位、太陽輻射、大氣長波輻射、水體返回長波輻射、水面蒸發、傳導、泄流孔口位置及尺寸等因素對水庫縱垂向水溫的影響，通過計算連續方程、動量方程、能量方程、紊流模式方程來模擬水庫水溫時空變化過程，模擬計算的過程、結果可自動輸出到第三方軟件如Tecplot、Excel等進行動態顯示，并自動生成統計表格和圖形。交通部天津水運工程科學研究院、河海大學等單位經過多年的科研成果積累，也開發了自己的數值模型軟件。

但是，我國建立的數值模型軟件主要局限于相關單位的自身實際應用需求，尚未在大范圍內推廣應用。現在我國環評領域應用較多的水環境模型軟件是國外的MIKE、EFDC、DELFT3D等，環評導則中尚未給出可參考選擇使用的數值模型清單。

3主要問題及重大需求

依據國內外目前數值模擬技術的發展現狀及研究成果，以及我國環境影響評價的現狀，建議開展我國地表水環境影響評價數值模擬精細化研究，為我國的地表水環境影響評價提供技術支持，主要基于以下問題和需求。

(1)模型合理選擇缺乏研究基礎

經過幾十年的發展，國內外已經建立了一系列比較成熟的地表水環境質量數值預測模型，特別是國外，開發了很多成熟的開源免費或商業軟件，并建有專門的模型支持網站，發布了一系列模型庫。但是，不同模型軟件之間的模擬結果差別究竟有多大，不同模型軟件是否可相互替代使用等方面的研究還很少，而目前在我國水環境影響評價數值模擬預測中，使用的軟件類型較多，不同環評單位應用的模型軟件、選用的模型維數存在差異，預測出來的結果也不完全一致，迫切需要開展相關研究工作。例如，在環評預測中，特別是在沿海及大江大河建設的直流火電廠項目中，溫排水預測的數值模型選擇一直存在異議，究竟應該用平面二維模型還是三維模型，在環評界尚未達成共識。同樣，大型水庫建設后會產生庫區水溫分層，引起下泄低溫水，為了提高下泄水體的溫度，我國開始設計建設疊梁門。目前，我國已有多個大型水庫開始了疊梁門的設計建設，環評單位也進行了疊梁門運行效果的數值模擬預測，但不同環評單位應用的模型軟件、選用的模型維數存在差異，預測出來的結果也不完全一致。

目前，我國地表水環境影響評價預測中應用的水環境模型軟件有很多，常用的數值模型軟件有MIKE、EFDC、DELFT3D等，還有一些研究單位自己開發的模型軟件，但對各種模型軟件模擬結果的差異性、參數的敏感性、參數的規范化和標準化等的研究還沒有開展，急需開展相關研究，為環境影響評價提供技術支持。

(2)數值模擬預測缺少技術指導文件

《環境影響評價導則 地面水環境》(HJ/T 2.3—93)中推薦了地表水環境影響評價預測中常用的數學模型，包括穩態模型和非穩態模型兩大類。穩態模型在建設項目的地表水環境影響評價中起到了重要作用，但是對于非穩態模型，由于導則中推薦的僅是數值模型的計算公式，計算過程復雜、計算量龐大，實際環評過程中可操作性不強。一般實際環評工作中，需要借助基于數值計算模型開發的相關數值模型軟件，進行模擬預測。目前應用的數值模擬預測軟件很多，包括國外多個國家發布的商業軟件、開源免費軟件以及國內一些研究單位獨立研發的軟件，但是缺少相關模型應用的技術指導性材料，特別是規范性應用文件，缺乏可參考的依據。

4未來發展方向及建議

為解決環評中地表水環境影響預測存在的相關問題，建議未來在水環境影響數值模擬方面深入研究，組織開展地表水環境影響評價數值模型規范性應用研究，盡快修訂地表水環評技術導則，補充數值模擬預測部分相關內容，提高對數值模擬預測的技術指導性，配套發布相應的模型應用技術指南或模型規范性應用技術指導文件，為地表水環境影響評價提供技術支持。

(1)開展數值模擬精細化研究

目前，在環境影響評價中需要開展水環境數值模擬預測的主要涉及水利水電、直流電廠、石化、造紙、印染等行業建設項目，建議針對地表水環境影響評價數值模擬預測中存在的主要問題及重大需求，選擇大型直流火電廠、疊梁門水庫、石化、造紙、印染類建設項目作為典型案例，開展水環境影響數值模擬精細化研究，包括溫排水、水庫水溫及下泄水溫、水質的數值模擬精細化研究。研究不同數值模型軟件、不同模型維數之間模擬結果的差異，并開展模型參數的敏感性分析，闡明影響預測結果的主要模型參數，并給出每個參數的取值范圍；研究不同數值模擬軟件的適用條件、應用范圍、參數特點等，并基于當前主流開源的數值模型計算程序，建立適合國內環評應用的數值模擬預測共享軟件平臺，解決水環境影響預測評價中亟待解決的問題，為環境影響評價領域的數值模擬預測規范化、科學化提供技術支持。

(2)開展環評模型法規化研究

建議開展地表水環境影響評價模型法規化研究，在國內外數值模型比較分析的基礎上，從模型適用性、模型精度、計算方法與效率、易用性與標準化程度等多方面建立環境質量法規模型的評價指標和模型驗證案例庫，提出適用于國內地表水環境影響評價的數值模型清單，建立法規模型庫，提出進入法規模型庫的入庫標準，提出法規模型參數獲取方法、來源及推薦值，法規模型參數的率定和驗證方法等，提出模型參數的規范化建議。同時，開發法規模型的中文化圖形用戶界面，編寫詳細的模型操作手冊和模型應用技術指南，包括模型輸入(數據獲取、數據預處理)、模型構建、模型校準、模型驗證、參數評估、模型輸出等應用過程，為地表水環評提供技術支持。

參考文獻(References)：

[1]Wang Qinggai, Li Shibei, Jia Peng,etal. A Review of Surface Water Environmental Quality Models: Development, Regulations and Measurements[J]. The Scientific World Journal, 2013, 2013: 1- 7.

[2]Wang Qinggai. Prediction of Water Temperature as Affected by a Pre-Constructed Reservoir Project Based on MIKE11[J]. Clean-Soil, Air, Water. 2013, 41 (11): 1039- 1043.

[3]USEPA. Guidance for Quality Assurance Project Plans for Modeling[EB/OL]. (2002- 12)[2014- 12- 17]. http://www.epa.gov/QUALITY/qs-docs/g5m-final.pdf.

[4]USEPA. TMDL Model Evaluation and Research Needs[EB/OL]. (2005- 11)[2014- 12- 17]. http://water.epa.gov/lawsregs/lawsguidance/cwa/tmdl/upload/600r05149.pdf.

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Numerical Simulation of Surface Water Environmental Impact Assessment

JIA Peng1,2, WANG Qing-gai1,2, ZHOU Jun1,2, ZHAO Xiao-hong1,2, LI Shi-bei1,2

(1.Appraisal Center for Environment and Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China;

2.State Environmental Protection Key Laboratory of Numerical Modeling for Environment Impact Assessment, Beijing 100012, China)

Abstract:As the numerical models in theGuidelineofSurfaceWaterEnvironmentalimpactAssessment(HJ/T 2.3-93) lag behind the development of hydrodynamic force and water quality modeling, it is necessary to carry out research on numerical modeling of surface water environmental impact assessment to find out the differences between different models and to get the main parameters that affect the results. A software platform for numerical simulation prediction sharing should be established. Meanwhile, it is suggested that a numerical model inventory for surface water environmental impact assessment and a database of regulatory models and calibration cases should be established with clear access standards in order to provide technical assistance for the standardization of numerical modeling.

Key words:surface water; environmental impact assessment; numerical simulation; models

通訊作者：王慶改(1975—)，女，河北邯鄲人，研究員，博士，研究方向為地表水環境影響評價數值模擬，E-mail： wangqg@acee.org.cn

作者簡介：賈鵬(1982—)，男，甘肅會寧人，工程師，碩士，研究方向為地表水環境影響評價數值模擬，E-mail： peng.jia@acee.org.cn

基金項目：環保公益性行業科研專項(201309062)；環境保護部2014年部門預算項目環境影響評價專項(1441402450017-2)

收稿日期：2014-04-24

中圖分類號：X828

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6444(2015)01-0051-04

DOI:10.14068/j.ceia.2015.01.014