德國(guó)DWA水質(zhì)模型

楊寅生 姚剛

摘 要：DWA水質(zhì)模型可用于范圍廣泛的水資源管理規(guī)劃任務(wù)，從數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的方面分析水體中的因子，來(lái)進(jìn)行水污染防治的規(guī)劃以及污染預(yù)警機(jī)制的建立。同時(shí)介紹了M3系統(tǒng)理論在模型中的應(yīng)用，并以德國(guó)埃爾夫特河的應(yīng)用為例，監(jiān)測(cè)水體當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行模擬并預(yù)測(cè)未來(lái)水體質(zhì)量。最后展望DWA模型在未來(lái)中國(guó)的水資源管理規(guī)劃工作中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：DWA模型；水質(zhì)模型；模擬；水資源管理

1 概述

水質(zhì)模型是描述各種物質(zhì)在水體中的混合和輸運(yùn)、在時(shí)間和空間上的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及各影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。它是水環(huán)境管理規(guī)劃、水環(huán)境污染治理規(guī)劃決策分析、水容量研究分析、水環(huán)境污染預(yù)警研究的重要工具和有效手段。水質(zhì)模型是一種數(shù)學(xué)描述，在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行研究分析的過(guò)程中涉及到物理、化學(xué)、和生物過(guò)程，因而要根據(jù)需求選擇因子與研究方法，建立不同的模型。

1925年，美國(guó)工程師Streeler和Phelps提出了S-P模型，描述一維穩(wěn)態(tài)河流中的BOD和DO的變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，水質(zhì)模型的研究日益成熟，特別是近30年以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，水質(zhì)模擬領(lǐng)域也有了重大發(fā)展，各國(guó)相繼出現(xiàn)了一批功能強(qiáng)大、通用性好、準(zhǔn)確可靠的綜合水質(zhì)模型。

文章就M3（Monitoring，Modelling，Management）系統(tǒng)及德國(guó)DWA水質(zhì)模型作一介紹與分析及其在埃爾夫特河（Erft River）的應(yīng)用。

2 M3系統(tǒng)理論

M3系統(tǒng)由水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水質(zhì)模擬系統(tǒng)和水質(zhì)管理系統(tǒng)三個(gè)方面組成，是一個(gè)全面的對(duì)水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)、模擬和管理的系統(tǒng)，從空間和時(shí)間上確定水體的現(xiàn)狀，以期達(dá)到合理規(guī)劃管理水體的目的。如圖1所示。

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)，分別對(duì)點(diǎn)源污染和面源污染監(jiān)測(cè)，包括常規(guī)監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)和固體物調(diào)研，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)水體質(zhì)量的調(diào)查結(jié)果。

對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求：

（1）取樣技術(shù)：自動(dòng)監(jiān)測(cè)和與排放同步監(jiān)測(cè)；（2）取樣方式：代表性的混合樣本；（3）取樣周期：動(dòng)態(tài)時(shí)間段，高時(shí)間精度和混合污水溢流濃度梯度；（4）取樣時(shí)間間隔：溢流的時(shí)間段；（5）通信機(jī)制：準(zhǔn)確及時(shí)的信息傳輸。

2.2 水質(zhì)模擬系統(tǒng)

水質(zhì)模擬系統(tǒng)對(duì)輸入的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可信度驗(yàn)證，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果得出水體質(zhì)量的調(diào)查結(jié)果。水質(zhì)模擬的應(yīng)用：

（1）數(shù)據(jù)分析；（2）系統(tǒng)分析；（3）設(shè)計(jì)效益分析；（4）環(huán)境影響評(píng)價(jià)；（5）設(shè)計(jì)控制和管理調(diào)控的研發(fā)基礎(chǔ)；（6）預(yù)警規(guī)劃中的操作應(yīng)用。

如圖2所示是M3系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)和模擬的應(yīng)用。

2.3 水質(zhì)管理系統(tǒng)

水質(zhì)管理系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水質(zhì)模擬系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析后，改進(jìn)邊界條件，反饋給水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水質(zhì)模擬系統(tǒng)，優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案和模擬計(jì)算過(guò)程。

3 DWA水質(zhì)模型

3.1 模型的產(chǎn)生

德國(guó)水資源、污水及廢物管理聯(lián)合會(huì)（DWA）的水體質(zhì)量模型由原德國(guó)污水技術(shù)聯(lián)合會(huì)（ATV）的“水體質(zhì)量管理中的模型計(jì)算”專(zhuān)業(yè)委員會(huì)于1991至1995年期間開(kāi)發(fā)，并自此隨著發(fā)展進(jìn)步中的科學(xué)認(rèn)識(shí)和水體質(zhì)量管理領(lǐng)域的要求不斷進(jìn)行更新。目前該模型由DWA的GB1.4專(zhuān)業(yè)委員會(huì)指導(dǎo)。

3.2 目標(biāo)和任務(wù)設(shè)置

流動(dòng)水域展現(xiàn)了高度交錯(cuò)的生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的相互影響以及自然與人為因素的多樣性影響而形成的龐雜的體系。這樣的體系的典型特征是巨大的活力和空間上的易變形。人類(lèi)通過(guò)對(duì)水域的使用和污染介入這一體系，使用和污染兩方面既相互并存，也和作為生存空間的水域的各種生態(tài)功能間形成了多層次的對(duì)立。人為的介入不僅涉及水域的總體結(jié)構(gòu)，也涉及物理、化學(xué)層面的水體質(zhì)量。污染物的負(fù)荷一方面來(lái)源于點(diǎn)源污染，另一方面由直接或間接的面源污染造成。

水資源管理的任務(wù)在于，為確保盡可能與水域的自然狀態(tài)相符的生活狀況，將人為的影響局限在必要的尺度內(nèi)并平衡在水資源使用過(guò)程中出現(xiàn)的矛盾沖突。就此而言，水體質(zhì)量模型作為一種輔助手段被使用，其目的是以水域保護(hù)的既定目標(biāo)為基礎(chǔ)，認(rèn)識(shí)行動(dòng)的必要或了解措施與介入手段的效果。為達(dá)到此目的，需對(duì)水域在空間上的多變性和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行描述，并對(duì)多種不同類(lèi)型的人為介入行為所引起的反應(yīng)進(jìn)行近似的量化。

由這些要求衍生出水體質(zhì)量模擬型的各種任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域。其應(yīng)用范圍很廣泛，從數(shù)據(jù)和系統(tǒng)分析開(kāi)始，到水域保護(hù)規(guī)劃中的方案調(diào)研，以及流量管理中的運(yùn)用和預(yù)警機(jī)制等等。

模型的第一組應(yīng)用是對(duì)真實(shí)的水域體系進(jìn)行模擬，以在給定狀態(tài)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行或強(qiáng)或弱的調(diào)整。水質(zhì)模擬中的“經(jīng)典”任務(wù)如廠址優(yōu)化、措施規(guī)劃等便屬于此范疇。各種模型的靈活度的與日俱增，使得對(duì)一些狀況的研究也成為可能，例如能通過(guò)對(duì)河道疏通與引流、自然修復(fù)或新的設(shè)施等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)水域體系的調(diào)節(jié)。

水框架法為這類(lèi)模擬提供了一個(gè)廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。該水法要求在某一規(guī)定的時(shí)間框架內(nèi)達(dá)到根據(jù)某類(lèi)型特征而定義的目標(biāo)狀態(tài)。在此，水體質(zhì)量模擬可在相應(yīng)生物群落生態(tài)環(huán)境條件（生物形態(tài)、輻射環(huán)境、底質(zhì)）的模擬中協(xié)助進(jìn)行措施的規(guī)劃，規(guī)劃時(shí)可將相互關(guān)聯(lián)的分支水系列入考察范圍。

模型的第二組應(yīng)用是對(duì)在地貌空間、水文環(huán)境、負(fù)荷和使用方面符合某一特定類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)水域進(jìn)行模擬。可利用已定義的不同場(chǎng)景對(duì)這些類(lèi)型中某些物質(zhì)的比例關(guān)系、相關(guān)物質(zhì)的極限值的合理性等方面進(jìn)行比較研究。

例如在富營(yíng)養(yǎng)化控制方面，可針對(duì)“蓄水調(diào)節(jié)水域”、“高山河流”或“低地河”流類(lèi)型推導(dǎo)出相應(yīng)的磷的界限值。該類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)水域可用于檢驗(yàn)環(huán)境化學(xué)污染物，如用于排入物質(zhì)的去向。對(duì)于污水排入方面的檢驗(yàn)和水域保護(hù)措施的保障，則尤其可針對(duì)負(fù)荷結(jié)果各不相同的特定流域，可以支持進(jìn)行經(jīng)濟(jì)-效益分析。

模型的研發(fā)始終伴隨著大量在德國(guó)水域進(jìn)行的實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用案例的范圍覆蓋了從上游地區(qū)平坦的自然流動(dòng)水域到常用于蓄水調(diào)解或船只通行的中、下游的所有地區(qū)。全面性和可操作性一直是模型研發(fā)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 模型應(yīng)用的前提條件

DWA模型的應(yīng)用可能是非常多樣的。然而要使模型的各項(xiàng)功能能得以完全發(fā)揮，對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和人力資源方面提出了不可低估的前提條件。

3.3.1 數(shù)據(jù)要求。對(duì)于較復(fù)雜的水體質(zhì)量模型而言，巨大的數(shù)據(jù)需求量常被視為其引入和全面推廣過(guò)程中一種不小的障礙。此處應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)需求的范圍和數(shù)據(jù)獲取的工作量加以區(qū)分。對(duì)已給定的模擬而言，數(shù)據(jù)需求的范圍幾乎無(wú)以變更，相對(duì)而言，數(shù)據(jù)獲取的工作量卻可明顯地縮減。為達(dá)到此目的，將輸入的數(shù)據(jù)分為以下兩類(lèi)：

被認(rèn)為是普遍適用或被近似估計(jì)，因而可作為規(guī)定或建議值而提供的使用。

用于描述水域體系項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)，需針對(duì)每一當(dāng)前的模擬案例由用戶自己獲取。

另外，數(shù)據(jù)需求量還取決于問(wèn)題的設(shè)置：為回答所設(shè)置的問(wèn)題需要的子模型越多，數(shù)據(jù)需求量自然就越大。但該需求不隨板塊結(jié)合的范圍而“成比例”增長(zhǎng)，因?yàn)橹貜?fù)需要的數(shù)據(jù)（如溫度或輻射）只計(jì)算一次而在各板塊間進(jìn)行交換使用。

由此提出了關(guān)于數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性的問(wèn)題。在此關(guān)鍵的問(wèn)題首先在于：例如要調(diào)查一水域的水質(zhì)是否符合某種特定的用途，則算入模型中的濃度值必須與相應(yīng)用途的界限值具有可比性，即超越界限值的情況必須能用盡可能可靠的方式來(lái)證實(shí)，因此在設(shè)計(jì)模型、各過(guò)程的數(shù)學(xué)描述和對(duì)輸入數(shù)據(jù)提出要求的過(guò)程中，必須通過(guò)對(duì)表述的可靠性提出要求來(lái)保證準(zhǔn)確度。除了數(shù)據(jù)的質(zhì)以外，數(shù)據(jù)的量也起著重要作用，它又取決于連續(xù)性在時(shí)空上的分解（離散化）。

給定數(shù)據(jù)能很大程度上地簡(jiǎn)化模型的運(yùn)用。因此該模型開(kāi)發(fā)時(shí)在這一綜合體內(nèi)投入了相當(dāng)?shù)墓ぷ髁俊４送猓Ｐ椭薪o定數(shù)據(jù)部分的擴(kuò)展將是既定框架內(nèi)未來(lái)更新工作的重要任務(wù)。這些給定數(shù)據(jù)中的多數(shù)基于監(jiān)測(cè)、估算或是通過(guò)某些專(zhuān)門(mén)的調(diào)研項(xiàng)目獲取。因而這些數(shù)據(jù)原則上不具備絕對(duì)有效性，而作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)只合乎當(dāng)前的認(rèn)知水平。所以不管是與項(xiàng)目密切相關(guān)的專(zhuān)業(yè)層面還是從普遍意義上，用戶具有隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的可能性。

另一個(gè)重點(diǎn)是批量數(shù)據(jù)輸入過(guò)程的簡(jiǎn)化（如污水處理廠工作流程中的動(dòng)態(tài)日流量過(guò)程）。在此將不再要求輸入每一時(shí)間間隔的完整數(shù)據(jù)，而是針對(duì)周期性的波動(dòng)情況，如日或周過(guò)程，有經(jīng)模型標(biāo)準(zhǔn)化的分布方式供選擇。某一日過(guò)程的模型內(nèi)部運(yùn)算僅要求輸入一個(gè)平均值和一個(gè)振幅值。輸入沖擊荷載時(shí)同樣可利用某一標(biāo)準(zhǔn)分布。在缺乏描述水域斷面幾何特征的斷面數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可在已有選項(xiàng)中選擇斷面類(lèi)型，而針對(duì)該類(lèi)型僅需輸入少量易估計(jì)的參數(shù)。在上述情況中，用戶若有可支配的監(jiān)測(cè)值，同樣還可將所需數(shù)據(jù)以文檔的方式進(jìn)行提交。

3.3.2 模型結(jié)果的評(píng)估。在每一應(yīng)用案例中都須認(rèn)真地核查，在考慮可用的輸入數(shù)據(jù)和被模擬的體系自身特征的情況下，對(duì)模擬結(jié)果抱有哪些期望是合適的。總體而言，模擬的結(jié)果應(yīng)作為近似解決方案進(jìn)行考察：它們的可靠性?xún)H取決于輸入數(shù)據(jù)，還取決于（在每一個(gè)應(yīng)用案例中），模型中擬定的過(guò)程和影響能在多大程度上理解和描述所模擬的水域水質(zhì)的情況。

對(duì)此不可能存在普遍適用的數(shù)據(jù)信息。同樣，用戶使用水質(zhì)和流量模擬工具的經(jīng)驗(yàn)及其對(duì)于水域和荷載結(jié)構(gòu)的了解在此過(guò)程中起著重要作用。應(yīng)預(yù)防高估甚至濫用模擬結(jié)果。

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