WASP 模型水環(huán)境模擬研究進展綜述

陳振宇

（重慶交通大學 河海學院， 重慶 400047）

0 引言

近些年，水環(huán)境模型在環(huán)境保護工作方面得到了廣泛的應用，如WASP 模型，Hec-ras 模型，SWAT 模型以及Mike 模型等，對流域污染負荷進行估算，并對重要的營養(yǎng)物質(zhì)在整個流域之間的遷移輸送進行模擬。其中WASP 模型是美國環(huán)保局Athens 實驗室于1983 年開發(fā)的，它對于河流、湖泊、河口、水庫、海岸的水質(zhì)模擬。同時也應用于模擬和預測污染物，處理突發(fā)性水污染事故，水體富營養(yǎng)化已經(jīng)計算水環(huán)境容量，水質(zhì)預警預報。可以模擬不同水里條件下的包括水層和水層下物質(zhì)的水環(huán)境情況，對于人為，自然等因素造成的環(huán)境污染做出相應的可視化的分析和水質(zhì)模擬，且模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相差不大具有可參考性，對于水質(zhì)的預測以及防治提供了一定的參考依據(jù)。

1 WASP 模型介紹

WASP 模型有兩個獨立的計算子程序：水動力學程序（DYNHYD）和水質(zhì)程序（WASP），它們既相互獨立也可互相連接。WASP 可以任意其一進行鏈接，生成EUTRO5 和TOXI5。其內(nèi)容都基于質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律分別建立水質(zhì)模型和水動力學模型。

（1）水動力程序

DYNHYD 程序主要為水質(zhì)模擬提供流速、流量、水深等水動力信息，以運動和連續(xù)性方程為理論依據(jù)，預測水體的流速、流量、水深等水體信息。

（2）水質(zhì)程序

WASP 水質(zhì)程序自帶兩大模塊程序，包括富營養(yǎng)化模塊EUTRO 和有毒化學物質(zhì)模塊TOXI 兩部分組成，其中EUTRO 模塊在水環(huán)境模擬和預測匯總應用的最為廣泛。EUTRO 模塊用來模擬傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，包括無機磷、有機磷、氨氮、硝酸鹽氮、有機氮、葉綠素a、溶解氧、碳生化需氧量等水質(zhì)指標[1]。 TOXI（有毒化學物質(zhì)）模塊可以用來模擬有毒物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，如有機化學物、泥沙和金屬。

1.1 WASP 的計算原理

WASP 模型的實質(zhì)是利用質(zhì)量守恒原理來實現(xiàn)的。WASP 模型的質(zhì)量守恒方程[3]如下：

式子中t 為時間步長，d；Ux，Uy，Uz，為縱向、橫向和垂直速度，m/d；Ex，Ey，Ez，為縱向、橫向和垂直擴散系數(shù)，m/2d；SL項為點源和面源負荷，g/m3；SB項為邊界負荷，g/m3；SK項為水質(zhì)組分的總轉(zhuǎn)換率，g/m3·d。

WASP 模型在進行水環(huán)境模擬時，是對每一個水質(zhì)分子從輸入到最后輸出的追蹤過程，為達到質(zhì)量守恒原理，完成追蹤，需要操作者提供7 種重要的模型參數(shù)：模擬和輸出控制；模型的分段數(shù)據(jù)；對流和彌散輸移；邊界濃度；點源和面源負荷；運動參數(shù)、常量及與時間變化相關(guān)的函數(shù)；初始濃度。

2 WASP 水質(zhì)模型評估

WASP 模型發(fā)展至今已經(jīng)有多個版本，具有用戶友好界面，使用方便，便于推廣的特點·。并且開發(fā)了基于Windows 的操作界面，主要的模型配置通過界面設(shè)置完成。表2-1 對WASP 模型的基本特征進行了評估：

2-1 WASP 模型模擬特征

?

注： ☆ 不支持；★ 支持。

2.1 WASP 水質(zhì)模存在問題

WASP 模型的主要缺點在于模型在進行水動力學模擬部分較為薄弱，模型自帶的DYNHYD 模塊只能進行“節(jié)點-河道”式的模型概化，不適合湖庫水動力模擬，因此在較為復雜水動力模擬時如閘控平原河網(wǎng)水動力模擬，可選擇其他模型為WASP 模型提供前期的水動力模擬支持，比如：SED3D，EFDC 等水動力模型。此外，WASP 模型在富營養(yǎng)化過程的模擬存在局限性，因此在模擬水體富營養(yǎng)化過程時不能夠考慮富有動物的影響。依據(jù)實驗研究表明，浮游動物的生長、死亡在富營養(yǎng)化過程中對其他考慮都有重要的影響。[2]

3 應用

WASP 模型主要應用于模擬和預測污染物在水環(huán)境中的行為、水體環(huán)境富營養(yǎng)化的環(huán)境評價、水環(huán)境容量的計算和水質(zhì)預警等四個方面。

3.1 模擬和預測污染物

WASP 模型可以應用到突發(fā)水污染事故中，對各種水體中的污染物質(zhì)進行模擬，應用較多較成熟的污染物指標模擬包括水溫、PH 值、總氮、溶解氧、生化需氧量等。劉湛等[3]采用WASP7 模型模擬湘江株洲段豐水期鎘濃度，并進行鎘污染負荷測算與分配，較好的反映出了鎘濃度變化規(guī)律。高鵬[4]采用WASP 模型對松花江酚類污染物遷移轉(zhuǎn)化過程進行了模擬，為評估酚類污染物在水環(huán)境的遷移轉(zhuǎn)化做出了貢獻。

3.2 水體富營養(yǎng)化

WASP 模型被廣泛應用于水體富營養(yǎng)化問題的研究中，其廣泛應用于模擬營養(yǎng)物富集、富營養(yǎng)化和消耗溶解氧（DO）的過程。楊平等[5]運用WASP 水質(zhì)模型研究河流富營養(yǎng)化問題，表明基WASP 水質(zhì)模型能夠較以往的經(jīng)驗回歸等統(tǒng)計模型更能反映河流富營養(yǎng)化問題的動態(tài)變化規(guī)律。

3.3 計算水環(huán)境容量

水環(huán)境容量是水環(huán)境目標管理的基本依據(jù)，是水環(huán)境規(guī)劃的重要環(huán)境約束條件，也是污染物總量控制的關(guān)鍵參數(shù)[6]。在當前大量的研究中，運用WASP 水質(zhì)模型對不同水體水環(huán)境容量進行計算，常用的模擬指標有：化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）、硝氮（NO3-N）、總磷(TP)、正磷酸鹽 (PO4)等。

3.4 水質(zhì)預警預報

利用WASP 水質(zhì)模型對水環(huán)境發(fā)展趨勢進行預測，從而分析水環(huán)境的動態(tài)變化趨勢，并根據(jù)結(jié)果和不同警度采取相應的防范措施。目前，WASP 水質(zhì)模型用來模擬水質(zhì)情況時，主要著重于研究水體水質(zhì)變化趨勢、污染物在水體中的行為模擬和預測和判斷水體中主要污染源等三方面。