基于EFDC水動力-水質(zhì)模型的建立

邵世保 吳雁 張德輝 耿永輝 周鵬 郝紅珊

摘要：本文根據(jù)馬鞍山市慈湖河流域水環(huán)境現(xiàn)狀，結(jié)合當?shù)卣畬Υ群拥墓芾碚文繕耍x擇EFDC水動力-水質(zhì)模型作為慈湖河水環(huán)境模型。并根據(jù)慈湖河流域整體情況對時間空間進行概化。時間概化上，最終確定水動力學模擬時間步長為10s，水質(zhì)模擬時間步長為20s;空間概化上，采用凸四邊形網(wǎng)格概化，各網(wǎng)格之間為一維線性關系;通過CAD、GIS軟件，將河道劃分為106個網(wǎng)格，共計86行、24列，建立二維模型。通過研究參考文獻及相似案例，最終確定本模型的參數(shù)和取值。將參數(shù)值輸入程序中，對慈湖河流域2013年水質(zhì)進行模擬計算。與馬鞍山實際數(shù)據(jù)比對后發(fā)現(xiàn)，模型輸出的水位、流速、水質(zhì)結(jié)果在合理范圍內(nèi)。表明在慈湖河干流建立二維水質(zhì)污染擴散模型，具有較高的擬合、預測精度和泛化能力，模型及方法可為相關水質(zhì)預測研究提供參考。此外該模型可與web應用系統(tǒng)集成，應用于水質(zhì)預警，模擬不同污染負荷情形下水質(zhì)變化，模擬污染事故發(fā)生后不同應急措施對污染情況的改善效果，為污染控制和水環(huán)境管理工作提供科學依據(jù)。

關鍵詞：EFDC模型;二維水質(zhì)污染擴散模型;模型集成;水質(zhì)預警;慈湖河

中圖分類號：X11 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）02-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.057

Abstract：According to the current water quality in Cihu River Basin in Maanshan City，combined with the local government measures for Cihu River，we chose the EFDC hydrodynamic-water quality mode，and got the time generalization coefficient and the spatial generalization coefficient for this model.The time step for hydrodynamic simulation was 10s， and the water quality simulation is 20s.For the spatial generalization， we used the convex quadrilateral mesh generalization method， and the linear relationship among the grids was one-dimensional.We use CAD and GIS software to build a two-dimensional model for the river， dividing the river into 86 rows and 24 columns， for a total of 106 grids.After studying a large number of references and similar cases， we finally determined the parameters of this model， and used these parameters to simulate the water quality of the Cihu River Basin in 2013.After comparing with the actual data of Maanshan， we found that the water level， flow rate and water quality result of the model were reasonable.It proved that the model had high fitness， high prediction accuracy and high generalization ability.This method could provide reference for water quality prediction research in the future.In addition， the model could also be integrated with web system， applied to water quality warning，simulate water quality changes under different pollution load situations， simulate the improvement effect of different emergency measures on pollution after the occurrence of pollution accidents， and provide scientific basis for pollution control and water environment management.

Key words：EFDC Model;Two-dimensional water pollution diffusion model;Model integration;Water quality warning;Cihu River

1 研究背景

慈湖河為馬鞍山市境內(nèi)河流，上游發(fā)源于東南部丘陵區(qū)，下游注入長江干流，全長26.1km。歷史上慈湖河受上游礦山開采、周邊面源污染等影響，污染嚴重，有少量的污染監(jiān)測數(shù)據(jù)，沒有水文監(jiān)測。近幾年，馬鞍山市開始了慈湖河流域整治工程，包括：化工企業(yè)整治、采選礦企業(yè)整治、酸性滲出水治理、垃圾場滲濾液處理設施改造、污水集中處理、河道整治、水土保持與生態(tài)恢復、綠化及景觀工程等，致力于將慈湖河打造成一條綠色景觀河[1]。

流域水環(huán)境模型是通過對整個流域系統(tǒng)及其內(nèi)部發(fā)生的復雜污染過程進行定量化描述，識別污染物主要來源和遷移途徑，通過大數(shù)據(jù)計算提供水質(zhì)預警功能的重要工具。為了應對頻發(fā)的水環(huán)境污染事故，在污染事故發(fā)生后快速有效地制定應急響應措施、保護水環(huán)境[2]，有必要結(jié)合馬鞍山市環(huán)保局將在慈湖河建立的水質(zhì)自動監(jiān)測站，通過模型實現(xiàn)水質(zhì)預警功能，支持應急方案的制定與優(yōu)選決策。考慮到慈湖河定位于景觀河，周邊規(guī)劃了大量的居民區(qū)、濕地公園等建筑物[3]，模型模擬重點關注影響水體感官的指標。模型的建立工作是針對改造后的慈湖河開展的，在能獲取的數(shù)據(jù)情況下，盡量考慮支流、排澇泵站、橡膠壩等對其的影響。

本研究擬在慈湖河干流建立二維水質(zhì)污染擴散模型，模型建立后與web應用系統(tǒng)集成，自動模擬不同污染負荷情形下水質(zhì)變化情況。通過模型可以模擬、預測水環(huán)境的流場和水質(zhì)隨時間發(fā)展的變化規(guī)律，還可以為進一步的水環(huán)境的水質(zhì)控制、改善、調(diào)節(jié)、管理提供科學的依據(jù)和決策方案。

2 模型選擇

在模型選擇的過程中，可以將考慮因素歸為三大類：水環(huán)境管理的目標與需求、具體管理區(qū)的特征、資源情況。因此，需要根據(jù)實際情況，綜合考慮需求度與限制條件，盡可能使用簡單而有效的模型，在不能兩全時，需要尋找模型簡單化和模型精確性的平衡點，選取實用的模型。

在本研究中，考慮模型選擇的共性特征，將模型選取的原則歸納為如下幾點：①模型具有“水動力-水質(zhì)”聯(lián)合模擬功能，考慮水動力學條件，能夠使模型應用于不同水情下的允許納污量計算;②模型能夠同時模擬多個水質(zhì)指標之間的復雜反應;③模型易于獲取，一般使用較為廣泛應用的免費模型，在有特殊需求時，也可采用較為成熟的商業(yè)模型軟件;④模型具備一定的研究基礎（例如空間網(wǎng)格劃分的尺度、參數(shù)取值等），使得建模工作可以快速完成，模型可以快速應用于水環(huán)境管理工作中;⑤模型的數(shù)據(jù)需求與實際數(shù)據(jù)量相匹配，不宜使用對數(shù)據(jù)需求過高的模型。

本次研究中，選取EFDC水動力-水質(zhì)模型作為慈湖河水環(huán)境模型。

EFDC，全稱（The Environmental Fluid Dynamics Code）是美國威廉瑪麗大學John Hamrick開發(fā)的一個開發(fā)的一個三維地表水模型，可實現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動力學和水質(zhì)模擬[4]。模型采用Mellor-Yamada2.5階紊流閉合方程。同時模型可進行干濕交替模擬。此模型已在國內(nèi)得到較為廣泛的使用，進行河流或湖泊水庫的水動力模擬[5]。

EFDC模型現(xiàn)已作為USEPA的模型，由USEPA進行模型的開發(fā)與升級。1999年后的EFDC中，加入了可進行水質(zhì)模擬的模塊，并在隨后的發(fā)展中不斷完善模型的水質(zhì)模擬[6]，彌補了最初的水動力模型無法進行水質(zhì)模擬的缺點。模型能夠模擬22個水質(zhì)變量之間復雜的遷移轉(zhuǎn)化反應。2006年開發(fā)出的EFDC-explorer作為EFDC模型的界面軟件，是一個部分功能開放的商業(yè)軟件，能夠通過軟件界面便捷的對模型的輸入進行設定，并且對模擬結(jié)果進行后處理與分析。

3 模型概化

模型的概化是模型構建的基礎，包括時間概化和空間概化。

3.1 時間概化

模型的時間概化，需要結(jié)合研究區(qū)域的情況，綜合考慮輸入可能性與目標需求。一般來說，模型的時間概化需要考慮以下幾個因素：

（1）概化的時間步長應小于重要變量的變化周期;（2）可獲得數(shù)據(jù)的詳盡程度;（3）實際計算過程中的數(shù)值穩(wěn)定性和精確性。

在確定模型的時間步長時，在考慮上述因素的基礎上，也需要結(jié)合實際情況。比如，當某個關鍵變量的時間周期過小，可獲得的數(shù)據(jù)遠無法滿足要求時，可以適當通過對一段時間內(nèi)求平均的方式，適當放寬此項要求。在本研究中，通過綜合考慮上述因素，確定模擬周期為1年，具體為2013年1月1日-2013年12月31日。

水動力學模擬時間步長為10s，水質(zhì)模擬時間步長亦為20s。經(jīng)模型運行調(diào)試后證明在此步長下，模型能夠穩(wěn)定運行。

3.2 空間概化

3.2.1 單元格劃分

模型單元格的劃分，需要綜合考慮研究區(qū)域的空間分異性，模擬精確程度，選取模型輸入要求，可得數(shù)據(jù)詳盡程度等。由于本研究區(qū)域范圍大，水系結(jié)構復雜，對部分河段在小范圍內(nèi)進行裁彎取直的處理方式。且由于選用的EFDC模型要求，概化是采用凸四邊形網(wǎng)格（部分急彎、交匯等特殊區(qū)域為三角形）。各網(wǎng)格之間的的連接均為一維線性連接關系。同時，由于后續(xù)污染物溯源研究主要關注污染物空間位置，對河道斷面內(nèi)垂向濃度分布無明顯要求，故而垂向不分層，建立二維模型。

3.2.2 空間數(shù)據(jù)處理

本研究中，獲得的原始數(shù)據(jù)包括：慈湖河上中下游的規(guī)劃設計CAD圖層（.dwg文件）等。應用CAD、GIS軟件對數(shù)據(jù)進行處理，提取出研究對象的水系結(jié)構圖層，并進行空間網(wǎng)格概化，每個網(wǎng)格將視為一個完全混合體。研究中，考慮了整體模擬范圍的空間尺度以及水流在常流量下流經(jīng)單元網(wǎng)格的流行時間，最終將河道劃分為106個長約200m、寬隨河道實際情況而變化的凸四邊形網(wǎng)格，垂直方向不分層。根據(jù)CAD圖層中河底設計高程點對整個研究對象網(wǎng)格的高程進行內(nèi)插，得到概化網(wǎng)格的高程數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，寫出EFDC模型輸入所需的cell.inp，dxdy.inp，lxly.inp等輸入文件。

3.2.3 概化結(jié)果

概化后的慈湖河網(wǎng)格結(jié)果如圖1所示。網(wǎng)格概化的cell.inp文件（0表示四周或者四角均沒有成為濕網(wǎng)格邊界的干陸地網(wǎng)格，5代表四邊形含水網(wǎng)格，9代表與含水網(wǎng)格四周或者四角相接的干陸地網(wǎng)格或開放邊界含水網(wǎng)格四周四角假設的干陸地邊界），共計86行，24列，具體如圖2所示。

4 參數(shù)選取及輸入條件準備

在模型模擬的過程中，參數(shù)的選取和率定，直接確定了模型模擬的準確程度和適用范圍。故參數(shù)的選取和率定，對模型的建立和模型的應用都十分重要。

本研究中，模型參數(shù)的選取主要遵從以下幾個原則：（1）參數(shù)的選擇和取值，借鑒參考使用說明書、參考文獻、相同和相似研究區(qū)域前期模型研究成果中的推薦值;（2）參數(shù)的最終取值，在滿足上述條件基礎上，通過試錯法進行參數(shù)率定確定。EFDC水動力模型中，本研究所選取的參數(shù)主要為曼寧粗糙系數(shù)。一般河道的曼寧粗糙系數(shù)為0.01～0.08，本研究中粗糙系數(shù)取值為0.035。其余參數(shù)，如時間參數(shù)、空間參數(shù)等，一般按照文獻調(diào)研結(jié)果以及實驗模擬率定，寫入在efdc.inp這一主輸入文件中。對于每一個水動力-水質(zhì)模擬應用研究，模型配置和環(huán)境數(shù)據(jù)輸入可能需要配置表1所列（按字母順序排列）輸入文件。

模型主程序為efdc.exe，主程序讀取輸入文件后進行計算，得到水動力學及水質(zhì)模擬計算結(jié)果的輸出文件。

將污水處理廠出水及主要支流作為模型的源輸入，其流量及水質(zhì)設置如表2所示。

5 模型結(jié)果

選取10個點（圖3）輸出水位、流速、水質(zhì)等結(jié)果，由于研究區(qū)域沒有水文監(jiān)測結(jié)果，無法進行率定，因此根據(jù)經(jīng)驗對其進行判斷，結(jié)果在合理范圍內(nèi)。水質(zhì)模擬結(jié)果（圖4）亦在合理數(shù)值內(nèi)。

6 結(jié)論

（1）本文根據(jù)馬鞍山市慈湖河流域水環(huán)境現(xiàn)狀，結(jié)合當?shù)卣畬Υ群拥墓芾碚文繕耍瑢Ρ攘藥追N模型后，選擇EFDC水動力-水質(zhì)模型作為慈湖河水環(huán)境模型。

（2）根據(jù)慈湖河流域整體情況：時間概化上，最終確定水動力學模擬時間步長為10s，水質(zhì)模擬時間步長為20s;空間概化上，采用凸四邊形網(wǎng)格概化，各網(wǎng)格之間的的連接為一維線性連接關系;通過CAD、GIS軟件，將河道劃分為106個網(wǎng)格，共計86行、24列，建立二維模型。

（3）通過研究參考文獻及相似案例，最終確定本模型的參數(shù)和取值。將參數(shù)值輸入程序中，對慈湖河流域2013年水質(zhì)進行模擬計算。

（4）與當?shù)貙嶋H數(shù)據(jù)進行比對后發(fā)現(xiàn)，模型輸出的水位、流速、水質(zhì)結(jié)果在合理范圍內(nèi)。表明在慈湖河干流建立二維水質(zhì)污染擴散模型，具有較高的擬合、預測精度和泛化能力，模型及方法可為相關水質(zhì)預測研究提供參考。

（5）本文在慈湖河干流建立二維水質(zhì)污染擴散模型，可與web應用系統(tǒng)集成，模擬預測水環(huán)境的流場和水質(zhì)隨時間發(fā)展的變化規(guī)律，模擬不同污染負荷情形下水質(zhì)變化情況，還可以為進一步的水環(huán)境的水質(zhì)控制、改善、調(diào)節(jié)、管理提供科學的依據(jù)和決策方案。同時為了應對頻發(fā)的水環(huán)境污染事故，在污染事故發(fā)生后快速有效地制定應急響應措施、保護水環(huán)境，結(jié)合當?shù)卦诖群咏⒌乃|(zhì)自動監(jiān)測站的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過模型工具實現(xiàn)水質(zhì)預警功能，支持應急方案的制定與優(yōu)選決策。

參考文獻

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收稿日期：2019-09-11

作者簡介：邵世保，男，研究方向為生態(tài)環(huán)境保護相關。