地表水质模型研究进展综述

中国环境学会  2011年 03月31日


   周华    (中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京 100038)
   
  摘要:首先给出了地表水质模型的定义。紧接着分析了地表水质模型的研究发展历程,揭示了地表水质模型的发展所经历的由经验→机理、单要素(或无机、大量、无毒要素)→多要素(或有机、微量、有毒要素) 、单介质→多介质、稳态→动态、点源→非点源→点源和非点源二者统一研究的演化过程。随后对QUAL2E、QUAL2K、RMA-12、EPDRiv1、WASP6、WASP7和ECOLab七个常用地表水质模型做了详略不同的介绍与特点分析。最后指出虽然QUAL2E模型目前在我国得到了较广泛的应用,但是QUAL2K模型将会在我国得到更好、更广泛的应用。QUAL2K模型具有功能全面、通用性强和对数据、资料的需求量较少等七大优势。今后,应结合我国的实际情况,对QUAL2K模型进行改进,使之更好地适用于我国的水环境保护工作。
  关键词:地表水质模型;研究进展;常用地表水质模型;QUAL2E模型;QUAL2K模型
   
  地表水质模型的定义
   
  地表水质模型是描述参加地表水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法。研究地表水质模型的目的,主要是为了描述污染物在地表水体中的迁移转化规律,为水环境保护服务。它可用于水质模拟和水质评价,进行水质预报和预警预测,制订污染物排放标准和水质规划,是水污染防治和水环境管理的重要工具。
   
  地表水质模型的研究发展历程
   
  纵观地表水质模型的发展,可以将其分为三个阶段[1]。
  第一阶段,20世纪20年代中期~70年代初期,是考虑水质项目不多的一维稳态模型阶段,主要特点是:⑴主要集中于对氧平衡的研究,也涉及一些非耗氧物质;⑵属于一维稳态模型。该阶段的代表性河流水质模型有:⑴1925年Streete:和Phelps提出的第一个水质模型,即河流BOD-DO模型;⑵美国环保局(U.S. EPA)推出的QUAL-I、QUAL-II模型[2]。
  第二阶段,20世纪70年代初期~80年代中期,是地表水质模型的迅速发展阶段,主要特点是:⑴开始出现了多维模拟、形态模拟、多介质模拟、动态模拟等特征的多种模型研究;⑵该阶段水质评价与标准的制定推动了形态模型的研究与发展,如:20世纪80年代初,Forstner, Lawrence分别进行了重金属、有机物的形态模拟研究[3];1979年Mackay首次提出了多介质模拟逸度算法[4]。该阶段的代表性湖泊水质模型有:一维动态模型LAKECO、WRMMS、DYRESM及三维模型[5]。该阶段的代表性河流水质模型有:WASP模型[6]的诞生,该模型能进行一维、二维、三维动态水质模拟。
  第三阶段,20世纪80年代中期至今,是地表水质模型研究的深化、完善与广泛应用的阶段,主要特点是: ⑴1985年Cohen正式提出了多介质模型;⑵考虑水质模型与面源模型的对接[7];⑶多种新技术方法,如:随机数学、模糊数学、人工神经网络、3S、VR技术等引人水质模型研究[8~11]。该阶段的代表性多介质模型有:多介质箱式模型、植物根区模型、水生食物链积累模型、逸度模型[12,13]。该阶段的代表性河流水质模型有:⑴一维稳态QUAL模型(QUAL2E,
   
  收稿日期:           
  基金项目: “十一五”国家科技支撑计划项目(2008BAB29B08)。
  作者简介:周华(1970-),女(土家族),湖北麻城人,博士研究生,主要从事水文学及水资源研究。
  E-mail: zhouhua@pku.org.cn
  1982; QUAL2K, 2002)[2];⑵动态WASP模型得到了进一步更新(WASP4, 1988; WASP5, 1993; WASP6, 2001; WASP7,2005)[14,15],该模型成为适用于河流、水库、河口、海岸的通用模拟框架。该阶段的代表性湖泊水质模型有:一维动态模型CE-QUAL-R1[16]、二维动态模型CE-QUAL-W2[17]等。该阶段的代表性形态模型有:美国环保局阿森斯实验室开发的地球化学热
  力学平衡模型(MINTEQAI, 1987; MINTEQA2, 1990),该模型主要用于计算天然水体重金属分布形态。
   
  常用地表水质模型评述
   
  QUAL2E模型(The Enhanced Stream Water Quality Model)
  QUAL2E(或简称Q2E)模型是QUAL模型系列中的一个。该模型系列的最初模型是F. D. Masch及其同事和美国德克萨斯州水利发展部(Texas Water Development Board)分别于1970年和1971年发展的河流综合水质模型QUAL-I[18]。
  QUAL-I模型应用较成功。在该模型的基础上,1972年美国水资源工程公司(Water Resources Engineering, Inc.,缩写为WRE)和美国环保局(U.S. EPA)合作开发完成了QUAL-II模型的第一个版本。1976年3月,SEMCOG(Southeast Michigan Council of Governments)和美国水资源工程公司合作对此模型做了进一步的修改,并将现有各版本的所有优秀特性都合并到了QUAL-II模型的新版本中[18]。
  自1987年以来,我国学者应用QUAL-II模型解决了大量河流水质规划、水环境容量计算等问题,并结合国内的实际情况,对该模型进行了改进。
  QUAL-II模型可以模拟13种物质:溶解氧、BOD、温度、藻类-叶绿素α、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解的正磷酸盐磷、大肠杆菌、1种任选的可衰减的放射性物质、3种难降解的惰性组分。QUAL-II模型可按用户所希望的任意组合方式模拟这13种物质。
  QUAL-II模型属于综合水质模型,它引入了水生生态系统与各污染物之间的关系,从而使水质问题的研究更为深化。该模型各组成成分之间的相互关系以溶解氧为核心。大肠杆菌和可衰减的放射性物质,以及那3种难降解的惰性组分则与溶解氧无关。模型中各主要水质组分之间的交互作用如图1所示:
  图中各个箭头所代表的相互关系是:⑴复氧作用;⑵底栖生物(包括底泥)耗氧;⑶碳化BOD降解耗氧;⑷光合作用产氧;⑸氨氮氧化耗氧;⑹亚硝酸盐氮氧化耗氧;⑺碳化BOD的沉淀;⑻浮游植物对硝酸盐氮的吸收;⑼浮游植物对正磷酸盐磷的吸收;⑽浮游植物呼吸产生正磷酸盐磷;⑾浮游植物的死亡、沉淀;⑿浮游植物呼吸产生氨氮;⒀底泥释放氨氮;⒁氨氮转化为亚硝酸盐氮;⒂亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮;⒃底泥释放正磷酸盐磷。
  QUAL-II模型既可用来研究点源污水负荷(包括数量、质量和位置)对受纳河流水质的影响,也可用来研究非点源问题;既可模拟定常状态,也可模拟非定常状态;既能用于单一河道,也能用于树枝状河系及沿程流量变化等情况。该模型既可用于沿河有多条支流和多个排污口、取水口,并允许入流量有缓慢变化的情况;也可用于计算满足预定溶解氧水平所需增加的稀释流量。
  QUAL-II模型的基本假定包括:
  ⑴将研究河段分成一系列等长的水体计算单元,在每个单元内污染物是均匀混合的;
  ⑵污染物沿水流轴向迁移,对流、扩散等作用在纵轴方向。流量和旁侧入流不随时间变化,可认为是一个常数;
  ⑶各水体单元的水力几何特征,如底坡、断面面积、河床糙率、生化反应速率(如BOD降解率、底泥耗氧速率)、污染物沉降和藻类沉淀速率等方面各段均相同。
  根据上述基本假定,导出QUAL-II模型的基本偏微分方程为:
  式⑴中, 为 位置的河流横截面面积,单位为m ;U为断面平均流速,单位为m/s; 为纵向分散系数,单位为 /s; 为小河段的间距,单位为km; 为源和汇的物质负荷,单位为mg/Ld。
  1982年,美国环保局推出了QUAL2E模型。QUAL2E3.0版是在美国塔夫斯大学(Tufts University)土木工程系和美国环保局水质模拟中心(Center for Water Quality Modeling,缩写为CWQM)环境研究实验室的合作协议支持下发展起来的。该版本中包括了对以前版本(QUAL2E 2.2版,Brown和Barnwell,1985)的修改和对定常仿真输出的不确定分析(UNCAS)的扩充能力。本版本的QUAL2E和与它成套的不确定性分析程序即QUAL2E-UNCAS,是用来取代所有以前版本的QUAL2E和QUAL-II模型的[18]。
  QUAL2E模型使用有限差分法求解的一维平流-弥散物质输送和反应方程来模拟树枝状河系中的多种水质成分,用经典隐式向后差分法解决稳态流、稳恒状态下的问题。QUAL2E中的物质迁移过程考虑得较为简单。
  在QUAL2E中,确定一条河流的同化能力时,最需要考虑的是该河流保有足够溶解氧的能力。QUAL2E考虑了氮循环的主要反应、藻类生长、水底碳化BOD、大气复氧及它们对溶解氧平衡的相互影响。
  美国环保局已经不再提供QUAL2E的Windows版程序,只提供DOS版程序。
   
  QUAL2K模型


  美国环保局自1987年开始对QUAL2E模型进行修改。经过多次修订和增强,美国环保局于2003年推出了QUAL2K模型的一个新版本[19]。
  QUAL2K模型是一个综合性、多样化的河流水质模型,它的水质基本方程是一维平流-弥散物质输送和反应方程,该方程考虑了平流弥散、稀释、水质组分自身反应、水质组分间的相互作用以及组分的外部源和汇对组分浓度的影响[20]。
  QUAL2K模型是在QUAL2E模型的基础上改进而成的,它们两者的共同之处在于[19]:
  ⑴一维。水体在垂向和横向都是完全混合的;
  ⑵稳态。模拟的是不均匀稳态流;
  ⑶日间热收支。日间热收支和温度在日间时间轴上用一个气象学方程模拟;
  ⑷日间水质动力学。所有水质变量在日间时间轴上模拟;
  ⑸热量和物质输入。模拟点源和非点源负荷和去除⑴一维。水体在垂向和横向都是完全混合的;
  ⑵稳态。模拟的是不均匀稳态流;
  ⑶日间热收支。日间热收支和温度在日间时间轴上用一个气象学方程模拟;
  ⑷日间水质动力学。所有水质变量在日间时间轴上模拟;
  ⑸热量和物质输入。模拟点源和非点源负荷和去除。
     与QUAL2E模型相比较,QUAL2K模型则有下列不同之处:
  ⑴软件环境和界面。QUAL2K在Microsoft Windows环境下实现,所用的编程语言是Visual Basic for Applications(VBA),也就是VB的简化版。用户图形界面则用Excel实现。可从美国环保局的网站获得该模型的可执行程序、文档及源码;
  ⑵模型分割。QUAL2E将系统分割成几个等距河段,而QUAL2K则将系统分割成几个不等距河段。另外,在QUAL2K中,多个污水负荷和去除可以同时输入到任何一个河段中;
  ⑶碳化BOD(CBOD)分类。QUAl2K使用两种碳化BOD代表有机碳。根据氧化速率的快慢把碳化BOD分为慢速CBOD和快速CBOD。另外,在QUAL2K中,对非活性有机物颗粒(碎屑)也进行了模拟。这种碎屑由固定化学计量的碳、氮和磷颗粒组成;
  ⑷缺氧。QUAL2K通过在低氧条件下将氧化反应减少为零来调节缺氧状态。另外,在低氧条件下,反硝化反应很明确地模拟为一级反应;
  ⑸沉积物-水体之间的交互作用。在QUAL2E中,溶解氧和营养物在沉积物-水体之间的流量只是做了一些文字性的描述;而在QUAL2K中,则是在内部做了模拟。也就是说,沉积物需氧量(SOD)和营养物流量可用一个方程模拟,该方程是由有机沉淀颗粒、沉积物内部反应及上层水体中可溶解物质的浓度构成;
  ⑹底栖藻类。QUAL2K模拟了底栖藻类;
  ⑺光线衰减。光线衰减是由藻类、碎屑和无机颗粒方程计算;
  ⑻pH。对碱度和无机碳都进行了模拟,在它们的基础上模拟河流pH;
  ⑼病原体。对一种普通病原体进行了模拟。病原体的去除由温度、光线和沉积方程决定。
  ⑽不仅适用于完全混合的树枝状河系,而且允许多个排污口、取水口的存在以及支流汇入和流出;
  ⑾对藻类-营养物质-光三者之间的相互作用进行了矫正;
  ⑿在模拟过程对输入和输出等程序有了进一步改进;
  ⒀计算功能的扩展;
  ⒁新反应因子的增加,如藻类BOD、反硝化作用和固着植物引起的DO变化。
 

  美国环保局于2009年发布了QUAL2K模型的一个最新版本[21]。美国环保局目前还在对该模型进行着改进。
  3.3 WASP6(Water Quality Analysis Simulation Program 6)和WASP7模型
  WASP模型是由美国环保局负责开发的一个综合型水质模拟模型,可模拟河流、水库及湖泊的水质变化,可研究点源和非点源问题。此外,它既可模拟定常状态,也可模拟非定常状态。
  WASP6模型版本是2001年发布的,完全基于Windows界面操作。WASP6是一个动态的分段模拟程序(dynamic compartment-modeling program),适用于水生生态系统,研究对象包括水体及其下的底栖生物,基本的过程包括:动态的平流、扩散、点源和面源输入以及界面交换等。
  WASP6的富营养模块可以模拟溶解氧、CBOD(1)、CBOD(2)、CBOD(3)、氨氮、硝酸盐氮、有机氮、正磷酸盐磷、有机磷、藻类、海底藻类、碎屑、沉积物岩化作用和盐度。
  WASP6由两个独立的计算机程序组成:(1)水动力模型程序DYNHYD5;(2)水质模型程序WASP6,WASP6又由TOXI和EUTRO组成,两个程序可单独运行,也可以结合在一起进行模拟。
  WASP6可模拟一维、二维和三维的水质变化,建立模型方程的最基本准则是物质守恒定律。WASP6的应用步骤包括:(1)河网模型概化;(2)水动力研究、质量传输研究、水质转化研究和环境毒理学研究;(3)研究水流和底质中的物质转化;(4)研究污染物的影响。
  WASP7是增强的WASP Windows版本。该模型可以模拟:富营养化/常规污染物、有机化合物/金属、汞、水温、大肠杆菌、难降解污染物。可从美国环保局的网站获得该模型的可执行程序和文档。


  3.4 RMA-12模型
  RMA-12模型是由U. S. W.R. Norton of Resource Management Associates修正的水质模型。该模型模拟了污染物负荷、氮的硝化作用、沉积物需氧量和藻类的光合作用。
  与QUAL-II模型不同的是,RMA-12模型 在藻类生物量生长方程上做了一些改动,重新定义了氮循环。RMA-12模型分别考虑有机氮和氨氮,而QUAL-II模型则使用凯氏法测定氮。RMA-12模型还考虑了藻类对氨氮的直接吸收。
  RMA-12模型使用一维、对流-扩散方程来获得所关心水质参数的数字解;使用有限差分技术求解质量平衡方程,该方程将河水对流和涡流扩散、水质参数的当地源与汇以及单个水质参数随时间的变化都考虑在内。每个水质参数的物理、化学和生物反应随时间变化的反应动力学都用公式单独表示出来。稳态模式被用来模拟低流量条件。在这些条件下,所有河源、支流和废水注入的量和质都被认为是不随时间变化的常数。RMA-12模拟了下列水质组分和物理过程:光合作用藻类、叶绿素α、碳化BOD、溶解氧、河底需氧量、大气复氧、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和正磷酸盐。
   
  3.5 EPDRiv1模型
  EPDRiv1是一维动态水动力及水质模型。该模型最初是基于U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station开发的CE-QUAL-RIV1模型,现在该模型既包含了水质模型又包含了水动力模型。该模型由一个前处理器进行控制,由一个后处理器进行支持。前后处理器都与水资源数据库集成在一块儿(水资源数据库同时又可以作为工具包中的一个独立模块存在)。
  EPDRiv1已经成功解决了一些地区复杂的水质问题,例如亚特兰大市附近的Chattahoochee River 和乔治亚州的Coosa River流域的水质问题。
  该模型包括了两个计算模块:横向均匀分段的一维水动力模块EPDRiv1H和水质模块EPDRiv1Q。EPDRiv1H可以模拟树枝状或分支河流系统、可以解决下游潮汐影响、下游湖泊影响、动态取水、大坝溢洪道控制及暴雨问题。EPDRiv1H可提供水力输出数据或连接文件以供EPDRiv1Q或WASP使用。EPDRiv1Q可以模拟16种状态变量,包括温度、碳化BOD、各类氮(有机氮、氨氮和硝酸盐氮)、各类磷(有机磷和正磷酸盐磷)、藻类、铁、锰、细菌和两种随机组分。另外,该模块还可以模拟附生的大型水生植物对溶解氧的影响和发电厂的主要污染负荷对水温和水质的影响。采用热量平衡方程进行水温模拟,取得了满意的结果。
  EPDRiv1模型不涉及沉积物迁移、有毒物和金属等问题。可从美国环保局的网站获得该模型的可执行程序和文档。
   
  3.6 ECOLab模型
  ECOLab是DHI推出的软件系列中的一个模块。该模块又由若干预先定义好了的模板组成。这些模板描述了富营养化、BOD的释放导致的氧亏、水质卫生(细菌总数,大肠杆菌)、粘性沉积物、重金属、叶绿素-营养物之间的交互作用和化学物质的降解等。ECOLab和对流-扩散模块集成在一起。
  ECOLab可以模拟:溶解BOD、悬浮BOD、沉积BOD、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解氧、正磷酸盐磷、排泄物大肠杆菌、大肠杆菌总数。用户还可以自定义模板对自己所感兴趣的水质参数进行模拟,如农药,杀虫剂等。
  用户可以任选自己感兴趣的水质参数组合进行模拟。用户可以只模拟BOD和DO,也可以模拟所有水质参数。
   
  结论与展望
   
  地表水质模型的发展经历了由经验→机理、单要素(或无机、大量、无毒要素)→多要素(或有机、微量、有毒要素)、单介质→多介质、稳态→动态、点源→非点源→点源和非点源二者统一研究的演化过程。
  相对于其它常用地表水质模型,QUAL2E模型目前在我国得到了较广泛的应用。然而,鉴于QUAL2K模型的诸多优势,在不久的将来,QUAL2K模型一定会在我国得到更广泛的应用。
  QUAL2K模型的最大优势在于:⑴功能全面,通用性强;⑵该模型对数据、资料的需求量较少,所需花费的人力、时间和经费也较少;⑶QUAL2K模型是由一些简单模型组合而成,该模型中大量的动力学参数可以参照那些简单模型的数值;⑷界面规范,可视化程度高。图形用户界面采用Excel实现。Excel属于日程办公软件,该软件操作方便、容易掌握;⑸程序语言经过了优化设计,计算效率高。该模型软件内存需求小且运行速度快;⑹编程语言是Visual Basic for Applications(VBA),也就是VB的简化版。该语言简单易学,用该语言开发出来的软件易于与其它兼容性软件搭配使用;⑺可从美国环保局的网站获得全部源代码。美国环保局于2009年发布了该模型的一个最新版本。美国环保局目前还在对该模型进行着改进。
  今后,应结合我国的实际情况,对QUAL2K模型进行改进,使之更好地适用于我国的水环境保护工作。
   
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     A review of research progress in surface water quality models
   
   ZHOU Hua       
  (Dept. of Water Resources, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)
   
  Abstract: The definition of surface water quality models was firstly presented in this paper. Immediately, the development history of the research on surface water quality models was analyzed, and the evolution process of experience→mechanism, a single factor (or inorganic, large amount, non-toxic)→multifactor (or organic, trace amount, toxic), a single media→multimedia, steady→dynamic, a point source→non-point source→joint study of point and non-point sources which the development of surface water quality models had experienced was pointed out. Subsequently, the full or brief introduction and characteristic analysis of seven popular surface water quality models QUAL2E, QUAL2K, RMA-12, EPDRiv1, WASP6, WASP7 and ECOLab model were presented. Finally, the fact that QUAL2E model is more widely used in China at the present time but QUAL2K model will be more widely used in China in the near future was pointed out. QUAL2K model has seven big advantages such as comprehensive functions, high versatility and less demand for data etc. In future, QUAL2K model should be improved according to the actual situation in China and better adapted to water environment protection in China.
  Key words: surface water quality models; research progress; the popular surface water quality models; QUAL2E model; QUAL2K model
   
  The study is financially supported by the Project in the National Science & Technology Pillar Program during the Eleventh Five-Year Plan Period (No.2008BAB29B08).
  作者简介:周华(1970-),女(土家族),湖北麻城人,博士研究生,主要从事水文学及水资源研究。
  E-mail: zhouhua@pku.org.cn; zhouhua70@hotmail.com,电话:010-68785505,手机号:13910672390
  通信地址:北京市海淀区复兴路甲一号 中国水利水电科学研究院A座9层,邮政编码:100038
   
   
   
   

 
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