水污染模型EFDC在環(huán)境污染中的應(yīng)用研究探討

楊金華

（山東省聊城市環(huán)保局，山東 聊城 252000）

EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code）模型是由威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋科學(xué)研究所（VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary）的John Hamrick等人開發(fā)的三維地表水水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫(kù)、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模擬，是一個(gè)多參數(shù)有限差分模型。該模型系統(tǒng)主要包括水動(dòng)力、泥沙、有毒物質(zhì)、水質(zhì)、底質(zhì)、風(fēng)浪等模塊。水動(dòng)力學(xué)模塊可計(jì)算如下內(nèi)容：流速，示蹤劑，溫度，鹽度，近岸羽流和漂流。水動(dòng)力學(xué)模型輸出變量可直接與有毒物質(zhì)等模塊耦合，作為物質(zhì)運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)條件，可以模擬各類污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程以及水體的生態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。本文以某河流為例，利用EFDC模型的有毒物質(zhì)模塊，實(shí)現(xiàn)模擬污染物在水體中擴(kuò)散的過(guò)程，同時(shí)結(jié)合GIS實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化。

1.GIS數(shù)據(jù)建立與處理

1)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

在整個(gè)系統(tǒng)建立過(guò)程中，首先要建立數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立主要包括GIS數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)主要包括：水系、居民地及設(shè)施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌、植被等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；以及河流周邊的敏感點(diǎn)信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系采用WGS84（World Geodetic System 1984，是為GPS全球定位系統(tǒng)使用而建立的坐標(biāo)系統(tǒng)）。其中屬性數(shù)據(jù)包括與模型計(jì)算相關(guān)的參數(shù)信息數(shù)據(jù)、模型計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)、濃度信息數(shù)據(jù)等，模型計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)量較大，為了提高性能需要建立相關(guān)的索引。

2)GIS數(shù)據(jù)的處理

查詢出面狀水系圖層被研究對(duì)象的數(shù)據(jù)，提取河流兩岸坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)（經(jīng)緯度格式）信息，并序列化，以文件格式進(jìn)行保存，然后啟動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，導(dǎo)入序列化坐標(biāo)文件，批量轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)文件。

2.二維正交網(wǎng)格化

河道平面二維數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格生成方法研究中兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：第一網(wǎng)格與河道擬合的貼體問(wèn)題；第二二維網(wǎng)格、控制方程和數(shù)值方法三者之間的匹配問(wèn)題。目前，常用的河道二維正交網(wǎng)格生成方法是邊界擬合坐標(biāo)系方法，即河道Thompson法，它主要是通過(guò)物理平面(天然河道平面)與變換平面(數(shù)模計(jì)算平面)之間Poisson方程邊值問(wèn)題數(shù)值解實(shí)現(xiàn)二維正交網(wǎng)格的生成。但河道Thompson法存在一些問(wèn)題。本文采用Hermite三次插值函數(shù)，生成河道沿程縱向與河勢(shì)或主流線相擬合的河勢(shì)擬合線(曲線)，并使得河寬方向橫向網(wǎng)格線(直線)與網(wǎng)格控制斷面相吻合，從而構(gòu)造出平面二維正交四邊形網(wǎng)格。具體網(wǎng)格化主要包括以下幾個(gè)步驟：

1)確定網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點(diǎn)

選取研究河段的進(jìn)出口斷面、河段內(nèi)水位/水文站點(diǎn)或測(cè)流斷面、河勢(shì)控制斷面以及需要重點(diǎn)研究河段的控制斷面等作為網(wǎng)格控制斷面；在所選取的網(wǎng)格控制斷面上確定網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)，根據(jù)上面所生成的坐標(biāo)點(diǎn)作為控制節(jié)點(diǎn)，所選擇的網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)即為數(shù)學(xué)上Hermite三次插值函數(shù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2)生成河勢(shì)擬合曲線

利用上述Hermite三次插值函數(shù)，可以生成一條既通過(guò)網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)，又垂直于網(wǎng)格控制斷面的河道縱向網(wǎng)格控制曲線。通過(guò)多次調(diào)整網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點(diǎn)，使得所生成的網(wǎng)格控制曲線與研究河段的河勢(shì)或主流線相擬合，將最終生成的河道縱向網(wǎng)格控制曲線確定為河勢(shì)擬合曲線。這一步是河勢(shì)貼體網(wǎng)格生成方法的關(guān)鍵和核心。

3) 構(gòu)造平面二維網(wǎng)格

選取和調(diào)整縱向和橫向網(wǎng)格間距，構(gòu)造由平行于河勢(shì)擬合曲線的曲線簇和垂直于河勢(shì)擬合曲線的直線簇 (包括網(wǎng)格控制斷面)的河勢(shì)貼體平面二維正交四邊形網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)處理后網(wǎng)格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以文件的方式導(dǎo)出進(jìn)行保存，供EFDC模型計(jì)算應(yīng)用。

3、EFDC模型計(jì)算

表1

EFDC具有通用性好、數(shù)值計(jì)算能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)輸出應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。尤其有毒物質(zhì)模塊的模擬精度已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平。為了實(shí)現(xiàn)EFDC模型可視化的計(jì)算過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了重新的架構(gòu)。首先把模型參數(shù)進(jìn)行了梳理，編寫了模型參數(shù)錄入界面；然后把調(diào)用EFDC程序進(jìn)行計(jì)算；最后以文件方式輸出計(jì)算結(jié)果。

1)模型計(jì)算參數(shù)的說(shuō)明和相關(guān)值明細(xì)表如表1所示：

2）模型計(jì)算

模型輸入?yún)?shù)后點(diǎn)擊“模型計(jì)算”按鈕后，把相關(guān)參數(shù)傳遞給配置文件，然后啟動(dòng)EFDC計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中不要關(guān)閉視窗，直到計(jì)算完畢。最后計(jì)算的結(jié)果存放在TOXCONH.OUT文件中，供集成系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。

4.與GIS集成展示

為了能夠使得模型計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)的、直觀的展現(xiàn)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模型結(jié)果與GIS無(wú)縫的對(duì)接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)展示，能夠直觀展示出污染物在水體中擴(kuò)散的過(guò)程，以及系統(tǒng)能夠手動(dòng)添加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并展示該監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度的變化值。

結(jié)語(yǔ)

1)計(jì)算機(jī)技術(shù)、水質(zhì)模型技術(shù)與GIS技術(shù)的發(fā)展為我們水污染擴(kuò)散的模擬提供了強(qiáng)有力的工具。特別是本系統(tǒng)的建立使得整個(gè)數(shù)據(jù)處理、參數(shù)錄入、模型計(jì)算、結(jié)果展示實(shí)現(xiàn)了可視化、自動(dòng)化、直觀化。

2)基于GIS的EFDC模型的無(wú)縫集成系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行表明，這種集成化的方式能夠快速的計(jì)算模擬出某條河流出現(xiàn)污染物泄漏或排放的擴(kuò)散過(guò)程。能夠?yàn)閼?yīng)急決策提供依據(jù)。該系統(tǒng)可以在水源地保護(hù)應(yīng)急工作中應(yīng)用。

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