基于EFDC水動(dòng)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(dāng)?shù)卣畬?duì)慈湖河的管理整治目標(biāo)，選擇EFDC水動(dòng)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(duì)時(shí)間空間進(jìn)行概化。時(shí)間概化上，最終確定水動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間步長(zhǎng)為10s，水質(zhì)模擬時(shí)間步長(zhǎng)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(guān)系;通過(guò)CAD、GIS軟件，將河道劃分為106個(gè)網(wǎng)格，共計(jì)86行、24列，建立二維模型。通過(guò)研究參考文獻(xiàn)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(duì)慈湖河流域2013年水質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。與馬鞍山實(shí)際數(shù)據(jù)比對(duì)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(kuò)散模型，具有較高的擬合、預(yù)測(cè)精度和泛化能力，模型及方法可為相關(guān)水質(zhì)預(yù)測(cè)研究提供參考。此外該模型可與web應(yīng)用系統(tǒng)集成，應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)警，模擬不同污染負(fù)荷情形下水質(zhì)變化，模擬污染事故發(fā)生后不同應(yīng)急措施對(duì)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(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：EFDC模型;二維水質(zhì)污染擴(kuò)散模型;模型集成;水質(zhì)預(yù)警;慈湖河

中圖分類號(hào)：X11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhǎng)江干流，全長(zhǎng)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(yán)重，有少量的污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，沒(méi)有水文監(jiān)測(cè)。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(chǎng)滲濾液處理設(shè)施改造、污水集中處理、河道整治、水土保持與生態(tài)恢復(fù)、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(guò)對(duì)整個(gè)流域系統(tǒng)及其內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜污染過(guò)程進(jìn)行定量化描述，識(shí)別污染物主要來(lái)源和遷移途徑，通過(guò)大數(shù)據(jù)計(jì)算提供水質(zhì)預(yù)警功能的重要工具。為了應(yīng)對(duì)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(yīng)急響應(yīng)措施、保護(hù)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(dòng)監(jiān)測(cè)站，通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)水質(zhì)預(yù)警功能，支持應(yīng)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(diǎn)關(guān)注影響水體感官的指標(biāo)。模型的建立工作是針對(duì)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(duì)其的影響。

本研究擬在慈湖河干流建立二維水質(zhì)污染擴(kuò)散模型，模型建立后與web應(yīng)用系統(tǒng)集成，自動(dòng)模擬不同污染負(fù)荷情形下水質(zhì)變化情況。通過(guò)模型可以模擬、預(yù)測(cè)水環(huán)境的流場(chǎng)和水質(zhì)隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，還可以為進(jìn)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(xué)的依據(jù)和決策方案。

2 模型選擇

在模型選擇的過(guò)程中，可以將考慮因素歸為三大類：水環(huán)境管理的目標(biāo)與需求、具體管理區(qū)的特征、資源情況。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮需求度與限制條件，盡可能使用簡(jiǎn)單而有效的模型，在不能兩全時(shí)，需要尋找模型簡(jiǎn)單化和模型精確性的平衡點(diǎn)，選取實(shí)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(diǎn)：①模型具有“水動(dòng)力-水質(zhì)”聯(lián)合模擬功能，考慮水動(dòng)力學(xué)條件，能夠使模型應(yīng)用于不同水情下的允許納污量計(jì)算;②模型能夠同時(shí)模擬多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)之間的復(fù)雜反應(yīng);③模型易于獲取，一般使用較為廣泛應(yīng)用的免費(fèi)模型，在有特殊需求時(shí)，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(chǔ)（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(yīng)用于水環(huán)境管理工作中;⑤模型的數(shù)據(jù)需求與實(shí)際數(shù)據(jù)量相匹配，不宜使用對(duì)數(shù)據(jù)需求過(guò)高的模型。

本次研究中，選取EFDC水動(dòng)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(guó)威廉瑪麗大學(xué)John Hamrick開發(fā)的一個(gè)開發(fā)的一個(gè)三維地表水模型，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[4]。模型采用Mellor-Yamada2.5階紊流閉合方程。同時(shí)模型可進(jìn)行干濕交替模擬。此模型已在國(guó)內(nèi)得到較為廣泛的使用，進(jìn)行河流或湖泊水庫(kù)的水動(dòng)力模擬[5]。

EFDC模型現(xiàn)已作為USEPA的模型，由USEPA進(jìn)行模型的開發(fā)與升級(jí)。1999年后的EFDC中，加入了可進(jìn)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(bǔ)了最初的水動(dòng)力模型無(wú)法進(jìn)行水質(zhì)模擬的缺點(diǎn)。模型能夠模擬22個(gè)水質(zhì)變量之間復(fù)雜的遷移轉(zhuǎn)化反應(yīng)。2006年開發(fā)出的EFDC-explorer作為EFDC模型的界面軟件，是一個(gè)部分功能開放的商業(yè)軟件，能夠通過(guò)軟件界面便捷的對(duì)模型的輸入進(jìn)行設(shè)定，并且對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理與分析。

3 模型概化

模型的概化是模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，包括時(shí)間概化和空間概化。

3.1 時(shí)間概化

模型的時(shí)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(biāo)需求。一般來(lái)說(shuō)，模型的時(shí)間概化需要考慮以下幾個(gè)因素：

（1）概化的時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)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(shí)際計(jì)算過(guò)程中的數(shù)值穩(wěn)定性和精確性。

在確定模型的時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，在考慮上述因素的基礎(chǔ)上，也需要結(jié)合實(shí)際情況。比如，當(dāng)某個(gè)關(guān)鍵變量的時(shí)間周期過(guò)小，可獲得的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)無(wú)法滿足要求時(shí)，可以適當(dāng)通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)求平均的方式，適當(dāng)放寬此項(xiàng)要求。在本研究中，通過(guò)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(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間步長(zhǎng)為10s，水質(zhì)模擬時(shí)間步長(zhǎng)亦為20s。經(jīng)模型運(yùn)行調(diào)試后證明在此步長(zhǎng)下，模型能夠穩(wěn)定運(yùn)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(gòu)復(fù)雜，對(duì)部分河段在小范圍內(nèi)進(jìn)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?yàn)槿切危?。各網(wǎng)格之間的的連接均為一維線性連接關(guān)系。同時(shí)，由于后續(xù)污染物溯源研究主要關(guān)注污染物空間位置，對(duì)河道斷面內(nèi)垂向濃度分布無(wú)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(shè)計(jì)CAD圖層（.dwg文件）等。應(yīng)用CAD、GIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出研究對(duì)象的水系結(jié)構(gòu)圖層，并進(jìn)行空間網(wǎng)格概化，每個(gè)網(wǎng)格將視為一個(gè)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(shí)間，最終將河道劃分為106個(gè)長(zhǎng)約200m、寬隨河道實(shí)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(shè)計(jì)高程點(diǎn)對(duì)整個(gè)研究對(duì)象網(wǎng)格的高程進(jìn)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(méi)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(shè)的干陸地邊界），共計(jì)86行，24列，具體如圖2所示。

4 參數(shù)選取及輸入條件準(zhǔn)備

在模型模擬的過(guò)程中，參數(shù)的選取和率定，直接確定了模型模擬的準(zhǔn)確程度和適用范圍。故參數(shù)的選取和率定，對(duì)模型的建立和模型的應(yīng)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(gè)原則：（1）參數(shù)的選擇和取值，借鑒參考使用說(shuō)明書、參考文獻(xiàn)、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(chǔ)上，通過(guò)試錯(cuò)法進(jìn)行參數(shù)率定確定。EFDC水動(dòng)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(shí)間參數(shù)、空間參數(shù)等，一般按照文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)?zāi)M率定，寫入在efdc.inp這一主輸入文件中。對(duì)于每一個(gè)水動(dòng)力-水質(zhì)模擬應(yīng)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?yàn)閑fdc.exe，主程序讀取輸入文件后進(jìn)行計(jì)算，得到水動(dòng)力學(xué)及水質(zhì)模擬計(jì)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(shè)置如表2所示。

5 模型結(jié)果

選取10個(gè)點(diǎn)（圖3）輸出水位、流速、水質(zhì)等結(jié)果，由于研究區(qū)域沒(méi)有水文監(jiān)測(cè)結(jié)果，無(wú)法進(jìn)行率定，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)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(dāng)?shù)卣畬?duì)慈湖河的管理整治目標(biāo)，對(duì)比了幾種模型后，選擇EFDC水動(dòng)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(shí)間概化上，最終確定水動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間步長(zhǎng)為10s，水質(zhì)模擬時(shí)間步長(zhǎng)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(guān)系;通過(guò)CAD、GIS軟件，將河道劃分為106個(gè)網(wǎng)格，共計(jì)86行、24列，建立二維模型。

（3）通過(guò)研究參考文獻(xiàn)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(duì)慈湖河流域2013年水質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。

（4）與當(dāng)?shù)貙?shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)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(kuò)散模型，具有較高的擬合、預(yù)測(cè)精度和泛化能力，模型及方法可為相關(guān)水質(zhì)預(yù)測(cè)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(kuò)散模型，可與web應(yīng)用系統(tǒng)集成，模擬預(yù)測(cè)水環(huán)境的流場(chǎng)和水質(zhì)隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，模擬不同污染負(fù)荷情形下水質(zhì)變化情況，還可以為進(jìn)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(xué)的依據(jù)和決策方案。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)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(yīng)急響應(yīng)措施、保護(hù)水環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)卦诖群咏⒌乃|(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型工具實(shí)現(xiàn)水質(zhì)預(yù)警功能，支持應(yīng)急方案的制定與優(yōu)選決策。

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收稿日期：2019-09-11

作者簡(jiǎn)介：邵世保，男，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)。