环境系统分析论文.doc

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1、WASP水质模型及其研究进展[摘要]WASP(Thewaterqualityanalysissimulationprogram,水质分析模拟程序)是EPA推荐使用的水质模型软件,使用较为广泛,能够模拟河流、湖泊、水库、河口等多种水体的稳态和非稳态的水质过程。介绍了WASP的组成(DYNHYD、EUTRO、TOXI)、基本原理及EUTRO中8个指标之间的相互转化,最后介绍了该模型在国内外的应用和发展前景、方向。[关键词]WASP;DYNHYD,EUTRO,TOXI,水质模拟;EFDC;GIS前言水是人类生存与发展之本,水质模型研究一直是环境科学研究的重要内容之

2、一。它研究天然水在自然或人类活动影响下水质随时间和空间变化规律的数学描述,涉及气象、水文、水力、水化学、水生物、湖沼、土壤、沉积物、数学、计算机等多门学科知识,直接为水质评价、预测及污染调控与管理提供依据[1]。在众多水质模拟中,比较先进、应用较多的主要有最早的Streeter-Phelps模型体系、20世纪70年代初期的多变量水质模型QUAL-I模型、70年代中期的非恒定水质模型QUAL-II模型和80年代功能全面的水质模型WASP系列。本文主要介绍WASP模型的基本原理及其发展前景。1WASP水质模型概述WASP(Thewaterqualityanaly

3、sissimulationprogram,水质分析模拟程序)是美国环境保护局提出的水质模型系统,能够用于不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况,可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不稳定流、常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律,被称为万能水质模型[2]。WASP模型系统由2个独立的程序组成:水动力模型程序DYNHYD5和水质模型程序WASP5水质模型由2个模块组成:模拟常规水质的EUTRO5模型和模拟有毒物质污染的TOXI5

4、模型EUTRO5模型用来分析常规的污染项目，包括溶解氧生化需氧量氨氮叶绿素a有机氮硝酸盐有机磷无机磷8种物质在水体中的迁移变化情况;TOXI5模型用来模拟有毒物质的污染，包括有机化学物质金属和泥沙等DYNHYD5水动力模块不具有模拟水利工程运行的功能。它的主要特点是:基于Windows开发友好用户界面;包括能够转化生成WASP可识别的处理数据格式;具有高效的富营养化和有机污染物的处理模块;计算结果与实测的结果可直接进行曲线比较[2]。但是由于它们的源码不公开,给模型的二次开发带来了很大限制。2WASP的组成及其原理2.1WASP的组成WASP有两个独立的计算

5、机程序DYNHYD和WASP组成,两个程序可连接运行,也可以分开执行。2.2WASP水质模型WASP程序也可与其它水动力程序如RIVMOD(一维),SED3D(三维)相连运行,如果有已知水力参数,还可单独运行。WASP是水分析模拟程序,是一个动态模型模拟体系,它基于质量守恒原理,待研究的水质组分在水体中以某种形态存在,WASP在时空上追踪某种水质组分的变化。它由两个子程序组成:有毒化学物模型TOXI和富营养化模型EUTRO,分别模拟两类典型的水质问题:传统污染物的迁移转化规律(DO、BOD和富营养化);有毒物质迁移转化规律(有机化学物、金属、沉积物等)。TO

6、X是有机化合物和重金属在各类水体中迁移积累的动态模型,，采用了EXAMS的动力学结构,结合WASP迁移结构和简单的沉积平衡机理,它可以预测溶解态和吸附态化学物在河流中的变化情况。EUTRO采用了POTOMAC富营养化模型的动力学,结合WASP迁移结构,该模型可预测DO、COD、BOD、富营化、碳、叶绿素a、氨、硝酸盐、有机氮、正磷酸盐等物质在河流中的变化情况[3]。该模型的使用方法,首先是河网模型概化,然后按照如下4个主要步骤进行: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。第一步水动力研究要应用水动力模型程序DYNHYD;第二步研究水流中物质的

7、传输,要靠示踪剂研究和水质模型程序WASP的TOXI模块校验来完成;第三步研究水流和底质中的物质转化,要依靠实验室研究、现场观察和试验、参数估计、模型研究相结合来完成,其模型计算结果要验证;最后一步研究污染物怎样影响环境[4]。将WASP5水质模型中的相关污染因子的循环考虑到二维水动力模型，并建立二维水量水质耦合模型，同时增强水动力水质模型的适用性，从而节约时间和成本，达到模拟水环境的目的，对湖区的水环境预测与污染防治具有很重要的作用。2.2.1二维水量数学模型基本方程：方程(1)可表达为:，式中，a为风的密度;CD为风拖拽系数;Wa为水面以上10m处的风速

8、;为守恒物理量;为x向通量;为y向通量;h为水深;u