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1、河流综合水质模型QUAL2E在河流水质模拟中的应用杨海林杨顺生(西南交通大学环境科学与工程学院,四川成都610031)摘要QUAL2E模型,该模型是美国国家环境保护局(USEPA)推出的一个河流综合水质模型,该模型具有综合性、多样化和灵活通用的特点,是进行河流水质定量模拟的有力工具。较详细地介绍了QUAL2E模型的功能、原理及其在实际工作中的应用方法和步骤。关键词:河流;水质模型;QUAL2E中图分类号:X824文献标识码:A文章编号:1006-947X(2003)02-0022-04河流水质模拟可以分为定性模拟和定量模拟。定量模拟是进行环境规划、环境评价时的必要步骤,在河流水质工作
2、中具有非常重要的意义。定量模拟可采用数学模型、物理模型和模拟模型3种模型系统,其中最常用的是水质数学模型,它用水环境中各因子相互作用的数学方程来定量描述水体水质的时空变化。水质数学模型应用于河流水质模拟具有方法简单、易于应用、精度高、成本低的优点。国外开展河流水质模型的研究起步较早,1925年就出现了第一个河流水质模型S-P模型。经过近一个世纪的发展,河流水质模型的研究已日趋成熟,相继出现了一批功能强大、通用性好、准确可靠的综合水质模型,如美国国家环境保护局的QUAL2E、WASP,美国陆军工程兵水文团的HEC等。1QUAL2E模型QUAL2E是美国环境保护局(USEPA)推出的一个
3、综合性、多样化的河流水质模型,其前身是20世纪60年代出现的QUAL-1,经过多次修订和增强,最新版本是于1995年推出的v3121版。经过几十年的发展和完善,该模型已日趋成熟和稳定。收稿日期:2002-10-15作者简介:杨海林,男,甘肃山丹人,1978年4月生,西南交通大学环境科学与工程学院在读硕士研究生,主要从事水污染防治方面的研究。QUAL2E在美国国内作为一个水质模拟工具已广泛应用于河流水环境规划、水质评价、水质预测等方面,效果良好。QUAL2E在国内应用的报道尚不多见。111QUAL2E模型的功能QUAL2E是一个一维水质模型,适用于模拟混合良好的枝状河流。QUAL2E
4、可以同时模拟如下任意组合的15种水质组分:BOD、DO、温度、叶绿素a、有机氮、氨氮、亚硝氮、硝氮、有机磷、溶解性磷、大肠杆菌、任意一种非守恒性物质和3种守恒性物质。QUAL2E允许河流沿程有多个污染源、取水口和支流汇入,还可以模拟河道中水工建筑物对河流水质的影响。作为一个准动态模型,QUAL2E将恒定流水力学与水质参数结合起来,而这些水质参数既可以是恒定的,也可以是逐日变化的。QUAL2E既可以作为静态模型使用,也可以用于动态模拟。用于动态模拟时,QUAL2E可以计算因气象条件的昼夜变化造成的溶解氧与温度的变化对水质的影响,模拟藻类的生长呼吸所造成的溶解氧的变化,还可以计算为达到某
5、一特定的溶解氧水平所需要的稀释流量。QUAL2E包含一个进行不确定性分析的模块QUAL2E-UNCAS,该模块可以进行3种不确定性分析:①输入变量的灵敏度分析;②一阶误差分析;③MonteCarlo模拟。112QUAL2E模拟的原理QULA2E假定存在主流输送机理,即假定平流与扩散都沿着河流的主流方向,而在河流的横向与垂向上水质组分是完全均匀混合的。QUAL模型的基本方程是一维平流-扩散物质迁移方程,该方程考虑了平流扩散、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。对于任意一种水质组分,有:合的反应—计算单元。一组具有相同水力、水质特性和参数的
6、单元构成河段,QUAL2E按河段组织模型数据。如图1左边的枝状河流可以概化为图右所示的河段和单元的组和。C9(AxDL9)9C=9x-9(AxuC)+dc+s(1)9tAx9xAx9xdtV式中:C———组分浓度,ML-3x———所考察的距离,Lt———时间,TAx———距离x处的河流断面面积,L2DL———纵向弥散系数,L2T-1u———平均流速,LT-1s———组分的外部源和汇,ML-1方程右边的4项分别代表扩散、平流、组分反应和组分的外部源和漏。113QUAL2E对河流的概化QUAL2E首先将模拟河道划分为一系列恒定非均匀流河段,再将每个河段划分为若干等长的计算114
7、模型的求解图1河网的概化单元。河道数据以河段组织,同一河段具有相同的水力、水质特性和参数,各河段的水力、水质特性则各不相同。单元是QUA2E中最小的计算单位,每个单元都是理想混合的反应器,河段由单元组合而成。为了描述河流的空间分布特征,QUAL2E将单元定义为以下8种类型:源头单元(H):主流和支流的源头,源头单元是源头河段的第一个单元交汇点单元(J):有支流汇入的单元交汇点上游单元(U):主流中交汇点单元的上一个单元系统最后单元(L):模拟系统中的最后
