水质水量快速预测技术与应用

在水质预测预报模型的研究方面,欧美国家已经达到了很高水平,在国际上处于领先地位。在早期大量的基础研究数据的基础上,国外建立了一系列的水质预测预报模型,目前比较成熟的模型有以下几种。

(1)QUAL系列模型,美国环保局(USEPA)于1970年推出QUAL-Ⅰ水质综合模型,1973年开发出QUAL-Ⅱ模型,该模型能被用于研究污染物的瞬时排放对水质的影响,如有关污染源的事故性排放对水质的影响。

(2)BLTM(Branched Lagrangian Transport Model)即分支拉格朗日输移模型,由美国地质调查局(USGS)开发。它没有模拟水动力情况,水动力条件要由其他模型提供。这个模型包括QUAL-Ⅱ包含所有的水质变化过程,而且是时变的。

(3)OTIS(One-dimensional Transport with Instream Storage)即带有内部调蓄节点的一维输移模型,USGS开发的可用于对河流中溶解物质的输移进行模拟的一维水质模型。模型中的控制方程是对流扩散方程,并综合考虑了暂存、纵向入流、一阶衰减和吸附现象。

(4)WASP模型(Water Quality Analysis Simulation Program,水质分析模拟程序)是美国环保局提出的水质模型系统,可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸等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、湖库和河口三维不稳定流、常规污染物和有毒污染物在水中的迁移转化规律。

(5)QUASAR模型是由英国Whitehead建立的贝德福郡乌斯河水质模型发展而来的,该模型用含参数的一维质量守恒微分方程来描述枝状河流动态传质过程,可模拟的水质组分包括DO、BOD、硝氮、氨氮、p H值、水温和任一种守恒物质。该模型属于水质控制数学模型,其研究的目的是建立污染物排放量与河流水质问题的关系。

另外丹麦、德国、荷兰等也分别开发了比较有效的水质模型如由丹麦水动力研究所(DHI)开发的MIKE模型体系、荷兰开发的PROTEUS体系其水质模块(Water Quality)可以实现对江河水体的二维和三维水质模拟。(www.xing528.com)

我国在水质预警模型方面也做了大量研究,并把地理信息系统(GIS)与水质模型有机结合,把人工神经网络(ANN)技术应用于水环境预测及评价方面,大大推动了水质预警模型的研究进展。

南京水利科学研究院河港所针对长江口开发了CJK3D模型,可以实现对江河水体的二维和三维水质模拟。重庆市环境科学研究院和重庆大学针对长江嘉陵江重庆段干流和城区江段,分别开发了一维和二维水质预测模型,取得了较好的模拟效果。侯国祥建立了一个适合于与自然河流中污染物排放的远区计算模型,并将其应用于长江汉江仙桃段、湘江衡阳段、三峡库区重庆江段及长江堵河段,取得了较好的结果。王惠中、薛鸿超等在Koutitas等建立的准三维数学模型的基础上,考虑垂向涡黏系数沿深度变化,对其计算模式进行修改,针对太湖环境保护问题建立了一个三维水质模型,对太湖水体的主要污染指标进行模拟和分析,并提出了控制太湖水污染的防治政策;郭永彬、王焰新等将OUAL2K模型用于汉江中下游的水质模拟。杨家宽、肖波等将WASP5模型运用于汉江襄樊段的水质模拟,都取得了较为满意的结果。

彭虹等结合了河流一维水质综合模型和GIS建立了汉江武汉段水质预警预报系统,系统考虑了污染物的迁移和生态转化过程,可以实现污染物迁移扩散的常规预报、水华预警预报及突发污染事件的模拟。李志勤通过直接求解三维污染物输移方程来研究水库中溢油等污染物的运动规律,利用研究结果开发了紫坪铺水库三维水质预警系统,并以之提出了该水利枢纽工程应急运行的具体建议。程聪、林卫青等重点研究了突发性溢油污染事故排放的有毒有害污染物在水体中的迁移扩散和转化规律,建立黄浦江溢油漂移和扩散数学模型,使黄浦江发生溢油突发性污染事故后,能迅速预测事故后果,确定最佳的处理方案。窦明等在重金属模型研究成果的基础上建立了一维河流重金属迁移转化模型,并通过2005年广东省北江镉污染事故实测资料进行验证表明该模型能够较准确地反映重金属随水流运动和变化的过程及遭遇不同潮位会引起污染事故影响范围的差异。

张万顺等在突发事故水体污染物数值模型相关研究的基础上,结合GIS工具,建立三峡库区万州段水污染突发事故管理系统,系统可以实时模拟突发水污染事故后的污染范围和污染等级;动态演示污染团的迁移转化过程,并对取水口等重点水域进行突发事故的定点监测,以图表的形式直观地表现出突发事故造成影响。朱齐艳依据三峡库区典型江段(万州段)的河道特征,构建了二维突发性事故应急系统的核心模型,该模型能够描述突发事故污染物所涉及的物理、化学和生物过程,特别针对突发性事故发生地点不确定的特点,模型可对岸边、中心事故排放等不同排放方式进行数值模式概化。王庆改、赵晓宏等应用MIKE 11的降雨径流模块、水动力模块和对流扩散模块,建立了汉江中下游的降雨-径流模型、水动力模型和对流-扩散模型,模拟了汉江中下游2003年水文条件下冬、夏季不同情况时的突发性水污染事故的污染物运移扩散过程,模型可模拟污染物的运移、扩散过程,预报突发水污染事件时汉江不同地点处污染物到达的时间和浓度增加值,辅助领导决策。刘冬华、刘茂等研究河流中污染物的输移扩散及其影响因素,引入死区预警模型及其解析解,模拟污染物在水体中的时空变化,进而预测污染物到达下游特定地点的浓度增加值及相应时间,尤其是对下游断面污染物最大浓度增加值及其出现时间的预测结果较好,能够较准确地模拟河流中污染物的输移扩散规律,为环境风险管理及突发性环境污染应急预案的制定提供科学依据。

鞠美勤在二维水动力、风场模型基础上,结合溢油本身特性变化建立二维溢油污染事故模拟模型。模型采用修正的FAY公式模拟溢油的扩展运动,采用油粒子模型模拟溢油漂移运动,并模拟溢油在扩展漂移过程中蒸发、乳化过程,以及以上风化过程对溢油黏度、密度等性质的影响,讨论了溢油在水体中的迁移转化规律,为河道突发性溢油污染事故预报和应急处理提供技术支持。蒋新新、李鸿等采用溢油扩延计算模式、油膜漂移分析计算方法和可溶性危险化学品一维瞬时扩散模型预测突发性污染事故对水体造成的影响。该预测模型预测水体中污染物的实时浓度,分析污染水团的轨迹变化,有广泛的应用价值。王祥、黄立文等以环境流体动力学模型EFDC为基础建立了三峡库区万州段水动力模型,并进行了典型水文条件下的水动力数值模拟。溢油模型能预测溢油在扩散漂移过程中组分、性质、状态的变化及最终归宿,为应急决策的制定、清除手段的选择及溢油损害评估提供依据。

国外虽然已经有很多成熟的水质模型软件,但现有水质模型和软件用于突发性水污染事故的水质模拟存在模型参数众多、参数率定困难、模型结构复杂、分析工作量大等问题,很难满足应急预警的需要。国内水质预警模型对预警过程中的机理性问题研究不足,基础不够,缺乏完善的有效定量计算方法,影响预警方法的建立。现有预警模型侧重于模拟溢油事故、重金属污染事故等,模拟指标有限,采用的数学模型结构较为单一,模拟所需时间长,未能够及时准确反应突发性污染物的迁移转化过程。