河流综合水质模型QUAL2E在河流水质模拟中的应用.docx

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 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 : 输入变量的灵敏度分析 ; 一阶误差分析 ; Monte Carlo 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 ( AxDL 9 ) 9C =9x - 9 ( A x uC)+ dc + s(1)9tAx 9xAx 9xdtV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 , L2 DL 纵向弥散系数 , L2 T- 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) : 模拟系统中的最后一个 计算单元取水口单元 ( P) : 含有取水口的单元 排放口单元 (W) : 含有排放口的单元 水工建筑物单元 (D) : 含有水工建筑物的单元标准单元 (S) : 除以上 7 种单元之外的单元都 定义为标准单元通过划分河段单元 , QUAL2E 将模拟河段概念 化为一系列通过输移 、扩散机理首尾相连 、均匀混在每一个时间步长上 , 对任一种水质组分 ,QUAL2E 在每个计算单元上列出形如 (1) 式的水 质方程 , 由于对复杂的河流系统上述方程很难求得 解析解 , 故 QUAL2E 采用向后隐式有限差分法求其 数值解 。篇幅所限 , 求解过程这里不再展开 , 具体 可参看参考文献 1 。2 QUAL2E 模型的应用步骤211 河流的现场勘测和调查应用 QUAL2E 模型的第一步是通过现场勘测和 调查获取河流概念化所需的信息 , 包括 : 河流的空 间分布信息 、河流水文资料 、水质监测资料 、污染 源情况和流域气象资料 。212 单元和河段的划分QUAL2E 按照河段来组织数据 , 以单元作为最 小的计算单位 , 河段和单元的划分应根据模拟河流 的实际情况来进行 。QUAL2E 要求同一河段具有相同的水力和水质 参数 , 根据现场勘测和调查以及现有的监测资料 , 将具有相同或相似特性的河道划分为同一河段 。计 算单 元 是 QUAL2E 进 行 水 质 模 拟 的 最 小 单 位 , QUAL2E 要求各个河段上的计算单元是等长的 , 每个河段由整数个计算单元构成 。计算单元的长度决 定了水质模拟的计算精度 , 单元长度越短则计算精 度越高 , 但相应的计算机时增加 , 单元长度太长则 不能保证计算精度 , 应结合计算精度要求和计算机 性能来确定单元长度 。划分河段和单元之后根据现场勘测和调查资料 为每个单元按 QUAL2E 的单元类型定义指定其单元 类型 , 通过指定单元类型反映出支流 、污染源 、取 水口及水工建筑物的空间分布状况 。213模型参数的率定 模型参数的确定是建模工作的核心内容 , 可靠的参数是模拟成败的关键 。因此在确定模型结构之 后 , 还要对模型中的未知参数作适当估算 , 求得与 实测资料最佳拟合的模型参数 。参数的率定就是将 参数初值带入模型 , 计算与现有实测资料相对应的 各种水质变量 , 并与实测资料相对照 , 反复调整试 算 , 使计算值与实测值相符 , 并得到一组一致性的 模型参数 。QUAL2E 的模型参数按河段来组织 , 主 要包括水力参数和水质参数两类 。21311 水力参数QUAL2E 假定河流的水力特征是稳态的 , 即9Q/ 9t = 0 , 每段河流的水力特征都符合以下形式 :u = aQb , Ax = cQd(2)式中 , Q 为流量 (m3/ s) , u 是河流平均流速 , D 是河流水深 , a 、b 、c 、d 均是经验系数 , 根据河 段的水文资料确定 a 、b 、c 、d 的取值来表征河段 的水力特性 。纵向弥散系数 DL 是另一个重要的水利参数 , DL 可以通过试验模拟 , 示踪剂法或经验公式来获 得 。QUAL2E 给出了纵向弥散系数的计算公式 :DL = 3182 Knud5/ 6(3)式中 : K 纵向弥散常数 , m2/ s n 曼宁粗糙系数u 平均流速d 平均水深 21312 水质参数模型所需的水质参数因所选择的模拟项目的不同而异 , 常用的包括 BOD 降解系数 K1 、复氧系数 K2 、BOD 沉降系数 K3 、底泥耗氧系数 K4 等 。水质 参数可以通过实测法和经验公式法取得 。QUAL2E 提供了计算相关水质参数的经验公式 , 可以根据实际情况选用 。水质参数也可以通过监测资料反算来 取得 。由于这些参数具有随机性 , 所以通常要求用 于估算参数的监测资料个数不得少于参数个数的 5 倍 。将每组资料计算出平均值供计算使用 。21214模型的检验 模型的检验是将一组与率定模型无关的污染负荷 、水文数据与模型的计算结果相对照 , 检验模型 的计算结果与现场实测数据是否相符 , 以确定模型 的可靠性和适用性 。通过检验 , 与实测数据相符较 好的模型即可用于实际工作 , 进行河流水质的模 拟 。215 不确定性分析QUAL2E 的不确定性分析模块 QUAL2E - UN2 CAS 提供了 3 种不确定性分析功能 :21511 灵敏度分析QUAL2E - UNCAS 允许用于进行单个 、一组 、 或因子组合策略的输入 , 用户指定摄动变量并输入 摄动值 , QUAL2E - UNCAS 可以计算由输入变量值 的扰动引起的输出变量值的变化 。灵敏度分析帮助 用户了解模型计算结果的偏差和模型的可靠性 。 21512一阶误差分析一阶误差分析采用多变量环境下计算变量间关系的一阶近似 , 并假定输入变量独立变化且模型是 线性的 。QUAL2E - UNCAS 经计算输出一个规格化 的灵敏度系数矩阵和一个变差矩阵的元素 。灵敏度 系数矩阵表示由输入变量 1 %的扰动所引起的输出 变量的变化 。变差矩阵表示输出变量的变化归因于 每个输入变量的比率 。21513Monte Carlo 模拟 模拟把输入变量从一个由用户确定的概率分布中进行随机取样 , 通过反复计算 , 对输出变量的分 布进行统计分析 。Monte Carlo 模拟要求用户输入变 量的变化值 、概率分布和模拟次数 , 经计算 , 给出 输出变量的总结性统计和频率分布 。216 模拟结果的后处理QUAL2E 提供了一个图形化的数据后处理模块 QAL GR , QAL GR 具有模拟结果数据的二维作图功 能 , 可以将模型计算输出的结果数据以沿程曲线的 方式输出 , 一个二维图形中可以包含多种水质数据 的浓度曲线 , 由用户指定图形种中的水质数据和河 段范围 。QAL GR 允许用户打印和保存屏幕拷贝 ,以获得直观的模拟结果 。3结语QUAL2E 模型具有多样化 、综合性和实用有效 的特点 。QUAL2E 在国外的一些应用证明其具有较 高的精度和可靠性 , 在河流水环境规划 、评价 、治 理等方面具有较为广泛的应用前景 , 值得在我国的 河流水质模拟工作中推广 。参 考 文 献 : 1 Linfield C1Brown , Thomas O1Barnwell , Jr1The Enhanced Stream Water Quality Moedls QUAL2E and QUAL2E - UNCAD : Documen2 tation and User Manul R 1 Washington , US , 1985 , 3 - 4 , 11- 14 , 16 - 17 , 74 , 81 - 851 2 USEPA Office of Water1 QUAL2E Windows Interface Uses Guide R 1Washington , US , 1995 , 3 , 17 - 181 3 孙颖 , 陈肇赫 , 范晓娜 , 李志群 1 河流及水库水质模型及通 用软件综述 J 1 水资源保护 , 2001 , 17 (2) : 7 - 111 4 吴燕华 , 王金如 1 河流综合水质模型 QUAL2E 在通惠河的应 用 J 1 水资源保护 , 1995 , 11 (1) : 34 - 381The Application of the QUAL2 E Model in the Steam Water Quality SimulationYANG Hai - lin , YANG Shun - sheng( Environmental Science and Engineering Academyof Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031 China)Abstract : QUAL2E was released by USEPA as a comprehensive and versatile stream water quality model . QUAL2E can be used as a powerful tool for stream water quality quantitative simulation. This paper represent the models function , principle and applied method , can be a reference of related personnel .Key words : stream ; water quality model ; simulation ; QUAL2E(上接第 21 页) 6 卢志茂 , 叶平 1 工业生态学的研究视角 J 1 自然辩证法研技 , 2003 , 3 : 121究 , 2000 , 16 (16) : 58611 12 王金南 1 中国环境报 , 2001 , 12 , 211 7 Reid Lifset1Journal of Industrial Ecology M 1Boston : MIT Press , 13 黄宏 1 工业生态学 发展可持续工业 J 1 全球科技经济1997 , 1 (1) : 121 8 T1E1Graede1B1R1Allenby1 Industrial Ecology M 1New York 14 望 , 1998 , 6 (2) : 66731A1R1Frosh1 The industrial ecology of the 21stcentury J 1ScientificPrentice hall Pres11995 , 1081091American , 1995 , 1781811 9 International Organization for Standarizationn1Environmental Mananemt 15 R1Socolow1C1Andrews1F1Berkhout and V1Thomac1Industrial ecolo2- Life cycle assessment - Priciples and franework ( ISO 140401) ,gy and global Change , 1994119971 16 Micah D1Lowenthal1 William E1Kastenberg1Industrial ecology and 10 杨建新 , 王如松 1 生命周期评价的回顾与展望 J 1 环境energy systems : a first step J 1Resources , Conservation and Re2科学进展 , 1998 , 6 (2) : 66731