论水质模型在武汉水环境管理中的应用

1、论水质模型在武汉水环境管理中的应用论文导读：并分别建立这些水域的陆地、水动力和水质模型。图2-1SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系。图2-2SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系。模型是美国HydroQual公司的第三代水质模型。关键词：水质模型，SWMM模型，ECOM模型，RCA模型1 绪论水质模型是应用物理学生物学化学、 数学等方面的知识，在监测和收集有关数据的基础上，借助编制的计算机软件系统等先进技术手段，模拟、反映和预测水质变化的情况。水质模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的行为。博士论文，ECOM模型。污染物在迁徙的过程中行为非常复杂。用模型的方法有助于

2、了解污染物的运动规律，而且省时，经济。国外的学者在这方面做了很多工作，研究也较为成熟，获得了较多成功实践的经验，但在国内以研究的深入和成熟度而言，本项目尚属首例。武汉市水资源非常丰富。地表水分布以长江和汉江为主干，还有府河、东湖等等，河流纵横交错，湖泊库塘星布，构成了庞大的地表水网，水域面积占全市总面积的 1/4。然而，快速的经济增长、工业化、城市化和造成的污染量的上升，给武汉市的水环境带来了严重的污染。二十世纪八十年代以来，长江水质不断恶化，从II类水体到目前旱季武汉段全部不到III类水平，其它季节，全年三分之二的时间不到III类水体。使武汉市处于“优于水而忧于水”的尴尬境地。为了全面提升武

3、汉市水环境管理的能力，为优化污水处理设施的设计和运行提供科学的决策支持系统，2003年亚行和武汉市把建设水质模型项目作为提升武汉市水环境管理水平的一部分，列入了亚行贷款武汉污水管理项目中。博士论文，ECOM模型。该项目总投资250万美元，于2007年开始实施，2009年10月份基本完成。主要内容是通过对东湖、南湖、长江（武汉段）、汉江（武汉段）等重点水域的水质、水文、气象等历史与现状的数据进行分析，并分别建立这些水域的陆地、水动力和水质模型，从而形成一套能自行分析、计算并且有模拟预测功能的水环境监控管理工作平台，为武汉市的水环境管理提供决策依据。2 武汉水质模型的研究目的、方法、主要内容及基本

4、功能2.1本项目的主要目的通过初步建立东湖、南湖、长江、汉江等试点水体的水质模型，为江湖排污口的合理布局、排污方式（排水体制）的科学选择、治污工程的方案优化乃至城市排水系统的科学规划等方面提供模拟演示并对水体水质变化情况进行定时、定量、定性分析、结合城市建设规划科学地预测试点水体水环境质量未来变化趋势，以便为武汉市水环境治理提供科学技术分析平台，为恢复和改善水环境质量、提高水环境管理提供决策依据水平。2.2本项目的研究方法根据建立的试点水体的水质模型，采用递交求近法，通过比较模拟结果与观测数据对模型参数进行反复调整、率定，逐步完善模型，力求提高模型精确度。2.3本项目的主要研究内容（1）资料分

5、析：通过对现有水体及水质资料的分析，了解系统中存在的物理和化学过程。（2）模块划分：构建网格以准确地体现河岸线变化特性，河、湖的边界。（3）模型率定：将模拟值与实测值进行对照以校正模型参数。（4）模型验证：根据现有资料，对模型模拟的数据作进一步分析。（5）模型试验：在整个模拟工作过程中，将通过多种数模试验来决定模型的精确性。（6）模型预测：在率定、验证模型以及建立一套统一的模型系数后，模型将用于对各种改善方案的效益进行预测及评估。建模流程见图2-1：图2-1 建模流程图2.4武汉水质模型设定的基本功能（1）诊断：深入了解污染负荷与水质现象的变化机制，由此可推演出各种有效的改善方案。（2）预测：

6、提供评估现有及预测未来水质状况的科学依据。（3）规划：从现代科学和工程角度设定公平合理的排放标准及工程方案。（4）管理：提供决策者一套精确及有效地科学管理工具。3 武汉水质模型结构及基本原理武汉水质模型建立由三部分组成，即：SWMM-流域模型、ECOM-水动力模型、RCA-水质模型，三个模型相互关联，相互支持，三者之间的具体关系如图2-1、2-2所示。图2-1 SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系图2-2 SWMM模型、ECOM模型以及RCA模型的关系SWMM-流域模型利用集水区域面积与形状、非渗透比例、倾斜/粗糙数、污水管道系统与湖泊/河流相连接等流域信息以及降雨强度来计算径流量以

7、及污染物负荷，用户图形界面将把由城市陆地径流模型计算出的水流量与ECOM水动力模型的输入值相连，其计算出来的点源和面源负荷也可以作为RCA-水质模型的输入条件。ECOM-水动力模型输入值包括来自点源与面源的水流以及气象参数。由于该模型包括热通量子模型，使其能够利用气象参数准确地计算水温。该模型还包括风浪子模型，用于计算底部剪应力(输送进水质模型并用于沉积物再悬浮计算)。ECOM-水动力模型的输出值被作为输入值送入RCA水质模型中。RCA-水质模型有一系列的模块来处理各种水质问题。这包括常规污染物(需氧量，碳质生化需氧量，氮质生化需氧量，富营养化，病原微生物)以及一系列有机/无机有毒污染物。3.

8、1SWMM陆域模型SWMM模型全称Storm Water Management Model，是由美国环保局和CDM公司联合开发，免费使用、编码公开的公共模型，在世界范围内得以广泛使用和测试，适用于城市水域和排水系统，是美国环保局研制的模拟城市雨水、洪水和水质过程的数学模型。（1）集水区与子集水区在SWMM模型中,一般将一个集水区划分成若干个子集水区,根据各子集水区的特性分别计算其径流过程,并通过流量演算的方法将各子集水区的出流组合起来。各子集水区按其透水特性可分成透水区和不透水区。不透水区又有滞蓄库容和无滞蓄库容之分。有、无滞蓄即在暴雨初始是否立即产生地表径流,以反映不同的地表特性对产流的影响

9、。（2）地表产汇流计算对于无滞蓄不透水区,净雨量等于它的降雨量。博士论文，ECOM模型。对于有滞蓄的不透水区, 净雨量等于从降雨过程中去除初损量，主要是填洼量。博士论文，ECOM模型。而透水区要考虑填洼和下渗两方面的损失量,模型是通过霍顿模型及格林安普特模型来计算下渗量的。模型通过地表汇流演算把各个子集水区的净雨量转化成子集水区的出流。在模型中,把子集水区的3个组成部分近似作为非线性水库处理而实现的,即联立求解曼宁方程和连续方程。（3）排水系统的流量演算SWMM模型包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体模块等主要模块。模型采用输送模块和扩展输送模块进行排水系统的演算。

10、图3-1和图3-2是SWMM模型的建模过程和SWMM模型所需的数据资料。图3-1 SWMM模型建模过程图3-2 SWMM模型所需数据资料3.2 ECOM水动力模型ECOM可在一、二、三维模式下运行。在二维(横向平均)与三维模式下，水体的垂直分割可以基于本地水深的分层或固定厚度的分层两种方式。模型输入值包括来自点源与非点源的水流以及气象参数。该模型包括一个风浪子模型，可以计算底部剪应力。该模型还包括一个热通量子模型,能够利用气象参数准确地计算水温。ECOM模型还能够同时反映不规则海岸线和局部水体的各种深度，而且，ECOM模型的计算机代码已经实现了复杂接口技术，将模型的输出与RCA的输入直接对接。建立水动力模型的第一步是建立一个定义分析工作空间范围与精确度的网格。网格设计可提供不同水平的平面解析度。比如，该网格可以在特殊研究区域(如污水排放点或供水取水点)或在水深变化剧烈的区域使用小的网格间隙，即高分辨率。河流系统要求的垂直解析度将在评估了水温与水质参数(如溶解氧或颗粒物质)在垂直方向的梯度之后确定。水动力模型需要模型研究范围内底部测深的描述以及由城市与郊区陆地模型生成的随时间变化的通过上游边界与支流的流入量、污水流入量、水提取量、以及雨水流入量。最后，气象条件可能成为重要的影响函数。因此，风速与风向、气温、相对湿度、云层遮盖率、大气压以及太阳辐射均是必须的