EFDC模型在地表水環(huán)境模擬中的應(yīng)用及進(jìn)展

1、EFDC模型在地表水環(huán)境模擬中的應(yīng)用及進(jìn)展摘要：EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 是EPA 最為推薦使用的水 質(zhì)模型之一，使用范圍較廣泛，能夠模擬河流、湖泊、河口、水庫、濕地和近海區(qū)域等多種水體的三維水流、泥沙遷移和化學(xué)過程。文章綜述了相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)構(gòu)，分別介紹了EFDC 的基本原理、模塊結(jié)構(gòu)、基本方程、應(yīng)用流程以及其在各類地表水模擬中的應(yīng)用和發(fā)展。關(guān)鍵詞：EFDC； 模擬； 應(yīng)用Development and application of EFDC modelin simulation of surface water environmentA

2、bstract：EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) is one of the water quality models mostly recommended by EPA and has a wide application in water systems including: rivers, lakes, estuaries, reservoirs, wetlands, and near -shore to coastal regions which can simulate the three-dimensional (3-D) flow,

3、 transport, and biogeochemical process happened in them.In this paper, base on lots of reference literatures, the principle, model structures, primary equations and application process were introduced firstly, respectfully. Then its application and advance in simulation of surface water environment

4、were also summarized and analyzed.Key words：EFDC; estuarine; applicationEFDC模型在地表水環(huán)境模擬中的應(yīng)用及進(jìn)展引 言水質(zhì)模型研究一直是環(huán)境科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，它是定量描述污染物在水體中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程，涉及到氣象、水文、水力、水化學(xué)、水生物、沉積物、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科知識。應(yīng)用水質(zhì)模型可以定量的進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量的模擬和預(yù)測，為水環(huán)境的水質(zhì)評價(jià)、預(yù)測及污染調(diào)控與管理提供依據(jù)。EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模型是作為模擬河流、湖泊、水庫、河口、海洋和濕地等地表水系

5、統(tǒng)的三維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，由Fortran 語言編制而成。最初是由佛吉尼亞吉尼亞海洋科學(xué)研究所(Virginia Institute of Marine Science for Estuarine and Coastal Applications)開發(fā)的，是一個(gè)開放式的軟件。此后，美國國家環(huán)保署(EPA)對EFDC 模型進(jìn)行了二次的開發(fā)。目前，EFDC 模型已經(jīng)成為美國國家環(huán)保署最為推崇的模型之一，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)大學(xué)、政府和環(huán)境咨詢機(jī)構(gòu)。在80 多個(gè)模型的研究中獲得了成功的應(yīng)用，如水動力和水質(zhì)模擬、沉積物模擬、電廠冷卻水排放模擬、水庫及其流域營養(yǎng)物質(zhì)模擬預(yù)測7、沼澤地大型濕地模擬等等。本文主要對

6、EFDC的設(shè)計(jì)原理、軟件功能以及EFDC在各類地表水模擬中的應(yīng)用和進(jìn)展進(jìn)行了綜述，希望能夠推進(jìn)該模型在我國的地表水環(huán)境研究中的應(yīng)用。1 EFDC 模型1.1 EFDC 模型的基本原理EFDC 模型的計(jì)算方法和原理與美國陸軍工程團(tuán)的Chesapeake 河口模型Blumberg-Mellor 模型有諸多相似的地方。EFDC 模型對非等密度流體運(yùn)用三維、垂直靜壓力、自由表面、紊流平均的動量平衡方程。模型在水平方向采用正交曲線坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)系，垂直方向采用sigma 坐標(biāo)。輸運(yùn)方程結(jié)合了紊流長度、紊流動能、溫度和鹽度四種變量。針對溶解物和懸浮物，模型同時(shí)計(jì)算歐拉輸運(yùn)-地形變化方程。在滿足質(zhì)量守恒的

7、條件下，EFDC 模型可以在淺水區(qū)域采用漫灘數(shù)值模擬。除此之外，模型還有許多流量控制的功能選項(xiàng)，例如輸水管道、泄洪道和堰壩。對于動量方程，在空間上EFDC 采用C 網(wǎng)格或交錯網(wǎng)格，運(yùn)用二階精度的有限差分格式。水平擴(kuò)散方程在時(shí)間方面運(yùn)用顯格式，在空間方面運(yùn)用隱格式。水平輸運(yùn)方程采用Blumberg-Mellor 模型的中心差分格式或者正定迎風(fēng)差分格式。水平邊界條件包括流入物質(zhì)的濃度，迎風(fēng)向物質(zhì)的流出以及指定氣候條件下的物質(zhì)釋放。熱輸運(yùn)方程采用大氣熱交換模型。1.2 EFDC 模型的結(jié)構(gòu)模塊圖1 是EFDC 模型的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由三部分組成：包括水動力、水質(zhì)、泥沙-有毒污染物遷移?？梢酝ㄟ^控制

8、輸入文件進(jìn)行不同模塊的模擬。EFDC水動力學(xué)模塊包括有淡水流、大氣作用、水深、表面高程、底摩擦力、流速、湍流混合、鹽度、水溫等9 大部分，可以計(jì)算，流速、示蹤劑、溫度、鹽度、近岸羽流和漂流。水動力學(xué)模型輸出變量可直接與水質(zhì)，底泥遷移和毒性物質(zhì)等模塊耦合，作為物質(zhì)運(yùn)移的驅(qū)動條件。EFDC 的水質(zhì)模塊模擬原理與WASP5 類似，結(jié)合了21 種水質(zhì)變量，模型能夠從空間和時(shí)間的分布上模擬水質(zhì)參數(shù)，其中包括溶解氧、懸浮藻類、碳的各種組成、氮、磷、硅氧循環(huán)以及大腸桿菌等。沉積物模塊和水質(zhì)模塊的耦合不僅增強(qiáng)了模型水質(zhì)參數(shù)的預(yù)測能力，還可以模擬水質(zhì)條件跟隨營養(yǎng)鹽負(fù)荷變化相應(yīng)的情況。EFDC 泥沙模塊可進(jìn)行多組

9、分泥沙的模擬，根據(jù)在水體里面的遷移特征把泥沙分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)，懸移質(zhì)根據(jù)粒徑大小分為粘性泥沙和非粘性泥沙，進(jìn)而還可細(xì)分為若干組。模型可根據(jù)物理或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M泥沙的沉降、沉積、沖刷及再懸浮等過程。EFDC 有毒污染物模塊可以模擬各類型污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化過程，該模塊需要研究者針對特定有毒污染物提供具體反應(yīng)過程設(shè)定反應(yīng)系數(shù)。而底質(zhì)模塊模擬沉積物與水體之間的物質(zhì)交換過程。1.3 EFDC 模型的關(guān)鍵方程1.3.1 水動力方程EFDC 水動力學(xué)方程采用垂向靜壓假定，在水平方向上采用曲線正交坐標(biāo)系，水質(zhì)方向上采用 坐標(biāo)變換，沿重力方向分層，求解三維紊動粘性方程，水平邊界擬合正交曲線坐標(biāo)系和垂向 坐

10、標(biāo)系下控制方程。動量方程： （1） （2） （3） 連續(xù)方程： （4） （5）狀態(tài)方程: （6） 鹽度和溫度輸移方程： （7） (8)式中：是邊界擬合正交曲線坐標(biāo)方向上的速度分量；是邊界擬合正交曲線坐標(biāo)方向上的速度分量；是邊界擬合正交曲線坐標(biāo)方向上的速度分量； 和 是分別為度量張量對角元素的平方根；是度量張量行列式的平方根，；是垂向紊動黏滯系數(shù)； 是垂向紊動擴(kuò)散系數(shù)；是科里奧利系數(shù)；是壓力；是混合密度；是參考密度；是鹽度；是溫度；和是動量在和方向的源匯項(xiàng)； 和 是鹽度和溫度的源匯項(xiàng)。聯(lián)立公式，8 個(gè)方程可以解出 和 等8 個(gè)變量。1.3.2 泥沙輸移方程三維泥沙輸移方程如下：式中： 是水平紊動

11、擴(kuò)散系數(shù)；是沉降速度；是懸浮泥沙單位體積質(zhì)量濃度；是泥沙的源匯項(xiàng)。和水平紊動黏滯系數(shù)可以根據(jù)Smagorinsky公式計(jì)算， （10） 方程（10）式守恒形式的對流擴(kuò)散方程，懸浮泥沙的全部質(zhì)量只是通過水域邊界的通量而改變(開邊界、自由表面和底部)。通過開邊界和自由表面邊界的通量可以用流場數(shù)據(jù)確定，通過底部界面的通量則是模型計(jì)算出的濃度、水動力和底部泥沙屬性的函數(shù)。在潮流運(yùn)動中，水平輸送主要是對流運(yùn)動，在坐標(biāo)下，垂向輸送大體上由沉速和垂向擴(kuò)散控制。當(dāng)水動力作用較強(qiáng)時(shí)，底部呈沖刷狀態(tài)，底部沖刷物質(zhì)由于擴(kuò)散向上輸送；當(dāng)水動力作用較弱時(shí)，懸浮泥沙垂向沉降形成底部沉積物。1.4 EFDC 模型的應(yīng)用流程

12、EFDC 在模擬計(jì)算過程中首先完成流場計(jì)算，獲得三維流速場的時(shí)空分布特征，在此基礎(chǔ)上計(jì)算泥沙遷移、沖淤作用，進(jìn)而模擬受粘性泥沙吸附影響的各水質(zhì)變量動態(tài)變化過程。圖2 為EFDC 的運(yùn)算流程圖。2 EFDC在各類地表水環(huán)境中的應(yīng)用由于社會群體對環(huán)境保育和生態(tài)恢復(fù)愈來愈重視，人們在地表水環(huán)境環(huán)境管理方面做了大量的研究。EFDC 被用于各類地表水環(huán)境的研究中，包括：河流、湖泊、水庫等。2.1 水庫水環(huán)境的模擬楊倩等通過搭建 EFDC 密云水庫二維水動力水質(zhì)模型模擬密云水庫水環(huán)境。密云水庫是北京市最大的也是唯一的地表飲用水水源地，隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，密云水庫水環(huán)境受到污染，水庫水質(zhì)有了下降趨勢。掌

13、握庫區(qū)基本的水文特征、水環(huán)境機(jī)理，并進(jìn)行模擬預(yù)警，對遏制密云水庫水體惡化具有一定的指導(dǎo)意義，為水庫環(huán)境治理工作提供相關(guān)的技術(shù)支撐。 研究通過收集水庫庫區(qū)及周邊的實(shí)測數(shù)據(jù)，對研究區(qū)模擬范圍的時(shí)空進(jìn)行概化，搭建 EFDC 密云水庫二維水動力水質(zhì)模型。通過密云水庫水動力模型，得到良好的水位模擬結(jié)果，平均誤差約為-0.61%。水溫模擬結(jié)果客觀的反應(yīng)了密云水庫四季溫度變化，解釋了冬春季湖心水溫低、夏秋季湖心溫度高的主要原因是由于水庫入流受氣溫影響較庫區(qū)水體大，且?guī)靺^(qū)水體交換周期長，并且水體的生態(tài)轉(zhuǎn)化也會產(chǎn)生熱量。 在水動力基礎(chǔ)上，利用 2007-2008 年水質(zhì)數(shù)據(jù)建立密云水庫水質(zhì)模型并進(jìn)行模型率定，水

14、質(zhì)率定模擬結(jié)果表明：各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)模擬變化趨勢和實(shí)測值變化趨勢基本相符，模擬效果良好，總體平均誤差在可接受范圍內(nèi)：DO 平均誤差13.34%，氨氮平均誤差 12%，總氮平均誤差 11.43%，總磷平均誤差 12.34%。2008年模擬驗(yàn)證結(jié)果表明，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)模擬變化趨勢和實(shí)測值變化趨勢擬合關(guān)系好于率定模擬結(jié)果，總體平均誤差在可接受范圍內(nèi)，可以滿足預(yù)報(bào)、預(yù)警等技術(shù)要求。 在調(diào)試好的水質(zhì)模型基礎(chǔ)上，設(shè)置了瞬時(shí)排放污染物及連續(xù)排放污染物兩種情景，并選用衰減系數(shù)為 1e-8、1e-7、5e-7 的人工處理方式并與未考慮衰減系數(shù)的情況作為對比，發(fā)現(xiàn)：（1）瞬時(shí)排放事故發(fā)生點(diǎn)位于庫區(qū)內(nèi)部，污染物云團(tuán)運(yùn)移驅(qū)

15、動力主要以風(fēng)速為主，并沿庫區(qū)東部、南部所形成的渦旋進(jìn)行運(yùn)動擴(kuò)散；而連續(xù)排放事故點(diǎn)位于入流點(diǎn)附近，入流水流則作為主要驅(qū)動力影響溶質(zhì)運(yùn)移。（2）瞬時(shí)排放條件下考慮三種不同衰減系數(shù)情況，隨著衰減系數(shù)增大，同一時(shí)刻峰值濃度出現(xiàn)減小趨勢。（3）考慮衰減系數(shù)下，污染羽范圍明顯下降。綜上所述，使用 EFDC 模型模擬密云水庫水環(huán)境并進(jìn)行污染物突發(fā)事件具有一定可行性，可為密云水庫治理、防治等工作提供技術(shù)支撐。 2.2 長江口溫鹽模擬鄭曉琴等基于EFDC 模式建立了長江口及鄰近海域三維溫鹽模型。計(jì)算區(qū)域包括長江口、杭州灣及其鄰近海域，長江口上界取到洪季潮流界江陰,杭州灣上界取到錢塘江的倉前。模型的初始條件涉及水

16、位和流速, 以及溫度鹽度的初始場；研究區(qū)域考慮6 個(gè)主要分潮,即M2 ,S2,K1,O1, K2,N2；流場模型中考慮風(fēng)、徑流、潮流和密度流等共同作用；溫度計(jì)算時(shí)主要加入氣壓、大氣溫度、短波太陽輻射、相對濕度、降水率、蒸發(fā)率和云層覆蓋率的共同作用。計(jì)算從初始狀態(tài)開始積分六個(gè)月,使計(jì)算海區(qū)的流場和溫鹽場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 并輸出與觀測時(shí)間相對應(yīng)的一個(gè)潮周期的溫鹽數(shù)據(jù)。采用2005 年7 月6-15 日12 個(gè)測站的連續(xù)流速、流向、溫度和鹽度資料進(jìn)行驗(yàn)證。利用經(jīng)驗(yàn)證后的EFDC 模型，計(jì)算長江口及鄰近海域的溫鹽分布。首先是計(jì)算海區(qū)夏季表底層平面水溫分布，計(jì)算結(jié)果與觀測到的溫度平面分布，結(jié)果現(xiàn)象相似，這

17、些充分反映長江口外表層水溫受長江沖淡水影響顯著大于太陽輻射隨緯度的變化。其次是計(jì)算海區(qū)夏季平面表底層鹽度分布，實(shí)測值與計(jì)算結(jié)果比較表明計(jì)算結(jié)果的結(jié)果有些許差異，這主要由于本模型未完全考慮東中國海背景環(huán)流的影響所致?？傮w來說，數(shù)值計(jì)算結(jié)果成功再現(xiàn)了夏季海區(qū)的溫鹽分布情況。長江口外鄰近海域溫度平面分布為西高東低,南北差異較小;表層鹽度在口門附近形成較大范圍的淡水舌,底層沖淡水范圍較小。長江口外海區(qū)存在明顯的溫鹽躍層，且大部分溫鹽躍層位置重合或接近。此外，文章表明為更好地研究長江口外及其鄰近海域的溫鹽分布特征及變化規(guī)律, 計(jì)算區(qū)域東邊界還應(yīng)進(jìn)一步延伸, 同時(shí)應(yīng)充分考慮東中國海的背景流場。2.3 湖泊

18、水動力模擬郝文彬 , 唐春燕等利用環(huán)境流體動力學(xué)模型(EFDC 模型), 以湖體水齡(描述湖泊水體交換速率的參數(shù))為研究對象, 系統(tǒng)地研究引江濟(jì)太調(diào)水工程對太湖水動力的調(diào)控情況。引江濟(jì)太調(diào)水工程利用初步建成的治理太湖骨干水利工程體系, 調(diào)整樞紐工程運(yùn)行方式,通過長江口常熟水利樞紐和望亭立交水利樞紐工程調(diào)度, 經(jīng)望虞河將長江水引入太湖, 并通過太浦河由太湖向上海等下游地區(qū)供水, 以期由此帶動流域內(nèi)其他諸多水利工程的優(yōu)化調(diào)度, 加快水體流動, 縮短太湖換水周期, 緩解地區(qū)用水緊張狀況.目前, 關(guān)于引江濟(jì)太調(diào)水工程對太湖及其周邊地區(qū)水環(huán)境的改善效果存在很大的爭議.為了定量地描述其改善效果, 運(yùn)用美國

19、環(huán)保局開發(fā)的三維水質(zhì)模型:環(huán)境流體動力學(xué)模型(EFDC 模型), 利用三維水量模擬技術(shù)來模擬和研究引江濟(jì)太調(diào)水工程中望虞河引水和太湖水體的交換速度和交換程度.利用水齡的概念, 一方面描述通過望虞河入湖水與太湖水體的交換速度與交換程度, 從而分析引江濟(jì)太調(diào)水工程對太湖水動力過程的改善情況;另一方面, 可描述可溶解性污染物在入湖后的遷移特征.模擬結(jié)果表明:在相同風(fēng)速、不同風(fēng)向下2 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水齡差別較大.對于監(jiān)測點(diǎn)B , 水齡最大達(dá)到335d(西北風(fēng)狀況)和305 d(東南風(fēng)狀況), 最小為207 d(西南風(fēng)狀況)和254d(西北風(fēng)狀況).而對于監(jiān)測點(diǎn)C , 最大的水齡為305d(東北風(fēng)狀況)和3

20、00 d(西南風(fēng)狀況), 最小為169d(西北風(fēng)狀況)和174 d(東南風(fēng)狀況).對同一監(jiān)測點(diǎn), 由于風(fēng)向引起的水齡差別超過100 d , 而在空間分布上不同監(jiān)測點(diǎn)的水齡變化超過了150d , 因此風(fēng)向?qū)λg的時(shí)間和空間分布均具有重要影響.由于在太湖東部湖區(qū)有7 個(gè)水廠取水口, 故研究了風(fēng)場對該飲用水源區(qū)域水齡的影響.研究結(jié)果表明西北風(fēng)和東南風(fēng)有助于梅梁灣的水體交換.在東南風(fēng)時(shí), 梅梁灣、竺山灣和湖心區(qū)北部的區(qū)域水齡較小(小于200d), 西北湖區(qū)、西南湖區(qū)和東部湖區(qū)的水齡較大(250 365 d).西北風(fēng)時(shí), 東南湖區(qū)的水齡較小(小于220 d), 西南湖區(qū)的水齡較大(365d).湖區(qū)水齡較

21、小的區(qū)域均接近7 座水廠的取水口, 表明西北風(fēng)是引江濟(jì)太調(diào)水工程對飲水水質(zhì)改善最有效的風(fēng)向。3 EFDC 的發(fā)展前景展望EFDC 是一個(gè)多功能的水質(zhì)模型，應(yīng)用范圍廣且計(jì)算能力很強(qiáng)。它可以定量模擬環(huán)境特征、污染負(fù)荷與水質(zhì)間的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，具有水環(huán)境質(zhì)量的情景預(yù)測能力，為流域的容量總量控制和工程評估提供技術(shù)支持；EFDC 具有通用性好、數(shù)值計(jì)算能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)輸出應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。尤其水動力模塊的模擬精度已達(dá)到相當(dāng)高的水平。同時(shí)該模型對輸入數(shù)據(jù)的要求也非常高，比如，氣象、地形、水質(zhì)等數(shù)據(jù)。對底質(zhì)行為、藻類活動規(guī)律等也要求有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識才能使水質(zhì)模擬的精度得到較大提高。參考文獻(xiàn)1 崔廣柏, 梁瑞駒, 張文生. 水源地安全可靠性研究M. 武漢: 長江出版社, 2008.2 Hamrick J M. A three -dimensional Environmental Fluid Dynamics Computer Code: Theoretical and Computational AspectsC. The College of William and Mary, Virginia Institute of Marine Science, Will