EFDC模型在地表水環(huán)境模擬中的應用及進展

1、EFDC模型在地表水環(huán)境模擬中的應用及進展摘要：EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 是EPA 最為推薦使用的水 質模型之一，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、泥沙遷移和化學過程。文章綜述了相關文獻的研究結構，分別介紹了EFDC 的基本原理、模塊結構、基本方程、應用流程以及其在各類地表水模擬中的應用和發(fā)展。關鍵詞：EFDC； 模擬； 應用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)境模擬中的應用及進展引 言水質模型研究一直是環(huán)境科學研究的重要內容之一，它是定量描述污染物在水體中遷移轉化規(guī)律的數學方程，涉及到氣象、水文、水力、水化學、水生物、沉積物、數學、計算機等多門學科知識。應用水質模型可以定量的進行水環(huán)境質量的模擬和預測，為水環(huán)境的水質評價、預測及污染調控與管理提供依據。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)的三維水質數學模型，由Fortran 語言編制而成。最初是由佛吉尼亞吉尼亞海洋科學研究所(Virginia Institute of Marine Science for Estuarine and Coastal Applications)開發(fā)的，是一個開放式的軟件。此后，美國國家環(huán)保署(EPA)對EFDC 模型進行了二次的開發(fā)。目前，EFDC 模型已經成為美國國家環(huán)保署最為推崇的模型之一，并廣泛應用于各個大學、政府和環(huán)境咨詢機構。在80 多個模型的研究中獲得了成功的應用，如水動力和水質模擬、沉積物模擬、電廠冷卻水排放模擬、水庫及其流域營養(yǎng)物質模擬預測7、沼澤地大型濕地模擬等等。本文主要對

6、EFDC的設計原理、軟件功能以及EFDC在各類地表水模擬中的應用和進展進行了綜述，希望能夠推進該模型在我國的地表水環(huán)境研究中的應用。1 EFDC 模型1.1 EFDC 模型的基本原理EFDC 模型的計算方法和原理與美國陸軍工程團的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和笛卡爾坐標系，垂直方向采用sigma 坐標。輸運方程結合了紊流長度、紊流動能、溫度和鹽度四種變量。針對溶解物和懸浮物，模型同時計算歐拉輸運-地形變化方程。在滿足質量守恒的

7、條件下，EFDC 模型可以在淺水區(qū)域采用漫灘數值模擬。除此之外，模型還有許多流量控制的功能選項，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 網格或交錯網格，運用二階精度的有限差分格式。水平擴散方程在時間方面運用顯格式，在空間方面運用隱格式。水平輸運方程采用Blumberg-Mellor 模型的中心差分格式或者正定迎風差分格式。水平邊界條件包括流入物質的濃度，迎風向物質的流出以及指定氣候條件下的物質釋放。熱輸運方程采用大氣熱交換模型。1.2 EFDC 模型的結構模塊圖1 是EFDC 模型的結構示意圖，其主要由三部分組成：包括水動力、水質、泥沙-有毒污染物遷移。可以通過控制

8、輸入文件進行不同模塊的模擬。EFDC水動力學模塊包括有淡水流、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，可以計算，流速、示蹤劑、溫度、鹽度、近岸羽流和漂流。水動力學模型輸出變量可直接與水質，底泥遷移和毒性物質等模塊耦合，作為物質運移的驅動條件。EFDC 的水質模塊模擬原理與WASP5 類似，結合了21 種水質變量，模型能夠從空間和時間的分布上模擬水質參數，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。沉積物模塊和水質模塊的耦合不僅增強了模型水質參數的預測能力，還可以模擬水質條件跟隨營養(yǎng)鹽負荷變化相應的情況。EFDC 泥沙模塊可進行多組

9、分泥沙的模擬，根據在水體里面的遷移特征把泥沙分為懸移質和推移質，懸移質根據粒徑大小分為粘性泥沙和非粘性泥沙，進而還可細分為若干組。模型可根據物理或經驗模型模擬泥沙的沉降、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過程設定反應系數。而底質模塊模擬沉積物與水體之間的物質交換過程。1.3 EFDC 模型的關鍵方程1.3.1 水動力方程EFDC 水動力學方程采用垂向靜壓假定，在水平方向上采用曲線正交坐標系，水質方向上采用 坐標變換，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系和垂向 坐

10、標系下控制方程。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方向上的速度分量；是邊界擬合正交曲線坐標方向上的速度分量；是邊界擬合正交曲線坐標方向上的速度分量； 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； 是垂向紊動擴散系數；是科里奧利系數；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； 和 是鹽度和溫度的源匯項。聯立公式，8 個方程可以解出 和 等8 個變量。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、擴散系數；是沉降速度；是懸浮泥沙單位體積質量濃度；是泥沙的源匯項。和水平紊動黏滯系數可以根據Smagorinsky公式計算， （10） 方程（10）式守恒形式的對流擴散方程，懸浮泥沙的全部質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據確定，通過底部界面的通量則是模型計算出的濃度、水動力和底部泥沙屬性的函數。在潮流運動中，水平輸送主要是對流運動，在坐標下，垂向輸送大體上由沉速和垂向擴散控制。當水動力作用較強時，底部呈沖刷狀態(tài)，底部沖刷物質由于擴散向上輸送；當水動力作用較弱時，懸浮泥沙垂向沉降形成底部沉積物。1.4 EFDC 模型的應用流程

12、EFDC 在模擬計算過程中首先完成流場計算，獲得三維流速場的時空分布特征，在此基礎上計算泥沙遷移、沖淤作用，進而模擬受粘性泥沙吸附影響的各水質變量動態(tài)變化過程。圖2 為EFDC 的運算流程圖。2 EFDC在各類地表水環(huán)境中的應用由于社會群體對環(huán)境保育和生態(tài)恢復愈來愈重視，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，隨著社會經濟的高速發(fā)展，密云水庫水環(huán)境受到污染，水庫水質有了下降趨勢。掌

13、握庫區(qū)基本的水文特征、水環(huán)境機理，并進行模擬預警，對遏制密云水庫水體惡化具有一定的指導意義，為水庫環(huán)境治理工作提供相關的技術支撐。 研究通過收集水庫庫區(qū)及周邊的實測數據，對研究區(qū)模擬范圍的時空進行概化，搭建 EFDC 密云水庫二維水動力水質模型。通過密云水庫水動力模型，得到良好的水位模擬結果，平均誤差約為-0.61%。水溫模擬結果客觀的反應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)轉化也會產生熱量。 在水動力基礎上，利用 2007-2008 年水質數據建立密云水庫水質模型并進行模型率定，水

14、質率定模擬結果表明：各項水質指標模擬變化趨勢和實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：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年模擬驗證結果表明，各項水質指標模擬變化趨勢和實測值變化趨勢擬合關系好于率定模擬結果，總體平均誤差在可接受范圍內，可以滿足預報、預警等技術要求。 在調試好的水質模型基礎上，設置了瞬時排放污染物及連續(xù)排放污染物兩種情景，并選用衰減系數為 1e-8、1e-7、5e-7 的人工處理方式并與未考慮衰減系數的情況作為對比，發(fā)現：（1）瞬時排放事故發(fā)生點位于庫區(qū)內部，污染物云團運移驅

15、動力主要以風速為主，并沿庫區(qū)東部、南部所形成的渦旋進行運動擴散；而連續(xù)排放事故點位于入流點附近，入流水流則作為主要驅動力影響溶質運移。（2）瞬時排放條件下考慮三種不同衰減系數情況，隨著衰減系數增大，同一時刻峰值濃度出現減小趨勢。（3）考慮衰減系數下，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 個主要分潮,即M2 ,S2,K1,O1, K2,N2；流場模型中考慮風、徑流、潮流和密度流等共同作用；溫度計算時主要加入氣壓、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。計算從初始狀態(tài)開始積分六個月,使計算海區(qū)的流場和溫鹽場達到穩(wěn)定狀態(tài), 并輸出與觀測時間相對應的一個潮周期的溫鹽數據。采用2005 年7 月6-15 日12 個測站的連續(xù)流速、流向、溫度和鹽度資料進行驗證。利用經驗證后的EFDC 模型，計算長江口及鄰近海域的溫鹽分布。首先是計算海區(qū)夏季表底層平面水溫分布，計算結果與觀測到的溫度平面分布，結果現象相似，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。其次是計算海區(qū)夏季平面表底層鹽度分布，實測值與計算結果比較表明計算結果的結果有些許差異，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，數值計算結果成功再現了夏季海區(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, 計算區(qū)域東邊界還應進一步延伸, 同時應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)境流體動力學模型(EFDC 模型), 以湖體水齡(描述湖泊水體交換速率的參數)為研究對象, 系統(tǒng)地研究引江濟太調水工程對太湖水動力的調控情況。引江濟太調水工程利用初步建成的治理太湖骨干水利工程體系, 調整樞紐工程運行方式,通過長江口常熟水利樞紐和望亭立交水利樞紐工程調度, 經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其他諸多水利工程的優(yōu)化調度, 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, 關于引江濟太調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, 運用美國

19、環(huán)保局開發(fā)的三維水質模型:環(huán)境流體動力學模型(EFDC 模型), 利用三維水量模擬技術來模擬和研究引江濟太調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, 從而分析引江濟太調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.模擬結果表明:在相同風速、不同風向下2 個監(jiān)測點的水齡差別較大.對于監(jiān)測點B , 水齡最大達到335d(西北風狀況)和305 d(東南風狀況), 最小為207 d(西南風狀況)和254d(西北風狀況).而對于監(jiān)測點C , 最大的水齡為305d(東北風狀況)和3

20、00 d(西南風狀況), 最小為169d(西北風狀況)和174 d(東南風狀況).對同一監(jiān)測點, 由于風向引起的水齡差別超過100 d , 而在空間分布上不同監(jiān)測點的水齡變化超過了150d , 因此風向對水齡的時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 個水廠取水口, 故研究了風場對該飲用水源區(qū)域水齡的影響.研究結果表明西北風和東南風有助于梅梁灣的水體交換.在東南風時, 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).西北風時, 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, 表明西北風是引江濟太調水工程對飲水水質改善最有效的風向。3 EFDC 的發(fā)展前景展望EFDC 是一個多功能的水質模型，應用范圍廣且計算能力很強。它可以定量模擬環(huán)境特征、污染負荷與水質間的動態(tài)響應關系，具有水環(huán)境質量的情景預測能力，為流域的容量總量控制和工程評估提供技術支持；EFDC 具有通用性好、數值計算能力強、數據輸出應用范圍廣等特點。尤其水動力模塊的模擬精度已達到相當高的水平。同時該模型對輸入數據的要求也非常高，比如，氣象、地形、水質等數據。對底質行為、藻類活動規(guī)律等也要求有相當的認識才能使水質模擬的精度得到較大提高。參考文獻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