EFDC模型在地表水环境模拟中的应用及进展.pdf

1EFDC 模型在地表水环境模拟中的应用及进展摘要：EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)是 EPA 最为推荐使用的水 质模型之一，使用范围较广泛，能够模拟河流、湖泊、河口、水库、湿地和近海区域等多种水体的三维水流、泥沙迁移和化学过程。文章综述了相关文献的研究结构，分别介绍了 EFDC 的基本原理、模块结构、基本方程、应用流程以及其在各类地表水模拟中的应用和发展。关键词：EFDC；模拟；应用2Development and application of EFDC modelin simulation of surface water environmentAbstract：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,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 were also summarized and analyzed.Key words：EFDC;estuarine;application3EFDC 模型在地表水环境模拟中的应用及进展引 言水质模型研究一直是环境科学研究的重要内容之一，它是定量描述污染物在水体中迁移转化规律的数学方程，涉及到气象、水文、水力、水化学、水生物、沉积物、数学、计算机等多门学科知识。应用水质模型可以定量的进行水环境质量的模拟和预测，为水环境的水质评价、预测及污染调控与管理提供依据。EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模型是作为模拟河流、湖泊、1水库、河口、海洋和湿地等地表水系统的三维水质数学模型，由 Fortran 语言编制而成。最初是由佛吉尼亚吉尼亚海洋科学研究所(Virginia Institute of 2Marine Science for Estuarine and Coastal Applications)开发的，是一个开放式的软件。此后，美国国家环保署(EPA)对 EFDC 模型进行了二次的开发。目前，EFDC 模型已经成为美国国家环保署最为推崇的模型之一，并广泛应用于各个大学、政府和环境咨询机构。在 80 多个模型的研究中获得了成功的应用，如水动力和水质模拟、沉积物模拟、电厂冷却水排放模拟、水库及其流域营养物质模拟预测7、沼泽地大型湿地模拟等等。本文主要对 EFDC 的设计原理、软件功能以及 EFDC 在各类地表水模拟中的应用和进展进行了综述，希望能够推进该模型在我国的地表水环境研究中的应用。1 EFDC 模型1.1 EFDC 模型的基本原理EFDC 模型的计算方法和原理与美国陆军工程团的 Chesapeake 河口模型Blumberg-Mellor 模型有诸多相似的地方。EFDC 模型对非等密度流体运用三维、垂直静压力、自由表面、紊流平均的动量平衡方程。模型在水平方向采用正交曲线坐标和笛卡尔坐标系，垂直方向采用 sigma 坐标。输运方程结合了紊流长度、紊流动能、温度和盐度四种变量。针对溶解物和悬浮物，模型同时计算欧拉输运-地形变化方程。在满足质量守恒的条件下，EFDC 模型可以在浅水区域采用漫滩数值模拟。除此之外，模型还有许多流量控制的功能选项，例如4输水管道、泄洪道和堰坝。对于动量方程，在空间上 EFDC 采用 C 网格或交错网格，运用二阶精度的有限差分格式。水平扩散方程在时间方面运用显格式，在空间方面运用隐格式。水平输运方程采用 Blumberg-Mellor 模型的中心差分格式或者正定迎风差分格式。水平边界条件包括流入物质的浓度，迎风向物质的流出以及指定气候条件下的物质释放。热输运方程采用大气热交换模型。31.2 EFDC 模型的结构模块图 1 是 EFDC 模型的结构示意图，其主要由三部分组成：包括水动力、水质、泥沙-有毒污染物迁移。可以通过控制输入文件进行不同模块的模拟。1EFDC 水动力学模块包括有淡水流、大气作用、水深、表面高程、底摩擦力、流速、湍流混合、盐度、水温等 9 大部分，可以计算，流速、示踪剂、温度、盐度、近岸羽流和漂流。水动力学模型输出变量可直接与水质，底泥迁移和毒性物质等模块耦合，作为物质运移的驱动条件。EFDC 的水质模块模拟原理与WASP5 类似，结合了 21 种水质变量，模型能够从空间和时间的分布上模拟水质参数，其中包括溶解氧、悬浮藻类、碳的各种组成、氮、磷、硅氧循环以及大肠杆菌等。沉积物模块和水质模块的耦合不仅增强了模型水质参数的预测4能力，还可以模拟水质条件跟随营养盐负荷变化相应的情况。EFDC 泥沙模块可进行多组分泥沙的模拟，根据在水体里面的迁移特征把泥沙分为悬移质和推移质，悬移质根据粒径大小分为粘性泥沙和非粘性泥沙，进而还可细分为若干组。模型可根据物理或经验模型模拟泥沙的沉降、沉积、冲刷及再悬浮等过程。EFDC 有毒污染物模块可以模拟各类型污染物在水体中的迁移转化过程，该模块需要研究者针对特定有毒污染物提供具体反应过程设定反应系数。而底质模块模拟沉积物与水体之间的物质交换过程。51.3 EFDC 模型的关键方程1.3.1 水动力方程EFDC 水动力学方程采用垂向静压假定，在水平方向上采用曲线正交坐标系，水质方向上采用 坐标变换，沿重力方向分层，求解三维紊动粘性方程，水平边界拟合正交曲线坐标系和垂向 坐标系下控制方程。动量方程：（1）（2）gHbgHmt100)()(（3）连续方程：0)()()()(mwHvmHummzxyyxt（4）0)()()(1010dzvHmdzuHmmxyyxt（5）状态方程:),(TSPa（6）盐度和温度输移方程：sazvzazaxyayxatQSKmHmwSHvSmHuSmmHS)()()()()(1（7）(8)TzvzzxyyxtQTKmHmwTHvTmHuTmmHT)()()()()(1式中：是边界拟合正交曲线坐标方向上的速度分量；是边界拟合正交uxv曲线坐标方向上的速度分量；是边界拟合正交曲线坐标方向上的速度分ywzuZVzzxxyxyxyyxzxyyxtQuAmHpHzhmpgHmHvmumvmfmHwuHvumHuummHu)()()()()()()()(1vZVzzxyxyxxyyxzxyyxtQvAmHpHzhmpgHmHumumvmfmHwvHvvmHuvmmHv)()()()()()()()(16量；和 是分别为度量张量对角元素的平方根；是度量张量行列式的xmymm平方根，；是垂向紊动黏滞系数；是垂向紊动扩散系数；是yxmmm xAvKf科里奥利系数；是压力；是混合密度；是参考密度；是盐度；是温P0aST度；和是动量在和方向的源汇项；和 是盐度和温度的源汇项。uQvQxysQTQ联立公式，8 个方程可以解出 和 等 8 个变量)8()1(TSpwvu、a。21.3.2 泥沙输移方程三维泥沙输移方程如下：式中：是水平紊动扩散系数；是沉降速度；是悬浮泥沙单位体积aKsjwS质量浓度；是泥沙的源汇项。sQ和水平紊动黏滞系数可以根据 Smagorinsky 公式计算，HKHA 212222)()()(21)(210vuvuyxAyyxxdH（10）方程（10）式守恒形式的对流扩散方程，悬浮泥沙的全部质量只是通过水域边界的通量而改变(开边界、自由表面和底部)。通过开边界和自由表面边界的通量可以用流场数据确定，通过底部界面的通量则是模型计算出的浓度、水动力和底部泥沙属性的函数。在潮流运动中，水平输送主要是对流运动，在 坐标下，垂向输送大体上由沉速和垂向扩散控制。当水动力作用较强时，底部呈冲刷状态，底部冲刷物质由于扩散向上输送；当水动力作用较弱时，悬浮泥沙垂向沉降形成底部沉积物。21.4 EFDC 模型的应用流程EFDC 在模拟计算过程中首先完成流场计算，获得三维流速场的时空分布特征，在此基础上计算泥沙迁移、冲淤作用，进而模拟受粘性泥沙吸附影响的各水质变量动态变化过程。图 2 为 EFDC 的运算流程图。5szvzyHyxyxHxyxsjzzxyyxtQSHKmSHKmmSHKmmSmwmwSHvSmHuSmmHS)()()()()(72 EFDC 在各类地表水环境中的应用由于社会群体对环境保育和生态恢复愈来愈重视，人们在地表水环境环境管理方面做了大量的研究。EFDC 被用于各类地表水环境的研究中，包括：河流、湖泊、水库等。2.1 水库水环境的模拟杨倩等通过搭建 EFDC 密云水库二维水动力水质模型模拟密云水库水6环境。密云水库是北京市最大的也是唯一的地表饮用水水源地，随着社会经济的高速发展，密云水库水环境受到污染，水库水质有了下降趋势。掌握库区基本的水文特征、水环境机理，并进行模拟预警，对遏制密云水库水体恶化具有一定的指导意义，为水库环境治理工作提供相关的技术支撑。研究通过收集水库库区及周边的实测数据，对研究区模拟范围的时空进行概化，搭建 EFDC 密云水库二维水动力水质模型。通过密云水库水动力模型，得到良好的水位模拟结果，平均误差约为-0.61%。水温模拟结果客观的反应了密云水库四季温度变化，解释了冬春季湖心水温低、夏秋季湖心温度高的主要原因是由于水库入流受气温影响较库区水体大，且库区水体交换周期长，并且水体的生态转化也会产生热量。在水动力基础上，利用 2007-2008 年水质数据建立密云水库水质模型并进行模型率定，水质率定模拟结果表明：各项水质指标模拟变化趋势和实测值变化趋势基本相符，模拟效果良好，总体平均误差在可接受范围内：DO 平均误差 13.34%，氨氮平均误差 12%，总氮平均误差 11.43%，总磷平均误差 12.34%。2008 年模拟验证结果表明，各项水质指标模拟变化趋势和实测值变化趋势拟合关系好于率定模拟结果，总体平均误差在可接受范围内，可以满足预报、预警等技术要求。8在调试好的水质模型基础上，设置了瞬时排放污染物及连续排放污染物两种情景，并选用衰减系数为 1e-8、1e-7、5e-7 的人工处理方式并与未考虑衰减系数的情况作为对比，发现：（1）瞬时排放事故发生点位于库区内部，污染物云团运移驱动力主要以风速为主，并沿库区东部、南部所形成的涡旋进行运动扩散；而连续排放事故点位于入流点附近，入流水流则作为主要驱动力影响溶质运移。（2）瞬时排放条件下考虑三种不同衰减系数情况，随着衰减系数增大，同一时刻峰值浓度出现减小趋势。（3）考虑衰减系数下，污染羽范围明显下降。综上所述，使用 EFDC 模型模拟密云水库水环境并进行污染物突发事件具有一定可行性，可为密云水库治理、防治等工作提供技术支撑。2.2 长江口温盐模拟郑晓琴等基于 EFDC 模式建立了长江口及邻近海域三维温盐模型。计算7区域包括长江口、杭州湾及其邻近海域，长江口上界取到洪季潮流界江阴,杭州湾上界取到钱塘江的仓前。模型的初始条件涉及水位和流速,以及温度盐度的初始场；研究区域考虑 6 个主要分潮,即 M2,S2,K1,O1,K2,N2；流场模型中考虑风、径流、潮流和密度流等共同作用；温度计算时主要加入气压、大气温度、短波太阳辐射、相对湿度、降水率、蒸发率和云层覆盖率的共同作用。计算从初始状态开始积分六个月,使计算海区的流场和温盐场达到稳定状态,并输出与观测时间相对应的一个潮周期的温盐数据。采用 2005 年 7 月 6-15 日 12 个测站的连续流速、流向、温度和盐度资料进行验证。利用经验证后的 EFDC 模型，计算长江口及邻近海域的温盐分布。首先是计算海区夏季表底层平面水温分布，计算结果与观测到的温度平面分布，结果现象相似，这些充分反映长江口外表层水温受长江冲淡水影响显著大于太阳辐射随纬度的变化。其次是计算海区夏季平面表底层盐度分布，实测值与计算结果比较表明计算结果的结果有些许差异，这主要由于本模型未完全考虑东中国海背景环流的影响所致。总体来说，数值计算结果成功再现了夏季海区的温盐分布情况。长江口外邻近海域温度平面分布为西高东低,南北差异较小;表层盐度在口门附近形成较大范围的淡水舌,底层冲淡水范围较小。长江口外海区存在明显的温盐跃层，且大部分温盐跃层位置重合或接近。此外，文章表明为更好地研究长江口外及其邻近海域的温盐分布特征及变化规律,计算区域东边界还应进一步延伸,同时应充分考虑东中国海的背景流场。92.3 湖泊水动力模拟郝文彬,唐春燕等利用环境流体动力学模型(EFDC 模型),以湖体水龄8(描述湖泊水体交换速率的参数)为研究对象,系统地研究引江济太调水工程对太湖水动力的调控情况。引江济太调水工程利用初步建成的治理太湖骨干水利工程体系,调整枢纽工程运行方式,通过长江口常熟水利枢纽和望亭立交水利枢纽工程调度,经望虞河将长江水引入太湖,并通过太浦河由太湖向上海等下游地区供水,以期由此带动流域内其他诸多水利工程的优化调度,加快水体流动,缩短太湖换水周期,缓解地区用水紧张状况.目前,关于引江济太调水工程对太湖及其周边地区水109 环境的改善效果存在很大的争议.为了定量地描述其改善效果,运用美国环保局开发的三维水质模型:环境流体动力学模型(EFDC 模型),利用三维水量模拟技术来模拟和研究引江济太调水工程中望虞河引水和太湖水体的交换速度和交换程度.利用水龄的概念,一方面描述通过望虞河入湖水与太湖水体的交换速度与交换程度,从而分析引江济太调水工程对太湖水动力过程的改善情况;另一方面,可描述可溶解性污染物在入湖后的迁移特征.模拟结果表明:在相同风速、不同风向下 2 个监测点的水龄差别较大.对于监测点 B,水龄最大达到 335d(西北风状况)和 305 d(东南风状况),最小为 207 d(西南风状况)和 254d(西北风状况).而对于监测点 C,最大的水龄为 305d(东北风状况)和 300 d(西南风状况),最小为169d(西北风状况)和 174 d(东南风状况).对同一监测点,由于风向引起的水龄差别超过 100 d,而在空间分布上不同监测点的水龄变化超过了 150d,因此风向对水龄的时间和空间分布均具有重要影响.由于在太湖东部湖区有 7 个水厂取水口,故研究了风场对该饮用水源区域水龄的影响.研究结果表明西北风和东南风有助于梅梁湾的水体交换.在东南风时,梅梁湾、竺山湾和湖心区北部的区域水龄较小(小于 200d),西北湖区、西南湖区和东部湖区的水龄较大(250 365 d).西北风时,东南湖区的水龄较小(小于 220 d),西南湖区的水龄较大(365d).湖区水龄较小的区域均接近 7 座水厂的取水口,表明西北风是引江济太调水工程对饮水水质改善最有效的风向。3 EFDC 的发展前景展望EFDC 是一个多功能的水质模型，应用范围广且计算能力很强。它可以定10量模拟环境特征、污染负荷与水质间的动态响应关系，具有水环境质量的情景预测能力，为流域的容量总量控制和工程评估提供技术支持；EFDC 具有通用性好、数值计算能力强、数据输出应用范围广等特点。尤其水动力模块的模拟精度已达到相当高的水平。同时该模型对输入数据的要求也非常高，比如，气象、地形、水质等数据。对底质行为、藻类活动规律等也要求有相当的认识才能使水质模拟的精度得到较大提高。参考文献1 崔广柏,梁瑞驹,张文生.水源地安全可靠性研究M.武汉:长江出版社,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,Williamsburg,Virginia.1992,Special Report 317,63.3 周贤宾,吴建,詹中英,等.EFDC 模型在饮用水源保护区划分中的应用研究-以杭嘉湖地区某水厂为例J.环境科学导刊,2009,28(2):30-32.4 Park K,Kuo A Y,Shen J,et al.A Three-dimensional Hydrodynamiceutrophication Model(HEM-3D).Description of Water Quality and Sediment Processes.The College of William and Mary,Virginia Institute of Marine Science.1995,Special Report 327,109.5 沈珍瑶,牛军峰,齐珺,等.长江中游典型段水体污染特征及生态风险M.北京:中国环境科学出版社,2008.6 杨倩.基于 EFDC 的密云水库水环境及应急水污染事件模型研究.D.武汉:中国地质大学地下水与科学,2014.7 郑晓琴,丁平兴,胡克林.长江口及邻近海域夏季温盐分布特征数值分析J.11华东师范大学学报(自然科学版),2008(6):14-23.8 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