WASP6水質(zhì)模型應用于漢江襄樊段水質(zhì)模擬研究

1、第21卷第4期2005年7月水資源保護W ATER RES OURCES PROTECTI ON V ol. 21N o. 4July 2005作者簡介:楊家寬(1973, 男, 湖北鄂州人, 博士, 副教授, 從事環(huán)境流體數(shù)值模擬研究. E 2mail :yjiakuan126. com 湖北省環(huán)境科學研究所, 武漢水利電力大學. 南水北調(diào)中線工程對漢江中下游環(huán)境影響研究報告. 2001.WASP6水質(zhì)模型應用于漢江襄樊段水質(zhì)模擬研究楊家寬, 肖波, 劉年豐, 章北平, 李進軍, 何歸麗(華中科技大學環(huán)境科學與工程學院, 湖北武漢430074摘要:WASP6是美國國家環(huán)保局開發(fā)的最新的Win

2、dows 對漢江襄樊段現(xiàn)狀水質(zhì)進行了模擬研究, 研究的水質(zhì)指標包括:BOD5、NH 3驗。研究結果表明:BOD5、NH 32N 、DO 17%、1110%和516%。W ASP6應用于漢關鍵詞:水質(zhì)模型;W ASP6中圖分類號:X32:A文章編號:10046933(2005 04000803Simulation on the w ater quality for Xiangfan R each of H anjiang River using WASP 6YANG Jia 2kuan , XIAO Bo , LIU Nian 2feng , ZHANG B ei 2ping , LI Jin

3、2jun , HE G ui 2li(College o f Environmental Science and Engineering , Huazhong Univer sity o f Technology , Wuhan 430074, China Abstract :W ASP6is an enhanced Windows version of the USEPA Water Quality Analysis Simulation Program (W ASP . The present water quality for X iang fan Reach of the Hanjia

4、ng River was simulated by W ASP6. Water quality indices , including BOD 5, NH 32N , and DO , were studied. The simulation results were verified using the field data in 2001. It is showed that the averaged relative error of BOD 5, NH 32N , and DO are 1017%, 1110%, and 516%respectively. Results indica

5、ted that the application of W ASP6to the water quality simulation in Hanjiang River is satis factory.K ey w ords :water quality m odel ; Water Quality Analysis Simulation Program (W ASP6 ; Hanjiang River ; X iang fan City襄樊市是位于漢江中下游的最大城市, 也是位于南水北調(diào)中線工程取水口丹江口水庫下游的第一座城市。漢江流經(jīng)襄樊市總長為197km , 隨著經(jīng)濟和人口的增長, 漢江

6、中下游的水環(huán)境質(zhì)量呈下降趨勢。自Street 2Phelps 水質(zhì)模型建立以來, 水質(zhì)數(shù)學模型在環(huán)境問題研究中的應用越來越廣泛。水質(zhì)模型作為水質(zhì)規(guī)劃和環(huán)境質(zhì)量管理的有效工具有了較大的發(fā)展1。因此, 研究漢江襄樊段水環(huán)境質(zhì)量模型對于控制漢江流域污染, 以及下一步研究南水北調(diào)中線工程對漢江中下游的水環(huán)境質(zhì)量影響, 都具有重要意義。1WASP6水質(zhì)模型軟件1. 1WASP6簡介W ASP6(Water Quality Analysis Simulation Program Version 610 全稱為水質(zhì)分析模擬軟件第6版, 簡稱黃蜂6, 是美國國家環(huán)保局開發(fā)的專業(yè)水質(zhì)模型軟件。W ASP6是由原

7、來的DOS 版升級而成的最新Windows 版本。W ASP6能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預測由于自然和人為污染造成的各種水質(zhì)狀況。賈海峰等人2應用DOS 版W ASP5對密云水庫的水質(zhì)進行模擬研究, 取得了滿意的結果。本文將W ASP6水質(zhì)模型軟件應用于漢江襄樊段水質(zhì)模擬, 取得了較滿意的結果。W ASP6的主要特點3:基于Windows 開發(fā)友好用戶界面; 包括能夠轉化生成W ASP 可識別的處理數(shù)據(jù)格式; 具有高效的富營養(yǎng)化和有機污染物的處理模塊; W ASP 計算結果與實測的結果可直接進行曲線比較。1. 2水質(zhì)指標的選取W ASP6包括兩個獨立的計算子程序:DYNHY D58

8、和W ASP6。DY NHY D5是水力學計算程序, 它給W ASP6傳輸所需的水力學參數(shù)。W ASP6提供兩類水質(zhì)模型子程序:E UTRO 和T OXI , 分別用來解決兩類水質(zhì)問題:傳統(tǒng)的水質(zhì)問題, 由E UTRO 子模塊來完成, 包括BOD 、DO 、P 、N ; 有毒污染物問題, 由T OXI 子模塊來完成, 包括有機污染物、重金屬、底泥。W ASP6的計算模塊結構見圖1 。圖1W ASP6、富營養(yǎng)化、有毒物和有機化合物等4個動力學平衡計算過程。由于水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的限制, 本文著重研究DO 的平衡過程, 選用的水質(zhì)指標為BOD 5、NH 32N 、DO , 模擬計算由E UTRO 子

9、模塊來完成, 以2001年為基準年對漢江襄樊段的現(xiàn)狀水質(zhì)進行模擬。2模擬江段分區(qū)表12001年漢江襄樊段污染總負荷分區(qū)污染負荷/(kg d -1BOD 5NH 32N 分區(qū)污染負荷/(kg d -1BOD 5NH 32N 老河口段127402141襄陽縣段段漢江流域襄樊段水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測斷面共有22個。根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù), 結合縣市的行政區(qū)劃, 將漢江干流襄樊段分為4個區(qū)。第1分區(qū)從丹江口水庫到陡口, 稱為老河口段; 第2分區(qū)從陡口到白家灣, 稱為襄陽縣段; 第3分區(qū)從白家灣到余家湖, 稱為襄樊市區(qū)段; 第4分區(qū)從余家湖到流水鎮(zhèn), 稱為宜城段。3污染源強與水文情勢以2001年工業(yè)污染源和生活

10、污染源作為點源現(xiàn)狀負荷, 以各江段分區(qū)的徑流引入的污染物作為面源負荷。2001年漢江襄樊段污染總負荷見表1?？紤]到多年平均流量最能反映一年中水量的平均狀況, 故設計流量條件采用多年平均流量。漢江中下游各主要站點多年平均流量和流速見表2。表2漢江襄樊段干流多年平均流量和流速分區(qū)平均流量/(m 3s -1流速/(m s -1老河口段11800162襄陽縣段12800191襄樊市區(qū)段14900161宜城市段149011674溶解氧平衡過程及參數(shù)率定有5個E UTRO 衡:3、BOD 5、DO 。溶解氧。5t =a OC k 1D C 4-k d d (T -20K BOD +C 6C 5-死亡氧化(

11、 D C 5-414k 2D 2D (T -20K NO 2N K NO 32N +C 6C 2沉淀反硝化式中:C 5為BOD 5的質(zhì)量濃度,mg/L ; t 為時間, d ; a OC 為氧碳比, mg/mg ; k 1D 為非捕食性的浮游植物死亡速率, d -1; C 4為浮游植物碳的質(zhì)量濃度, mg/L ; k d 為20下BOD 衰減速度系數(shù), d -1; d 為k d 的溫度系數(shù); T 為水體溫度, ; C 6為DO 的質(zhì)量濃度, mg/L ; K BOD 為氧限制的BOD 半飽和常數(shù), mg/L ; V s3為有機物的沉降速度, m/d ; f D5為BOD 5中溶解部分的比例;

12、D 為沉降距離, m ; k 2D 為20下的反硝化速度常數(shù), d -1; 2D 為k 2D 的溫度系數(shù); K NO 32N 為氧限制的NO 32N半飽和常數(shù), mg/L ; C 2為NO 32N 質(zhì)量濃度, mg/L 。b. DO 方程5t =k 2(C 5-C 6 -k d (T -20d K BOD +C C 5-氧化14k 12(T -2012k NIT +C 6C 1-D (T -20s+硝化底泥耗氧G P112+1412(1-P NH 32N C 4-12k 1R (T -201R C 4光合作用產(chǎn)氧呼吸耗氧式中:k 2為復氧系數(shù), d -1; k 12為20下的硝化速度系數(shù), d

13、 -1; 12為k 12溫度系數(shù); K NIT 為氧限制的NH 32N 半飽和常數(shù), mg/L ; C 1為NH 32N 質(zhì)量濃度, mg/L ;S S OD 為底泥需氧量, g m-2d -1; s 為底泥溫度系數(shù); G P1為浮游植物生長系數(shù), d -1; P NH 32N 為吸收NH 32N 的優(yōu)先項; k 1R 為20下浮游植物呼吸速度常數(shù), d -1; 1R 為k 1R 的溫度系數(shù)。9 需要率定的參數(shù)包括生物、化學常數(shù)、顆粒態(tài)物質(zhì)的沉降速度。由于模型系統(tǒng)很復雜, 無法用一元線性回歸、多元線性回歸等方法進行參數(shù)估值; 同時由于涉及參數(shù)太多, 現(xiàn)在還無法進行多參數(shù)同時自動尋優(yōu)。因此, 在

14、本研究中, 首先選用經(jīng)驗數(shù)據(jù)為一組參數(shù), 然后在經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎上分性質(zhì)進行參數(shù)率定。W ASP6水質(zhì)模型需率定的重要參數(shù)有:復氧系數(shù)k 2、20時硝化速度系數(shù)k 12、20時BOD 衰減速度系數(shù)k d 。參照漢江中下游水質(zhì)模擬已有的研究成果和W ASP6用戶使用手冊, 經(jīng)反復試算, 直到校驗結果滿意為止。最后確定參數(shù)如下:復氧系數(shù)k 2=0115d -1, 20時硝化速度系數(shù)k 12=011d -20時BOD 衰減速度系數(shù)k d =0116d -參數(shù)取值如下:a OC =; -1, k BOD =015mg/L , k NO 32N =011, S OD 013g m -2d -1,G P1=

15、013d -1, k 1R =01125d -1。5模擬結果與分析2001年現(xiàn)狀水質(zhì)實測結果與2001年現(xiàn)狀模擬結果列于表3。由表3計算得出, BOD 5模擬的平均相對誤差為1017%, NH 32N 模擬的平均相對誤差為1110%, DO 模擬的平均相對誤差為516%。W ASP6模型對現(xiàn)狀水質(zhì)的模擬誤差較小, 符合水質(zhì)模型模擬的要求。表32001年現(xiàn)狀水質(zhì)同步監(jiān)測結果與模擬結果分區(qū)實測值/(mg L -1BOD 5NH 32N DO 類別模擬值/(mg L -1 BOD 5NH 32N DO 水質(zhì)類別老河口段0182010771801840106619襄陽縣段018901107180178

16、0112716襄樊市區(qū)段11960131714116801287136,BOD 5模擬的平均相對誤差為1017%, 3模擬的平均相對誤差為1110%,DO 模擬的平均相對誤差為516%。b. 水質(zhì)模型中幾個重要參數(shù)率定結果為:復氧系數(shù)k 2=0115d -1; 20時硝化速度系數(shù)k 12=011d -1; 20時BOD 衰減速度系數(shù)k d =0116d -1。參考文獻:1謝永明. 環(huán)境水質(zhì)模型概論M.北京:中國科學技術出版社,1996.2賈海峰, 程聲通, 杜文濤. GIS 與地表水質(zhì)模型W ASP5的集成J.清華大學學報,2001(8 :125128.3T im A W ,R obert B

17、 A ,James L M ,et al. Water quality analysissimulation program (W ASP version 610draft :user s manual M.Atlanta :USEnvironmental Protection Agency :2000.(收稿日期:20040530編輯:徐娟(上接第7頁 的某些變量被分成多個變量, 如AS M1中的S NO 在RW QM1中被分成S NO 2、S NO 3, S NH 被分成S NH 3、S NH 4, X BA 被分成X N 1、X N 2; AS M1中某些變量,如S ND (溶解有機氮

18、、X P (惰性粒子 、X ND (粒子有機氮 , 在RW QM1中沒有出現(xiàn); 而RW QM1中也引入了如S HPO 4、S H 2PO 4、S Ca 、X A L G 、X CON 、X P (粒子吸收磷 、X II 等在AS M1中不存在的變量。應用時必須注意兩者的差別。根據(jù)建模目的與控制要求, 對RW QM1進行適當簡化, 建立適合集成城市污水系統(tǒng)實時控制的模型, 解決集成系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間的信息流傳遞問題, 是實現(xiàn)集成城市污水處理系統(tǒng)實時控制必須首先解決的問題。參考文獻:1Shanahan P ,Borchardt D , Henze M ,et al. River water qual

19、itym odel no. 1(RW QM1 :I. m odelling approach J .Water Science T echnology ,2001,43(5 :19.2Henze M , G ujer W ,M ino T ,et al. Activated sludge m odel no.2d ,AS M2dJ.Water Science T echnology ,1999,39(1 :165182.3Reichert P ,Borchardt D , Henze M , et al. River water qualitym odel no. 1(RW QM1 :II. biochemical process equationsJ.Water Science T echnology ,2001,43(5 :1130.4Rauch W ,Bertrand 2K rajewski J L , K rebs P ,et al. Deterministicm odelling of integra