WASP6水質(zhì)模型應(yīng)用于漢江襄樊段水質(zhì)模擬研究(精)

1、第 21 卷第 4 期 2005 年 7 月水資源保護(hù)W ATER RES OURCES PROTECTI ON V ol. 21N o. 4July 2005作者簡(jiǎn)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.E2mail :yjiakuan126. com湖北省環(huán)境科學(xué)研究所,武漢水利電力大學(xué).南水北調(diào) 中線工程對(duì)漢江中下游環(huán)境影響研究報(bào)告.2001.WASP6 水質(zhì)模型應(yīng)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(jìn)軍，何歸麗(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430074摘要:WASP6 是美國(guó)國(guó)家環(huán)保局開(kāi)發(fā)的最新的 Win do

2、ws 對(duì)漢江襄樊段現(xiàn)狀水 質(zhì)進(jìn)行了模擬研究,研究的水質(zhì)指標(biāo)包括:BOD5、NH 3 驗(yàn)。研究結(jié)果表明:BOD5、 NH 32N、DO 17%、1110%和 516%。W ASP6 應(yīng)用于漢關(guān)鍵詞：水質(zhì)模型;W ASP6 中圖分類號(hào):X32:A文章編號(hào):1004O6933(2005 04O0008003Simulatio n on the w ater quality for Xiangfan R each of H an jia ng River usingWASP 6YANG Jia 2kuan , XIAO Bo , LIU Nia n 2feng , ZHANG B ei 2pi ng

3、, LI Ji n 2jun , HEG ui 2li(College o f En vir onmen tal Scie nee and Engin eeri ng , Huazh ong Uni ver sity of Techno logy , Wuhan 430074, Chi naAbstract :W ASP6is an enhan ced Win dows version of the USEPA Water QualityAnalysis Simulation Program (W ASP . The present water quality for X iang fan R

4、each ofthe Han jia ng River was simulated by W ASP6. Water quality in dices , i ncludi ng BOD 5,NH 32N , and DO , were studied. The simulatio n results were verified using the field datain 2001. It is showed that the averaged relative error of BOD 5, NH 32N , and DO are1017%, 1110%, and 516%respecti

5、vely. Results indicated that the application of WASP6to the water quality simulation in Hanjiang River is satis factory.K ey w ords :water quality m odel ; Water Quality An alysis Simulatio n Program (WASP6 ; 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(kù)下游的第一座城市。漢江流經(jīng)襄樊市總長(zhǎng)為197

6、km ,隨著經(jīng)濟(jì)和人口的增長(zhǎng),漢江中下游的水環(huán)境質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。自Street 2Phelps 水質(zhì)模型建立以來(lái)，水質(zhì)數(shù)學(xué)模型在環(huán)境問(wèn)題研究中的應(yīng)用越來(lái)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(duì) 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(duì)漢江中下游的水環(huán)境質(zhì) 量影響,都具有重要意義。1 WASP6 水質(zhì)模型軟件1. 1 WASP6 簡(jiǎn)介W ASP6(Water Quality An alysis Simulation Program Versio n 610 全稱為水質(zhì)分析模擬軟件第 6 版,簡(jiǎn)稱黃蜂 6,是美國(guó)國(guó)家環(huán)

7、保局開(kāi)發(fā)的專業(yè)水質(zhì)模型軟件。W ASP6 是由原來(lái)的DOS 版升級(jí)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(yù)測(cè)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(yīng)用 DOS 版 W ASP5 對(duì)密云水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行模擬研究，取得了滿意的結(jié)果。本文將 WASP6 水質(zhì)模型軟件應(yīng)用于漢江襄樊段水質(zhì)模擬，取得了較滿意的結(jié)果。W ASP6 的主要特點(diǎn)3:基于 Windows 開(kāi)發(fā)友好用戶界面；包括能夠轉(zhuǎn)化生成 W ASP 可識(shí)別的處理數(shù)據(jù)格式；具有高效 的富營(yíng)養(yǎng)化和有機(jī)污染物的處理模塊；W ASP 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的結(jié)果可直接進(jìn)行 曲線比較。1.2 水質(zhì)指標(biāo)的選

8、取W ASP6 包括兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算子程序：DYNHY D58?和 W ASP6。 DY NHY D5 是水力學(xué)計(jì)算程序,它給 W ASP6 傳輸所需的水力學(xué) 參數(shù)。W ASP6 提供兩類水質(zhì)模型子程序:E UTRO 和 T 0X1 ,分別用來(lái)解決兩類水 質(zhì)問(wèn)題:傳統(tǒng)的水質(zhì)問(wèn)題,由 E UTRO 子模塊來(lái)完成,包括 BOD、DO、P、N ; 有毒污染物問(wèn)題,由 T OXI 子模塊來(lái)完成,包括有機(jī)污染物、重金屬、底泥。 W ASP6 的計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11哄2010CAll righb rticn ed.Chin* Academic http；www xnki,neiJournalPublishi

9、ng Hyujc+o圖 1 W ASP 6、富營(yíng)養(yǎng)化、有毒物和有機(jī)化合物等 4 個(gè)動(dòng)力學(xué)平衡計(jì)算過(guò)程。由于水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的限制，本文 著重研究 DO 的平衡過(guò)程,選用的水質(zhì)指標(biāo)為 BOD 5、NH 32N、DO,模擬計(jì)算由 E UTRO 子模塊來(lái)完成,以 2001 年為基準(zhǔn)年對(duì)漢江襄樊段的現(xiàn)狀水質(zhì)進(jìn)行模擬。2 模擬江段分區(qū)表 12001 年漢江襄樊段污染總負(fù)荷分區(qū)污染負(fù)荷/(kg ? d -1BOD 5NH 32N 分區(qū)污染負(fù)荷/(kg ? d -1BOD 5NH 32N 老河口段 128684191428510424991812323129 襄樊市區(qū)段 121262521788561115

10、237601737402141 襄陽(yáng)縣段1233272106519813014125195454914 宜城段1210400115425111840621075630100注:1點(diǎn)源負(fù)荷;2面源負(fù)荷;3總負(fù)荷漢江流域襄樊段水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)斷面共有 22 個(gè)。根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)斷面的數(shù) 據(jù),結(jié)合縣市的行政區(qū)劃，將漢江干流襄樊段分為 4 個(gè)區(qū)。第 1 分區(qū)從丹江口水庫(kù)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(yáng)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(qiáng)與水文情勢(shì)以 2001 年工業(yè)污染源和生活污染源作為點(diǎn)源現(xiàn)狀負(fù)荷，以各江段

11、分區(qū)的徑流引入的污染物作為面源負(fù)荷。2001 年漢江襄樊段污染總負(fù)荷見(jiàn)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(shè)計(jì)流量條件采用多年平均流量。漢江中 下游各主要站點(diǎn)多年平均流量和流速見(jiàn)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 3? s -1流速 /(m ? s -1老河口段 11800162 襄陽(yáng)縣段 12800191 襄樊市區(qū)段 14900161 宜城市段149011674 溶解氧平衡過(guò)程及參數(shù)率定有 5 個(gè) E UTRO 衡:3、BOD 5、DO。溶解氧。5t =a OC k 1D C 4-k dOd (TZ0KBOD +C6C 5-死亡氧化(D

12、C 5-414k 2DO2D (T20K 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(shí)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 20C下BOD 衰減速度系數(shù),d -1;O為 k d 的溫度系數(shù)；T 為水體溫度,C; 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(jī)物的沉降速度,m/d ; f D5 為 BOD 5 中溶解部分的比例；D 為

13、沉降距離,m ; k 2D 為20C下的反硝化速度常數(shù)，d -NO 32N1;O2 為 k 2D 的溫度系數(shù)；K NO 32N 為氧限制的半飽和常數(shù),mg/L ; C 2 為 NO 32N 質(zhì)量濃度,mg/Lb. DO 方程 5t =k 2(C 5-C 6 -k dO(T20d K BOD +C C 5-氧化 14k 12O(T20 12k NIT +C 6 C 1-D (T -20 s+硝化-20底泥耗氧 G P112+1412(1-P NH 32N C 4-12k 1RO(T1R C 4光合作用產(chǎn)氧呼吸耗氧式中:k 2 為復(fù)氧系數(shù),d -1; k 12 為20C下的硝化速度系數(shù),d -1;

14、O12k 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-2? d -1;O為底泥溫度系數(shù)；G P1 為浮游植物生長(zhǎng)系數(shù),d -1; P NH 32N 為吸收 NH 32N 的優(yōu)先項(xiàng)；k 1R為 20E下浮游植物呼吸速度常數(shù)，d -1;O1 為 k 1R 的溫度系數(shù)9?需要率定的參數(shù)包括生物、化學(xué)常數(shù)、顆粒態(tài)物質(zhì)的沉降速度。由于模型系統(tǒng) 很復(fù)雜,無(wú)法用一元線性回歸、多元線性回歸等方法進(jìn)行參數(shù)估值；同時(shí)由于涉及參數(shù)太多，現(xiàn)在還無(wú)法進(jìn)行多參數(shù)同時(shí)自動(dòng)尋優(yōu)。因此，在本研究中，首先

15、選用經(jīng)驗(yàn) 數(shù)據(jù)為一組參數(shù)，然后在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分性質(zhì)進(jìn)行參數(shù)率定。W ASP6 水質(zhì)模型需率定的重要參數(shù)有：復(fù)氧系數(shù) k 2、20C時(shí)硝化速度系數(shù) k 12、20r時(shí) 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(cè),經(jīng)反復(fù)試算,直到校驗(yàn)結(jié)果滿意為止。最后確定參數(shù)如下：復(fù)氧系數(shù)k 2=0115d -1,20C時(shí)硝化速度系數(shù)k 12=011d -20C時(shí)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 -2? d -1,G P 仁

16、 013d -1, k 1R =01125d -15 模擬結(jié)果與分析2001 年現(xiàn)狀水質(zhì)實(shí)測(cè)結(jié)果與 2001 年現(xiàn)狀模擬結(jié)果列于表 3。由表 3 計(jì)算得出,BOD 5 模擬的平均0128713相對(duì)誤差為 1017%, NH 32N 模擬的平均相對(duì)誤差為 1110%, DO 模擬的平均相 對(duì)誤差為 516%。W ASP6 模型對(duì)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 3 2001 年現(xiàn)狀水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果分區(qū)實(shí)測(cè)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 018201077181

17、018401066191 襄陽(yáng)縣段018901107181017801127161 襄樊市區(qū)段 119601267141117401267191 宜城段 11440131714n11686,B0D 5 模擬的平均相對(duì)誤差為 1017%, 3 模擬的平均相對(duì)誤差為 1110%,DO 模擬的平均相對(duì)誤差為 516%。b.水質(zhì)模型中幾個(gè)重要參數(shù)率定結(jié)果為：復(fù)氧系數(shù) k 2=0115d -1; 20C時(shí)硝化速 度系數(shù)k 12=011d -1; 20C時(shí) BOD 衰減速度系數(shù) k d =0116d -1。參考文獻(xiàn)：1 謝永明環(huán)境水質(zhì)模型概論M.北京沖國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1996.2 賈海峰,程聲通,杜文濤

18、.GIS 與地表水質(zhì)模型 W ASP5 的集成J.清華大學(xué)學(xué)報(bào),2001（8 :125128.3 T im A W ,R obert B A James L M ,et al. Water quality an alysissimulation program （W ASP version 610draft :user s manualM.Atla nta :USE nviro nmental Protectio n Age ncy :2000.（收稿日期:2004O05030 編輯:徐 娟（上接第 7 頁(yè)的某些變量被分成多個(gè)變量，如 AS M1中的 S NO 在 RW QM1 中被分成 S

19、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(jī)氮、X P （惰性粒子、X ND （粒子有機(jī)氮，在 RW QM1 中沒(méi)有出現(xiàn)；而 RW QM1 中也引入了如 S HPO 4、S H 2PO 4、SCa、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(yīng)用時(shí)必須注意兩者的差別。根據(jù)建模目的與控制要求,對(duì) RWQM1 進(jìn)行適當(dāng) 簡(jiǎn)化,建立適合集成城市污水系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)集成城市污水處

20、理系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制必須首先解決的問(wèn)題。參考 文獻(xiàn)：1 Shanahan P ,Borchardt D , Henze M ,et al. River water qualitym odel no. 1(RW QM1 :I. m odelling approach J .Water Science Technology ,2001,43(5 :19.2 He nze M , G ujer W ,M ino T ,et al. Activated sludge m odel no.2d ,AS M2dJ.Water Scie nce T ech no logy ,1999,39(1 :16182.3 Reichert P ,Borchardt D , Henze M , et al. River water qualitym odel no. 1(RW QM1 :ll. biochemical process equationsJ.Water Science T echnology ,2001,43(5 :1130.4 Rauch W ,Bertrand 2K rajewski J L , K rebs P ,et al. Deterministicm odelli