國際水協(xié)會河流水質(zhì)模型1號(RWQM1)述評

李 哲，李 翀，陳永柏，劉 靜，郭勁松

國際水協(xié)會河流水質(zhì)模型1號(RWQM1)述評

李 哲1，2，3，李 翀1，陳永柏1，劉 靜2，3，郭勁松2，3

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司,北京 100038；2.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院,重慶 400714；3.中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400714)

剖析河流水質(zhì)模型1號(RWQM1)的建模背景、設(shè)計(jì)思路、基本框架與建模方法,認(rèn)為RWQM1從技術(shù)層面和建模方法上對當(dāng)前水質(zhì)模型進(jìn)行了重大調(diào)整,提供了全新的水質(zhì)模型框架,作為未來水質(zhì)建模的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn),RWQM1的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思路包括：①較全面地劃分水質(zhì)組分,統(tǒng)一水質(zhì)組分的表述方式；①基于嚴(yán)格的化學(xué)計(jì)量方程實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)轉(zhuǎn)化過程及其動力學(xué)的數(shù)學(xué)描述,確保反應(yīng)物、產(chǎn)物的物質(zhì)守恒；③將各種水質(zhì)過程通過化學(xué)計(jì)量矩陣的形式實(shí)現(xiàn)模型的結(jié)構(gòu)化表達(dá)。結(jié)構(gòu)化的思路使得RWQM1水質(zhì)模型具有靈活、適用性廣等特點(diǎn),但過于復(fù)雜的狀態(tài)變量、缺乏強(qiáng)大的軟件平臺等問題,在一定程度上限制了RWQM1水質(zhì)模型的推廣。

河流水質(zhì)模型1號；水質(zhì)模型；模型設(shè)計(jì)；模型應(yīng)用；綜述

河流水質(zhì)模型1號(river water quality model no.1,RWQM1)是國際水協(xié)會(International Water Association,IWA)于2001年頒布的新型河流水質(zhì)模型。RWQM1既沒有固定的模型結(jié)構(gòu)和明確的模型方程組,也沒有成型的求解算法和相應(yīng)的軟件平臺,其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在對當(dāng)前水質(zhì)模型的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上,提出標(biāo)準(zhǔn)化水質(zhì)模型框架及其使用準(zhǔn)則,建立一套未來水質(zhì)建模的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[1]。RWQM1自頒布后在國外得到了廣泛的重視?；赗WQM1的水質(zhì)過程模擬研究已成為當(dāng)前該領(lǐng)域的主要方向。10余年來,歐洲環(huán)境管理部門已在RWQM1框架上構(gòu)建新型水質(zhì)管理模式[2],但國內(nèi)對RWQM1的關(guān)注仍未受到廣泛重視,一些研究處于初步分析探討階段,相關(guān)研究報(bào)道也較為零散[3]。在IWA出版的《技術(shù)研究報(bào)告No.12:河流水質(zhì)模型1號》[1]基礎(chǔ)上,筆者剖析RWQM1的研發(fā)背景、模型框架、建模方法,梳理其研究進(jìn)展,對RWQM1進(jìn)行較為全面的述評,探討當(dāng)前水質(zhì)模型研究與應(yīng)用的新思路、新動向。

1 問題的提出與RWQM1誕生

水質(zhì)模型是對水體中污染物隨空間和時間遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)學(xué)描述。1925年,Streeter和Phelps建立的BOD-DO雙線性模型[4]成為此后各種水質(zhì)模型的鼻祖。在近百年的發(fā)展中,水質(zhì)模型圍繞著BOD-DO這一核心,在滿足物質(zhì)守恒的前提下增加對水質(zhì)過程的描述,并通過不斷更新、優(yōu)化與升級,以應(yīng)對諸如富營養(yǎng)化和化學(xué)品污染等新的環(huán)境問題。從起初對表觀水質(zhì)現(xiàn)象的方程求解到對環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜過程的機(jī)理描述,從早期建立一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型到今天對多尺度高維動態(tài)過程的模擬仿真,水質(zhì)模型研究應(yīng)用得到了長足的發(fā)展。但是,當(dāng)前水質(zhì)模型自身仍存在一些普遍性的問題,影響了其對水環(huán)境變化的描述和預(yù)測,限制了水質(zhì)模型在水質(zhì)管理中的應(yīng)用,這些問題亟待解決[1]。

1.1 模型結(jié)構(gòu)的合理性與物質(zhì)守恒

以丹麥DHI公司MIKE系列[5]、美國USEPA開發(fā)的WASP系列[6]和QUAL系列[7-9]為代表的當(dāng)前主流通用水質(zhì)模型(軟件),對水質(zhì)過程的認(rèn)識不同,所設(shè)置的模型變量、概化的水質(zhì)過程亦存在顯著差別。一些模型變量、過程設(shè)置的合理性存在問題。如,BOD是水質(zhì)模型中常見的變量,MIKE系列[5]模型將BOD分成了5類,QUAL2K[7]則分成了2類(Fast CBOD與Slow CBOD)等。但通常BOD指標(biāo)僅為生化實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果,難以涵蓋所有的有機(jī)污染物,也不能囊括水體中藻類等生物有機(jī)體自身所含的BOD；以DO變化作為反映水體總體污染狀況的核心指標(biāo),忽略了水體中可能存在的局部缺氧或厭氧條件下硝態(tài)氮作為電子受體而發(fā)生的水質(zhì)變化,因此,以BOD-DO過程為核心的水質(zhì)模型難以體現(xiàn)嚴(yán)格意義上的物質(zhì)守恒原則[10-11]。

1.2 模型結(jié)構(gòu)的一致性與可擴(kuò)展性

目前常見的水質(zhì)模型通常情況下其結(jié)構(gòu)(變量與過程)均已相對固定。各種水質(zhì)模型采用各不相同的組分表達(dá)方式、缺乏統(tǒng)一的術(shù)語表達(dá),造成了模型接口不標(biāo)準(zhǔn),使用中存在諸多麻煩,用戶必須根據(jù)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇特定的水質(zhì)模型,或根據(jù)水質(zhì)模型重新進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測和參數(shù)估值。而且對特定水質(zhì)過程的模擬,通常需要人為設(shè)定某些初始濃度值或參數(shù)值,以“屏蔽”或忽略其他過程的影響。如,如果僅有BOD的監(jiān)測數(shù)據(jù),在QUAL2K[7]中通常需要將Slow CBOD降解速率值設(shè)置成較大的值(如10d-1),以“屏蔽”原模型中描述的從Slow CBOD到Fast CBOD的降解過程。這種所謂的“簡化”破壞了原模型的物質(zhì)守恒原則,降低了模型的精度,也限制了模型的應(yīng)用范圍。

不僅如此,因模型結(jié)構(gòu)已相對固定,所以模型后續(xù)升級拓展受到影響。如,QUAL2E是QUAL-Ⅱ的升級版本,相對于QUAL-Ⅱ,QUAL2E增加了TP組分,認(rèn)為水中TN和TP均來自于顆粒態(tài)有機(jī)物的水解,這一過程實(shí)際上是同時發(fā)生的,但二者的轉(zhuǎn)化速率在QUAL2E中并不相同[10-11]。這樣的升級與拓展不僅在一定程度上破壞了物質(zhì)守恒原則,而且也使得各個層面上的水質(zhì)過程雜糅在一起,有時甚至出現(xiàn)內(nèi)部矛盾。

上述問題給未來水質(zhì)模型的構(gòu)建提出了新的要求。一方面,有必要通過實(shí)現(xiàn)水質(zhì)組分與過程描述的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化來解決水質(zhì)模型種類繁雜但結(jié)構(gòu)單一的問題；另一方面,解決當(dāng)前水質(zhì)模型內(nèi)在的矛盾與建模步驟中存在的缺陷,需要建立一套相對完整的水質(zhì)模型體系和建模方法論,形成一套具有普適性的水質(zhì)建模方案。不僅如此,Rauch等[11-12]還認(rèn)為加強(qiáng)對水環(huán)境生態(tài)響應(yīng)的描述、水質(zhì)過程的辨識以及建立水質(zhì)預(yù)報(bào)與決策支持方案將成為未來10年水質(zhì)模型發(fā)展的主導(dǎo)方向,而建立水質(zhì)建?？茖W(xué)標(biāo)準(zhǔn)將是指導(dǎo)未來水質(zhì)模型發(fā)展的關(guān)鍵。水質(zhì)建?？茖W(xué)標(biāo)準(zhǔn)包括3個方面:①水質(zhì)建模方案的總體框架；①標(biāo)準(zhǔn)化的水質(zhì)模型；③模型辨識、驗(yàn)證、校正和不確定性分析的基本方法。

IWA河流水質(zhì)模型任務(wù)組于20世紀(jì)90年代中期成立。任務(wù)組提出了建立RWQM1的基本目標(biāo)[1]:①開發(fā)一系列從簡單到復(fù)雜的水質(zhì)生物轉(zhuǎn)化過程子模型,包括:重新評估過去30年水質(zhì)建模的發(fā)展,消除內(nèi)在矛盾；優(yōu)化天然水體水質(zhì)生物轉(zhuǎn)化過程,保證轉(zhuǎn)化過程子模型同IWA活性污泥模型(activated sludgemodel,ASM)系列相互兼容；采用活性污泥模型中結(jié)構(gòu)化建模思路,構(gòu)建河流水質(zhì)模型,并兼顧不同專業(yè)領(lǐng)域知識背景的差異。①確立水質(zhì)模型的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)以指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)用與結(jié)果評估。③提供案例分析以說明子模型的應(yīng)用方法。IWA河流水質(zhì)模型任務(wù)組于2001年出版了《技術(shù)研究報(bào)告No.12:河流水質(zhì)模型1號》[1],RWQM1宣告誕生。

2 RWQM1的設(shè)計(jì)思路

2.1 活性污泥模型與結(jié)構(gòu)化建模思路

“結(jié)構(gòu)化”思想[13]可以概括為:自頂向下、逐步求精、分而治之,即將系統(tǒng)按照功能分解成為若干個模塊,自頂向下,將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分成若干個易于控制和處理的子系統(tǒng),子系統(tǒng)又可以分解成更小的子模塊,模塊之間功能相對獨(dú)立,模塊接口簡明、界面清晰。通過調(diào)用特定的模塊并對各個模塊進(jìn)行優(yōu)化組合,可以適應(yīng)復(fù)雜的情況。結(jié)構(gòu)化思想以模塊化的模型體系和開放性、系統(tǒng)性的模型結(jié)構(gòu)為主要特征,強(qiáng)調(diào)對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、功能的抽象和模塊的分解,是一種非常有用的處理方式。

ASM模型借鑒了化工反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)化建模方法,將曝氣池中的活性污泥過程分解成若干個子過程與組分(模塊),用化學(xué)計(jì)量關(guān)系(接口)建立過程與組分之間的變化關(guān)系,利用Peterson矩陣將這系列復(fù)雜的反應(yīng)過程加以整合,以嚴(yán)格滿足曝氣池內(nèi)的物質(zhì)守恒原則[10]。在方程描述中,ASM模型將開關(guān)函數(shù)引入單一過程的方程描述中,使之能根據(jù)底物濃度自動“啟閉”某些過程的產(chǎn)生而不改變物質(zhì)守恒原則,消除由于速率方程“開”或“關(guān)”的不連續(xù)性而產(chǎn)生的數(shù)值的不穩(wěn)定性[10]。由于使用開放性和模塊化的模型框架,后續(xù)發(fā)展的ASM模型均只在ASM1的框架下增加模型中生化轉(zhuǎn)化子過程和水質(zhì)組分,或者調(diào)整模型組分與過程的相互關(guān)系以升級原有模型,保證了模型體系的完整、統(tǒng)一與延續(xù)。

20世紀(jì)90年代中期開始,有研究嘗試將ASM模型應(yīng)用到水質(zhì)建模中,搭建類似于ASM模型體系的水質(zhì)模型平臺。Masliev等[14]認(rèn)為ASM模型結(jié)構(gòu)緊湊且內(nèi)在的組分與過程相互一致,而傳統(tǒng)水質(zhì)模型則結(jié)構(gòu)多層次而相對松散。Maryns等[15]在ASM1中增加了顆粒態(tài)磷、溶解態(tài)磷、葉綠素a等組分進(jìn)行水質(zhì)建模,認(rèn)為基于ASM1模型的水質(zhì)過程模擬比傳統(tǒng)模型更貼近實(shí)際情況。上述研究成為RWQM1研發(fā)前奏。

2.2 河流連續(xù)統(tǒng)概念

河流連續(xù)統(tǒng)概念(river continuum concept, RCC)是由Vannote等[16]于1980年提出的,他認(rèn)為河流由源頭集水區(qū)的第一級溪流起,向下流經(jīng)各級河流流域,形成一個連續(xù)的、流動的、獨(dú)特而完整的系統(tǒng)。它不僅指地理空間上的連續(xù),更重要的是生物學(xué)過程及其物理環(huán)境的連續(xù)[17]。RWQM1將RCC引入了河流水質(zhì)建模的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中,強(qiáng)調(diào)應(yīng)根據(jù)不同河段生態(tài)系統(tǒng)的特征及其主要的影響區(qū)帶,確立不同水質(zhì)模型的時空尺度與過程描述。RWQM1還較為完整地融合了包括沉積層過程(缺氧狀態(tài))在內(nèi)的所有可能發(fā)生的水質(zhì)過程,要求用戶根據(jù)不同河段特征對模型進(jìn)行簡化并選擇關(guān)鍵的水質(zhì)過程進(jìn)行建模。

2.3 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究

20世紀(jì)五六十年代,Redfield等[18]認(rèn)為海洋浮游植物生長的元素組成特征受到各生源要素(O、C、N、P)地球化學(xué)循環(huán)的影響,并提出了浮游植物的化學(xué)組成(碳、氮、磷之比為100∶16∶1)。該比率被廣泛應(yīng)用到了許多水質(zhì)模型。20世紀(jì)90年代后, Sterner[19]較早研究了生源要素在生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間的傳遞過程。Elser等[20]完善并提出了消費(fèi)者驅(qū)使下的營養(yǎng)鹽循環(huán)過程(Consumer-driven Nutrient Recycling),強(qiáng)調(diào)生源要素在生產(chǎn)者與初級消費(fèi)者之間轉(zhuǎn)移的比例關(guān)系。RWQM1的生態(tài)動力學(xué)模擬延續(xù)了生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本理論,強(qiáng)調(diào)在生源要素的層面上實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的物質(zhì)守恒,而且引入消費(fèi)者作為模型的狀態(tài)變量,完善了水體中消費(fèi)者和生產(chǎn)者之間的元素層面上生態(tài)動力學(xué)關(guān)系。

2.4 水質(zhì)建模中科學(xué)術(shù)語與方法論的標(biāo)準(zhǔn)化

在水質(zhì)建模中,研究人員來自于不同的學(xué)科領(lǐng)域,使用著各自領(lǐng)域的科學(xué)術(shù)語闡釋水質(zhì)過程,造成了在水質(zhì)建模中常用科學(xué)術(shù)語和建模過程描述上的混亂,也成為各領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流的障礙。RWQM1大量引用了Castensen等[21]提出的科學(xué)術(shù)語來闡釋模型的基本框架與方程,借鑒活性污泥模型的符號表述法對水質(zhì)組分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的描述,建立了水質(zhì)模型描述與模型建立中通用的科學(xué)術(shù)語詞匯表,提出了水質(zhì)建模中統(tǒng)一模型組分的符號表達(dá),從術(shù)語學(xué)角度統(tǒng)一了水質(zhì)建?；静襟E和表述方法。

3 RWQM1的基本框架與建模方法

3.1 水質(zhì)模型總方程

天然水體中的水質(zhì)變化可以歸納為隨流輸移、擴(kuò)散/彌散、生化轉(zhuǎn)化過程和沉積層-水相-大氣之間的界面交換4個部分。RWQM1采用1986年Som lyódy等[22]所總結(jié)的水質(zhì)模型基本方程作為河流水質(zhì)變化的總方程:

式中:c為描述的n個水質(zhì)組分的n維變量；u、v、w分別為水流在縱向、橫向、垂向上的速度場；εx、εy、εz分別為物質(zhì)在縱向、橫向、垂向上的擴(kuò)散系數(shù)；r(c,p)為水體中水質(zhì)組分生化轉(zhuǎn)化過程的轉(zhuǎn)化速率。

表1 RWQM1水質(zhì)組分一覽

懸浮態(tài)水質(zhì)組分

上述方程中需增加水體與大氣之間、水體與沉積層之間的界面交換過程,以滿足完整的物質(zhì)守恒原則[23]。水動力學(xué)研究的進(jìn)步,使得水質(zhì)建模中時間尺度、空間維度、混合狀態(tài)描述、隨流輸移等方面相對成熟,RWQM1對水質(zhì)建模僅進(jìn)行了初步的探討,提出了建模的基本步驟、準(zhǔn)則、要領(lǐng)與運(yùn)用策略,而針對水體中物質(zhì)生化轉(zhuǎn)化過程的描述則成了RWQM1重點(diǎn)關(guān)注的方面。

3.2 生化轉(zhuǎn)化過程的描述

RWQM1選擇了24個水質(zhì)組分與23個生化轉(zhuǎn)化過程作為水質(zhì)模型的核心,并對模型進(jìn)行了3個方面的假設(shè)[24]:①認(rèn)為水質(zhì)組分由C、H、O、N、P等5種化學(xué)元素組成(將其他元素合并為X)；①忽略生態(tài)系統(tǒng)不同層級上的差異,過程轉(zhuǎn)化速率不隨時間而變化；③假設(shè)水體中硝酸鹽質(zhì)量濃度足夠。

為同ASM系列模型實(shí)現(xiàn)整體對接,實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)過程的標(biāo)準(zhǔn)化描述,RWQM1采用了與ASM相同的狀態(tài)變量和符號表示方式,以S作為溶解性組分的標(biāo)識、X作為懸浮性組分的標(biāo)識,將這24個水質(zhì)組分分為溶解態(tài)組分15個,懸浮態(tài)組分9個(表1)。RWQM1將物質(zhì)守恒的原則嚴(yán)格限定在了元素層次上,即根據(jù)模型假設(shè),通過確定組分中的C、H、O、N、P這5種元素所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)(αC,αH,αO,αN,αP)表述各水質(zhì)組分的化學(xué)表達(dá)式:CαC/12,HαH,OαO/16, NαN/14,PαP/31。如,異養(yǎng)微生物化學(xué)表達(dá)式為CαC,XH/12HαH,XHOαH,XH/16NαN,XH/14 PαP,XH/31,而藻類的化學(xué)表達(dá)式

則為C HO N P[24]。

αC,ALG/12αH,ALGαH,ALG/16αN,ALG/14αP,ALG/31

在水質(zhì)過程描述中,RWQM1幾乎囊括了目前水體中的可能發(fā)生的生化轉(zhuǎn)化過程(表2)。RWQM1中的每一個生化轉(zhuǎn)化過程均是單一的化學(xué)反應(yīng)方程式,包括了組分的計(jì)量學(xué)參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)過程的動力學(xué)參數(shù)等,過程之間互相平等。因此, RWQM1對河流水質(zhì)變化的模擬事實(shí)上已經(jīng)從傳統(tǒng)模型對水質(zhì)組分的關(guān)注(面向?qū)ο?Object-Oriented)變成了對水質(zhì)生化轉(zhuǎn)化過程的描述(面向過程, Process-Oriented)。每一個生化轉(zhuǎn)化過程相當(dāng)于是水質(zhì)模型生化轉(zhuǎn)化部分的模塊,采用Peterson矩陣將組分聯(lián)系起來,形成了過程→組分的結(jié)構(gòu)關(guān)系。用戶可以根據(jù)模型簡化的需要非常靈活地選擇(或合并)所關(guān)心的生化轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行模擬,而無須考慮其他組分對這一過程的影響。

3.3 建模過程與基本步驟

RWQM1提出了標(biāo)準(zhǔn)化的6個水質(zhì)建模基本步驟:定義時間尺度→定義空間尺度→定義水體混合狀態(tài)的描述→定義平流輸移過程的描述→定義生化轉(zhuǎn)化過程的反應(yīng)形式→定義邊界條件[1]。雖然這6個步驟給出了水質(zhì)建模的基本過程,但以下兩個方面值得關(guān)注:①物理場對水質(zhì)變化過程的影響。RWQM1強(qiáng)調(diào)了水體的物理場對水質(zhì)變化過程的影響,認(rèn)為在水質(zhì)建模中首先需確認(rèn)水動力條件下水質(zhì)組分的輸移轉(zhuǎn)化規(guī)律,完善物理環(huán)境場的模擬,而后才是水質(zhì)組分的生化轉(zhuǎn)化過程,從簡單到復(fù)雜逐步發(fā)展生化轉(zhuǎn)化模型。①生化轉(zhuǎn)化過程子模型的使用與簡化。RWQM1采用23個過程與24個組分,基本上涵蓋了當(dāng)前水質(zhì)建模中所需要考慮的所有問題,但實(shí)際使用中對全部過程實(shí)現(xiàn)模擬是相當(dāng)困難的[25],因此通常情況下,在使用RWQM1時需簡化。RWQM1強(qiáng)調(diào)需首先對河流進(jìn)行生態(tài)分區(qū),就不同河段的生態(tài)特征選擇不同的生化轉(zhuǎn)化過程,或?qū)顟B(tài)變量進(jìn)行簡化[25]。如,通常情況下亞硝酸鹽在河流中的質(zhì)量濃度低,不會對水質(zhì)模擬與預(yù)測產(chǎn)生較大的影響,因此可將涉及亞硝酸鹽組分、亞硝化菌的生長刪除,以亞硝化菌為底物的消費(fèi)者的生長則可合并到以硝化細(xì)菌為底物的消費(fèi)者生長過程中[25]。

表2 RWQM1中的生化轉(zhuǎn)化過程

3.4 模型辨識與參數(shù)估計(jì)

RWQM1以Brun等[26]的水質(zhì)模型參數(shù)校正及不確定性分析方法為基礎(chǔ),提出通過參數(shù)不確定度排序和敏感度計(jì)算,對水質(zhì)模型進(jìn)行參數(shù)辨識與估計(jì),并解決這類模型因參數(shù)過多難以校正的問題[。

27]不同的監(jiān)測方案對參數(shù)估計(jì)和模型可辨識性影響甚大,RWQM1建議通過蒙特卡洛(Monte Carlo)模擬實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測的不確定性分析[28]。RWQM1亦建議使用基于Fisher信息矩陣(FIM)的參數(shù)估計(jì)、不確定性分析的另一套方法[26]。

4 RWQM1的研究進(jìn)展與存在問題

自2001年RWQM1頒布后,RWQM1受到了廣泛的重視。根據(jù)RWQM1任務(wù)組的規(guī)劃,RWQM1的未來發(fā)展主要包括實(shí)例研究、敏感性綜合分析、與ASM模型結(jié)合、模型水質(zhì)過程的改進(jìn)與增加、軟件平臺的開發(fā)等5個研究方向[1]。但事實(shí)上,圍繞歐盟新的水質(zhì)管理框架(EU Water Framework Directive,EUWFD)[29]對RWQM1與ASM進(jìn)行對接以實(shí)現(xiàn)RWQM1在環(huán)境管理中的應(yīng)用,成為了RWQM1頒布后的10余年來的主要研究方向。

EUWFD認(rèn)為傳統(tǒng)的水質(zhì)管理將排水管網(wǎng)、污水處理廠與受納水體分離獨(dú)立,不足以實(shí)現(xiàn)水污染排放控制系統(tǒng)中對所有子系統(tǒng)控污措施的優(yōu)化,單獨(dú)的控污措施或?qū)δ硢我慌盼巯到y(tǒng)(如污水處理廠、合流制排污管道等)進(jìn)行調(diào)控,不足以實(shí)現(xiàn)真正意義上的水質(zhì)改善[30-31]。以綜合水質(zhì)模型(Integrated River Basin Modeling)為核心的具有整體意義的水質(zhì)過程模擬的提出,成為了實(shí)現(xiàn)EU WFD目標(biāo)的首要步驟[30]。同ASM進(jìn)行整體對接的優(yōu)勢使得RWQM1在綜合水質(zhì)模型體系中的作用越顯突出,而IWA任務(wù)組原先設(shè)立的構(gòu)建具有整體性的水質(zhì)管理體系的目標(biāo)正在逐步實(shí)現(xiàn)。

Huisman等[31-32]在ASM3-RWQM1基礎(chǔ)上建立了下水道水質(zhì)、水量變化模型,并實(shí)現(xiàn)了由下水道→污水處理廠的綜合水質(zhì)過程模擬。Erbe等[32]基于RWQM1、ASM模型的基本模型框架,提出了綜合水質(zhì)模型的基本特征:①所有模型在開放的管理平臺SIMBA中,以Peterson矩陣為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)ASM、RWQM1的整合。①綜合水質(zhì)模型需實(shí)現(xiàn)動態(tài)的模擬,下水道與受納水體水質(zhì)過程基于圣維南方程進(jìn)行模擬,而降雨、廢水產(chǎn)生等水量平衡須在開放的水質(zhì)平臺下方便實(shí)現(xiàn)對接。③所有的水質(zhì)過程模擬應(yīng)采用并行模式同時進(jìn)行。

此外,Reuter等[33]則基于RWQM1模型建立了結(jié)構(gòu)化的流域綜合水質(zhì)管理軟件平臺RIONET,并以德國Bode河流域?yàn)榉独?介紹了RIONET在河網(wǎng)綜合水質(zhì)模擬中的應(yīng)用。Meirlean等[34]將RWQM1與ASM模型整合,通過串聯(lián)CSTR方式將RWQM1應(yīng)用到了意大利Lambro河的水質(zhì)建模中,探討了下水道→污水處理廠→受納水體過程的模擬,完善了基于RWQM1的綜合水質(zhì)模型的實(shí)時控制系統(tǒng)的構(gòu)建,確定了適合仿真與實(shí)時控制的簡化的動態(tài)河流水質(zhì)模型[35]。Martìn等[36]根據(jù)RWQM1采用串聯(lián)完全混合連續(xù)流反應(yīng)器(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)方式建立了西班牙Tajo河水質(zhì)模型,考慮了水沙兩相流的輸移過程,并在RWQM1的基礎(chǔ)上增加了泥沙停留參數(shù),在其自主開發(fā)軟件平臺CalHidra2.0上實(shí)現(xiàn)了RWQM1對氨氮、硝態(tài)氮以及溶解氧在不同季節(jié)下變化過程的模擬。van Grienseven等[37]對以QUAL2E為核心的ESWAT (Extended Soil and Water Assessment)模型進(jìn)行了改進(jìn),形成了以RWQM1為核心的ESWAT模型,通過比利時Dender河的案例研究,認(rèn)為就單純水質(zhì)過程模擬而言,QUAL2E和RWQM1的模擬精度無顯著差異,但RWQM1更適宜于對面源污染過程的描述以及綜合水質(zhì)模擬,但模型參數(shù)估值與校正卻更為復(fù)雜[37-38]。在國內(nèi),樊立萍等[3]建立了一個以河流為核心的集成化城市廢水系統(tǒng)的簡單仿真環(huán)境,表明排水管網(wǎng)組合下水溢流和污水處理廠排放物的處理程度對河流水質(zhì)會產(chǎn)生直接影響。

在富營養(yǎng)化和藻類生態(tài)動力學(xué)研究領(lǐng)域,Omlin等[39-40]參照RWQM1建立了瑞士蘇黎世湖生源要素生物地化循環(huán)模型。通過對模型不同組分的計(jì)量學(xué)與不同生化過程的化學(xué)平衡描述,建立了磷元素內(nèi)循環(huán)過程的生態(tài)動力學(xué)模型,重點(diǎn)探討了由于季節(jié)的變化而導(dǎo)致的磷元素在生命體和非生命環(huán)境中的比例變化及其限制性作用。Mieleitner等[41]將上述模型應(yīng)用到瑞士Walensee湖和Greifensee湖的生態(tài)動力學(xué)模擬,探討了RWQM1在模型辨識和敏感性分析等方面的問題,并給出了不同營養(yǎng)狀態(tài)湖泊生物地化過程的敏感性環(huán)節(jié),揭示了不同營養(yǎng)狀態(tài)下湖泊生源要素生物地化循環(huán)中關(guān)鍵過程的異同及其本因。Wichern等[42]則研究了德國Wupper河底棲沉積層與生物膜在河流水質(zhì)過程的重要影響,模擬了氮平衡過程。

近年來,RWQM1也應(yīng)用到了其他領(lǐng)域,如藻類生物塘、水中農(nóng)藥及其他化學(xué)品等。de Schepper等[43]開發(fā)了用于農(nóng)藥和有毒有害化學(xué)品模擬的RWQM1模塊,增加了相應(yīng)的組分與過程。Hoque等[44]基于RWQM1模擬了污水穩(wěn)定塘中個人日用化學(xué)品的降解去除過程。Jupsin等[45]將RWQM1應(yīng)用到了高效藻類生物塘HRAPs(High-Rate Algal Ponds)的水質(zhì)模擬。Broekhuizen等[46]認(rèn)為RWQM1對高濃度藻類生物塘的模擬精度不高,主要原因是RWQM1以生化反應(yīng)動力學(xué)方程(如M-M方程、Monod方程)為基礎(chǔ)建立起來的水質(zhì)生物轉(zhuǎn)化動力學(xué)模型并不太適用于高濃度藻類聚集環(huán)境中,應(yīng)予以修正。

可以看出,目前RWQM1已不僅僅只是一個相對全面的河流水質(zhì)過程模型,更重要的是,RWQM1已作為水質(zhì)生物轉(zhuǎn)化過程建模的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn),其開放性、結(jié)構(gòu)化建模思想已滲透進(jìn)水環(huán)境科學(xué)研究與工程應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域,發(fā)揮著指導(dǎo)性的作用。

盡管如此,RWQM1在當(dāng)前的研究與應(yīng)用中仍存在一些問題,包括以下幾個方面:

a.RWQM1雖然強(qiáng)調(diào)了水動力條件對水質(zhì)變化過程的影響,但在目前的研究中通常的做法是將河流視為一維的串聯(lián)CSTR對水質(zhì)變化過程進(jìn)行模擬,雖然這有利于同污水處理廠的活性污泥模型相對接,實(shí)現(xiàn)在模型算法、系統(tǒng)辨識等方面的互通,但卻在很大程度上簡化了水動力條件對水質(zhì)組分時空分布及其生化反應(yīng)過程的影響。在真實(shí)的物理場上實(shí)現(xiàn)RWQM1生化轉(zhuǎn)化過程的模擬,尤其是二維、三維的RWQM1,至今仍鮮有報(bào)道。

b.為實(shí)現(xiàn)同ASM的整體對接,RWQM1采用了ASM中的許多狀態(tài)變量和參數(shù),但RWQM1專家組無法提供ASM中提供的典型參數(shù)值,造成了RWQM1的使用需要進(jìn)行繁雜的參數(shù)估計(jì)和模型校正,如RWQM1將細(xì)菌生物量XH作為獨(dú)立的狀態(tài)變量,但在天然水體中常規(guī)監(jiān)測難以確定這一狀態(tài)變量的濃度值,也難以采用類似ASM中的呼吸計(jì)量方式確定XH的濃度值。RWQM1的參數(shù)估計(jì)和模型校正也因此成了RWQM1實(shí)際應(yīng)用的最大障礙,同時這也造成了在模擬精度差異不大的情況下, RWQM1的模型使用效率不如傳統(tǒng)水質(zhì)模型,如QUAL2E和WASP等。

c.RWQM1的生物轉(zhuǎn)化過程以天然水體中低濃度底物下水質(zhì)生物(藻類、細(xì)菌)轉(zhuǎn)化過程為基礎(chǔ)。對于某些特殊情況,如藻類生物塘或水華期間,藻類并不單純以無機(jī)營養(yǎng)物為底物進(jìn)行生長等,RWQM1的模擬精度大為下降[46],需要對其反應(yīng)動力學(xué)方程進(jìn)行修正或調(diào)整。但作為開放性、結(jié)構(gòu)化的模型框架,在滿足既有的組分和方程表達(dá)基礎(chǔ)上,亦不難對RWQM1具體過程進(jìn)行修正或升級。

d.同目前的主流商業(yè)軟件相比,RWQM1至今仍沒有成型的通用軟件平臺。而已有的商業(yè)模型軟件已能在相對成熟的軟件界面上實(shí)現(xiàn)通用模擬。雖然瑞士EAWAG開發(fā)的Aquasim[47]以及丹麥DHI開發(fā)的WEST○R商用軟件均能夠?qū)崿F(xiàn)RWQM1的使用,但如前所述,二者均將河流視為一維串聯(lián)CSTR并在原有活性污泥模型平臺的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)RWQM1的模擬,對不同時空尺度下RWQM1的通用模擬軟件平臺仍十分緊缺。這在一定程度上限制了RWQM1的推廣與使用。

5 結(jié) 語

RWQM1從技術(shù)層面和建模方法上對當(dāng)前水質(zhì)模型進(jìn)行了重大調(diào)整,提供了全新的水質(zhì)模型框架。作為未來水質(zhì)建模的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn),RWQM1的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思路包括以下幾個方面:①較全面地劃分了水質(zhì)組分,統(tǒng)一了水質(zhì)組分的表述方式；①基于嚴(yán)格的化學(xué)計(jì)量方程實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)轉(zhuǎn)化過程及其動力學(xué)的數(shù)學(xué)描述,確保反應(yīng)物、產(chǎn)物的物質(zhì)守恒；將各種水質(zhì)過程通過化學(xué)計(jì)量矩陣的形式實(shí)現(xiàn)了模型的結(jié)構(gòu)化表達(dá)。故在模型使用中,可根據(jù)實(shí)際需求在統(tǒng)一的模型構(gòu)架下,選擇水質(zhì)組分與水質(zhì)轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行建模,體現(xiàn)RWQM1的靈活性和開放性。

在近10年的研究中,RWQM1不僅實(shí)現(xiàn)了同ASM的整體對接,在水環(huán)境管理中發(fā)揮重要的基礎(chǔ)性作用；更重要的是,RWQM1完成了一套全新的標(biāo)準(zhǔn)化水質(zhì)模型體系,其開放性、結(jié)構(gòu)化的模型框架與建模思想在水環(huán)境科學(xué)研究與工程應(yīng)用中具有重要的指導(dǎo)意義。

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Review on internationalwater association river water quality model no.1

LIZhe1,2,3,LIChong1,CHEN Yongbai1,LIU Jing2,3,GUO Jinsong2,3
(1.China Three Gorges Corporation,Beijing 100038,China；2.Chongqing Institute ofGreen and Intelligent Technology,Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714,China；3.Key Lab on ReservoirWater Environment,Chinese Academy of Sciences,Chongqing 400714,China)

:Through systematic analysis over the background,theories,framework and modeling approach of river water qualitymodel no.1(RWQM1),it is believed that RWQM1 has a great adjustment on the current water qualitymodel from the aspects of technology level and modeling method,providing a new standard for future water qualitymodeling.As the scientific standard for future water quality modeling,the standardized design routine of RWQM1 includes:①defining a wide range water quality variables and standardizing the terminology of these variables；①providing stoichiometric formulas with strictly mass balance among water quality variables；③using Peterson matrix among water quality processes to structuralize water quality models.The structuralized routine makes RWQM1 model flexible and applicable.However,problems including the complexity of variables and processes and lacking software platforms powerful enough for RWQM1 potentially limited its further popularization.

:RiverWater Quality Model No.1；water qualitymodel；model design；model application；review

2014 12 13 編輯:彭桃英)

國家自然科學(xué)基金(51179215,51509233)；中國長江三峽集團(tuán)公司科研項(xiàng)目

李哲(1981—),男,副研究員,博士,主要從事水庫生態(tài)學(xué)研究。E-mail:lizhe@cigit.ac.cn

TV121+.2

：A

：1004 6933(2015)06 0086 08

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.014