德國DWA水質模型

楊寅生 姚剛

摘 要：DWA水質模型可用于范圍廣泛的水資源管理規(guī)劃任務，從數據和系統(tǒng)的方面分析水體中的因子，來進行水污染防治的規(guī)劃以及污染預警機制的建立。同時介紹了M3系統(tǒng)理論在模型中的應用，并以德國埃爾夫特河的應用為例，監(jiān)測水體當前狀態(tài)進行模擬并預測未來水體質量。最后展望DWA模型在未來中國的水資源管理規(guī)劃工作中的應用前景。

關鍵詞：DWA模型；水質模型；模擬；水資源管理

1 概述

水質模型是描述各種物質在水體中的混合和輸運、在時間和空間上的遷移轉化規(guī)律以及各影響因素之間相互關系的數學方程。它是水環(huán)境管理規(guī)劃、水環(huán)境污染治理規(guī)劃決策分析、水容量研究分析、水環(huán)境污染預警研究的重要工具和有效手段。水質模型是一種數學描述，在對水質進行研究分析的過程中涉及到物理、化學、和生物過程，因而要根據需求選擇因子與研究方法，建立不同的模型。

1925年，美國工程師Streeler和Phelps提出了S-P模型，描述一維穩(wěn)態(tài)河流中的BOD和DO的變化規(guī)律。經過近一個世紀的發(fā)展，水質模型的研究日益成熟，特別是近30年以來，隨著計算機技術的廣泛應用，水質模擬領域也有了重大發(fā)展，各國相繼出現了一批功能強大、通用性好、準確可靠的綜合水質模型。

文章就M3（Monitoring，Modelling，Management）系統(tǒng)及德國DWA水質模型作一介紹與分析及其在埃爾夫特河（Erft River）的應用。

2 M3系統(tǒng)理論

M3系統(tǒng)由水質監(jiān)測系統(tǒng)、水質模擬系統(tǒng)和水質管理系統(tǒng)三個方面組成，是一個全面的對水體進行監(jiān)測、模擬和管理的系統(tǒng)，從空間和時間上確定水體的現狀，以期達到合理規(guī)劃管理水體的目的。如圖1所示。

2.1 水質監(jiān)測系統(tǒng)

水質監(jiān)測系統(tǒng)進行水體質量監(jiān)測，分別對點源污染和面源污染監(jiān)測，包括常規(guī)監(jiān)測、在線監(jiān)測和固體物調研，根據監(jiān)測數據呈現水體質量的調查結果。

對水質監(jiān)測系統(tǒng)的要求：

（1）取樣技術：自動監(jiān)測和與排放同步監(jiān)測；（2）取樣方式：代表性的混合樣本；（3）取樣周期：動態(tài)時間段，高時間精度和混合污水溢流濃度梯度；（4）取樣時間間隔：溢流的時間段；（5）通信機制：準確及時的信息傳輸。

2.2 水質模擬系統(tǒng)

水質模擬系統(tǒng)對輸入的監(jiān)測數據進行可信度驗證，根據模擬計算結果得出水體質量的調查結果。水質模擬的應用：

（1）數據分析；（2）系統(tǒng)分析；（3）設計效益分析；（4）環(huán)境影響評價；（5）設計控制和管理調控的研發(fā)基礎；（6）預警規(guī)劃中的操作應用。

如圖2所示是M3系統(tǒng)中監(jiān)測和模擬的應用。

2.3 水質管理系統(tǒng)

水質管理系統(tǒng)對水質監(jiān)測系統(tǒng)和水質模擬系統(tǒng)得到的數據進行研究分析后，改進邊界條件，反饋給水質監(jiān)測系統(tǒng)和水質模擬系統(tǒng)，優(yōu)化監(jiān)測方案和模擬計算過程。

3 DWA水質模型

3.1 模型的產生

德國水資源、污水及廢物管理聯合會（DWA）的水體質量模型由原德國污水技術聯合會（ATV）的“水體質量管理中的模型計算”專業(yè)委員會于1991至1995年期間開發(fā)，并自此隨著發(fā)展進步中的科學認識和水體質量管理領域的要求不斷進行更新。目前該模型由DWA的GB1.4專業(yè)委員會指導。

3.2 目標和任務設置

流動水域展現了高度交錯的生物學、化學和物理學的相互影響以及自然與人為因素的多樣性影響而形成的龐雜的體系。這樣的體系的典型特征是巨大的活力和空間上的易變形。人類通過對水域的使用和污染介入這一體系，使用和污染兩方面既相互并存，也和作為生存空間的水域的各種生態(tài)功能間形成了多層次的對立。人為的介入不僅涉及水域的總體結構，也涉及物理、化學層面的水體質量。污染物的負荷一方面來源于點源污染，另一方面由直接或間接的面源污染造成。

水資源管理的任務在于，為確保盡可能與水域的自然狀態(tài)相符的生活狀況，將人為的影響局限在必要的尺度內并平衡在水資源使用過程中出現的矛盾沖突。就此而言，水體質量模型作為一種輔助手段被使用，其目的是以水域保護的既定目標為基礎，認識行動的必要或了解措施與介入手段的效果。為達到此目的，需對水域在空間上的多變性和時間上的動態(tài)特征進行描述，并對多種不同類型的人為介入行為所引起的反應進行近似的量化。

由這些要求衍生出水體質量模擬型的各種任務和應用領域。其應用范圍很廣泛，從數據和系統(tǒng)分析開始，到水域保護規(guī)劃中的方案調研，以及流量管理中的運用和預警機制等等。

模型的第一組應用是對真實的水域體系進行模擬，以在給定狀態(tài)的基礎上對其進行或強或弱的調整。水質模擬中的“經典”任務如廠址優(yōu)化、措施規(guī)劃等便屬于此范疇。各種模型的靈活度的與日俱增，使得對一些狀況的研究也成為可能，例如能通過對河道疏通與引流、自然修復或新的設施等措施來實現水域體系的調節(jié)。

水框架法為這類模擬提供了一個廣闊的應用領域。該水法要求在某一規(guī)定的時間框架內達到根據某類型特征而定義的目標狀態(tài)。在此，水體質量模擬可在相應生物群落生態(tài)環(huán)境條件（生物形態(tài)、輻射環(huán)境、底質）的模擬中協助進行措施的規(guī)劃，規(guī)劃時可將相互關聯的分支水系列入考察范圍。

模型的第二組應用是對在地貌空間、水文環(huán)境、負荷和使用方面符合某一特定類型的標準水域進行模擬?？衫靡讯x的不同場景對這些類型中某些物質的比例關系、相關物質的極限值的合理性等方面進行比較研究。

例如在富營養(yǎng)化控制方面，可針對“蓄水調節(jié)水域”、“高山河流”或“低地河”流類型推導出相應的磷的界限值。該類型的標準水域可用于檢驗環(huán)境化學污染物，如用于排入物質的去向。對于污水排入方面的檢驗和水域保護措施的保障，則尤其可針對負荷結果各不相同的特定流域，可以支持進行經濟-效益分析。

模型的研發(fā)始終伴隨著大量在德國水域進行的實際應用。應用案例的范圍覆蓋了從上游地區(qū)平坦的自然流動水域到常用于蓄水調解或船只通行的中、下游的所有地區(qū)。全面性和可操作性一直是模型研發(fā)的重要標準。

3.3 模型應用的前提條件

DWA模型的應用可能是非常多樣的。然而要使模型的各項功能能得以完全發(fā)揮，對數據處理技術和人力資源方面提出了不可低估的前提條件。

3.3.1 數據要求。對于較復雜的水體質量模型而言，巨大的數據需求量常被視為其引入和全面推廣過程中一種不小的障礙。此處應對數據需求的范圍和數據獲取的工作量加以區(qū)分。對已給定的模擬而言，數據需求的范圍幾乎無以變更，相對而言，數據獲取的工作量卻可明顯地縮減。為達到此目的，將輸入的數據分為以下兩類：

被認為是普遍適用或被近似估計，因而可作為規(guī)定或建議值而提供的使用。

用于描述水域體系項目專門的數據，需針對每一當前的模擬案例由用戶自己獲取。

另外，數據需求量還取決于問題的設置：為回答所設置的問題需要的子模型越多，數據需求量自然就越大。但該需求不隨板塊結合的范圍而“成比例”增長，因為重復需要的數據（如溫度或輻射）只計算一次而在各板塊間進行交換使用。

由此提出了關于數據和模擬結果的準確性的問題。在此關鍵的問題首先在于：例如要調查一水域的水質是否符合某種特定的用途，則算入模型中的濃度值必須與相應用途的界限值具有可比性，即超越界限值的情況必須能用盡可能可靠的方式來證實，因此在設計模型、各過程的數學描述和對輸入數據提出要求的過程中，必須通過對表述的可靠性提出要求來保證準確度。除了數據的質以外，數據的量也起著重要作用，它又取決于連續(xù)性在時空上的分解（離散化）。

給定數據能很大程度上地簡化模型的運用。因此該模型開發(fā)時在這一綜合體內投入了相當的工作量。此外，模型中給定數據部分的擴展將是既定框架內未來更新工作的重要任務。這些給定數據中的多數基于監(jiān)測、估算或是通過某些專門的調研項目獲取。因而這些數據原則上不具備絕對有效性，而作為經驗數據只合乎當前的認知水平。所以不管是與項目密切相關的專業(yè)層面還是從普遍意義上，用戶具有隨時對數據進行修改的可能性。

另一個重點是批量數據輸入過程的簡化（如污水處理廠工作流程中的動態(tài)日流量過程）。在此將不再要求輸入每一時間間隔的完整數據，而是針對周期性的波動情況，如日或周過程，有經模型標準化的分布方式供選擇。某一日過程的模型內部運算僅要求輸入一個平均值和一個振幅值。輸入沖擊荷載時同樣可利用某一標準分布。在缺乏描述水域斷面幾何特征的斷面數據時，用戶可在已有選項中選擇斷面類型，而針對該類型僅需輸入少量易估計的參數。在上述情況中，用戶若有可支配的監(jiān)測值，同樣還可將所需數據以文檔的方式進行提交。

3.3.2 模型結果的評估。在每一應用案例中都須認真地核查，在考慮可用的輸入數據和被模擬的體系自身特征的情況下，對模擬結果抱有哪些期望是合適的。總體而言，模擬的結果應作為近似解決方案進行考察：它們的可靠性僅取決于輸入數據，還取決于（在每一個應用案例中），模型中擬定的過程和影響能在多大程度上理解和描述所模擬的水域水質的情況。

對此不可能存在普遍適用的數據信息。同樣，用戶使用水質和流量模擬工具的經驗及其對于水域和荷載結構的了解在此過程中起著重要作用。應預防高估甚至濫用模擬結果。

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