WASP 模型水環(huán)境模擬研究進(jìn)展綜述

陳振宇

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400047）

0 引言

近些年，水環(huán)境模型在環(huán)境保護(hù)工作方面得到了廣泛的應(yīng)用，如WASP 模型，Hec-ras 模型，SWAT 模型以及Mike 模型等，對(duì)流域污染負(fù)荷進(jìn)行估算，并對(duì)重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在整個(gè)流域之間的遷移輸送進(jìn)行模擬。其中WASP 模型是美國(guó)環(huán)保局Athens 實(shí)驗(yàn)室于1983 年開發(fā)的，它對(duì)于河流、湖泊、河口、水庫、海岸的水質(zhì)模擬。同時(shí)也應(yīng)用于模擬和預(yù)測(cè)污染物，處理突發(fā)性水污染事故，水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)計(jì)算水環(huán)境容量，水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)。可以模擬不同水里條件下的包括水層和水層下物質(zhì)的水環(huán)境情況，對(duì)于人為，自然等因素造成的環(huán)境污染做出相應(yīng)的可視化的分析和水質(zhì)模擬，且模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大具有可參考性，對(duì)于水質(zhì)的預(yù)測(cè)以及防治提供了一定的參考依據(jù)。

1 WASP 模型介紹

WASP 模型有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算子程序：水動(dòng)力學(xué)程序（DYNHYD）和水質(zhì)程序（WASP），它們既相互獨(dú)立也可互相連接。WASP 可以任意其一進(jìn)行鏈接，生成EUTRO5 和TOXI5。其內(nèi)容都基于質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律分別建立水質(zhì)模型和水動(dòng)力學(xué)模型。

（1）水動(dòng)力程序

DYNHYD 程序主要為水質(zhì)模擬提供流速、流量、水深等水動(dòng)力信息，以運(yùn)動(dòng)和連續(xù)性方程為理論依據(jù)，預(yù)測(cè)水體的流速、流量、水深等水體信息。

（2）水質(zhì)程序

WASP 水質(zhì)程序自帶兩大模塊程序，包括富營(yíng)養(yǎng)化模塊EUTRO 和有毒化學(xué)物質(zhì)模塊TOXI 兩部分組成，其中EUTRO 模塊在水環(huán)境模擬和預(yù)測(cè)匯總應(yīng)用的最為廣泛。EUTRO 模塊用來模擬傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，包括無機(jī)磷、有機(jī)磷、氨氮、硝酸鹽氮、有機(jī)氮、葉綠素a、溶解氧、碳生化需氧量等水質(zhì)指標(biāo)[1]。 TOXI（有毒化學(xué)物質(zhì)）模塊可以用來模擬有毒物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，如有機(jī)化學(xué)物、泥沙和金屬。

1.1 WASP 的計(jì)算原理

WASP 模型的實(shí)質(zhì)是利用質(zhì)量守恒原理來實(shí)現(xiàn)的。WASP 模型的質(zhì)量守恒方程[3]如下：

式子中t 為時(shí)間步長(zhǎng)，d；Ux，Uy，Uz，為縱向、橫向和垂直速度，m/d；Ex，Ey，Ez，為縱向、橫向和垂直擴(kuò)散系數(shù)，m/2d；SL項(xiàng)為點(diǎn)源和面源負(fù)荷，g/m3；SB項(xiàng)為邊界負(fù)荷，g/m3；SK項(xiàng)為水質(zhì)組分的總轉(zhuǎn)換率，g/m3·d。

WASP 模型在進(jìn)行水環(huán)境模擬時(shí)，是對(duì)每一個(gè)水質(zhì)分子從輸入到最后輸出的追蹤過程，為達(dá)到質(zhì)量守恒原理，完成追蹤，需要操作者提供7 種重要的模型參數(shù)：模擬和輸出控制；模型的分段數(shù)據(jù)；對(duì)流和彌散輸移；邊界濃度；點(diǎn)源和面源負(fù)荷；運(yùn)動(dòng)參數(shù)、常量及與時(shí)間變化相關(guān)的函數(shù)；初始濃度。

2 WASP 水質(zhì)模型評(píng)估

WASP 模型發(fā)展至今已經(jīng)有多個(gè)版本，具有用戶友好界面，使用方便，便于推廣的特點(diǎn)·。并且開發(fā)了基于Windows 的操作界面，主要的模型配置通過界面設(shè)置完成。表2-1 對(duì)WASP 模型的基本特征進(jìn)行了評(píng)估：

2-1 WASP 模型模擬特征

?

注： ☆ 不支持；★ 支持。

2.1 WASP 水質(zhì)模存在問題

WASP 模型的主要缺點(diǎn)在于模型在進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模擬部分較為薄弱，模型自帶的DYNHYD 模塊只能進(jìn)行“節(jié)點(diǎn)-河道”式的模型概化，不適合湖庫水動(dòng)力模擬，因此在較為復(fù)雜水動(dòng)力模擬時(shí)如閘控平原河網(wǎng)水動(dòng)力模擬，可選擇其他模型為WASP 模型提供前期的水動(dòng)力模擬支持，比如：SED3D，EFDC 等水動(dòng)力模型。此外，WASP 模型在富營(yíng)養(yǎng)化過程的模擬存在局限性，因此在模擬水體富營(yíng)養(yǎng)化過程時(shí)不能夠考慮富有動(dòng)物的影響。依據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，浮游動(dòng)物的生長(zhǎng)、死亡在富營(yíng)養(yǎng)化過程中對(duì)其他考慮都有重要的影響。[2]

3 應(yīng)用

WASP 模型主要應(yīng)用于模擬和預(yù)測(cè)污染物在水環(huán)境中的行為、水體環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化的環(huán)境評(píng)價(jià)、水環(huán)境容量的計(jì)算和水質(zhì)預(yù)警等四個(gè)方面。

3.1 模擬和預(yù)測(cè)污染物

WASP 模型可以應(yīng)用到突發(fā)水污染事故中，對(duì)各種水體中的污染物質(zhì)進(jìn)行模擬，應(yīng)用較多較成熟的污染物指標(biāo)模擬包括水溫、PH 值、總氮、溶解氧、生化需氧量等。劉湛等[3]采用WASP7 模型模擬湘江株洲段豐水期鎘濃度，并進(jìn)行鎘污染負(fù)荷測(cè)算與分配，較好的反映出了鎘濃度變化規(guī)律。高鵬[4]采用WASP 模型對(duì)松花江酚類污染物遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行了模擬，為評(píng)估酚類污染物在水環(huán)境的遷移轉(zhuǎn)化做出了貢獻(xiàn)。

3.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化

WASP 模型被廣泛應(yīng)用于水體富營(yíng)養(yǎng)化問題的研究中，其廣泛應(yīng)用于模擬營(yíng)養(yǎng)物富集、富營(yíng)養(yǎng)化和消耗溶解氧（DO）的過程。楊平等[5]運(yùn)用WASP 水質(zhì)模型研究河流富營(yíng)養(yǎng)化問題，表明基WASP 水質(zhì)模型能夠較以往的經(jīng)驗(yàn)回歸等統(tǒng)計(jì)模型更能反映河流富營(yíng)養(yǎng)化問題的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

3.3 計(jì)算水環(huán)境容量

水環(huán)境容量是水環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)，是水環(huán)境規(guī)劃的重要環(huán)境約束條件，也是污染物總量控制的關(guān)鍵參數(shù)[6]。在當(dāng)前大量的研究中，運(yùn)用WASP 水質(zhì)模型對(duì)不同水體水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，常用的模擬指標(biāo)有：化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）、硝氮（NO3-N）、總磷(TP)、正磷酸鹽 (PO4)等。

3.4 水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)

利用WASP 水質(zhì)模型對(duì)水環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而分析水環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，并根據(jù)結(jié)果和不同警度采取相應(yīng)的防范措施。目前，WASP 水質(zhì)模型用來模擬水質(zhì)情況時(shí)，主要著重于研究水體水質(zhì)變化趨勢(shì)、污染物在水體中的行為模擬和預(yù)測(cè)和判斷水體中主要污染源等三方面。