水污染模型EFDC在环境污染中的应用研究探讨

杨金华

（山东省聊城市环保局，山东 聊城 252000）

EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code）模型是由威廉玛丽大学维吉尼亚海洋科学研究所（VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary）的John Hamrick等人开发的三维地表水水质数学模型，可实现河流、湖泊、水库、湿地系统、河口和海洋等水体的水动力学和水质模拟，是一个多参数有限差分模型。该模型系统主要包括水动力、泥沙、有毒物质、水质、底质、风浪等模块。水动力学模块可计算如下内容：流速，示踪剂，温度，盐度，近岸羽流和漂流。水动力学模型输出变量可直接与有毒物质等模块耦合，作为物质运移的驱动条件，可以模拟各类污染物在水体中的迁移转化过程以及水体的生态动力学过程。本文以某河流为例，利用EFDC模型的有毒物质模块，实现模拟污染物在水体中扩散的过程，同时结合GIS实现整个过程的动态可视化。

1.GIS数据建立与处理

1)GIS数据库的建立

在整个系统建立过程中，首先要建立数据库。数据库的建立主要包括GIS数据和业务属性数据，其中空间数据主要包括：水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被等基础数据；以及河流周边的敏感点信息数据。数据的坐标系采用WGS84（World Geodetic System 1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统）。其中属性数据包括与模型计算相关的参数信息数据、模型计算的结果数据、浓度信息数据等，模型计算结果数据量较大，为了提高性能需要建立相关的索引。

2)GIS数据的处理

查询出面状水系图层被研究对象的数据，提取河流两岸坐标点对（经纬度格式）信息，并序列化，以文件格式进行保存，然后启动坐标转换程序，导入序列化坐标文件，批量转换成大地坐标点对文件。

2.二维正交网格化

河道平面二维数学模型网格生成方法研究中两个关键问题：第一网格与河道拟合的贴体问题；第二二维网格、控制方程和数值方法三者之间的匹配问题。目前，常用的河道二维正交网格生成方法是边界拟合坐标系方法，即河道Thompson法，它主要是通过物理平面(天然河道平面)与变换平面(数模计算平面)之间Poisson方程边值问题数值解实现二维正交网格的生成。但河道Thompson法存在一些问题。本文采用Hermite三次插值函数，生成河道沿程纵向与河势或主流线相拟合的河势拟合线(曲线)，并使得河宽方向横向网格线(直线)与网格控制断面相吻合，从而构造出平面二维正交四边形网格。具体网格化主要包括以下几个步骤：

1)确定网格控制断面和节点

选取研究河段的进出口断面、河段内水位/水文站点或测流断面、河势控制断面以及需要重点研究河段的控制断面等作为网格控制断面；在所选取的网格控制断面上确定网格控制节点，根据上面所生成的坐标点作为控制节点，所选择的网格控制节点即为数学上Hermite三次插值函数的计算节点。

2)生成河势拟合曲线

利用上述Hermite三次插值函数，可以生成一条既通过网格控制节点，又垂直于网格控制断面的河道纵向网格控制曲线。通过多次调整网格控制断面和节点，使得所生成的网格控制曲线与研究河段的河势或主流线相拟合，将最终生成的河道纵向网格控制曲线确定为河势拟合曲线。这一步是河势贴体网格生成方法的关键和核心。

3) 构造平面二维网格

选取和调整纵向和横向网格间距，构造由平行于河势拟合曲线的曲线簇和垂直于河势拟合曲线的直线簇 (包括网格控制断面)的河势贴体平面二维正交四边形网格。经过处理后网格数据，数据以文件的方式导出进行保存，供EFDC模型计算应用。

3、EFDC模型计算

表1

EFDC具有通用性好、数值计算能力强、数据输出应用范围广等特点。尤其有毒物质模块的模拟精度已经达到相当高的水平。为了实现EFDC模型可视化的计算过程，对系统进行了重新的架构。首先把模型参数进行了梳理，编写了模型参数录入界面；然后把调用EFDC程序进行计算；最后以文件方式输出计算结果。

1)模型计算参数的说明和相关值明细表如表1所示：

2）模型计算

模型输入参数后点击“模型计算”按钮后，把相关参数传递给配置文件，然后启动EFDC计算程序进行计算。在计算过程中不要关闭视窗，直到计算完毕。最后计算的结果存放在TOXCONH.OUT文件中，供集成系统进行调用。

4.与GIS集成展示

为了能够使得模型计算结果动态的、直观的展现，本系统实现了模型结果与GIS无缝的对接，同时实现了模拟结果的动态展示，能够直观展示出污染物在水体中扩散的过程，以及系统能够手动添加监测点，并展示该监测点污染物浓度的变化值。

结语

1)计算机技术、水质模型技术与GIS技术的发展为我们水污染扩散的模拟提供了强有力的工具。特别是本系统的建立使得整个数据处理、参数录入、模型计算、结果展示实现了可视化、自动化、直观化。

2)基于GIS的EFDC模型的无缝集成系统经过运行表明，这种集成化的方式能够快速的计算模拟出某条河流出现污染物泄漏或排放的扩散过程。能够为应急决策提供依据。该系统可以在水源地保护应急工作中应用。

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