基于EFDC水动力-水质模型的建立

邵世保 吴雁 张德辉 耿永辉 周鹏 郝红珊

摘要：本文根据马鞍山市慈湖河流域水环境现状，结合当地政府对慈湖河的管理整治目标，选择EFDC水动力-水质模型作为慈湖河水环境模型。并根据慈湖河流域整体情况对时间空间进行概化。时间概化上，最终确定水动力学模拟时间步长为10s，水质模拟时间步长为20s;空间概化上，采用凸四边形网格概化，各网格之间为一维线性关系;通过CAD、GIS软件，将河道划分为106个网格，共计86行、24列，建立二维模型。通过研究参考文献及相似案例，最终确定本模型的参数和取值。将参数值输入程序中，对慈湖河流域2013年水质进行模拟计算。与马鞍山实际数据比对后发现，模型输出的水位、流速、水质结果在合理范围内。表明在慈湖河干流建立二维水质污染扩散模型，具有较高的拟合、预测精度和泛化能力，模型及方法可为相关水质预测研究提供参考。此外该模型可与web应用系统集成，应用于水质预警，模拟不同污染负荷情形下水质变化，模拟污染事故发生后不同应急措施对污染情况的改善效果，为污染控制和水环境管理工作提供科学依据。

关键词：EFDC模型;二维水质污染扩散模型;模型集成;水质预警;慈湖河

中图分类号：X11 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）02-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.057

Abstract：According to the current water quality in Cihu River Basin in Maanshan City，combined with the local government measures for Cihu River，we chose the EFDC hydrodynamic-water quality mode，and got the time generalization coefficient and the spatial generalization coefficient for this model.The time step for hydrodynamic simulation was 10s， and the water quality simulation is 20s.For the spatial generalization， we used the convex quadrilateral mesh generalization method， and the linear relationship among the grids was one-dimensional.We use CAD and GIS software to build a two-dimensional model for the river， dividing the river into 86 rows and 24 columns， for a total of 106 grids.After studying a large number of references and similar cases， we finally determined the parameters of this model， and used these parameters to simulate the water quality of the Cihu River Basin in 2013.After comparing with the actual data of Maanshan， we found that the water level， flow rate and water quality result of the model were reasonable.It proved that the model had high fitness， high prediction accuracy and high generalization ability.This method could provide reference for water quality prediction research in the future.In addition， the model could also be integrated with web system， applied to water quality warning，simulate water quality changes under different pollution load situations， simulate the improvement effect of different emergency measures on pollution after the occurrence of pollution accidents， and provide scientific basis for pollution control and water environment management.

Key words：EFDC Model;Two-dimensional water pollution diffusion model;Model integration;Water quality warning;Cihu River

1 研究背景

慈湖河為马鞍山市境内河流，上游发源于东南部丘陵区，下游注入长江干流，全长26.1km。历史上慈湖河受上游矿山开采、周边面源污染等影响，污染严重，有少量的污染监测数据，没有水文监测。近几年，马鞍山市开始了慈湖河流域整治工程，包括：化工企业整治、采选矿企业整治、酸性渗出水治理、垃圾场渗滤液处理设施改造、污水集中处理、河道整治、水土保持与生态恢复、绿化及景观工程等，致力于将慈湖河打造成一条绿色景观河[1]。

流域水环境模型是通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程进行定量化描述，识别污染物主要来源和迁移途径，通过大数据计算提供水质预警功能的重要工具。为了应对频发的水环境污染事故，在污染事故发生后快速有效地制定应急响应措施、保护水环境[2]，有必要结合马鞍山市环保局将在慈湖河建立的水质自动监测站，通过模型实现水质预警功能，支持应急方案的制定与优选决策。考虑到慈湖河定位于景观河，周边规划了大量的居民区、湿地公园等建筑物[3]，模型模拟重点关注影响水体感官的指标。模型的建立工作是针对改造后的慈湖河开展的，在能获取的数据情况下，尽量考虑支流、排涝泵站、橡胶坝等对其的影响。

本研究拟在慈湖河干流建立二维水质污染扩散模型，模型建立后与web应用系统集成，自动模拟不同污染负荷情形下水质变化情况。通过模型可以模拟、预测水环境的流场和水质随时间发展的变化规律，还可以为进一步的水环境的水质控制、改善、调节、管理提供科学的依据和决策方案。

2 模型选择

在模型选择的过程中，可以将考虑因素归为三大类：水环境管理的目标与需求、具体管理区的特征、资源情况。因此，需要根据实际情况，综合考虑需求度与限制条件，尽可能使用简单而有效的模型，在不能两全时，需要寻找模型简单化和模型精确性的平衡点，选取实用的模型。

在本研究中，考虑模型选择的共性特征，将模型选取的原则归纳为如下几点：①模型具有“水动力-水质”联合模拟功能，考虑水动力学条件，能够使模型应用于不同水情下的允许纳污量计算;②模型能够同时模拟多个水质指标之间的复杂反应;③模型易于获取，一般使用较为广泛应用的免费模型，在有特殊需求时，也可采用较为成熟的商业模型软件;④模型具备一定的研究基础（例如空间网格划分的尺度、参数取值等），使得建模工作可以快速完成，模型可以快速应用于水环境管理工作中;⑤模型的数据需求与实际数据量相匹配，不宜使用对数据需求过高的模型。

本次研究中，选取EFDC水动力-水质模型作为慈湖河水环境模型。

EFDC，全称（The Environmental Fluid Dynamics Code）是美国威廉玛丽大学John Hamrick开发的一个开发的一个三维地表水模型，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[4]。模型采用Mellor-Yamada2.5阶紊流闭合方程。同时模型可进行干湿交替模拟。此模型已在国内得到较为广泛的使用，进行河流或湖泊水库的水动力模拟[5]。

EFDC模型现已作为USEPA的模型，由USEPA进行模型的开发与升级。1999年后的EFDC中，加入了可进行水质模拟的模块，并在随后的发展中不断完善模型的水质模拟[6]，弥补了最初的水动力模型无法进行水质模拟的缺点。模型能够模拟22个水质变量之间复杂的迁移转化反应。2006年开发出的EFDC-explorer作为EFDC模型的界面软件，是一个部分功能开放的商业软件，能够通过软件界面便捷的对模型的输入进行设定，并且对模拟结果进行后处理与分析。

3 模型概化

模型的概化是模型构建的基础，包括時间概化和空间概化。

3.1 时间概化

模型的时间概化，需要结合研究区域的情况，综合考虑输入可能性与目标需求。一般来说，模型的时间概化需要考虑以下几个因素：

（1）概化的时间步长应小于重要变量的变化周期;（2）可获得数据的详尽程度;（3）实际计算过程中的数值稳定性和精确性。

在确定模型的时间步长时，在考虑上述因素的基础上，也需要结合实际情况。比如，当某个关键变量的时间周期过小，可获得的数据远无法满足要求时，可以适当通过对一段时间内求平均的方式，适当放宽此项要求。在本研究中，通过综合考虑上述因素，确定模拟周期为1年，具体为2013年1月1日-2013年12月31日。

水动力学模拟时间步长为10s，水质模拟时间步长亦为20s。经模型运行调试后证明在此步长下，模型能够稳定运行。

3.2 空间概化

3.2.1 单元格划分

模型单元格的划分，需要综合考虑研究区域的空间分异性，模拟精确程度，选取模型输入要求，可得数据详尽程度等。由于本研究区域范围大，水系结构复杂，对部分河段在小范围内进行裁弯取直的处理方式。且由于选用的EFDC模型要求，概化是采用凸四边形网格（部分急弯、交汇等特殊区域为三角形）。各网格之间的的连接均为一维线性连接关系。同时，由于后续污染物溯源研究主要关注污染物空间位置，对河道断面内垂向浓度分布无明显要求，故而垂向不分层，建立二维模型。

3.2.2 空间数据处理

本研究中，获得的原始数据包括：慈湖河上中下游的规划设计CAD图层（.dwg文件）等。应用CAD、GIS软件对数据进行处理，提取出研究对象的水系结构图层，并进行空间网格概化，每个网格将视为一个完全混合体。研究中，考虑了整体模拟范围的空间尺度以及水流在常流量下流经单元网格的流行时间，最终将河道划分为106个长约200m、宽随河道实际情况而变化的凸四边形网格，垂直方向不分层。根据CAD图层中河底设计高程点对整个研究对象网格的高程进行内插，得到概化网格的高程数据。最后，根据上述数据，写出EFDC模型输入所需的cell.inp，dxdy.inp，lxly.inp等输入文件。

3.2.3 概化结果

概化后的慈湖河网格结果如图1所示。网格概化的cell.inp文件（0表示四周或者四角均没有成为湿网格边界的干陆地网格，5代表四边形含水网格，9代表与含水网格四周或者四角相接的干陆地网格或开放边界含水网格四周四角假设的干陆地边界），共计86行，24列，具体如图2所示。

4 参数选取及输入条件准备

在模型模拟的过程中，参数的选取和率定，直接确定了模型模拟的准确程度和适用范围。故参数的选取和率定，对模型的建立和模型的应用都十分重要。

本研究中，模型参数的选取主要遵从以下几个原则：（1）参数的选择和取值，借鉴参考使用说明书、参考文献、相同和相似研究区域前期模型研究成果中的推荐值;（2）参数的最终取值，在满足上述条件基础上，通过试错法进行参数率定确定。EFDC水动力模型中，本研究所选取的参数主要为曼宁粗糙系数。一般河道的曼宁粗糙系数为0.01～0.08，本研究中粗糙系数取值为0.035。其余参数，如时间参数、空间参数等，一般按照文献调研结果以及实验模拟率定，写入在efdc.inp这一主输入文件中。对于每一个水动力-水质模拟应用研究，模型配置和环境数据输入可能需要配置表1所列（按字母顺序排列）输入文件。

模型主程序为efdc.exe，主程序读取输入文件后进行计算，得到水动力学及水质模拟计算结果的输出文件。

将污水处理厂出水及主要支流作为模型的源输入，其流量及水质设置如表2所示。

5 模型结果

选取10个点（图3）输出水位、流速、水质等结果，由于研究区域没有水文监测结果，无法进行率定，因此根据经验对其进行判断，结果在合理范围内。水质模拟结果（图4）亦在合理数值内。

6 结论

（1）本文根据马鞍山市慈湖河流域水环境现状，结合当地政府对慈湖河的管理整治目标，对比了几种模型后，选择EFDC水动力-水质模型作为慈湖河水环境模型。

（2）根据慈湖河流域整体情况：时间概化上，最终确定水动力学模拟时间步长为10s，水质模拟时间步长为20s;空间概化上，采用凸四边形网格概化，各网格之间的的连接为一维线性连接关系;通过CAD、GIS软件，将河道划分为106个网格，共计86行、24列，建立二维模型。

（3）通过研究参考文献及相似案例，最终确定本模型的参数和取值。将参数值输入程序中，对慈湖河流域2013年水质进行模拟计算。

（4）与当地实际数据进行比对后发现，模型输出的水位、流速、水质结果在合理范围内。表明在慈湖河干流建立二维水质污染扩散模型，具有较高的拟合、预测精度和泛化能力，模型及方法可为相关水质预测研究提供参考。

（5）本文在慈湖河干流建立二维水质污染扩散模型，可与web应用系统集成，模拟预测水环境的流场和水质随时间发展的变化规律，模拟不同污染负荷情形下水质变化情况，还可以为进一步的水环境的水质控制、改善、调节、管理提供科学的依据和决策方案。同时为了应对频发的水环境污染事故，在污染事故发生后快速有效地制定应急响应措施、保护水环境，结合当地在慈湖河建立的水质自动监测站的水质监测数据，通过模型工具实现水質预警功能，支持应急方案的制定与优选决策。

参考文献

[1]李玲.马鞍山市创建生态文明建设示范市的几点思考[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2017，34（6），15-17.

[2]杜卓亚.马鞍山市环境保护形势分析[J].中国科技信息，2010（10），16-17.

[3]崔小新.湿地系统对生态河流治理水质改善的研究——马鞍山市慈湖河中段综合治理工程为例[J].中国农村水利水电，2012（7），54-57.

[4]张以飞，王玉琳，汪靓.EFDC模型概述与应用分析[J].环境影响评价，2015，37（3），70-72.

[5]陈异晖.基于EFDC模型的滇池水质模拟[J].云南环境科学，2005，24（4）：28-30.

[6]李一平，唐春燕，余钟波，等.大型浅水湖泊水动力模型不确定性和敏感性分析[J].水科学进展， 2012，23（2）：271-277.

收稿日期：2019-09-11

作者简介：邵世保，男，研究方向为生态环境保护相关。