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地表水环境数值模拟与预测:EFDC建模技术及案例实训

已有 817 次阅读 2019-7-9 14:32 |个人分类:科学书摘|系统分类:博客资讯| 科学出版社, 李一平, 龚然, 保罗·克雷格

在我国,地表水是十分珍贵的淡水资源。随着近几十年经济的高速增长,地表水资源短缺、生态环境问题日渐突出,受到了全社会的广泛关注。如何在不破坏水生态环境系统的前提下,通过实施人为控制、水量调度和科学管理的手段,合理有效地利用水资源,是科学工作者亟待解决的难题。

 

通常来说,研究地表水生态环境问题的手段包括野外观测、室内试验和数值模拟(数学模型)三大类。其中,数学模型扮演着越来越重要的角色,甚至有些问题由于构建物理模型环境极难实现而只能通过数学模型的方法来研究。同时,数学模型的应用,已从模拟水动力过程和流场分析,或简单水质变量的模拟与预测,发展到了对复杂的水生态环境过程开展模拟与预测。如今的应用非常广泛,例如环境规划、环境保护标准、总量控制、排污许可证、环境影响评价、污染防治规划、环境功能区划、水系规划方案和制定应急预案等诸多方面。所能解决问题的综合性、系统性和复杂程度越来越高,是水环境生态领域研究的热点。



《地表水环境数值模拟与预测:EFDC建模技术及案例实训》一书紧扣这一亟待解决的问题,对 EFDC 模型的使用进行了详尽的撰述,尤其是采用的6个案例,对建模的关键步骤进行具体指导,各有特色,内容非常丰富。




本书针对地表水环境数值模拟与预测的应用展开,全面介绍环境流体动力学模型(environmental fluid dynamics code,EFDC)的基本原理、建模技术和案例实训。


全书重点描述了可视化工具EFDC_Explorer(EE)的基本功能和建模操作方法,并提供6个模型案例作为实训素材,涵盖河流、浅水湖泊、深水湖泊(水库)和河口区域等;同时还将EE用户使用过程中最常遇到的各种疑难问题进行归纳和总结。


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图片来源丨Pexels


地表水环境数学模型


地表水环境数学模型是数学模型在地表水环境领域的应用,大致可划分为水动力学模型、水质模型和水生态模型三大类。其基本原理是基于计算机技术,将气象条件、水动力条件、水质边界条件等因素进行定量化约束。通过求解方程组,获得所求参数的时空分布特征及迁移转化规律,并以此为基础,进一步分析和判别各环境因子之间的相互关系,以及根据研究需要,进行模拟与预测等应用。通常,研究水环境问题的手段主要包括野外观测、室内试验和数值模拟。其中,应用数学模型的手段,在解决水环境问题中扮演着越来越重要的角色。水环境数学模型的应用,已不是从前的仅仅模拟水动力过程,或简单水质变量的模拟与预测;其如今的应用非常广泛,涵盖水质模拟与预测、水环境容量计算、水系规划方案和制定应急预案等诸多方面,解决问题的综合性、系统性和复杂程度越来越高。数学模型的研究和应用已成为水环境生态领域的热点。


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图片来源丨Pexels


国内外当前大量采用数学模型的方法,对河流、湖泊(水库)、河口、海岸带的水动力/水量、水质及富营养化、泥沙输运等过程,进行系统性的定量研究。其中不乏成功的经典案例,如美国奥基乔比湖水环境生态模型(Lake Okeechobee environment model, LOEM)。LOEM 能精确地描述奥基乔比湖水动力、沉积物、水质和沉水植物的变化过程,为其管理工作提供了有力的工具,堪称水环境模型的经典之作。再如,我国的太湖富营养化模型,建立了包含水动力、风浪、沉积物、水质和拉格朗日粒子追踪等模块的综合模型,服务于“引江济太”工程项目和太湖水生态环境的保护和管理。

 

在中国经济高速增长,成为世界第二大经济体的背景下,作为世界上最大的发展中国家和人口最多的国家,快速的经济增长已受限于水资源短缺和水环境污染等问题。


《中国环境状况公报(2017年)》显示,全国地表水1940个水质断面(点位)中,Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水占32.7%;全国112个重点湖泊(水库)中,水质Ⅳ类及Ⅳ类以下的湖泊(水库)数量为42个,占37.5%,主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。“十二五”期间,由于国家大力实施了水环境综合整治,全国地表水国控断面劣 V 类比例下降了6.8%。


2015年4月,国家出台了《水污染防治行动计划》(“水十条”),明确提出解决水环境污染问题的目标和时间期限。显然,保护未受损的河湖水系和修复已退化的水生态系统,既是国家未来水环境工作的重点,也是国家水安全的保障。掌握水环境生态系统的演进过程和规律是开展这些工作的关键步骤,水环境数学模型的应用必将在此过程中发挥重要的作用。

 

常用地表水环境数学模型功能对比


近30年来,水环境模型的研发工作主要是欧美国家领先,先后涌现出许多高品质的地表水环境数学模型软件。例如,WASP(water quality analysis simulation program)模型,素有“万能水质模型”之美誉;广泛应用的 EFDC(environmental fluid dynamics code)模型,耦合集成了水动力、水质、风浪、泥沙、重金属及有毒物质、沉积成岩和水生植物等模块,功能十分强大;此外,应用较多的模型还有CE-QUAL 系列、MIKE 系列和 Delft3D 等模型。国内近些年也开发出诸如 CJK3D、IWIND 等地表水环境模型的商用软件。


表1 常用地表水环境数学模型列表

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表1列举了国内外常用的18个水环境模型,统计指标包含模型特征、运行特征以及技术特征三大方面。其中,三分之二的模型设置有水动力模块,除了 MIKE SHE 外,其他模型均能进行水质模拟,能进行水生态模拟的常用模型有 AQUATOX、EFDC 和 IWIND,开发了成熟的沉积成岩模块的模型有 WASP、CE-QUAL-ICM/TOXI 和 EFDC。这些模型中,开源和具备友好的用户界面的模型更受用户的喜爱,也更有利于模型的使用和推广。


环境流体动力学模型(EFDC)


1、EFDC 模型简介


EFDC 模型是一个公共和开源的地表水模拟系统,集成了包括一维、二维和三维的水动力、泥沙输运、物质输移、水质动态变化、沉水植物以及底泥沉积成岩等模块,最早是由美国弗吉尼亚海洋研究所 John M. Hamrick 博士于1988年开始开发的。美国环境保护局(USEPA),包括科学技术办公室(The Office of Science and Technology)和研究与发展办公室(The Office of Research and Development),一直在为 EFDC 的开发提供持续的支持。EFDC 模型的持续发展在很大程度上也是由其用户推动的,这些用户来自学术界、政府部门和个人用户等。EFDC 模型已经成功应用于100个以上的水体,涉及河流、湖泊、水库、湿地、河口、海湾和海岸带等,应用领域包括水环境预测与评价、工程项目方案决策、发展 TMDLs 计划等。


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图片来源丨Pexels


自 1998 年以来,美国 DSI 公司(Dynamic Solutions-International, LLC)针对各种地表水体、沉积物输运和水质工程等实际应用项目,为 EFDC 模型程序提供改进,增添了许多新的功能和特性。

 

2、EFDC 模型的主要功能模块


EFDC 模型采用 FORTRAN 语言编制,其功能模块包括水动力模块、温度和传热模块、物质输运模块、泥沙输运模块、水质与富营养化模块、有毒物质污染与运移模块和拉格朗日粒子追踪模块等。这些模块相对独立又相互耦合,构成了完整的EFDC 模型系统(图1)。


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图1 EFDC 模型的主要功能模块


其中,水动力模块描述水流的运动,是整个模型系统的基础,也是构建泥沙输运、营养物质和有毒物质迁移与扩散的关键模块。物质输运模块描述了物质在水体中对流-扩散的基本问题;温度和传热模块描述了温度的传递规律、水体与大气界面以及沉积物界面的传递过程,是水质与富营养化模块的基础;泥沙输运模块基于水动力学模块,包含黏性与非黏性两类泥沙,可构建多层底床结构,模拟这两类泥沙的输运、推移、沉积和再悬浮过程;水质和富营养化模块内容丰富,包括水柱水质、沉积成岩和沉水植物等子模块。水质模块共有22个变量,可同时模拟4种藻类(蓝藻、绿藻、硅藻和大型藻类)生长和衰减的动态过程。沉积成岩模块可提供恒定和随时间变化的底部释放通量以及完整的沉积成岩模块,包含上下两层结构(有氧、厌氧)共27个变量,能够模拟底泥营养盐的物理、化学和生物过程,并对上覆水提供连续变化的底部释放速率。沉水植物模块可模拟沉水植物生长与衰减、沉水植物与水柱和底泥之间营养盐的循环等过程;有毒物质污染与运移模块可模拟有毒物质在泥沙和水体中的衰减、迁移和扩散过程;拉格朗日粒子追踪模块用于模拟漂浮物随水流运动和随机移动的迁移路径,可用于溢油事故的模拟。



本文摘编自李一平,龚然,[美] 保罗·克雷格著《地表水环境数值模拟与预测:EFDC建模技术及案例实训》绪论部分内容,略有删减改动。文中图片素材来源于Pexels素材网,仅供学术信息传播使用,如有侵权请及时联系删除。


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地表水环境数值模拟与预测:EFDC建模技术及案例实训

李一平,龚然,[美] 保罗·克雷格 著

责任编辑:惠雪

北京:科学出版社,2019.5

ISBN:978-7-03-061103-1





作 者 团 队




李一平,任职于河海大学环境学院,教授、博士生导师,同时受聘于美国北卡大学教堂山分校客座教授,美国阿拉巴马大学和加拿大温莎大学兼职博士生导师,《水资源保护》副主编,“水环境模拟与预测”学术年会发起人,全国河(湖)长制培训常聘授课教师。中国水利学会江苏省环境分会副主任委员、中国海洋湖沼学会湖泊分会常务理事、中国地理学会湖泊与湿地分会委员等。主要从事水环境系统规划评价、河湖富营养化机理及水环境数学模型等方面的研究与应用工作。作为主编现已出版专著《太湖水生态动力学模型研究》、全国河(湖)长制培训系列教材之《水污染防治》、《全国河湖长制适用技术指南》和《全国河湖长制适用技术细则》,作为副主编参编《地表水环境影响评价数值模拟方法及应用》,作为编委参编《英汉汉英水环境科技词典》。参与国家法规化质量管理模型遴选、地表水环境影响评价技术导则修编、数学模型应用指导教材编写以及环评工程师考前培训等方面工作。





龚然,副教授,中国环境科学学会会员,香港中文大学访问学者。2003年毕业于河海大学土木工程专业,2006年和2017年分别获河海大学环境科学与工程专业硕士、博士学位,2007年8月起于南京工程学院任教。长期从事水污染控制理论及技术、河湖富营养化与水环境数学模型的研究与应用工作。2013年获美国DSI公司认证为EFDC模型高级使用者,具有较领先行业技术和较丰富的实际经验。研究和实践领域:河湖水动力/水质/水生态过程模拟与预测;工程项目水环境质量评价;水环境容量计算,总量控制计算及规划方案论证;污染物迁移与转化及排污事件风险预警模拟。


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保罗·克雷格(Paul Craig),美国DSI公司(Dynamic Solutions-International, LLC.)创始人、董事长、高级顾问,水资源保护与管理专家。1989年毕业于田纳西大学土木/水资源工程专业,水文学和水力学注册专业工程师,拥有超过37年的从业经验,从事过超过100个水环境项目的设计和分析工作。专业领域:地表水水文学、水动力学、水质科学和水资源管理。目前专注于水环境模型和可视化界面开发,三维水环境动力学模拟与分析,包括EFDC,Delft3D,ECOMSED等。


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