EFDC模型在地表水环境模拟中的应用及进展

1EFDC模型在地表水环境模拟中的应用及进展摘要：EFDC(EnvironmentalFluidDynamicsCode)是EPA最为推荐使用的水质模型之一，使用范围较广泛，能够模拟河流、湖泊、河口、水库、湿地和近海区域等多种水体的三维水流、泥沙迁移和化学过程。文章综述了相关文献的研究结构，分别介绍了EFDC的基本原理、模块结构、基本方程、应用流程以及其在各类地表水模拟中的应用和发展。关键词：EFDC；模拟；应用2DevelopmentandapplicationofEFDCmodelinsimulationofsurfacewaterenvironmentAbstract：EFDC(EnvironmentalFluidDynamicsCode)isoneofthewaterqualitymodelsmostlyrecommendedbyEPAandhasawideapplicationinwatersystemsincluding:rivers,lakes,estuaries,reservoirs,wetlands,andnear-shoretocoastalregionswhichcansimulatethethree-dimensional(3-D)flow,transport,andbiogeochemicalprocesshappenedinthem.Inthispaper,baseonlotsofreferenceliteratures,theprinciple,modelstructures,primaryequationsandapplicationprocesswereintroducedfirstly,respectfully.Thenitsapplicationandadvanceinsimulationofsurfacewaterenvironmentwerealsosummarizedandanalyzed.Keywords：EFDC;estuarine;application3EFDC模型在地表水环境模拟中的应用及进展引言水质模型研究一直是环境科学研究的重要内容之一，它是定量描述污染物在水体中迁移转化规律的数学方程，涉及到气象、水文、水力、水化学、水生物、沉积物、数学、计算机等多门学科知识。应用水质模型可以定量的进行水环境质量的模拟和预测，为水环境的水质评价、预测及污染调控与管理提供依据]1[。EFDC(EnvironmentalFluidDynamicsCode)模型是作为模拟河流、湖泊、水库、河口、海洋和湿地等地表水系统的三维水质数学模型，由Fortran语言编制而成]2[。最初是由佛吉尼亚吉尼亚海洋科学研究所(VirginiaInstituteofMarineScienceforEstuarineandCoastalApplications)开发的，是一个开放式的软件。此后，美国国家环保署(EPA)对EFDC模型进行了二次的开发。目前，EFDC模型已经成为美国国家环保署最为推崇的模型之一，并广泛应用于各个大学、政府和环境咨询机构。在80多个模型的研究中获得了成功的应用，如水动力和水质模拟、沉积物模拟、电厂冷却水排放模拟、水库及其流域营养物质模拟预测[7]、沼泽地大型湿地模拟等等。本文主要对EFDC的设计原理、软件功能以及EFDC在各类地表水模拟中的应用和进展进行了综述，希望能够推进该模型在我国的地表水环境研究中的应用。1EFDC模型1.1EFDC模型的基本原理EFDC模型的计算方法和原理与美国陆军工程团的Chesapeake河口模型Blumberg-Mellor模型有诸多相似的地方。EFDC模型对非等密度流体运用三维、垂直静压力、自由表面、紊流平均的动量平衡方程。模型在水平方向采用正交曲线坐标和笛卡尔坐标系，垂直方向采用sigma坐标。输运方程结合了紊流长度、紊流动能、温度和盐度四种变量。针对溶解物和悬浮物，模型同时计算欧拉输运-地形变化方程。在满足质量守恒的条件下，EFDC模型可以在浅水区域采用漫滩数值模拟。除此之外，模型还有许多流量控制的功能选项，例如输水管道、泄4洪道和堰坝。对于动量方程，在空间上EFDC采用C网格或交错网格，运用二阶精度的有限差分格式。水平扩散方程在时间方面运用显格式，在空间方面运用隐格式。水平输运方程采用Blumberg-Mellor模型的中心差分格式或者正定迎风差分格式。水平边界条件包括流入物质的浓度，迎风向物质的流出以及指定气候条件下的物质释放。热输运方程采用大气热交换模型]3[。1.2EFDC模型的结构模块图1是EFDC模型的结构示意图，其主要由三部分组成：包括水动力、水质、泥沙-有毒污染物迁移]1[。可以通过控制输入文件进行不同模块的模拟。EFDC水动力学模块包括有淡水流、大气作用、水深、表面高程、底摩擦力、流速、湍流混合、盐度、水温等9大部分，可以计算，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水质，底泥迁移和毒性物质等模块耦合，作为物质运移的驱动条件。EFDC的水质模块模拟原理与WASP5类似，结合了21种水质变量，模型能够从空间和时间的分布上模拟水质参数，其中包括溶解氧、悬浮藻类、碳的各种组成、氮、磷、硅氧循环以及大肠杆菌等]4[。沉积物模块和水质模块的耦合不仅增强了模型水质参数的预测能力，还可以模拟水质条件跟随营养盐负荷变化相应的情况。EFDC泥沙模块可进行多组分泥沙的模拟，根据在水体里面的迁移特征把泥沙分为悬移质和推移质，悬移质根据粒径大小分为粘性泥沙和非粘性泥沙，进而还可细分为若干组。模型可根据物理或经验模型模拟泥沙的沉降、沉积、冲刷及再悬浮等过程。EFDC有毒污染物模块可以模拟各类型污染物在水体中的迁移转化过程，该模块需要研究者针对特定有毒污染物提供具体反应过程设定反应系数。而底质模块模拟沉积物与水体之间的物质交换过程。51.3EFDC模型的关键方程1.3.1水动力方程EFDC水动力学方程采用垂向静压假定，在水平方向上采用曲线正交坐标系，水质方向上采用σ坐标变换，沿重力方向分层，求解三维紊动粘性方程，水平边界拟合正交曲线坐标系和垂向σ坐标系下控制方程。动量方程：（1）（2）gHbgHmt100)()(（3）连续方程：0)()()()(mwHvmHummzxyyxt（4）0)()()(1010dzvHmdzuHmmxyyxt（5）状态方程:),,(TSPa（6）盐度和温度输移方程：sazvzazaxyayxatQSKmHmwSHvSmHuSmmHS)()()()()(1（7）TzvzzxyyxtQTKmHmwTHvTmHuTmmHT)()()()()(1(8)式中：u是边界拟合正交曲线坐标x方向上的速度分量；v是边界拟合正交曲线坐标y方向上的速度分量；w是边界拟合正交曲线坐标z方向上的速度分量；xm和ym是分别为度量张量对角元素的平方根；m是度量张量行列式的平方根，yxmmm；xA是垂向紊动黏滞系数；vK是垂向紊动扩散系数；f是科里奥利系数；P是压力；是混合密度；0是参考密度；aS是盐度；T是温度；uQ和vQ是动量在x和y方向的源汇项；sQ和TQ是盐度和温度的源汇项。联立公式)8(~)1(，8个方程可以解出TSpwvu、、、、、a和等8个变量]2[。1.3.2泥沙输移方程uZVzzxxyxyxyyxzxyyxtQuAmHpHzhmpgHmHvmumvmfmHwuHvumHuummHu)()()()()()()()(1vZVzzxyxyxxyyxzxyyxtQvAmHpHzhmpgHmHumumvmfmHwvHvvmHuvmmHv)()()()()()()()(16三维泥沙输移方程如下：式中：aK是水平紊动扩散系数；sjw是沉降速度；S是悬浮泥沙单位体积质量浓度；sQ是泥沙的源汇项。HK和水平紊动黏滞系数HA可以根据Smagorinsky公式计算，212222})(])()[(21){(210vuvuyxAyyxxdH（10）方程（10）式守恒形式的对流扩散方程，悬浮泥沙的全部质量只是通过水域边界的通量而改变(开边界、自由表面和底部)。通过开边界和自由表面边界的通量可以用流场数据确定，通过底部界面的通量则是模型计算出的浓度、水动力和底部泥沙属性的函数。在潮流运动中，水平输送主要是对流运动，在σ坐标下，垂向输送大体上由沉速和垂向扩散控制。当水动力作用较强时，底部呈冲刷状态，底部冲刷物质由于扩散向上输送；当水动力作用较弱时，悬浮泥沙垂向沉降形成底部沉积物]2[。1.4EFDC模型的应用流程EFDC在模拟计算过程中首先完成流场计算，获得三维流速场的时空分布特征，在此基础上计算泥沙迁移、冲淤作用，进而模拟受粘性泥沙吸附影响的各水质变量动态变化过程。图2为EFDC的运算流程图]5[。2EFDC在各类地表水环境中的应用由于社会群体对环境保育和生态恢复愈来愈重视，人们在地表水环境环境管理方面做了大量的研究。EFDC被用于各类地表水环境的研究中，包括：河流、szvzyHyxyxHxyxsjzzxyyxtQSHKmSHKmmSHKmmSmwmwSHvSmHuSmmHS}{}{}{)()()()()(7湖泊、水库等。2.1水库水环境的模拟杨倩等]6[通过搭建EFDC密云水库二维水动力—水质模型模拟密云水库水环境。密云水库是北京市最大的也是唯一的地表饮用水水源地，随着社会经济的高速发展，密云水库水环境受到污染，水库水质有了下降趋势。掌握库区基本的水文特征、水环境机理，并进行模拟预警，对遏制密云水库水体恶化具有一定的指导意义，为水库环境治理工作提供相关的技术支撑。研究通过收集水库库区及周边的实测数据，对研究区模拟范围的时空进行概化，搭建EFDC密云水库二维水动力—水质模型。通过密云水库水动力模型，得到良好的水位模拟结果，平均误差约为-0.61%。水温模拟结果客观的反应了密云水库四季温度变化，解释了冬春季湖心水温低、夏秋季湖心温度高的主要原因是由于水库入流受气温影响较库区水体大，且库区水体交换周期长，并且水体的生态转化也会产生热量。在水动力基础上，利用2007-2008年水质数据建立密云水库水质模型并进行模型率定，水质率定模拟结果表明：各项水质指标模拟变化趋势和实测值变化趋势基本相符，模拟效果良好，总体平均误差在可接受范围内：DO平均误差13.34%，氨氮平均误差12%，总氮平均误差11.43%，总磷平均误差12.34%。2008年模拟验证结果表明，各项水质指标模拟变化趋势和实测值变化趋势拟合关系好于率定模拟结果，总体平均误差在可接受范围内，可以满足预报、预警等技术要求。在调试好的水质模型基础上，设置了瞬时排放污染物及连续排放污染物两种情景，并选用衰减系数为1e-8、1e-7、5e-7的人工处理方式并与未考虑衰减系数的情况作为对比，发现：（1）瞬时排放事故发生点位于库区内部，污染物云团运移驱动力主要以风速为主，并沿库区东部、南部所形成的涡旋进行运动扩散；而连续排放事故点位于入流点附近，入流水流则作为主要驱动力影响溶质运移。（2）瞬时排放条件下考虑三种不同衰减系数情况，随着衰减系数增大，同一时刻峰值浓度出现减小趋势。（3）考虑衰减系数下，污染羽范围明显下降。综上所述，使用EFDC模型模拟密云水库水环境并进行污染物突发事件具有一定可行性，可为密云水库治理、防治等工作提供技术支撑。2.2长江口温盐模拟郑晓琴等]7[基于EFDC模式建立了长江口及邻近海域三维温盐模型。计算8区域包括长江口、杭州湾及其邻近海域，长江口上界取到洪季潮流界江阴,杭州湾上界取到钱塘江的仓前。模型的初始条件涉及水位和流速,以及温度盐度的初始场；研究区域考虑6个主要分潮,即M2,S2,K1