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水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.412009年第4期第3卷第4期水科学研究WaterScienceResearch水质分析模拟程序6(WASP6)专题特邀主编：郭丽君主办：水科学网水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4水科学研究（2009年第4期第3卷第4期）目录前言1.WASP6翻译说明12.第五章基本水质模型郭丽君译23.第六章化学示踪剂传输郭丽君译94.第七章沉积物运移郭丽君译245.第八章溶解氧庞莹莹译326.第九章富营养化庞莹莹译527.第十章简单有毒化学物庞莹莹译84投稿须知94I水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4前言WASP6(WaterQualityAnalysisSimulationProgramVersion6.0)全称为水质分析模拟软件第6版，简称黄蜂6，是美国国家环保局开发的专业水质模型软件。WASP6包括两个独立的计算子程序：DYNHYD5和WASP6，这两个子程序可连接运行，也可以分开执行。DYNHYD5是水力学计算程序，它给WASP6传输所需的水力学参数。WASP6提供两类水质模型子程序：EUTRO和TOXI，分别用来解决两类水质问题：（1）传统的水质问题，由EUTRO子模块来完成，包括BOD、DO、P、N；（2）有毒污染物问题，由TOXI子模块来完成，包括有机污染物、重金属、底泥。目前，WASP6广泛用于不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况。为方便了解WASP6水质模型，掌握各水质组分在水体中的迁移和转化规律，《水科学研究》网上期刊专集，即网上期刊《水科学研究》2009年第4期，主要围绕着WASP6水质模型展开，节选水质分析模拟软件第6版-用户手册的5-10章，介绍各水质模块及基本原理。通过网络期刊及时了解国外研究成果，是一种非常好的形式，希望能得到您的积极支持和响应。一方面，欢迎广大读者特别是研究生投稿，这对提高研究生阅读国外文献、了解国外专业知识、促进学术交流都会有很大作用；另一方面，欢迎对我们的工作提出修改意见。因为翻译人员都不是专业翻译人员，英语水平有限，翻译的不一定准确，文章中难免会有错误或者不正确的地方，希望广大读者见谅。编者相信，本刊编辑的《水质分析模拟程序6（WASP6）》将会对水质分析模拟程序6的使用提供一定的参考价值，同时在广大水科学工作者一如既往的积极推动下，水质分析模拟研究将会取得更大进展。本刊主编:左其亭II水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4WASP6翻译说明WASP6(WaterQualityAnalysisSimulationProgramVersion6.0)全称为水质分析模拟软件第6版，是美国环境保护局提出的水质模型系统。WASP6模型包括两个独立的计算机子程序DYNHYD5和WASP6，两个程序可连接运行，也可以分开执行。WASP6可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不稳定流、常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律，被称为万能水质模型。WASP6模型在美国环保局（EPA）的主页上可自由下载。其运行程序自带有水质分析模拟程序6.0——用户手册（WaterQualityAnalysisSimulationProgram(WASP)Version6.0——DRAFT:User’sManual）。WASP6用户手册共有12章，其中第1章为前言；第2章为致谢；第3章为简介，包括WASP6的安装、技术支持、工具栏、时间函数、打印间隔、模型执行等内容；第4章为可视化后处理程序，包括主工具栏、模型输出选择、空间图形分析等内容；第5-11章为水质模型，包括化学示踪剂传输、沉积物运移、溶解氧、富营养化、简单有毒化学物、有机化学物等内容；第12章为参考文献。鉴于WASP6水质分析模拟模型在水质模拟方面的优势，《水科学研究》网上期刊专集，即网上期刊《水科学研究》2009年第4期，主要围绕着WASP6水质模型展开，节选用户用册中的第5-10章，分别介绍了基本水质模型、化学示踪剂传输、沉积物运移、溶解氧、富营养化、简单有毒化学物模拟的基本基本原理。1水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4第五章基本水质模型英文来源：WaterQualityAnalysisSimulationProgramVersion6.0,DRAFT:User’sManual作者：TimA.Wool,RobertB.Ambrose,JamesL.Martin,EdwardA.Comer翻译：郭丽君WASP6(水质分析模拟程序)为一维动力箱式模型，可用于分析各种水体中的（塘、溪、湖、水库、河流、河口以及海岸水域）水质变化问题，本章概述了WASP基本的水质模型。后面各章将详细介绍各种水质组分的运移与转化过程。WASP6基于质量守恒原理求解方程。质量守恒原理要求将所研究的任一水质组分的质量以一种或多种方式加以说明。WASP6可模拟每一水质组分从输入点到昀终输出点的时空变化。为了执行这组质量守恒计算指令，用户必须为WASP6提供7个重要特性的输入数据：(1)模拟和输出控制；(2)模型的分段数据；(3)污染物质的平流和弥散作用的界定；(4)边界浓度的确定；(5)点源与面源污染负荷的确定与输入；(6)动力学参数、常量与时间变化相关函数的输入；(7)初始浓度的输入。这组输入数据与WASP6基本的质量守恒方程以及特定的化学动力学方程相结合，将唯一地确定一组特定的水质方程。WASP6适时地将这组水质方程经过综合性数值模拟以作为模拟过程。在用户指定的打印间隔中，WASP6通过后处理器程序保存所有显示变量的值以便于随后检索。这组程序允许用户交互式地生成所有变量的图表和表格。5.1基本的质量守恒方程某一水体内溶解组分的质量守恒方程必须要考虑所有通过直接和间接扩散负荷、对流和离散运移、以及物理的、化学的和生物转化输入和输出的质量。质量守恒方程如方程5-1所示，X轴和Y轴在水平面上，Z轴在垂面上。2水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4图5-1质量守恒方程坐标系无限小的流体体积的质量守恒方程为：()()()KBLzyxzyxSSSzCEzyCEyxCExCUzCUyCUxtC+++⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂+∂∂−∂∂−∂∂−=∂∂（5-1）式中，c表示水质组分的浓度，m/L或g/m3；t表示时间步长，d；Ux，Uy，Uz表示纵向、横向、垂向对流速度，m/d；Ex，Ey，Ez表示纵向、横向、垂向扩散系数，m2/d；SL表示点源和面源，g/m3.d；SB表示边界负荷，g/m3.d；SK表示源漏项(源为正，汇为负)，g/m3.d；通过将无限小的控制体积扩展到大面积的相邻“单元体”，并指定合适的传输、负荷和转化参数，WASP可生成方程5-1的有限差分格式。有限差分格式简单明了，但是，质量守恒方程的有限差分格式求导后是表示维方程。假定垂向和横向是均匀的，我们可综合Y轴和Z轴，得到方程5-2。WASP生成质量守恒方程的有限差分格式()KBLxxASSSAxCAEACUxACt+++⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂+−∂∂=∂∂)(（5-2）式中，A表示横截面面积，m2。方程5-2包含了三个水质过程，传输（项1）、负荷（项2）和转化（项3）过程。以下章节将详细介绍模型网络和主要的水质过程。5.2模型网络模型网络由一系列能代表水体的物理结构扩展的控制体体积或“单元体”集成的。如图5-2所示，模型网络可将水体在纵向、横向和垂向上分割。划分的网格既包括水流单元，也包括河床单元。如果将水质模型与水动力模型联合起来运行，水流单元必须与水动力节点相符合，即可计算出每个单元体内水质组分的浓度，以及水质组分通过相邻单元体的传输速率。3水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4图5-2模型单元结构WASP模型中的单元体网格只是四种网格类型中的一种，指定输入变量为ITYPE，图5-2中的1表示变温层（表层水），2表示均温层（下层面），3表示上底泥层，4表示下底泥层。单元体类型在河床沉积和特定转化过程中起着重要作用。用户应注意适当调整单元体。当某一单元体恰好位于每一单元体下方时，指定输入变量为IBOTSG。在水流单元内，当光照需要从某一单元体透射到另一单元体，或是河床单元内某些物质被埋没或侵蚀时，调整单元体就显得非常重要。单元体体积与模拟时间步长直接相关。当某一变量增加或减少时，另一变量也必须与之做相同变化，以保证网络稳定性和数值准确性。如图5-3所示，单元体尺度相差非常大，特征尺度多是由所分析问题的时空尺度确定，而不是由水体或污染物本身来确定。例如，分析污染物通过上游潮汐推移作用进入某一水源系统可能需要的时间步长是几分钟到一小时。与之相反，分析污染物在该水体内总停留时间需要的时间步长可能是几小时到一天。第一层网络用于分析安大略湖总体的富营养化状况。第二层网络用于研究安大略湖富营养化的时空变化。第三层网络用于预测罗彻斯特河湾因实施特定的污染控制规划而引起的近岸水体富营养化的变化情况。4水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4图5-3用于安大略湖的空间尺度作为问题定义的一部分，用户必须确定如何预测水质的频率分布。例如，溶解氧日均浓度为5mg/L，若在10%的时间内，波动导致浓度低于2mg/L时，则不能够完全确保鱼类生命安全。预测极端浓度值通常要比预测平均浓度值困难的多。如图5-4所示，通过三个模型时间尺度预测得到的典型频率分布，以及通过观测而非抽样得到的一个典型频率分布，均绘制在频率纸上。缩短模型时间步长（因此减小单元体尺度）能够更好地模拟频率分布，增强预测能力，但是，也导致输入数据的分辨率增加。图5-4某一水质变量的观测值和计算值的频率分布一旦确定了问题的性质，用户就必须考虑水体和输入负荷的时变性。一般，模型时5水科学研究2009年第4期WaterScienceResearchVol.3No.4间步长必须略低于重要影响变量的变动周期。在某些情况下，这种限制可以放宽，平均模型时间步长超过其变化周期也可。例如，浮游植物生长受光照影响，且每日都不同。然而，绝大多数的富营养化模型，鉴于输入的平均光照时间超过一天，允许其时间步长约等于一天。必须谨慎小心，以确保重要的非线性相互作用不达到平均值。当两个或多个重要影响变量有相似的变动周期时，就无法达到平均值。例如，在易发生富营养化的湖泊中，光照、温度、营养输入以及传输的季节性变化。又如不连续、分批次的排放，由于大范围的传输变化相对较少，向大型湖泊输入类似的排放，可以安全地平均为一天或一周。然而，向潮汐河口输入类似的排放，则不能安全地平均，这是由于半日或日潮汐变化的缘故。再如河口处的海水入侵。流量、体积以及离散的潮汐变化相互影响，所以，精确的长期预测需要时间步长以小时为单位的详细模拟。一旦确定了水体的时间变化，就需考虑水体的空间变化。一般，单元体内重要空间特性必须是均匀的。某些情况下，在求宽度、深度或是长度的平均值上，这种限制可以放宽。例如，深度控制着水体内复氧的影响以及沉积物需氧量。然而，一条河流的平均深度在常规污染负荷分配中是可以接受的，而一个湖泊的平均深度则是不可接受的。需要考虑的其他空间特性（取决于分析的问题）包括温度、光线透射深度、流速、PH值、底泥特性或是通量、以及沉积物浓度。水质浓度的预期空间变化也影响着模型的尺度。用户必须确定多大的平均浓度梯度是可以接受的。由于在负荷点附近，水质状况变化迅速，为使下游水质稳定，研究某一排水点对海滩下游0.25英里处的影响所所需的单元体要小于研究海滩几英里