环境流体动力学代码EFDC模型的研究及应用进展

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抑祠静燕
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1 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2014, 3, Published Online June 2014 in Hans. The Research and Application Progress of Environmental Fluid Dynamics Code Hainan Ai, Wenshi Zhang, Xuebin Hu, Qiang He, Yuanyuan Liu Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing aihainan@126.com Received: Apr. 2 nd, 2014; revised: Apr. 9 th, 2014; accepted: Apr. 15 th, 2014 Copyright 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). Abstract With improvement of people s understanding of environmental problems and the rapid development of computer science, simulation of environmental processes has become a research focus in the field of environmental science and geochemistry. Environmental Fluid Dynamics Code is developed according to multiple mathematical models by Virginia Institution of Marine Science. Based on more than 200 papers from journal at home and abroad from 2003 to 2013, this paper presents the application and study of hydrodynamic model, water quality model and sediment model about estuaries, rivers, lakes and reservoirs, and meanwhile analyzes the development direction of EFDC. Keywords EFDC, Hydrodynamic Model, Water Quality Model, Sediment Model 艾海男, 张文时, 胡学斌, 何强, 刘媛媛重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 aihainan@126.com 作者简介 : 艾海男 (1982-), 男, 副教授, 主要从事活性污泥数学模型排水管道污水处理研究 247

2 收稿日期 :2014 年 4 月 2 日 ; 修回日期 :2014 年 4 月 9 日 ; 录用日期 :2014 年 4 月 15 日摘要随着人们对环境问题认识的不断提高以及计算机科学的迅速发展, 环境过程的模拟及再现已成为当今环境科学与地球化学领域的热点环境流体动力学代码 (Environmental Fluid Dynamics Code, EFDC) 模型是由美国弗吉尼亚州海洋研究所 (VIMS) 根据多个数学模型集成开发的综合模型基于 2003~2013 年发表在国内外期刊的 200 多篇论文, 综述了 EFDC 模型中水动力模块水质模块泥沙模块在河口河流湖库等水环境领域研究中的应用, 探讨了 EFDC 模型的发展方向关键词 EFDC, 水动力模型, 水质模型, 泥沙模块 1. 引言水环境研究所涉及的空间尺度大污染物成分众多及环境过程错综复杂, 仅凭借实验分析和现场监测具有较大的难度, 通过建立数学模型实现水环境的数值模拟成为了该领域的热点 [1] [2] 水质模型起源于上世纪二十年代, 由美国学者 Streer 和 Phelps 对耗氧过程动力学分析后提出的 S-P 模型二十世纪六十年代后基于计算机科学的快速发展, 出现了大量的水环境模型如今运用较为广泛的有 EFDC WASP QUAL SWAT 及 MIKE 系列模型以 [3]-[5] 这些模型都试图将水文过程水动力过程与水质的生化反应动力学相结合其中 SWAT 属于分布式水文模型, 多用于流域尺度 ;QUAL 仅适用于一维二维的河流模拟 ;WASP 虽然应用于各类水体的水质模拟, 但在水动力模拟方面较 EFDC 稍显弱势 ;MIKE 系列模型涵盖了水环境模拟和流域水文过程模拟且操作界面良好, 但其源程序不公开, 价格昂贵 EFDC 模型是由美国弗吉尼亚州海洋研究所 Hamrick 等开发, 适用于河流湖泊水库河口海洋和湿地等地表水系统水动力水质及泥沙的数值模拟, 包括一维二维 ( 垂向和平面 ) 和三维模拟上世纪 90 年代该模型在北美 Chesapeake 海湾 York River 河口佛罗里达 Indian 河都得到成功的运用, 目前国内密云水库洱海太湖长江及长江口等也有运用 [6]-[9] 此外,EFDC 模型具有公开的源代码, 可免费获取, 经过前后处理工具封装后的商业模型的价格也相对便宜 ( 如由美国 DSI 公司开发 EFDC-Explorer 系列软件 ) 本文以 2003~2013 年国内外公开发表的 200 多篇论文为基础, 综述了 EFDC 模型中各个模块在各种水环境的应用及研究进展, 旨在为其今后的应用研究提供基础累积 2. EFDC 模型 2.1. EFDC 模型的模块及基本原理 EFDC 模型原理和计算方法与 Blumberg-Mellor 模型和美国陆军工程学院的 Chesapeake Bay 模型相似, 并采用 FORTRAN77 编制, 集水动力模块水质模块和泥沙模块为一体, 见图 1 EFDC 模型水动力模块主要采用 CH3D 水力学原理, 主控方程的求解采用外模与内模分裂的方法先后进行数值求解在求解过程中采用 Mellor 和 Yamada 提出的 2 阶紊流闭合模型求得垂向涡粘系数和涡动扩散系数模型的水质模块源于 CE-QUAL-ICM 模型, 在水动力模块提供的物理条件并考虑泥水界面行为的基础上模拟多项水体污染物的迁移转化模型的泥沙模块把沉积物分为黏性和非黏性泥沙, 泥沙在水体中以悬移质形态运动并采用三维对流扩散方程运算 248

3 Figure 1. EFDC model structure diagram 图 1. EFDC 模型结构示意图 EFDC 模型的模拟过程是首先进行水动力运算, 再进行水质泥沙及有毒物质的模拟模型初始条件以文本的形式输入, 而且输入文件具有通用性同时,EFDC 模型的输出结果形成的传输场可以用于其它水质模型, 如 WASP 与 CE-QUAL-ICM 模型 [10] 2.2. EFDC 模型的主控方程 EFDC 模型基于三维水动力学方程, 在水平方向和垂直方向分别采用曲线正交坐标变换和 σ 坐标变换, 可得到如下主控方程 : 1) 连续性方程 ( mh ) ( mh ) ( mw) mζ y u x v = Q t x y z H (1) 2) 动量方程 ( ) ( mh ) ( ) ( ) mhu y uu m m xhvu mwu y m x mf + v u H t x y z x y ( ζ ) 1 g + P h H p u = mh m z + m A + Q x x x z z H z y y v u ( myhuv) ( ) ( ) mhv mxhvv mwv m m t x y z x y ( ζ + ) 1 y x mf v u Hu g P h H p v = mh m z + m A + Q y y y z z H z x x v v v (2) (3) 3) 状态方程 ( ) ρ = θ θ θ θ θ (4) 4) 浓度运输方程 ( mh ) ( myhu ) ( m Hv ) ( mw ) 1 x = m Ab + Q t x y z z H z * 为适应实际边界, 通常水平方向采用 x,y 正交曲线坐标, 垂向采用 σ 坐标系 : ( ) ( z * + h ) ( ζ + h ),z 取值范围 [0, 1]; z * 代表 σ 转换前实际的垂向物理坐标, 总深度 H h ζ (5) z = z + h H = = +, h 为底床高程,ζ 为自由水面高程,m;u 和 v 曲线正交坐标系下 x 和 y 方向的流速分量 ;w 为 σ 坐标下垂向流速 ; 249

4 m x m y 和 m 为 Jacobian 曲线正交坐标转换系数, m= mm x y; Q H 为降雨蒸发地下水相互作用取水或点源和非点源入流 ;p 为相对静水压力 ;f 为柯氏力参量 ;A v 为垂向紊流黏滞系数 ; Q 和 Q v 为动量源汇项 ;A b 为垂向紊动扩散系数 ; Q 为源汇项 ; 为某种水质组分的浓度 3. EFDC 模型应用 3.1. EFDC 水动力模块的应用水动力模型是用以描述水体的水文特征流场变化的数学模型 EFDC 模型水动力模块能够模拟河流湖泊的动力学过程, 在模拟复杂水环境的动力学过程 ( 如河口海湾的漫滩潮汐盐度入侵 ) 及拉格朗日粒子示踪方面也有明显的优越性 EFDC 模型对漫滩的模拟主要采用干湿网格控制的方法, 即在模拟过程中设定临界水深以判定干湿网格类型通常实际网格和计算机内部网格都是采用的 (I, J, K) 网格索引进行定义, 而在不规则的区域中表示湿网格图时很可能对应到干网格因此 Ji 等基于 EFDC 模型在对加利福利亚 Morro 海湾浅滩进行数值模拟时将水平方向索引 (I, J) 转化为单个索引 (L), 优化了计算内部存储和网格生成, 从而提高了运算的效率 [11] 王翠等采用 EFDC 模型对胶州湾潮流进行模拟并设定干湿临界水深为 0.1 m, 在计算过程中对每个时间步长上网格中心水深进行判断, 低潮时胶州湾内只有 81.84% 的区域为湿网格 [12] Alarcon[13] 等对墨西哥海湾遭遇飓风袭击时 WSE 及水深进行模拟, 结果显示 EFDC 模型能够很好的模拟飓风前后及其过程中的洪水覆盖区域龚文平等针对黄茅海建立 EFDC 模型, 根据水位与流速的相位差确定潮波类型, 研究了该海域潮波传播机制, 探讨了合山水闸的存在与黄茅海河口及珠三角河网的交互作用对黄茅海河口潮波传播的影响 [14] Jeong 等针基于 EFDC 模型对 Geum 河中下游及河口建立海水盐度入侵进行数值模型, 考察了海水盐度入侵对河流下游的影响, 并对旱季流枯水流正常流及洪水情形下盐度入侵范围进行模拟 [15] 郑晓琴对长江口及其临海建立三维温盐模型, 计算中加入径流风潮流和太阳辐射等参数共同求解热通量方程, 再现了夏季海区的温盐分布情况 [16] 罗峰等模拟了长江口处在南水北调和三峡工程作用下的枯季流量下盐水入侵情况, 并结合全球海平面变化结果分析了海平面上升的影响 [17] 陈景秋等采用 EFDC 模型建立了具有河流和河口特点的重庆长江嘉陵江汇流水动力模型, 对水位汇流比与坡降比进行了模拟, 其结果与实测数据高度的吻合度 [18] 陈正兵等运用 EFDC 模型研究滩地植被对河道水流的影响, 发现滩地植被对滩地水流有较大影响, 对主槽水流影响相对较小, 植被的存在导致水流有向主槽集中的趋势, 研究结果对河道防洪和生态修复管理等有借鉴作用 [19] 李兰等运用 EFDC 模型对梯级水库进行了水流水温数值耦合预测计算, 深入研究了水库的水热循环规律, 并对分层型水库的水位流速和水温分布规律进行剖析 [20] 在梯级水电站联合运行环境下重点分析了高坝大库水温分层规律, 探讨了建库前后的水温变化规律和梯级水库的累积影响, 为调整梯级水电规划方案提供科学决策依据同时, 甘衍军等将该水库模型垂向分为 40 层, 模拟和分析了太阳辐射和气温对水库水温分层的影响 [21] 伍悦滨等建立了磨盘山水库水动力学模型进行流场温度场浓度场及生态过程的数值模拟, 解析了丰平水期水库的水温分层情形 [22] 郝文斌等采用 EFDC 研究引江济太调水工程对太湖水动力调控所产生的效果, 以湖体水龄 ( 描述湖泊水体交换速率的参数 ) 为研究对象, 系统地研究引江济太工程对太湖水动力的调控情况 [23] 何国建等基于 EFDC 模型并采用斜对角笛卡尔差分方法进行数值离散, 模拟了核电厂附近海域的三维水流运动情况, 评价了不同排水口位置对扩散范围的影响, 所得取水口温升与物理试验值基本一致 [24] EFDC 模型的水动力模块对各类水环境都有很强的适应性在河口海岸区域主要用于盐度入侵和潮 u 250

5 汐模拟, 在湖库和河流等水体中主要用于流速场温度及示踪剂模拟目前 EFDC 的三维模型大都采用水位或者二维流速进行水动力校核, 往往缺乏水下流场的实测数据再现三维水动力场的关键在于是否有足够的实测三维水文数据来进行模型的校核和验证, 从文献查阅来看三维的水动力模型的验证的实例较少, 其主要原因是三维数据难以获取 3.2. EFDC 水质模块的应用 EFDC 模型将水质指标中的温度盐度列入水动力模块部分, 水质模块源于 CE-QUAL-ICM 模型与广泛使用的 WASP 模型的水质模块相比,EFDC 能够模拟 21 个水质指标如将浮游植物细化为 4 个指标, 包括蓝藻硅藻绿藻和静态藻类不过很多学者在进行水质模拟时也常将它与 WASP 等其他模型耦合 [25] 万由鹏等采用 EFDC 在深圳湾建立了水动力和营养盐模型, 模拟了总无机氮和正磷酸盐等主要营养盐在深圳湾不同水文条件下的输运规律, 分析了多种减排方案的效果, 为深圳湾污染物减排及总量控制的研究和实践提供数据支持 [26] 陶亚等采用 EFDC 对深圳湾水质进行模拟, 研究了各子流域对深圳湾的污染贡献率以及海域水质分布水力停留时间和突发污染负荷的响应特性, 并利用拉格朗日粒子追踪技术分析了内湾不同位置的污染物输移路径, 同时基于 TMDL 计划管理思想对深圳河湾流域的水质现状进行评价 [27]-[29] Liu 等为实现 St. Louis Bay 河口的 TMDL 管理, 建立了包括 HSPF EFDC 和 WASP 耦合模型, 并以此考察了两种临界流量情况下的氮迁移动力学 [30] Seo 等采用 EFDC-WASP 耦合模型研究了 Nakdong 河 4 座河道水库对该河的水质影响, 模拟结果显示 BOD 5 沿河降低,Chl-a 升高, 但是氮磷的并没有明显的变化 [31] Jin 等基于 EFDC 模型对在北美最大的亚热带湖泊 Okeechobee 湖构建了 LOEM 模型, 其中包括三维水动力泥沙水质和 SAV( 水下植被 ) 模块其中 SAV 模块能够较好的反映湖底沉水植物的时空变化 LOEM 的水质模拟值 SAV 输出结果和实际数据都显示夏季藻类生长受氮的限制, 而冬季则是受光照和氮的共同作用限制 [32] 为保障和修复官厅水库的水体,He 等在 EFDC 模型框架下建立水库的水质水动力模型, 该模型基于在蓝藻绿藻和硅藻的观察数据对这三种浮游植物进行预测模拟并模拟了人工湿地降低外源营养物质负荷生物操纵技术以及从册田水库调水三种措施对 Chl-a 的峰值浓度的减弱效果 [33] 近年来由于突发性水污染事件屡屡发生, 对突发水质事件的预警也逐渐的引起了重视 [34] 任华堂等基于 EFDC 数学模型建立了内蒙古巴彦高勒至头道拐河段水污染应急预警模型, 分析了该河段的水流特性并预测了突发事故应急时间 [35] 李林子等采用 EFDC 和 WASP 建立了南京化工园区突发水污染事故影响的预测模型, 并以龙翔甲苯罐区泄漏为例进行了事故情景模拟, 为突发水污染事故的预警应急提供决策依据 [36] 邓建等基于 EFDC 模型构建了一个适用于三峡库区的油粒子漂移扩散的水上溢油预测模型 [37] GIS 技术以其强大的空间数据建模和分析功能也运用到了水环境模拟领域 Peng 等基于 GIS 地理信息系统建立 WASP 水质模型并用于 Lower Charles 河的水质管理, 以提高了数据运算能力和管理能力, 其中 WASP 耦合了 EFDC 模型, 其结果显示该模型可以实现高效的数据流程和数据分析能力 [38] 王建平等结合 EFDC WASP 及非点源模型 SWAT 并集成到 GIS 构建了密云水库流域集成模型 [39], 见图 2 EFDC 模型水质模块适用范围不亚于 WASP 模型, 在营养盐藻类有毒物质模拟预测方面都得到了广泛应用此外, 在氮磷模拟计算时对底部水体加入了沉积物扩散项, 对进行三维模拟和沉积物模拟时具有重要意义 251

6 Figure 2. Frame of integrated environmental simulating model 图 2. 湖泊水环境模拟集成模型框架图 3.3. EFDC 泥沙模块的应用 EFDC 模型的泥沙模块将沉积物分为黏性和非黏性泥沙, 可以模拟多组分泥沙运输, 能够模拟黏性泥沙的悬移絮凝沉降沉积和固结过程对于非黏性泥沙, 模型主要研究临界剪切流速从而分析泥沙运动状态 Ji 等针对 Morro 海湾因常年沉积导致的水域面积锐减的问题, 基于 EFDC 建立了一套水动力泥沙沉积模型, 以该模型模拟了海湾 160 天的潮流运动, 计算出的沉积区域与实际沉积区域相符 [40] Kong 等基于移动床动态模型和干湿过程建立黄河口的 EFDC 模型, 分析了沉积物沉降对河床海拔高度的影响模拟结果与 1992 年到 2002 年测定的河床形态数据十分吻合, 并且发现大量泥沙以每年 2.5 公里的速度沿河口向海洋移动 [41] Liu 等在 Apalachicola 海湾建立 EFDC 模型, 模拟了沉积物的沉淀和再悬浮过程, 发现强风致沉积物浓度增加主要是因为沉积物的再悬浮 [42] 韩喜彬等运用 EFDC 模型再现了新仙女木事件时期的海平面在现代海平面下 60~72 m 振荡停顿近千年并形成黄海通道型古黄海海湾的过程, 并研究了复杂潮流对悬浮泥沙的冲刷效应发现水下地形和科氏力是影响古黄海潮汐潮流的主要因素 [43] 谢锐等模拟了长江口大范围水位变化和各个深度的流场, 为进行长江口深水航道疏浚的模拟研究提供了可靠的手段 [44] 在水动力模型基础上进行泥沙模拟可用于研究河床物理变化以及为提供河道清淤工程的方案水体中的污染物多附着于各类泥沙和悬浮物之上, 因此研究水体的泥沙动力学对于考察水体中污染物分布以及迁移转换有着重大的意义而目前涉及污染物在沉积物和水体之间的物理及生化过程的研究相对较少 3.4. EFDC 不确定性分析水环境数学模型的不确定性可分为四类 : 监测值的不确定性参数不确定性对目标系统认识局限造成的不确定性自然过程固有的不确定性 [45] 目前对于模型参数不确定性分析的方法众多, 如 OAT Monte Carlo 法和 LHS 法等李一平等采用拉丁超立方取样 (LHS) 对太湖的 EFDC 模型水动力模块中常用的 5 个重要参数 ( 风拖曳系数床面粗糙高度涡流性系数紊流扩散系数以及风遮挡系数 ) 进行了不确定性分析, 并探讨了 5 个参数对湖体水位和流速的影响结果表明 : 针对大型浅水湖泊, 湖泊岸线和湖底地形湖泊周围地形湖泊水面风场对模拟结果产生决定性影响 [46] Franceschini 等采用修正 Rosenblueth 法对 EFDC-WASP 耦合模型中的变量和参数进行了不确定性评估, 结果表明入河 PCBs 浓度对模型的结果影响最大 [47] 252

7 4. 结语 EFDC 模型作为水环境研究的数学工具有着良好的数值计算方法, 适用范围广该模型在今后的发展上将更偏重于实际运用, 因此研究人员需要开发更为完善的前后处理工具及数据分析功能利用 EFDC 模型建模需要大量的基础数据, 重要水体的基础数据大多较为完备, 而对于缺乏水下地形资料和气象站数据的小型湖库河流可通过假设水深恒定及参照就近国家气象站数据的方式进行处理 [48] 在构建三维水动力模型往往缺乏实测流场数据, 近年来快速发展的 ADCP 技术可以测量河流湖泊及河口断面流速场, 相信将此技术运用到三维模型中必能大幅度的提高模型的精度除了在水环境容量计算和 TMDL 管理方面的应用, 将 EFDC 水质模块与模型自带的沉积物模块用于研究污染物在水体和沉积物中的迁移转化也将会是研究热点同时, 结合 GIS 流域水文模型构建大型的集成模型可用于城市健康水系统的构建, 实现城市河网水质水文状态的可视化及评价城市总体规划和水污染控制方案而在与其他水环境模型耦合时, 如何提高模型的运算效率和模型耦合方法也有待研究对 EFDC 模型中存在的各类不确定因素进行不确定性分析是提高模型精度和可信度的必要手段, 同时也是需要深入研究的方向基金项目国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2013ZX ) 参考文献 (References) [1] 赵世新, 张晨, 高学平, 等. 南水北调东线调度对南四湖水质的影响 [J]. 湖泊科学, 2012, 24(6): ZHAO Shi-xin, ZHANG Chen, GAO Xue-ping, et al. The impact of the operation of eastern route project of the south-to-north water diversion project on water quality in Lake Nansi. Journal of Lake Sciences, 2012, 24(6): (in Chinese) [2] 郭羽, 贾海峰. 水污染预警 DSS 系统框架下的白河水质预警模型研究 [J]. 环境科学, 2010, 31(12): GUO Yu, JIA Hai-feng. Water quality forewarning model in the framework of water pollution forewarning DSS. Environmental Sciences, 2010, 31(12): (in Chinese) [3] AMBROSE, R. B. Development of water quality modeling in the United States. Environmental Engineering Research, 2009, 14(4): [4] YANG, Y. S., WANG, L. A review of modelling tools for implementation of the EU water framework directive in handling diffuse water pollution. Water Resources Management, 2010, 24(9): [5] CHEN, Y., NIU, Z., ZHANG, H., et al. Aquatic ecological modeling and remediation of landscape water based on AQUATOX. Tianjin Daxue Xuebao (Ziran Kexue yu Gongcheng Jishu Ban)/Journal of Tianjin University Science and Technology, 2012, 45(1): [6] 乔飞, 孟伟, 郑丙辉, 等. 长江流域污染物输出对河口水质的影响 [J]. 环境科学研究, 2012, 25(10): QIAO Fei, MENG Wei, ZHENG Bing-hui, et al. Influence of pollutants exported from the Yangtze River basin on water quality in the estuary. Research of Environmental Sciences, 2012, 25(10): (in Chinese) [7] 刘宝超, 李建平, 冯立成. 风影响夏季长江冲淡水扩展的数值模拟研究 [J]. 海洋学报 ( 中文版 ), 2013, 35(1): LIU Bao-chao, LI Jian-ping and FENG Li-cheng. A modeling study of the effect of wind on Changjiang (Yangtze) River dilute water in summer. Acta Oceanologica, 2013, 35(1): (in Chinese) [8] 卫志宏, 杨振祥, 唐雄飞, 等. 洱海湖泊及湖湾三维水动力模型构建及特征分析 [J]. 昆明理工大学学报 ( 自然科学版 ), 2013, 38(1): WEI Zhi-hong, YANG Zhen-xiang, TANG Xiong-fei, et al. Three dimensional modeling and characteristics of hydrodynamic processes in Erhai Lake. Journal of Kunming University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2013, 38(1): (in Chinese) [9] LI, Y., TANG, C., WANG, C., et al. Assessing and modeling impacts of different inter-basin water transfer routes on Lake Taihu and the Yangtze River, China. Ecological Engineering, 2013, 60: [10] Tetra Tech, Inc. Theoretical and computational theoretical and computational aspects of the generalized vertical coor- 253

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