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WASP6水质模型应用于汉江襄樊段水质模拟研究精
第21卷第4期2005年7月水资源保护
WATERRESOURCESPROTECTIONVol.21No.4July2005
作者简介:
杨家宽(1973—
男,湖北鄂州人,博士,副教授,从事环境流体数值模拟研究.E2mail:
yjiakuan@126.com①湖北省环境科学研究所,武汉水利电力大学.南水北调中线工程对汉江中下游环境影响研究报告.2001.
WASP6水质模型应用于汉江襄樊段水质模拟研究
杨家宽,肖 波,刘年丰,章北平,李进军,何归丽
(华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉 430074
摘要:
WASP6是美国国家环保局开发的最新的Windows对汉江襄樊段现状水质进行了模拟研究,研究的水质指标包括:
BOD5、NH3验。
研究结果表明:
BOD5、NH32N、DO17%、1110%和516%。
WASP6应用于汉关键词:
水质模型;WASP6中图分类号:
X32:
A 文章编号:
1004Ο6933(200504Ο0008Ο03
SimulationonthewaterqualityforXiangfanReachofHanjiangRiverusingWASP6
YANGJia2kuan,XIAOBo,LIUNian2feng,ZHANGBei2ping,LIJin2jun,HEGui2li
(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofTechnology,Wuhan430074,China
Abstract:
WASP6isanenhancedWindowsversionoftheUSEPAWaterQualityAnalysisSimulationProgram(WASP.ThepresentwaterqualityforXiangfanReachoftheHanjiangRiverwassimulatedbyWASP6.Waterqualityindices,includingBOD5,NH32N,andDO,werestudied.Thesimulationresultswereverifiedusingthefielddatain2001.ItisshowedthattheaveragedrelativeerrorofBOD5,NH32N,andDOare1017%,1110%,and516%respectively.ResultsindicatedthattheapplicationofWASP6tothewaterqualitysimulationinHanjiangRiverissatisfactory.
Keywords:
waterqualitymodel;WaterQualityAnalysisSimulationProgram(WASP6;HanjiangRiver;XiangfanCity
襄樊市是位于汉江中下游的最大城市,也是位于南水北调中线工程取水口丹江口水库下游的第一座城市。
汉江流经襄樊市总长为197km,随着经济和人口的增长,汉江中下游的水环境质量呈下降趋势。
自Street2Phelps水质模型建立以来,水质数学模型在环境问题研究中的应用越来越广泛。
水质模型作为水质规划和环境质量管理的有效工具有了较大的发展[1]。
因此,研究汉江襄樊段水环境质量模型对于控制汉江流域污染,以及下一步研究南水北调中线工程对汉江中下游的水环境质量影响,都具有重要意义①。
1 WASP6水质模型软件
1.1 WASP6简介
WASP6(WaterQualityAnalysisSimulationProgramVersion610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是由原来的DOS版升级而成的最新Windows版本。
WASP6能够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。
贾海峰等人[2]应用DOS版WASP5对密云水库的水质进行模拟研究,取得了满意的结果。
本文将WASP6水质模型软件应用于汉江襄樊段水质模拟,取得了较满意的结果。
WASP6的主要特点[3]:
①基于Windows开发友
好用户界面;②包括能够转化生成WASP可识别的处理数据格式;③具有高效的富营养化和有机污染物的处理模块;④WASP计算结果与实测的结果可直接进行曲线比较。
1.2 水质指标的选取
WASP6包括两个独立的计算子程序:
DYNHYD5
・
8・
和WASP6。
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。
WASP6的计算模块结构见图1
。
图1 WASP6、富营养化、有毒物和
有机化合物等4个动力学平衡计算过程。
由于水质参数监测数据的限制,本文着重研究DO的平衡过程,选用的水质指标为BOD5、NH32N、DO,模拟计算由EUTRO子模块来完成,以2001年为基准年对汉江襄樊段的现状水质进行模拟。
2 模拟江段分区
表1 2001年汉江襄樊段污染总负荷
分区污染负荷/(kg・d-1
BOD5NH32N分区
污染负荷/(kg・d-1
BOD5
NH32N老河
口段1
2
8684191428510424991812323129襄樊市区段12126252178
856111523760173
7402141襄阳县段
12332721065198130141251954549140宜城
段
1210400115425111840621075630100 注:
1—点源负荷;2—面源负荷;3—总负荷.
汉江流域襄樊段水环境质量监测断面共有22个。
根据现有监测断面的数据,结合县市的行政区划,将汉江干流襄樊段分为4个区。
第1分区从丹江口水库到陡口,称为老河口段;第2分区从陡口到白家湾,称为襄阳县段;第3分区从白家湾到余家湖,称为襄樊市区段;第4分区从余家湖到流水镇,称为宜城段。
3 污染源强与水文情势
以2001年工业污染源和生活污染源作为点源现状负荷,以各江段分区的径流引入的污染物作为面源负荷。
2001年汉江襄樊段污染总负荷见表1。
考虑到多年平均流量最能反映一年中水量的平均状况,故设计流量条件采用多年平均流量。
汉江中下
游各主要站点多年平均流量和流速见表2。
表2 汉江襄樊段干流多年平均流量和流速
分区平均流量/(m3・s-1
流速/(m・s-1
老河口段11800162襄阳县段12800191襄樊市区段14900161宜城市段
1490
1167
4 溶解氧平衡过程及参数率定
有5个EUTRO衡:
3、BOD5、DO。
溶解氧。
5t=aOCk1DC4-kdΘd(T-20
KBOD+C6
C5- 死亡 氧化
(DC5-414
k2DΘ2D(T-20
KNO2NKNO32N+C6
C2
沉淀 反硝化
式中:
C5为BOD5的质量浓度,mg/L;t为时间,d;aOC为氧碳比,mg/mg;k1D为非捕食性的浮游植物死亡速率,d-1;C4为浮游植物碳的质量浓度,mg/L;kd为20℃下BOD衰减速度系数,d-1;Θd为kd的温度系数;T为水体温度,℃;C6为DO的质量浓度,mg/L;KBOD为氧限制的BOD半饱和常数,mg/L;Vs3为有机物的沉降速度,m/d;fD5为BOD5中溶解部分的比例;D为沉降距离,m;k2D为20℃下的反硝化速度常数,d-1;Θ2D为k2D的温度系数;KNO32N为氧限制的NO32N
半饱和常数,mg/L;C2为NO32N质量浓度,mg/L。
b.DO方程5t=k2(C5-C6-kdΘ(T-20
dKBOD+CC5- 氧化14
k12Θ(T-20
12kNIT+C6
C1-D(T-20
s
+ 硝化 底泥耗氧GP112+1412(1-PNH32NC4-12k1RΘ(T-20
1RC4
光合作用产氧 呼吸耗氧式中:
k2为复氧系数,d-1;k12为20℃下的硝化速度系数,d-1;Θ12为k12温度系数;KNIT为氧限制的NH32N半饱和常数,mg/L;C1为NH32N质量浓度,mg/L;
SSOD为底泥需氧量,g・m
-2
・d-1;Θs为底泥温度系
数;GP1为浮游植物生长系数,d-1;PNH32N为吸收NH32N的优先项;k1R为20℃下浮游植物呼吸速度常
数,d-1;Θ1R为k1R的温度系数。
・
9・
需要率定的参数包括生物、化学常数、颗粒态物质的沉降速度。
由于模型系统很复杂,无法用一元线性回归、多元线性回归等方法进行参数估值;同时由于涉及参数太多,现在还无法进行多参数同时自动寻优。
因此,在本研究中,首先选用经验数据为一组参数,然后在经验数据的基础上分性质进行参数率定。
WASP6水质模型需率定的重要参数有:
复氧系数k2、20℃时硝化速度系数k12、20℃时BOD衰减速度系数kd。
参照汉江中下游水质模拟已有的研究成果和WASP6用户使用手册,经反复试算,直到校验结果满意为止。
最后确定参数如下:
复氧系数
k2=0115d-1,20℃时硝化速度系数k12=011d-20℃时BOD衰减速度系数kd=0116d-参数取值如下:
aOC=;-1,kBOD=015mg/L,kNO32N=011,SOD013g・m-2・d-1,
GP1=013d-1,k1R=01125d-1。
5 模拟结果与分析
2001年现状水质实测结果与2001年现状模拟
结果列于表3。
由表3计算得出,BOD5模拟的平均
相对误差为1017%,NH32N模拟的平均相对误差为1110%,DO模拟的平均相对误差为516%。
WASP6模型对现状水质的模拟误差较小,符合水质模型模拟的要求。
表3 2001年现状水质同步监测结果与模拟结果
分区实测值/(mg・L-1
BOD5NH32NDO类别模拟值/(mg・L-1BOD5NH32NDO水质
类别
老河
口段01820107718Ⅰ01840106619Ⅰ襄阳县段
0189
0110718Ⅰ01780112716Ⅰ襄樊市
区段1196
0126714Ⅰ11740126719Ⅰ宜城段1144
0131
714
Ⅱ
1168
0128
713
Ⅱ
6,BOD5模拟的平均相对误差为1017%,3模拟的平均相对误差为1110%,DO模拟的平均相对误差为516%。
b.水质模型中几个重要参数率定结果为:
复氧系数k2=0115d-1;20℃时硝化速度系数k12=011d-1;20℃时BOD衰减速度系数kd=0116d-1。
参考文献:
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中国科学技术出
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[3]TimAW,RobertBA,JamesLM,etal.Waterqualityanalysis
simulationprogram(WASPversion610draft:
user’smanual[M].Atlanta:
USEnvironmentalProtectionAgency:
2000.
(收稿日期:
2004Ο05Ο30 编辑:
徐 娟
(上接第7页的某些变量被分成多个变量,如ASM1
中的SNO在RWQM1中被分成SNO2、SNO3,SNH被分成
SNH3、SNH4,XBA被分成XN1、XN2;ASM1中某些变量,
如SND(溶解有机氮、XP(惰性粒子、XND(粒子有
机氮,在RWQM1中没有出现;而RWQM1中也引入了如SHPO4、SH2PO4、SCa、XALG、XCON、XP(粒子吸收磷、XII等在ASM1中不存在的变量。
应用时必须注意两者的差别。
根据建模目的与控制要求,对RWQM1进行适当简化,建立适合集成城市污水系统实时控制的模型,解决集成系统中各子系统间的信息流传递问题,是实现集成城市污水处理系统实时控制必须首先解决的问题。
参考文献:
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(收稿日期:
2004Ο04Ο19 编辑:
徐 娟
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01・
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