本文關鍵詞：人工濕地數(shù)學模型模擬與應用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第9卷??第3期2011年6；南水北調與水利科技；South-to-NorthWaterDiver；Jun.2011；doi:10.3724/SP.J.1201.20；水環(huán)境數(shù)學模型與人工濕地模擬；趙小利1,李文奇2,周懷東2；(1.西安水利規(guī)劃勘測設計院,西安710054;；摘要:水環(huán)境數(shù)學模型這種高效、經濟、簡便的模擬工；關鍵詞:水環(huán)境數(shù)學模型;模擬軟件

第9卷??第3期2011年6

月

南水北調與水利科技

South-to-NorthWaterDiversionandWaterScience&TechnologyVol.9No.3

Jun.2011

doi:10.3724/SP.J.1201.2011.03084

水環(huán)境數(shù)學模型與人工濕地模擬

趙小利1,李文奇2,周懷東2

(1.西安水利規(guī)劃勘測設計院,西安710054;2.中國水利水電科學研究院,北京100038)

摘要:水環(huán)境數(shù)學模型這種高效、經濟、簡便的模擬工具有了長足的發(fā)展,歐美國家開發(fā)出QUAL,MIKE,WASP,SWM,FEFLOW等多種水環(huán)境模擬軟件,并在河流、湖泊、河口、海岸等水環(huán)境預測和水污染控制中得到廣泛應用。人工濕地是一種借鑒天然濕地凈化污水功能的生態(tài)技術措施,近年來在世界各地逐漸得到廣泛研究與應用;人工濕地數(shù)學模型與數(shù)值模擬也正在成為一項重要的研究內容。由于人工濕地處理污水技術內在機理復雜,目前尚未形成通用的人工濕地數(shù)學模型與應用程序。鑒于水環(huán)境模擬軟件的廣泛成功應用及模型結構的開放性,利用成熟的水環(huán)境模型工具進行人工濕地數(shù)值模擬是一種有效途徑;模擬應用時需結合濕地特性對模型程序進行適用性分析、并作必要的前后處理。

關鍵詞:水環(huán)境數(shù)學模型;模擬軟件;模型工具;人工濕地;污水處理;反應機理;數(shù)值模擬中圖分類號:TV214;X143????文獻標識碼:A????文章編號:1672-1683(2011)03-0084-04

ResearchAdvancesinWaterEnvironmentalMathematicalModels

andConstructedWetlandSimulation

ZHAOXiao-li1,LIWen-qi2,ZHOUHua-idong2

(1.Xi'anDesigningInstituteofWaterResourcesPlanandSurvey,Xi'an710054,China;2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Abstract:Thewaterenvironmentalmathematicalmodels,asefficient,economicalandconvenienttools,havemadeaconsiderableprogressinthewaterenvironmentsimulation.InEuropeandAmerica,manykindsofwaterenvironmentalmodelingsoftwareshavebeendevelopedincludingQUAL,MIKE,WASP,SMS,FEFLOW,andsoon.Thesemodelshavebeenwidelyusedforsimu-lationofwaterenvironmentalpredictionandpollutioncontrolinrivers,lakes,estuariesandseashores.Theconstructedwetlandisanecologicalengineeringtechnologyforwastewatertreatment,whichislearnedfromnaturalwetlands.Inrecentyears,thetechnologyforwastewatertreatmentbyconstructedwetlandshavebeenwidelyresearchedandappliedworldwide.Mathematicalmodelsandnumericalsimulationhavebecomeimportantsectionsoftheresearchforconstructedwetlands.Thegeneralmodelandprogramspecifiedforconstructedwetlandshavenotbeendevelopedbecauseofitscomplexreactionmechanismsforwastewatertreatment.Intheviewofsuccessfulapplicationandopenstructureofwaterenvironmentsimulationsoftwares,itcouldbeusedformodelingconstructedwetlands.Itisimportanttoanalyzetheapplicabilityofwaterenvironmentalmodelsbe-foreusingittosimulateconstructedwetlands.Thepre-treatmentandpost-processingforsoftwaresarerequired.

Keywords:waterenvironmentalmathematicalmodel;modelsoftware;simulationtool;constructedwetland;wastewatertreat-ment;reactionmechanism;numericalsimulation

????數(shù)值模擬在水環(huán)境問題的研究中發(fā)揮著越來越重要的作用,這種方法通過對水環(huán)境變化內在機理的研究,建立數(shù)學模型,經過一定的實驗進行模型的驗證,將其應用于對水流流場、水質濃度場等的模擬,并分析污染物隨時空變化的規(guī)律,實現(xiàn)對水環(huán)境的規(guī)劃管理和污染控制。水環(huán)境數(shù)學模

型是一種將水環(huán)境內在機理或實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的變化規(guī)律用數(shù)學語言(理論或經驗公式)加以表述,并能夠用來指導水環(huán)境工程實踐的工具。將模型工具應用于水環(huán)境量化、優(yōu)化、決策、控制的數(shù)值模擬方法已成為水環(huán)境研究、管理、工程實踐的一種重要手段。歐美一些發(fā)達國家研發(fā)了多種具有廣

收稿日期:2011-01-06????修回日期:2011-04-21????網絡出版時間:2011-05-2916:16

網絡出版地址:基金項目:水利部公益性行業(yè)科研專項(200901071)作者簡介:趙小利(1970-),女,陜西西安人,高級工程師,主要從事水利工程設計和水環(huán)境研究工作。E-mail:ssrs168@qq.com

趙小利等??水環(huán)境數(shù)學模型與人工濕地模擬

泛影響力的計算機模擬軟件,成為水環(huán)境研究的有效工具[1]。水污染控制和水污染處理是水環(huán)境問題的重要內容,人工濕地(英文稱為ConstructedWetland,ArtificialWetland或TreatmentWetland)是近幾十年來發(fā)展的一種借鑒天然濕地凈化污水的能力、人工建設的應用生物和水力等共同作用,進行水污染物處理的生態(tài)工程措施。人工濕地通常按照水流流態(tài)可分為3種類型:表面流人工濕地(SurfaceFlowWetland,簡稱SFW)、水平潛流人工濕地(SubsurfaceFlowWetland,簡稱SSFW)和垂直潛流人工濕地(VerticalFlowWetland,簡稱VFW)究手段。

[2-3]

算法、神經網絡方法等人工智能的結合。

1.2??幾種常用的水環(huán)境模擬程序1.2.1??QUAL2K河流水質綜合模型

QUAL2K是由美國環(huán)保局(USEPA)開發(fā)并不斷修訂和增強的河流綜合水質模型。是一種一維穩(wěn)態(tài)模型,適用于枝狀河流模擬,沿程可有多個支流匯入和多個排污口,還可模擬河道水工建筑物對水質的影響。可同時模擬組合15種水質變量:BOD、DO、溫度、葉綠素a、有機氮、氨氮、亞硝酸氮、硝氮、有機磷、溶解性磷、大腸桿菌、任意1種非守恒物質、任意3種守恒物質[8-9]。國內戴凌全、李華等以新安江大壩附近河段為例討論了該模型主要參數(shù)在實際應用中的確定方法[10]。

。隨著人工濕地污水處理技術的廣

泛研究與應用,對濕地進行數(shù)值模擬正在成為一種重要的研

1??水環(huán)境數(shù)學模型的發(fā)展研究狀況

1.1??水環(huán)境數(shù)學模型的分類與發(fā)展

水環(huán)境數(shù)學模型按不同的分類方法有多種類型。按照模型變量是否為隨機分為確定與非確定模型;按照隨時間變化情況分為穩(wěn)態(tài)與動態(tài)模型;按照模型空間維數(shù)分為一維、二維和三維模型;按照物質輸移特性分為移流模型、擴散模型和移流擴散模型;按反應動力學性質分為純輸移模型、純反應模型、輸移反應模型及生態(tài)模型[1];按照研究對象可分為地表水模型與地下水模型;按水體研究內容分為水動力學模型與水質模型。

水環(huán)境模型的核心是研究污染物隨水流的遷移、轉化與水質在時間和空間上的變化過程,因此水環(huán)境模型的重點是水質模型。第一個水質模型是美國工程師Streeter和Phelps于1925年在研究Ohio河污染時建立的模型,簡稱S-P模型,該模型是一個氧平衡模型。其后Thomas(1948)、O??Connor(1967)、Camp-Dobbins(1963、1964)在該模型基礎上進行了改進[4-5]。

水環(huán)境數(shù)學模型發(fā)展可分為三個階段[6-8],第一階段(1925年-1980年),初級發(fā)展階段,以受點源污染的河流水體本身為主要研究對象,將底泥作為外部輸入,面源污染作為背景負荷,其核心是Streeter-Phelps模型,該階段經歷了從最初的一維BOD-DO雙線性模型發(fā)展到三維多參數(shù)多線性及非線性的復雜模型。第二階段(1980年-1995年),快速發(fā)展階段,本階段水質參數(shù)數(shù)量增加,底泥進入模型內部,水動力模型被納入多維模型系統(tǒng),面源污染由流域模型進入初始輸入。隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值計算在模型應用中發(fā)揮越來越重要的作用。第三階段(1995年至今),深入發(fā)展階段,模型考慮多介質因素,增加了大氣污染模型,有毒污染物和營養(yǎng)物質成為重要負荷要素。人機交互、計算機圖像學與可視化技術的運用為模型發(fā)展提供了更大的發(fā)展空間。

水環(huán)境模型的發(fā)展趨勢[6-7]主要呈現(xiàn)為:??從單一介質向多介質模型的發(fā)展,研究對象擴展到大氣、土壤等多介質;??加入生態(tài)因子的多環(huán)境變量模型,水生食物鏈對水質作用的深入研究;??應用隨機方法、模糊數(shù)學、灰色系統(tǒng)理論等方法的不確定性水質模型;??地表水與地下水相互作用的綜合模型;??更易于應用的人機交互功能強的工具模型;??水質模型與地理信息系統(tǒng)(GIS)結合以及與遺傳算法、模擬退火

1.2.2??MIKE水動力與水質模型

MIKE是丹麥DHI公司開發(fā)的水動力學與水質模型,MIKE11用于一維水動力、水質、富營養(yǎng)化和泥沙輸移計算及洪水預報等,適用于河流湖庫及灌溉渠等。MIKE21用于二維水動力學、水質、富營養(yǎng)化、石油泄漏等計算,適用于河流、湖庫、河口及海灣等。MIKE31用于三維水動力和水質模擬,適用于河流、湖庫、河口、海洋等[11]。國內有用該模型進行漢江、太湖等水體富營養(yǎng)化的研究[12]。

1.2.3??WASP水質模型

WASP(WaterQualityAnalysisSimulationProgram)是由美國環(huán)保局開發(fā)的水質模型程序,能夠用于分析預測自然和人為污染的各種水質狀況,可模擬水文動力學、河流一維不穩(wěn)定流、湖泊和河口三維不穩(wěn)定流、常規(guī)污染和有毒污染物的遷移轉化,被稱為萬能水質模型。該模型由水動力模型程序DYNHYD和水質模型WASP兩個獨立程序組成,能夠獨立運行,也能連接運行。水動力模型為水質模型提供水力參數(shù)。水質模型WASP由EURO和TOXI兩個模塊組成,EURO模塊用來模擬8種常規(guī)水質指標:CBOD、DO、NH3-N、NO3-N、有機氮、無機磷、有機磷、浮游植物;TOXI模塊模擬有毒物質,可考慮1~3種化學物質和1~3種顆粒物質,包括有機化合物和金屬等[1,13]。國內王建平,蘇保林,賈海峰等利用WASP對密云水庫及其流域營養(yǎng)物進行了模擬研究[14]。

1.2.4??SMS綜合性模型

SMS(SurfaceWaterModelingSystem)是由美國BrighamYoung大學環(huán)境模型研究實驗室開發(fā)的一個綜合性模型。它包含一、二維有限單元模型、有限差分模型以及三維水動力學模型�？捎脕磉M行河流、河口、湖泊、海岸水動力和水質模擬。該軟件集成了美國陸軍工程兵團水道試驗站和美國聯(lián)邦公路管理局開發(fā)的多個計算模塊,其中RMA2為二維水動力學模塊;RMA4為二維水質模塊;RMAl0為三維水動力和水質模塊。在美國RAM2、RAM4和RAM10主要用于河口和河流的水動力和水質模擬。國內將該模型用于工程實踐的有五里湖調水模擬[11]、黃河口水流數(shù)值模擬等。

1.2.5??FEFLOW地下水數(shù)值模型

FEFLOW是由加拿大Waterloo水文地質公司開發(fā)的基于Galerkin三維有限元的可視化地下水模擬軟件。該模型

第9卷總第54期??南水北調與水利科技??2011年第3期??

可解決的地下水模擬問題,包括穩(wěn)態(tài)與瞬時地下水流動與溶質運移,邊界條件和實體屬性隨時間變化的模擬,飽和與非飽和流動,承壓與非承壓含水層,非線性吸附作用、衰變、對流、彌散的化學質量運移,密度變化流動等。該模型因其強大的可視化功能和使用范圍廣而成為具有影響力的水環(huán)境模擬平臺[1]。潘俊、高維春等利用該模型軟件以沈陽輝山明渠河口潛流人工濕地為例進行了數(shù)值模擬研究[15]。

多的人工濕地反應機理數(shù)值模型,主要集中在對水平潛流濕地(SSF)的模擬,少數(shù)是對垂直潛流濕地(VSF)的模擬,少有關于表流人工濕地(SF)模型的開發(fā)研究。這些數(shù)值模型的開發(fā)向兩個方面發(fā)展:一方面是結構復雜的反應機理模型,力求明確闡述濕地內發(fā)生的控制性生物和化學轉化與降解過程。如奧地利的Langergraber等開發(fā)的多成分反應輸移模型CW2D,適用于SSF和VSF濕地模擬。另一方面是簡化機理設計模型,數(shù)值模型開發(fā)致力于服務濕地工程優(yōu)化設計,將復雜機理模型進行簡化,作為對現(xiàn)有設計標準進行改進和優(yōu)化濕地結構設計參數(shù)提高處理效率的模擬工具[27]。

人工濕地數(shù)學模型研究開發(fā)與數(shù)值模擬工程應用目前仍處于初級階段,簡單的??黑箱??輸移衰減模型或部分反應機理模型較多,目前工程實踐中多應用此類模型;多參數(shù)多介質的綜合機理模型開發(fā)的較少,工程應用限于個案研究。對水平潛流人工濕地展開的模型研究較多,針對表流濕地和垂直潛流濕地的模型較少。目前少有得到廣泛認可和實踐應用的濕地模擬專業(yè)應用軟件。

2??人工濕地數(shù)值模擬應用

2.1??人工濕地的工程應用

人工濕地處理污水技術20世紀70年代始于德國,該工藝在歐洲得到推廣應用,在美國和加拿大等國得到迅速發(fā)展。美國環(huán)保局于1992年建立了北美人工濕地數(shù)據(jù)庫,收錄了100多座人工濕地運行的試驗數(shù)據(jù),并制定了人工濕地設計導則。在發(fā)達國家的幫助下,人工濕地在發(fā)展中國家逐漸得到推廣應用。我國人工濕地處理技術引進較晚,1990年首座人工濕地處理污水工程在北京昌平建成,處理量為500t/d的生活污水和工業(yè)廢水[2]。人工濕地在世界各地除被廣泛應用于生活和工業(yè)廢污水處理外,還被應用于金屬礦廢水處理[16]、干旱地區(qū)油氣井廢水處理再利用[17]、奶牛場污水處理[18]及垃圾填埋場滲濾液處理[19]等。在國內,人工濕地還被用于景觀用水循環(huán)處理并兼具景觀功能,如北京奧林匹克公園水系人工濕地[20]。

與傳統(tǒng)的污水處理廠工藝相比,人工濕地具有利用水體自然凈化能力、水生物降解功能、土壤基質吸附過濾功能等生態(tài)凈化效能,其占地面積較大;除具有儲存水體和改善水質的主要功能外,還具有景觀娛樂和為野生生物提供棲息地等生態(tài)功能。人工濕地適用于污水的二級或強化處理,而不宜用于原污水的初級處理,其處理污染負荷能力和占地、生態(tài)等特征使其更適宜于居民區(qū)的污水處理。

2.3??水環(huán)境模型軟件在人工濕地數(shù)值模擬的應用

鑒于水環(huán)境數(shù)學模型與模擬軟件的廣泛應用及人工濕地模型的匱乏與不成熟,現(xiàn)階段在人工濕地工程設計及研究中可利用現(xiàn)有的水環(huán)境數(shù)學模型工具進行數(shù)值模擬。如前述的幾款通用水環(huán)境模擬軟件大多由多個相互獨立又有關聯(lián)的模塊集成,水力與水質模型既能單獨運行也能聯(lián)合順序運行,模型參數(shù)率定也可由單獨的模塊來執(zhí)行。模型的開放性使軟件應用更為靈活,可進行適當?shù)那昂筇幚?可在不同的軟件之間切換數(shù)據(jù)。這為現(xiàn)階段人工濕地的數(shù)值模擬研究應用提供了一條較為有效的途徑。

由于表流人工濕地更接近自然水體形態(tài),表流人工濕地的模擬可利用已有的二維地表水環(huán)境模型進行水動力模擬或水質模擬。焦璀玲、王昊等采用MlKE21模型對山東平陰濕地進行濕地示范區(qū)二維水動力、水質模擬,給出了水體中污染物隨時間和空間遷移變化規(guī)律;研究濕地設計的兩種改進方案,分別模擬了兩種方案的污染物降解率[28]。武周虎、張娜用SMS地表水軟件模擬了河灘濕地不同面積、寬度及不同植物糙率條件下對河流洪水位的影響[29]。潘俊、高維春等用地下水模擬程序對潛流濕地進行三維模擬,取得了較好的模擬效果[15]。

2.2??人工濕地數(shù)學模型研究應用情況

人工濕地是利用自然濕地生態(tài)過程的技術,是一種高度復雜的生態(tài)系統(tǒng),其處理污水反應機理復雜多樣,多種物理、化學、生物過程一并發(fā)生且相互作用,吸附、沉淀、絮凝、生物吸收、轉化、移流、擴散等多種作用使污染物降解、轉化。由于人工濕地系統(tǒng)的高度復雜性,使量化處理工藝形成數(shù)學模型變得非常困難,污水的各成分特性和變化過程很難精確描述;通過經驗的方法建立的模型又存在缺乏長期實驗數(shù)據(jù)和重復使用效力不高等問題。因此,目前還未開發(fā)出較為精確的人工濕地污水處理模型[2,21-22]。長時間內,人工濕地數(shù)學模型處于不明確反應機理的??黑箱??和簡單輸移衰減模型階段,主要是基于統(tǒng)計學原理、一級反應動力學及生態(tài)動力學理論來進行模擬[23]。幾種典型的人工濕地去污模型包括衰減模型、一級動力學模型、零級動力學模型、Monod模型和生態(tài)動力學模型等[24-26]�？琢钤５确治霰容^了各種模型之間的關系,給出了各模型微分方程的統(tǒng)一表達形式[26]。

由于人工濕地污水凈化機理的不明確,現(xiàn)有的人工濕地設計導則,主要是由經驗方法估算濕地面積,或是應用簡單的一級動力學衰減模型作為設計準則。為了明確濕地內部反應機理和優(yōu)化工程設計,近幾年一些研究者開發(fā)出為數(shù)不

3??結語

??水環(huán)境模型已深入發(fā)展,多種通用模型軟件被廣泛應用于水環(huán)境模擬;人工濕地數(shù)值模擬是近年來新的研究方向,還處于初始階段,目前尚缺乏通用的專業(yè)模擬軟件。選擇適宜的水環(huán)境模型軟件進行人工濕地數(shù)值模擬,需考慮以下幾個問題:模型適宜的水流流態(tài),模擬的水質參數(shù),輸入和輸出參數(shù),時間和空間尺度,數(shù)據(jù)的前后處理如何實現(xiàn)。

??數(shù)值模擬是一種有效的研究手段,數(shù)學模型是工程實踐的工具,因此模型軟件開發(fā)一方面要力求準確表達復雜的反應機理,另一方面,要滿足模型應用者在工程實踐中方便簡捷的需求。

??人工濕地是一種生態(tài)工程設施,系統(tǒng)的結構參數(shù)和生

趙小利等??水環(huán)境數(shù)學模型與人工濕地模擬

物作用是其凈化功能的關鍵影響因素,在濕地模型開發(fā)和應用中,需特別關注設計參數(shù)和生物要素這些系統(tǒng)內部變量。

??濕地模擬工具的研發(fā)可在充分利用現(xiàn)有的水環(huán)境模型模塊的基礎上,加入濕地特征參數(shù),集成開發(fā)能夠滿足各種類型濕地模擬的綜合濕地模擬軟件。參考文獻(References):

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  本文關鍵詞：人工濕地數(shù)學模型模擬與應用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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