WASP6水质模型应用于汉江襄樊段水质模拟研究精.docx

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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:

[1]谢永明.环境水质模型概论[M].北京:

中国科学技术出

版社,1996.

[2]贾海峰,程声通,杜文涛.GIS与地表水质模型WASP5的

集成[J].清华大学学报,2001（8:

125～128.

[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:

[1]ShanahanP,BorchardtD,HenzeM,etal.Riverwaterquality

modelno.1（RWQM1:

I.modellingapproach[J].WaterScienceTechnology,2001,43（5:

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[2]HenzeM,GujerW,MinoT,etal.Activatedsludgemodelno.

2d,ASM2d[J].WaterScienceTechnology,1999,39（1:

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[3]ReichertP,BorchardtD,HenzeM,etal.Riverwaterquality

modelno.1（RWQM1:

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[4]RauchW,Bertrand2KrajewskiJL,KrebsP,etal.Deterministic

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[5]MeirlaenJ,HuyghebaertB,SforziF,etal.Fast,simultaneous

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[6]MeirlaenJ,VanAsselJ,VanrolleghemP.Realtimecontrolof

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（RWQM1:

III.Biochemicalsubmodelselection[J].WaterScienceTechnology,2001,43（5:

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（收稿日期:

2004Ο04Ο19　编辑:

徐　娟

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