地表水环评数值模拟精细化研究

摘要：

基于《环境影响评价技术导则 地面水环境》（HJ/T 2.3—93）的数值模型部分内容已经落后于水动力及水质等数学模型的发展，不能满足环境影响评价工作的实际需要。建议开展地表水环境影响评价数值模拟精细化研究，研究不同模型维数、不同模型类型之间模拟结果的差异，并开展模型参数的敏感性分析，阐明影响预测结果的主要模型参数，建立适合我国环评应用的数值模拟预测共享软件平台。同时，开展地表水环境影响评价模型法规化研究，提出适用于国内地表水环境影响评价的数值模型清单，建立法规模型验证案例库和法规模型库，提出进入法规模型库的入库标准，规范环境影响评价中模型的使用，为环境影响评价领域的数值模拟预测规范化、科学化提供技术支持。

关键词：

地表水；环境影响评价；数值模拟；模型

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.01.014

中图分类号：X828 文献标识码：A 文章编号：2095-6444（2015）01-0051-04

《环境影响评价导则 地面水环境》（HJ/T 2.3—93）是指导开展地表水环境影响评价的依据、方法和技术指南，于1993年颁布，导则详细说明了地表水环境影响评价需要开展的主要工作内容、技术方法等。

地表水环境影响预测是地表水导则的重要内容，也是地表水环境影响评价的重要内容，环境影响的大小决定了污染防治措施选取的依据和环保投资的大小，在整个环评过程中起着重要作用。《环境影响评价技术导则 地面水环境》（HJ/T 2.3—93）中给出了适合河流、湖（库）、河口、海湾等各类水体类型的环境影响预测模式，其中包括持久性污染物、非持久性污染物、酸碱污染物、废热预测等的各类稳态预测模型及部分数值模型。

但是经过20多年来地表水环境预测数学模型的不断发展，导则中给出的数学模型已经不能满足目前环境影响评价的实际需要，特别是数值模型部分，已经落后于水动力及水质等数学模型的发展。导则中数值模型介绍内容比较少，只给出了部分数值模型的计算公式，实际环评中，涉及河口、海湾、大型河流的污染排放量较大的石化化工项目、直流火电厂及大型水库等，一般都采用数值模型进行水环境影响的预测。而且在实际环评中，不同的环评单位往往应用不同类型的数值模型软件，但是不同模型之间模拟结果的差别究竟有多大，什么样的情况应采用什么样的模型，尚没有研究成果提供相关技术支持。因此，开展水环境影响评价数值模拟精细化研究，研究不同模型软件、模型维数模拟结果的差异，分析模型参数的敏感性和模型的不确定性是目前水环境影响评价的重大需求。

1 国外水环境数值模型研究现状

从1925年斯特里特（H.W.Streeter）和费尔普斯（E.B.Phelps）研究建立了第一个水质模型（SP模型），到目前为止，水环境质量模型经历了近90年的发展历程。水环境质量模型从单项水质因子发展到多项水质因子，从稳态模型发展到动态模型，从点源模型发展到点源和面源耦合的模型，从零维完全混合模型发展到一维、二维、三维模型，有关地表水环境影响预测的模型有上百种。水环境模型数值模拟计算的发展始于20世纪60年代，在河口海岸水动力、水沙等的数值模拟方面应用研究的比较多，到70年代，河流湖库水动力、水质模型的数值模拟研究开始出现[13]。发展至今，国际上已经推出多个商业版和免费版的水环境数值模拟软件。

美国在水环境质量模型研究方面是走在最前面的，1972年美国颁布实施了《清洁水法》，该法对美国各州水域的水质标准和TMDL计划的制定、实施做出了具体规定，其控制对象包括点源和非点源。《清洁水法》要求根据水域的水质标准、应用水环境数学模型，计算出该水域日最大能容纳的某种污染物的总量；然后根据点源与非点源造成污染的比例，进行点源与非点源之间污染排放许可的分配。美国环境保护局（EPA）资助Tetra Tech公司开展了TMDL模型评价和研究需求分析项目（TMDL Model Evaluation and Research Needs）[4]，该项目对60多个模型进行了评估，对各种模型的模拟能力、适用性等进行了详细的评估对比。2002年，EPA发布了模型应用指南（Guidance for Quality Assurance Project Plans for Models），对环境质量模型的应用提出了建议和指导原则。2009年，EPA发布了《环境模型开发、评估及应用指南》（Guidance on the Development，Evaluation and Application of Environmental Models）[5]，该指南分类给出了一系列模型，其中地表水环境模型有HSPF，WASP及QUAL2E等，并简要介绍了各种模型的模型特征、适用模拟的环境过程以及模型的详细介绍网址等。美国EPA环境模拟监管委员会（CREM）在其网站[6]建立了模型库，美国地质调查局[7]、联邦风险应急管理局[8]、美国陆军工程兵团[9]等机构都建有类似的模型库，并对各类模型进行了详细介绍。

英国发布的《地表水和地下水污染影响评估指南》提出了针对潜在污染源地表水环境影响评价的步骤和方法，推荐了65种适合河流、湖泊、水库、河口、海域等不同条件的地表水预测模型，并给出了每个模型的适用条件、应用说明等的详细介绍，可以精细化定量评估污染源对地表水环境影响的程度。韩国环境部2006年提出了水环境管理总体计划，针对具体的水质预测，推荐了一系列的数学模型，实际应用最广泛的为QUAL2E模型、EFDC模型等。澳大利亚地表水环境预测应用较为普遍的模型为MIKE系列模型以及Tuflow模型。丹麦水环境模型应用最广泛的是丹麦水利研究所（DHI）开发的MIKE系列模型，该系列模型可以针对生态与环境化学、水资源、水利工程、水动力学及其相关领域进行模拟分析。

美国、英国、韩国等发达国家都建立了水环境数值模型库，并详细给出了模型的适用条件、应用范围等内容，以及可采纳应用的各类水环境数值模型。但对于不同模型软件、不同维数模型之间模拟结果差别的深入、精细化研究尚不多见。

2 国内水环境数值模型研究现状

20世纪70年代中期，香港开始使用Delft3D水动力水质模型系统，涉及水环境模拟预测的环境影响评价项目一般都采用该模型进行预测，现在已经成为香港环境署的标准产品。台湾“环保局”发布了《环境影响评估河川水质评估模式技术规范》，推荐了适合不同水环境条件下的预测模式清单，主要有BASINS/HSPF、QUAL2K、SWMM、WASP，如果要选用其他模式，需要经过模型验证，提交模型理论公式，以及与推荐模型的对比结果。

我国大陆地区的数值模拟研究始于20世纪70年代，在水环境数值模拟研究方面做了很多工作，就数值模型的计算网格生成、离散方法、数值计算方法、模型参数、模型开发等方面做过很多研究，引进了国际上常用的MIKE、EFDC、DELFT3D、WASP、SWAT、QUAL2E等数值模型软件，并在我国水利水电工程、河口海岸工程等建设项目的水环境影响预测及规划管理中得到广泛应用。一些科研院所和大学也开发了数值模型软件，取得了较好的应用效果。

南京水利科学研究院建立了河口海岸潮流泥沙数值模拟系统，该系统选用成熟的计算方法，编制出完整的河口海岸数值模拟可视化系统，集成了平面二维、三维水流、盐度、泥沙、水质、温排水、溢油等模块。大连理工大学开发了HydroInfo软件，可用来进行复杂水流与输运问题的大型数值模拟计算，系统集成了一维、二维、三维及多维耦合模型，采用无结构化网格高分辨率离散格式，来模拟计算水流、水质、泥沙等输运过程，且开发了易用的前后处理工具及与GIS、CAD软件的数据接口，采用并行技术以提高模型的计算效率，并提供了多种标准算例。珠江水利委员会珠江水利科学研究院开发了HydroMPM模型软件，包括三种计算模式：一维模式、二维模式、一二维联解模式。该软件可以利用数值计算手段对水（潮）流、泥沙、水质、咸潮等水动力及其伴生过程进行模拟分析。浙江省水利河口研究院开发了ZIHE2DS软件，可以进行水流、盐度、水质的计算，模型采用OpenMP并行编程技术对基于多核处理器的计算程序实现了并行计算，控制方程采用二维浅水方程和对流扩散方程，水流计算采用有限体积KFVS（Kinetic Flux Vector Splitting）格式，水质计算采用有限体积Godunov格式。四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室研发了West WaterLateral （WWL）立面二数值模拟软件，该水温分析软件计入地形、入流、发电泄流、防洪泄流、水位、太阳辐射、大气长波辐射、水体返回长波辐射、水面蒸发、传导、泄流孔口位置及尺寸等因素对水库纵垂向水温的影响，通过计算连续方程、动量方程、能量方程、紊流模式方程来模拟水库水温时空变化过程，模拟计算的过程、结果可自动输出到第三方软件如Tecplot、Excel等进行动态显示，并自动生成统计表格和图形。交通部天津水运工程科学研究院、河海大学等单位经过多年的科研成果积累，也开发了自己的数值模型软件。

但是，我国建立的数值模型软件主要局限于相关单位的自身实际应用需求，尚未在大范围内推广应用。现在我国环评领域应用较多的水环境模型软件是国外的MIKE、EFDC、DELFT3D等，环评导则中尚未给出可参考选择使用的数值模型清单。

3 主要问题及重大需求

依据国内外目前数值模拟技术的发展现状及研究成果，以及我国环境影响评价的现状，建议开展我国地表水环境影响评价数值模拟精细化研究，为我国的地表水环境影响评价提供技术支持，主要基于以下问题和需求。

（1）模型合理选择缺乏研究基础

经过几十年的发展，国内外已经建立了一系列比较成熟的地表水环境质量数值预测模型，特别是国外，开发了很多成熟的开源免费或商业软件，并建有专门的模型支持网站，发布了一系列模型库。但是，不同模型软件之间的模拟结果差别究竟有多大，不同模型软件是否可相互替代使用等方面的研究还很少，而目前在我国水环境影响评价数值模拟预测中，使用的软件类型较多，不同环评单位应用的模型软件、选用的模型维数存在差异，预测出来的结果也不完全一致，迫切需要开展相关研究工作。例如，在环评预测中，特别是在沿海及大江大河建设的直流火电厂项目中，温排水预测的数值模型选择一直存在异议，究竟应该用平面二维模型还是三维模型，在环评界尚未达成共识。同样，大型水库建设后会产生库区水温分层，引起下泄低温水，为了提高下泄水体的温度，我国开始设计建设叠梁门。目前，我国已有多个大型水库开始了叠梁门的设计建设，环评单位也进行了叠梁门运行效果的数值模拟预测，但不同环评单位应用的模型软件、选用的模型维数存在差异，预测出来的结果也不完全一致。

目前，我国地表水环境影响评价预测中应用的水环境模型软件有很多，常用的数值模型软件有MIKE、EFDC、DELFT3D等，还有一些研究单位自己开发的模型软件，但对各种模型软件模拟结果的差异性、参数的敏感性、参数的规范化和标准化等的研究还没有开展，急需开展相关研究，为环境影响评价提供技术支持。

（2）数值模拟预测缺少技术指导文件

《环境影响评价导则 地面水环境》（HJ/T 2.3—93）中推荐了地表水环境影响评价预测中常用的数学模型，包括稳态模型和非稳态模型两大类。稳态模型在建设项目的地表水环境影响评价中起到了重要作用，但是对于非稳态模型，由于导则中推荐的仅是数值模型的计算公式，计算过程复杂、计算量庞大，实际环评过程中可操作性不强。一般实际环评工作中，需要借助基于数值计算模型开发的相关数值模型软件，进行模拟预测。目前应用的数值模拟预测软件很多，包括国外多个国家发布的商业软件、开源免费软件以及国内一些研究单位独立研发的软件，但是缺少相关模型应用的技术指导性材料，特别是规范性应用文件，缺乏可参考的依据。

4 未来发展方向及建议

为解决环评中地表水环境影响预测存在的相关问题，建议未来在水环境影响数值模拟方面深入研究，组织开展地表水环境影响评价数值模型规范性应用研究，尽快修订地表水环评技术导则，补充数值模拟预测部分相关内容，提高对数值模拟预测的技术指导性，配套发布相应的模型应用技术指南或模型规范性应用技术指导文件，为地表水环境影响评价提供技术支持。

（1）开展数值模拟精细化研究

目前，在环境影响评价中需要开展水环境数值模拟预测的主要涉及水利水电、直流电厂、石化、造纸、印染等行业建设项目，建议针对地表水环境影响评价数值模拟预测中存在的主要问题及重大需求，选择大型直流火电厂、叠梁门水库、石化、造纸、印染类建设项目作为典型案例，开展水环境影响数值模拟精细化研究，包括温排水、水库水温及下泄水温、水质的数值模拟精细化研究。研究不同数值模型软件、不同模型维数之间模拟结果的差异，并开展模型参数的敏感性分析，阐明影响预测结果的主要模型参数，并给出每个参数的取值范围；研究不同数值模拟软件的适用条件、应用范围、参数特点等，并基于当前主流开源的数值模型计算程序，建立适合国内环评应用的数值模拟预测共享软件平台，解决水环境影响预测评价中亟待解决的问题，为环境影响评价领域的数值模拟预测规范化、科学化提供技术支持。

（2）开展环评模型法规化研究

建议开展地表水环境影响评价模型法规化研究，在国内外数值模型比较分析的基础上，从模型适用性、模型精度、计算方法与效率、易用性与标准化程度等多方面建立环境质量法规模型的评价指标和模型验证案例库，提出适用于国内地表水环境影响评价的数值模型清单，建立法规模型库，提出进入法规模型库的入库标准，提出法规模型参数获取方法、来源及推荐值，法规模型参数的率定和验证方法等，提出模型参数的规范化建议。同时，开发法规模型的中文化图形用户界面，编写详细的模型操作手册和模型应用技术指南，包括模型输入（数据获取、数据预处理）、模型构建、模型校准、模型验证、参数评估、模型输出等应用过程，为地表水环评提供技术支持。

参考文献（References）：

[1] Wang Qinggai， Li Shibei， Jia Peng， et al. A Review of Surface Water Environmental Quality Models： Development， Regulations and Measurements[J]. The Scientific World Journal， 2013， 2013： 17.

[2] Wang Qinggai. Prediction of Water Temperature as Affected by a PreConstructed Reservoir Project Based on MIKE11[J]. CleanSoil， Air， Water. 2013， 41 （11）： 10391043.

[3] USEPA. Guidance for Quality Assurance Project Plans for Modeling[EB/OL]. （200212）[20141217]. http：//www.epa.gov/QUALITY/qsdocs/g5mfinal.pdf.

[4] USEPA. TMDL Model Evaluation and Research Needs[EB/OL]. （200511）[20141217]. http：//water.epa.gov/lawsregs/lawsguidance/cwa/tmdl/upload/600r05149.pdf.

[5] USEPA. Guidance on the Development， Evaluation， and Application of Environmental Models[EB/OL]. （200903）[20141217]. http：//www.epa.gov/crem/library/cred_guidance_0309.pdf.

[6] USEPA. Council for Regulatory Environmental Modeling[EB/OL]. （20141217） [20141217]. http：//cfpub.epa.gov/crem/knowledge_base/crem_results.cfm.

[7] USGS. Water Resources of the United States[EB/OL]. （20141217） [20141217]. http：//water.usgs.gov/software/lists/surface_water.

[8] FEMA. Numerical Models Meeting the Minimum Requirement of NFIP[EB/OL]. （20140724） [20141217]. http：//www.fema.gov/nationalfloodinsuranceprogramfloodhazardmapping/numericalmodelsmeetingminimumrequirement0.

[9] US Army Corps of Engineers. Final Model Evaluation Report[EB/OL]. （200211） [20141217]. http：//www.evergladesplan.org/pm/projects/project_docs/pdp_08_eaa_store/pdp_08_final_model_eval_report.pdf.

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