河流污染二维水质模型研究及RMA4模型概述_马莉

河流污染二维水质模型研究及RMA4模型概述

马 莉1,2,桂和荣1,3,曹彭强4

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232007;

2.淮南职业技术学院采矿工程系,安徽淮南 232007;

3.宿州学院,安徽宿州 234000;

4.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098)

摘 要:介绍二维水质模型常用的模拟手段、建模求解步骤的要点难点,并在此基础上对RM A 4水

质模型的特点进行详细归纳和分析,最后探讨河流水质模型的未来发展趋势,从而为建立二维河流水质

模型进行水质模拟提供一定的思路和依据.

关键词:河流;二维;水质模型;RMA 4

中图分类号:X 522;O 242.1 文献标志码:A 文章编号:1000-2162(2011)01-0102-07

Study on i ntegration of 2D water

quality m odels and revi ew of RM A4model

MA L i 1,2,GU I H e rong 1,3,CAO Peng q iang 4

(1.D epart ment o f Earth and Env iron m ent ,A nhui U nivers it y of Science and T echno l ogy ,H uai nan 232007,Ch i na ;

2.D epart ment o fM i ning Engeer i ng ,H uainan V o ca ti ona l T echn ical Co llege ,Hua i nan 232007,China ;

3.Suz hou Co lleg e ,Suzhou 234000,Ch i na ;

4.D epa rt m ent ofH ydrolody and W ater R esources ,H oha iU niversity ,N anji ng 210098,Ch i na)Abst ract :The co mm on m ethod o f 2D w ater quality m odels and the po ints for so l v ing t h e w ater qua lity m ode ls were introduced i n t h is paper .Then a w ater qua lity m odels RMA4w as i n tr oduced and its character i s tics w ere analyzed .Fina ll y the developi n g trends o f si m ulati o n o f river w ater qua lity w as d iscussed .Th is is beneficia l to bu ild i n g and using m athe m atic mode ls to si m u late the river w ater qu lity .

K ey w ords :river ;2D;w ater qua lity m ode;l RMA4

1 河流污染二维水质模型研究概况

水质模型是污染物在水环境中的变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述,它既是水环境科学研究的内容之一,又是水环境研究的重要工具.它涉及水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题.最早研究的水质模型为一维水质模型,其主要应用于河道很长,而水面宽度和深度

收稿日期:2010-06-08

基金项目:安徽省学术与技术带头人基金资助项目

作者简介:马 莉(1983 ),女,辽宁沈阳人,淮南职业技术学院讲师,安徽理工大学在读博士.

引文格式:马莉,桂和荣,曹彭强.河流污染二维水质模型研究及RM A 4模型概述[J].安徽大学学报:自然科学版,2011,35(1):102-108.

2011年1月

第35卷第1期安徽大学学报(自然科学版)Journa l o f Anhu iU n i versity (N a t ural Science Ed iti on)January 2011V o.l 35N o .1

相对较小的狭长河段.二维模型适用于某一坐标方向混合比较均匀,如竖向混合(一般相对浅而宽的河流)或横向混合(如在分层的河口),而在其他两个坐标方向的浓度梯度较大的情况

[1].二维水质模型可以广泛应用于大型河流河口,是研究河流污染较常采用的方式.

1.1 二维水质模型的研究手段

国内对二维水质模拟通常采用两种方式:一是针对特定水域自主开发模型;二是采取国外的水质模型软件.

针对特定水域自主开发模型,近几年来,刘启峻[2]以守恒形式的二维水动力方程组为基础,开发了

Tabata 的迎风有限元模型.马生伟等

[3]建立了浅水湖泊风生流和TP 的二维迎风有限元数值模型.华祖林等[4-5]建立了水质模型并计算了长江南通段的潮流和浓度场.张萍峰等[6]建立了二维风生流模型等.

国外发明的二维水质模拟软件主要有:M I K E21、CE -QUAL -W 2、WASP 、S M S -SED2D 、S M S -R MA4模型等.

(1)M I KE21模型:由丹麦水动力研究所研发,用于二维水动力学、水质、富营养化、石油泄漏等计算,适用于河流、湖库、河口及海湾等.

(2)CE -QUAL-W 2模型:由美国陆军工程兵团研发,是二维横向平均水动力学和水质模型,广泛适用于湖泊、水库和具有湖泊特性的河流.

(3)WASP 模型:由美国国家环保局开发,它可以模拟几个底泥层和2个水体层,模拟范围较广,其水质模型为二维,水动力学模型为一维.

(4)SM S-SED2D 、SM S-RMA4模型:SED2D 、RMA4是大型商业软件地表水模拟系统S M S (the SurfaceW ater M odeli n g Syste m )的重要组成模块,两者均为运输传送模型,SED2D 倾向泥沙传送,R MA4应用于污染物扩散输移.

综合分析以上几个模型的特点,从模型模拟对象来看,CE -QUAL -W 2模型由于起初是针对水库研发的,较多用于模拟多藻体水体,因此主要用于水库、湖泊的模拟,其余模型的模拟对象广泛.从模型求解来看,S M S 模型由于采取有限元算法,网格划分灵活,可以很好地生成矩形网格和三角形网格,易于处理不规则区域边界,计算精度较高,但计算量大,计算速度较慢.M I K E21和WASP 模型由于采取差分求解法生成矩形网格来拟合实际边界,相比之下计算精度不高,但速度较快.从模型运行来看,SM S 和M I KE21模型是大型商业软件,用户界面友好,输入输出灵活,能够提供较好的技术支持.特别是S M S 软件,可以提供原程序,为二次开发提供可能.

基于以上国外模拟软件,国内学者做了大量的研究,王崇浩等[7]利用M I K E2l 模型建立了渤海水域

大模型和黄河口水域小模型,对黄河口潮流和泥沙输移进行了数值模拟.胡治飞等[8]应用CE -QUAL-

W 2建立了北京市官厅水库水质预报系统.庄丽榕等

[9]应用CE -QUAL-W 2模型模拟了福建山仔水库.孙学成等[10]进行了WASP 系统在三峡库区水质的仿真应用.廖振良等[11]通过WASP 模型软件开发

了苏州河水质模型.尹海龙[12]应用S M S 模型对黄浦江水质进行改善措施分析.

不管采取何种方式建模,二维水质模型的建立通常要从以下几个步骤建立.

1.2 二维水质模型的建立步骤

1.2.1 区域信息资料的采集

了解研究区域流域状况,收集研究区域相关地形、水文、水质、降雨等详细资料,完备的水质水流报告是建立水质模型的基础.监测数据要具有代表性、实时性和动态性等特点.

1.2.2 计算区域网格的生成

计算网格通常采用两种形式,即有限差分计算网格与有限元计算网格,分别基于数值计算的有限差分与有限元原理.有限差分计算网格包括:等步长矩形网格、变步长矩形网格、贴体边界曲线网格.矩形网格一般应用于规则的计算边界,难以精确而光滑地拟合实际边界.贴体边界曲线网格、有限元计算网格都可以用来较好地模拟复杂不规则的边界,减少边界误差,但由于受到正交性和局部曲率的限制,贴体边界曲线网格不能完全任意地贴合河岸和海岸边界,而有限元网格则基本上可以任意地贴合河岸和海岸边界,故应根据实际地形特征选择适宜的网格生成方法.

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