陸耀烽, 丁志斌, 黎 煒, 陳 鵬, 陳 曉

近岸海域水質(zhì)模型研究現(xiàn)狀及展望

陸耀烽, 丁志斌, 黎 煒, 陳 鵬, 陳 曉

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院, 江蘇 南京 210007)

為更好地了解和使用近岸海域水質(zhì)模型, 總結(jié)和比較了EFDC(environmental fluid dynamics code)、WASP(water quality analysis simulation program)和MIKE三種模型的概念、性能、優(yōu)勢和局限性, 介紹了其在近岸海域的應(yīng)用, 強(qiáng)調(diào)了選用合適的模型和降低不確定性是減小模擬結(jié)果誤差的重要保證, 對近海水質(zhì)模型進(jìn)行了展望。分析表明, WASP和EFDC的擴(kuò)展性和開發(fā)性較強(qiáng), MIKE的選擇性更大; 雖然水質(zhì)模型在近岸海域已有較多應(yīng)用, 但仍有較大的發(fā)展空間, 可通過模型內(nèi)部完善、新技術(shù)耦合以及應(yīng)用范圍拓寬等途徑使近岸海域水質(zhì)模型得到進(jìn)一步發(fā)展。

近岸海域; 水質(zhì)模型; EFDC(environmental fluid dynamics code); WASP(water quality analysis simulation program); MIKE

海洋具有極強(qiáng)的自凈能力, 依靠海水稀釋作用處置廢水是最原始的處理方式。直到現(xiàn)在, 其仍是一種有效的處置方式, 多數(shù)沿海城市都將處理后的廢水從海洋排水口排出[1-3]。隨著沿海地區(qū)人口的密集和廢水排放量的增大, 近海水質(zhì)出現(xiàn)惡化?！?017年中國環(huán)境公報》顯示[4], 我國近海海域水質(zhì)一般, 渤海灣、珠江口和杭州灣等區(qū)域水質(zhì)較差, 近岸海域急需科學(xué)有效的水質(zhì)管理。

對于近岸海域這類大而復(fù)雜的水體, 使用實(shí)測數(shù)據(jù)支撐水質(zhì)管理決策是不夠的, 理論分析和數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)實(shí)測數(shù)據(jù)的不足[5]。經(jīng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證的水質(zhì)模型能模擬污染物遷移轉(zhuǎn)化等物理生化過程和規(guī)律, 預(yù)測海域水質(zhì)情況, 是水環(huán)境研究必不可少的工具[6-7]。自20世紀(jì)20年代Streeter和Phelps[8]開發(fā)Streeter-Phelps模型(S-P模型)用于描述一維穩(wěn)態(tài)河流的BOD(biochemical oxygen demand)和DO(dissolved oxygen)變化規(guī)律以來, 水質(zhì)模型開始快速發(fā)展, 計(jì)算機(jī)的進(jìn)步使復(fù)雜的水體系統(tǒng)得以被模擬[9-11]。截至目前, 研究學(xué)者已開發(fā)了100多種水質(zhì)模型, 各有其優(yōu)勢和不足, Cao和Zhang[12]依據(jù)水體類型、水質(zhì)成分、模型屬性和空間維度對水質(zhì)模型進(jìn)行了分類和總結(jié)。Wang等[13]將模型的發(fā)展歷程分為了三個階段, 第一階段(1925—1965年)的研究對象集中在BOD和DO, 點(diǎn)源污染是該階段模型的主要形式[14-15]; 在第二階段(1965—1995年), 二維和三維模型出現(xiàn), 氮磷、光照、溫度和浮游動植物等參數(shù)被考慮, 開發(fā)了QUAL、MIKE 11和WASP等代表性模型; 第三階段(1995年至今)的水質(zhì)模型考慮了大氣沉降污染物且開始用于復(fù)雜環(huán)境條件下的水體[16]。雖然各水質(zhì)模型間有共通之處, 但仍需根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)和水質(zhì)監(jiān)測條件選用合適的模型, 這就要求使用者對各個模型的假定、缺陷和輸入數(shù)據(jù)需求以及不確定性分析等有充分的理解[17], 否則易造成水質(zhì)模型難以匹配研究要求。

近岸海域水質(zhì)模型可視作水質(zhì)模型在河口、海岸和海灣等區(qū)域的應(yīng)用?！逗Ｑ蠊こ汰h(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則》指出[18], 對于寬淺型水域且潮混合較強(qiáng)烈、各要素垂向分布較均勻的近岸海域或河口、海灣, 可采用二維數(shù)值模型近似描述海水的三維運(yùn)動, 其余情況宜采用三維數(shù)值模型, 一維模型適用于復(fù)雜水體的長期模擬[19], 因此近岸海域水質(zhì)模型以二維和三維為主。EFDC(environmental fluid dynamics code)、WASP(water quality analysis simulation program)和MIKE是三種有代表性的水質(zhì)模型, 在近岸海域有較多應(yīng)用, 本文從概念、性能、優(yōu)勢和局限性等方面對其進(jìn)行了總結(jié)和比較, 為近岸海域水質(zhì)模型的選擇提供了參考。此外, 強(qiáng)調(diào)了水質(zhì)模型存在著不確定性和誤差, 提出了相應(yīng)的解決方法。最后, 對近岸海域水質(zhì)模型進(jìn)行了展望。本文可望為近岸海域水質(zhì)模型的研究應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 近岸海域水質(zhì)模型

1.1 EFDC

1.1.1 概述

EFDC模型由美國弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所[20-21]利用Fortran語言設(shè)計(jì), 后經(jīng)資助進(jìn)行再開發(fā), 穩(wěn)定性和效率大幅提升, 是美國環(huán)境保護(hù)署(United States Environmental Protection Agency, EPA)極力推薦的水動力和水質(zhì)模型[22]。EFDC模型由水動力、水質(zhì)、泥沙、毒物和輸運(yùn)5個主要模塊組成[23], 水質(zhì)模塊的物理和化學(xué)過程如圖1所示, 分為營養(yǎng)物循環(huán)、水生植物和沉積物成巖及運(yùn)輸3個部分, 水質(zhì)參數(shù)間的轉(zhuǎn)換原理主要來自CE-QUAL-ICM水質(zhì)模型[24], 其機(jī)理以碳為基礎(chǔ), 并帶入到其他循環(huán)中, 狀態(tài)變量有藻類、有機(jī)碳、N、P、Si、COD(chemical oxygen demand)、DO、活性金屬、鹽度和溫度。其中, 對有機(jī)碳、N和P的相關(guān)水質(zhì)參數(shù)有著細(xì)致的劃分, 在模擬前需對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集, 包括了難溶顆粒態(tài)有機(jī)碳(RPOC)、活性顆粒有機(jī)碳(LPOC)、溶解有機(jī)碳(DOC)、難溶顆粒態(tài)有機(jī)磷(RPOP)、活性顆粒態(tài)有機(jī)磷(LPOP)、溶解性有機(jī)磷(DOP)、總磷酸鹽(PO4t)、難溶顆粒態(tài)有機(jī)氮(RPON)、活性顆粒有機(jī)氮(LPON)、溶解有機(jī)氮(DON)、氨氮(NH4)和硝氮(NO3)。值得注意的是, 不同于大部分水質(zhì)模型采用BOD表示水體中耗氧有機(jī)物含量, EFDC使用COD來表示。

1.1.2 優(yōu)勢

EFDC作為一款免費(fèi)開源模型, 降低了使用者的準(zhǔn)入門檻。在水平上其使用了正交曲線坐標(biāo)或笛卡爾直角坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 適用于長且直的岸線, 計(jì)算時間更短, 在垂直上使用了Sigma坐標(biāo)系, 避免了深水區(qū)和淺水區(qū)的精度差異?？赡M水體的一維、二維和三維的水動力和水質(zhì)。計(jì)算過程采用了內(nèi)外模分裂法, 空間和時間的計(jì)算精度均為二階。

1.1.3 局限性

由于大多地表水的水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度, 為簡化計(jì)算, EFDC模型將垂向壓力梯度視作與浮力平衡, 垂向加速度忽略不計(jì), 故多應(yīng)用于淺水區(qū)。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也導(dǎo)致了EFDC對彎曲的海岸線適配度不高。EFDC對水質(zhì)指標(biāo)劃分較為細(xì)致, 這對海水水質(zhì)監(jiān)測提出了較高要求, 大部分官方監(jiān)測數(shù)據(jù)均不適用于此模型, 例如廣東、福建和山東發(fā)布的近岸海域水質(zhì)監(jiān)測信息都未滿足其需求(無N、P和C的難溶態(tài)、顆粒態(tài)和有機(jī)態(tài)), 這在一定程度上限制了EFDC的應(yīng)用。

1.1.4 應(yīng)用

EFDC在近岸海域的水動力模擬較多, 成功應(yīng)用于100多個水體區(qū)域的研究[25]。在水動力方面, 其可模擬水位、海流、溫度、鹽度、環(huán)流和波浪等, 國外報道涵蓋了塞文河口[26]、庫克灣[27]和圣露西河口[28]等海域, 國內(nèi)則有膠州灣[29]、廈門灣[30]和杭州灣[31]等。在水質(zhì)方面, 模擬對象以COD、氮和磷為主, 樊喬銘和丁志斌[32]利用EFDC模擬了某港口周圍海域的水動力, 預(yù)測了COD、氨氮和活性磷酸鹽擴(kuò)散趨勢, 確定了排污口的最佳位置。類似地, 何山[33]模擬了長興島入海排污選址方案。Zhu[34]探究了芝加哥入海地下排水系統(tǒng)對航道水質(zhì)的影響, 證明了地下排水的可行性。

1.2 WASP

1.2.1 概述

WASP同樣是EPA開發(fā)的水質(zhì)模型軟件, 最新版本為WASP8, 可從EPA官方網(wǎng)站(https: //www.epa. gov/)免費(fèi)獲取。WASP采用了動力學(xué)箱式模型, 通過對水體進(jìn)行合理分段來模擬一維、二維和三維水質(zhì)問題, 基本程序有隨時間變化的平流、彌散流、點(diǎn)源和非點(diǎn)源的污染物負(fù)荷、邊界交換等[35]。WASP包含了水動力與水質(zhì)兩個獨(dú)立部分, 兩者能聯(lián)和應(yīng)用, 也能獨(dú)立運(yùn)行。除了自帶的運(yùn)輸算法DYNHYD(一維)外, WASP也可外接其他水動力模型, 如CE-QUAL- RIV1(一維)和EFDC(一維、二維、三維)等[36]。多數(shù)研究常使用WASP的EUTRI和TOXI模塊, 前者考慮了復(fù)氧-耗氧循環(huán)、氮循環(huán)、磷循環(huán)和藻類循環(huán), 多用于分析與富營養(yǎng)化相關(guān)的傳統(tǒng)污染指標(biāo), 后者用于模擬有毒物質(zhì)。另有Periphyton、MERCURY、HEAT和LIGHT模塊對模擬水質(zhì)加以細(xì)化。模擬的參數(shù)包括了: DO、BOD、N(可溶有機(jī)氮、氨氮、硝氮)、P(可溶有機(jī)磷和無機(jī)磷)、Si(可溶有機(jī)硅和無機(jī)硅)、巖屑(N、P和Si)、浮游植物、底棲藻類、溫度、鹽度、沉積物(黏性和非黏性)、重金屬、殺蟲劑、有機(jī)化學(xué)品和Hg等[37]。

1.2.2 優(yōu)勢

WASP界面友好, 結(jié)果輸出選擇性較多, 易于用戶使用。其以FD方程為基礎(chǔ), 保證了時間和空間上的質(zhì)量平衡。水質(zhì)模擬功能強(qiáng)大, 對穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)水體均適用, 模擬水質(zhì)指標(biāo)多樣, 除可模擬常規(guī)污染物外, 也能用于汞、有毒物質(zhì)、重金屬和熱污染等問題的研究。其在國內(nèi)應(yīng)用較多且源代碼共享, 可借鑒的研究報道豐富。

1.2.3 局限性

WASP假設(shè)水體是完全混合的, 由于自帶的DYNHYD水動力算法簡單, 常要外接水動力模型用于平流模擬。WASP也簡化了沉積物通量計(jì)算, 不能夠模擬附生生物和大型藻類。此外, 該模型在空間上使用了一階迎風(fēng)格式, 易引起顯著的數(shù)值擴(kuò)散。

1.2.4 應(yīng)用

由于近岸海域常用二維和三維模擬, 故WASP在近岸海域的應(yīng)用需耦合其他水動力模型[38]。Zheng等[39]將WASP 5與ECOM-si耦合, 探明了Satilla河口的物理過程、化學(xué)過程和生物過程對無機(jī)氮、磷酸鹽和溶解氧的影響。Zafer等[40]建立的ROMS- WASP模型準(zhǔn)確模擬了Barnegat海灣的溶解氧和總氮的變化。Xiong[41]利用EFDC-WASP耦合模型完成了Mobile海灣的水動力構(gòu)建, 確定了懸浮沉積物和DDT的傳輸擴(kuò)散情況。

1.3 MIKE

1.3.1 概述

MIKE系列軟件由丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā), 是著名的水動力和水質(zhì)模擬系統(tǒng), 用于近岸海域的有MIKE 21和MIKE 3[42, 43], 其中MIKE 21是平面二維自由表面流模型, MIKE 3為三維自由表面流動模型。MIKE可使用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 且能聯(lián)合使用。需要指出的是, 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在模擬岸線彎曲的情況中有很大優(yōu)勢, 但會降低運(yùn)算速度。模型包含了水動力(HD)、對流擴(kuò)散(AD)、黏性泥沙(MT)、非黏性泥沙(ST)、粒子追蹤(PT)、石油泄漏(OS)和水質(zhì)生態(tài)(ECOLab)等模塊。大部分水質(zhì)模擬工作由ECOLab完成, 其進(jìn)一步可細(xì)分為水質(zhì)模式(Water Quality)、富營養(yǎng)化模式(eutrophication)和重金屬模式(heavy mental)[44], 相應(yīng)的模擬參數(shù)有BOD、DO、氨氮、硝氮、亞硝氮、磷酸鹽、糞大腸菌和總大腸桿菌等; 浮游植物、葉綠素a、浮游動物、巖屑、無機(jī)氮、無機(jī)磷、DO和底棲植被等; 可溶重金屬、吸附重金屬、懸浮顆粒、沉積物、沉積物孔隙水中的可溶重金屬、沉積物中吸附的重金屬。

1.3.2 優(yōu)勢

MIKE 21/3長期以來被定位用于模擬海岸和海洋工程, 是較為成熟的模擬工具。不同于EFDC和WASP, 其水質(zhì)模擬的模式多樣, 有較為復(fù)雜的富營養(yǎng)化模塊(Eutrophication Model 1變量多達(dá)60個), 也有相對簡單的水質(zhì)模塊(WQ Simple僅有BOD和DO), 用戶可以根據(jù)研究目的選擇合適模塊以降低對數(shù)據(jù)的要求, 簡化模擬難度, 提高工作效率。模型計(jì)算可使用一階精度或二階精度, 前者精度較差, 計(jì)算速度更快, 后者相反。

1.3.3 局限性

不同于EFDC和WASP, MIKE源程序不對外公布, 無法進(jìn)行二次開發(fā)[45]。此外, 其售價較高(MIKE 21約為人民幣40萬元, MIKE 3約為人民幣50萬元), 用戶使用門檻較高。

1.3.4 應(yīng)用

MIKE 21用于近岸海域研究的報道較多, MIKE 3的應(yīng)用則相對較少。Babu等[46]使用MIKE 21模擬了Kachchh海灣水動力, 發(fā)現(xiàn)潮流除受潮汐驅(qū)動以外, 季節(jié)性波浪扮演著重要角色。除水動力外, Babu等[47]同樣利用MIKE 21模擬了不同BOD排放負(fù)荷條件下的Kochi近岸海域水質(zhì), 并提出了最佳污水排放策略。在國內(nèi), MIKE 21在泥沙沖淤[48]、填海工程[49]和溢油事故[50]等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

1.4 討論

本部分從功能、優(yōu)勢、局限性和應(yīng)用等方面對EFDC、WASP和MIKE進(jìn)行了討論, 相應(yīng)的物理、化學(xué)和生物轉(zhuǎn)換過程如圖1所示, 涵蓋了DO、BOD、重金屬、藻類、沉積物以及與氮磷碳硅元素相關(guān)的物質(zhì), 水動力特征、模擬維度、轉(zhuǎn)換過程和水質(zhì)參數(shù)等要素對比如表1所示。

表1 EFDC、WASP和MIKE模型參數(shù)比對

注: “√”表示模型包含該參數(shù), “—”表示模型不包含改參數(shù)。

從模型的獲取條件和開發(fā)環(huán)境來看, EFDC和WASP的最新版本(EPA Version 1.01和WASP 8)均能從EPA官方網(wǎng)站上免費(fèi)獲取, 且源代碼開放, 用戶可根據(jù)需要進(jìn)行模型功能拓展、模型間的耦合和不確定分析等操作, 有報道[51]就建立了EFDC、WASP和SWMM的耦合模擬系統(tǒng), 并對其進(jìn)行了不確定性分析的研究。MIKE則不對外免費(fèi)開放, 二次開發(fā)能力有限, 在擴(kuò)展和開發(fā)的研究較少。3種模型均適用于二維和三維的近岸海域水質(zhì)模擬, 其中WASP常要耦合其他水動力模型。在水質(zhì)參數(shù)方面, MIKE涵蓋范圍相對全面, 水質(zhì)模式更多, 降低了匹配實(shí)際研究需求的難度; WASP包含了絕大多數(shù)研究所要用到的水質(zhì)指標(biāo), 普適性強(qiáng), 得到了較為廣泛的應(yīng)用; EFDC注重對水質(zhì)指標(biāo)可溶性和不可溶性的區(qū)分, 對水質(zhì)參數(shù)的劃分較為細(xì)致, 在保證模擬更加精確的同時, 對監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量也提出了更高的要求。在網(wǎng)格劃分和計(jì)算方面, MIKE的選擇性也更多, 有結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、一階精度和二階精度, 其余兩者均使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和二階精度。

綜上所述, MIKE作為一款成熟的商業(yè)軟件, 其選擇性強(qiáng), 可依據(jù)研究目標(biāo)選用合適的水質(zhì)模式, 提高了工作效率, 但二次開發(fā)受限, 適用于近岸海域的案例分析; 對于WASP和EFDC而言, 可根據(jù)實(shí)際對其進(jìn)行擴(kuò)展和開發(fā), 但需按照模型要求進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測, 適用于近岸海域水質(zhì)模型的理論研究和優(yōu)化。

2 模型不確定性及其應(yīng)對方法

2.1 不確定性

輸入數(shù)據(jù)、模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)的不確定性是模型誤差的來源[17], 控制不確定性以減小誤差是水質(zhì)模擬研究的重要任務(wù)。

James[52]曾指出, 海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏是未來限制水質(zhì)模型應(yīng)用重要因素, 主要存在兩方面問題, 一是監(jiān)測指標(biāo)不統(tǒng)一、不全面, 二是監(jiān)測頻率低、數(shù)據(jù)量小。以全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(global environment monitoring system, GEMS)為例, 其涵蓋的水質(zhì)指標(biāo)有DO、BOD、大腸桿菌、硝氮和重金屬等指標(biāo), 但未包含總碳、氮及其化合物、磷及其化合物、淤泥、黏土和有毒物質(zhì)等指標(biāo)。在國內(nèi), 《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.1-2007)對水樣的采集和測定方法進(jìn)行了規(guī)范, 但沒有明確需監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo), 這導(dǎo)致了各監(jiān)測部門發(fā)布的水質(zhì)信息存在差異, 例如廣東省近岸海域水質(zhì)監(jiān)測信息有水溫、pH、懸浮物、大腸桿菌、DO、COD、氨氮、硝氮、亞硝氮、無機(jī)氮、活性磷酸鹽、重金屬(汞、鎘、鉛、砷、銅、鋅)、石油類和鹽度, 這與山東省近岸海域水質(zhì)監(jiān)測信息存在出入。此外, 各省在各水文周期(枯水期、平水期和豐水期)或季度對近岸海域水質(zhì)進(jìn)行一次測定, 導(dǎo)致近岸海域監(jiān)測存在間隔時間長、頻率低和數(shù)據(jù)量少的問題。以2017年近岸海域海水監(jiān)測信息為例, 廣東省和福建省在枯水期、平水期和豐水期對近岸海域海水各進(jìn)行一次監(jiān)測, 山東省則在四個季度各進(jìn)行一次監(jiān)測。上述情況使得輸入數(shù)據(jù)難以匹配水質(zhì)模型要求, 常要處理輸入數(shù)據(jù)以補(bǔ)充缺失數(shù)據(jù), 易引起誤差。

伴隨著學(xué)者對水質(zhì)機(jī)理認(rèn)識的不斷加深, 水質(zhì)模型涉及的參數(shù)和狀態(tài)變量逐漸增多, 模型覆蓋的過程愈加復(fù)雜, 包括了非點(diǎn)源污染、大氣沉降和流域水文等, 但仍不能保證模型做到準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際過程。相反地, 為了構(gòu)建模型, 提出了一系列的理想假設(shè), 簡化了一些實(shí)際目標(biāo)污染物轉(zhuǎn)化機(jī)理, 造成了模型結(jié)構(gòu)的不確定性。

EFDC、WASP和MIKE均為機(jī)理水質(zhì)模型, 需要調(diào)節(jié)參數(shù)以校準(zhǔn)模型。由于校準(zhǔn)過程多集中在實(shí)測值和模擬值的比較, 忽視了對模型內(nèi)部運(yùn)算過程的驗(yàn)證。在大量參數(shù)的耦合作用下, 易發(fā)生“異參同效”情況, 出現(xiàn)了多組參數(shù)組合都能滿足模型輸出精度的現(xiàn)象[53]。

2.2 應(yīng)對方法

在減小模型不確定性方面的研究可分為兩個方向, 敏感性分析和不確定性分析。敏感性分析用于評價模型輸入(變量和參數(shù))對輸出結(jié)果的影響程度, 通過敏感性分析可定性或定量地描述模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入變量對輸出結(jié)果的影響程度。依據(jù)敏感性系數(shù), 舍棄非敏感部分, 集中討論敏感部分, 提高工作效率, 減小不確定性。敏感性分析分為全局敏感性分析和局部敏感性分析[54, 55], 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得全局敏感性分析基本取代了局部敏感分信息。常見的全局敏感分析方法有Morris[56]、RSA[57]、Sobol[58]和GLUE[59]等。不確定性分析通過評估輸出的不確定程度來判定模型的可靠程度, 值得注意的是, 其不能消除模型當(dāng)中客觀存在的不確定性, 常用的方法有區(qū)間法[60]、模糊理論法[61]和概率法[62]等。張質(zhì)明[53]利用蒙特卡羅法(概率法)從參數(shù)和結(jié)構(gòu)兩方面對WASP水質(zhì)模型進(jìn)行了不確定性分析, 發(fā)現(xiàn)DO的擬合結(jié)果不佳, 后利用Sobol法和EFAST法進(jìn)行了敏感性分析, 確定沉積物耗氧(SOD)、硝化耗氧(E12)和呼吸作用溫度系數(shù)(E1R)等為敏感參數(shù)。

除敏感性分析和不確定分析外, 解決近岸海域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)存在的問題可更直接有效地降低水質(zhì)模型的不確定性。一方面, 國家生態(tài)環(huán)境部需進(jìn)一步規(guī)范水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo), 保證指標(biāo)全面性和統(tǒng)一性, 適當(dāng)提高監(jiān)測頻率, 增加監(jiān)測數(shù)據(jù)量; 另一方面, 研究者可依據(jù)研究目標(biāo)和模型的需要, 進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測, 但成本較高。此外, 研究者可參照歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)涵蓋的指標(biāo), 選用合適的水質(zhì)模型, 但這要求使用者能夠深入理解各模型的不確定性、優(yōu)勢、假設(shè)和局限性。

3 小結(jié)與展望

隨著沿海城市人口密度和污水排放量的增大, 近岸海域水環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。水質(zhì)實(shí)測結(jié)合數(shù)值模擬可為近岸海域水質(zhì)決策提供數(shù)據(jù)支撐。本文對EFDC、WASP、MIKE三種水質(zhì)模型進(jìn)行了總結(jié)和比較, 認(rèn)為MIKE適用于近岸海域的實(shí)際應(yīng)用和案例分析, EFDC和WASP在近岸海域水質(zhì)模型的理論研究和優(yōu)化。此外, 近岸海域水質(zhì)模型仍存在誤差和不確定性, 可通過敏感性分析、不確定分析和完善水質(zhì)監(jiān)測來提升模型準(zhǔn)確性。

目前, 近岸海域水質(zhì)模型已有較多應(yīng)用, 但仍有較大的發(fā)展空間, 除了上文提到的降低誤差和不確定性外, 還可從模型內(nèi)部完善、新技術(shù)耦合以及應(yīng)用范圍拓寬來進(jìn)一步發(fā)展近岸海域水質(zhì)模型。

3.1 模型內(nèi)部完善

水質(zhì)模型的發(fā)展過程就是內(nèi)部完善的過程, 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要, 污染源從點(diǎn)源發(fā)展為面源, 維度由一維發(fā)展為三維, 其中伴隨著底泥、水動力、浮游植物等模塊的加入, 復(fù)雜程度明顯增大, 以狀態(tài)參數(shù)為例, 由最初的BOD和DO兩個變量增加至36個(CE-QUAL-ICM模型)[24]。當(dāng)前的水質(zhì)模型可較完整地描述水體污染物中的物理、化學(xué)和生態(tài)過程[63], 但在水氣邊界交換方面多采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù), 有待改善。此外, 模型的可操作性、理論基礎(chǔ)、通用性、界面和擴(kuò)展靈活性等方面也需進(jìn)一步提高。

3.2 新技術(shù)耦合

1) 遙感技術(shù)(remote sensing, RS)

近岸海域水質(zhì)模型的建立需要對研究區(qū)域進(jìn)行大范圍、長時間和高頻率的水質(zhì)監(jiān)測, 難度大、成本高。RS可遠(yuǎn)程探測目標(biāo)物, 覆蓋面積廣[64], 根據(jù)遙感波段信息和水質(zhì)指標(biāo)的光譜特征可建立反演模型, 利用遙感數(shù)據(jù)間接得到水質(zhì)指標(biāo)濃度, 獲取連續(xù)全覆蓋的高質(zhì)量水質(zhì)數(shù)據(jù)[65], 有望克服近岸海域水質(zhì)監(jiān)測難題, RS耦合水質(zhì)模型技術(shù)已在大東湖[66]、射陽河口[67]、杭州灣[68]等水體得到應(yīng)用, 模擬結(jié)果可準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。

2) 地理信息系統(tǒng)(geographical information system, GIS)

水質(zhì)模型運(yùn)行前, 需處理地理空間數(shù)據(jù)和時間序列數(shù)據(jù)用作模型輸入(前處理); 運(yùn)行完成后, 要對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并使其可視化(后處理)。水質(zhì)模型在數(shù)據(jù)前后處理方面的能力有限。GIS可高效存儲、組織、分析和可視化數(shù)據(jù)[66], 使水質(zhì)模型的輸入輸出更加便捷。Peng等人[69]將GIS與WASP結(jié)合用于查爾斯河流域的表面高程、DO和溫度的模擬, 結(jié)果證明了GIS可以顯著提升WASP在水質(zhì)管理中的應(yīng)用能力。

3.3 應(yīng)用范圍拓寬

1) 離岸島嶼周邊海域

水質(zhì)模型的研究范圍已從河流和湖泊發(fā)展至河口、海灣等近岸地區(qū), 但研究對象常局限于沿岸, 對離岸海域關(guān)注較少。全球已有興起大量旅游型海島, 其人流量巨大, 排放的廢水量可觀, 周邊水質(zhì)環(huán)境惡化[70]。與半開放型的近岸海域不同, 海島周邊海域?qū)儆陂_放型區(qū)域, 影響范圍相對較小, 將水質(zhì)模型用于海島周邊海域的水質(zhì)管理極具意義。

2) 珊瑚礁保護(hù)

我國南海珊瑚礁面積接近37 200 km2, 但在過去十幾年間, 珊瑚礁損害率高達(dá)90%以上[71], 導(dǎo)致該問題的一大原因就是廢水排放?！?017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示, 南海的近岸海域水質(zhì)一般, 珠江口水質(zhì)極差。相較2016年, IV類和劣IV類的海水比例分別上升3.8%和9.1%, 主要污染指標(biāo)為無機(jī)氮、PH和活性磷酸鹽。以珊瑚保護(hù)為目標(biāo)的水動力水質(zhì)模擬研究未見報道, 加強(qiáng)該方面的研究可望為珊瑚保護(hù)提供科學(xué)范例。

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Review of coast quality models: Research process and outlook

LU Yao-feng, DING Zhi-bin, LI Wei, CHEN Peng, CHEN Xiao

(Defense Engineering College, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007, China)

To better understand the coastal water quality model, the environmental fluid dynamics code (EFDC), water quality analysis simulation program (WASP), and MIKE were reviewed on the basis of their conceptuali-zation, capabilities, strengths, limitations, and applications. Moreover, it was important to select the appropriate model and reduce uncertainty. The development trend of the coastal water quality model was also examined. The analysis showed that WASP and EFDC had stronger scalability, whereas MIKE had better selectivity. Although the coastal water quality model has been widely used, there is still room for development, which can be achieved by improving the model, coupling new technologies, and broadening the application scope.

coast; water quality model; environmental fluid dynamics code (EFDC); water quality analysis simulation program (WASP); MIKE

Jun. 10, 2019

[National Key R&D Program of China, No.2017YFC0506304]

P76

A

1000-3096(2020)02-0161-10

10.11759/hykx20190610001

2019-06-10;

2019-07-16

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2017YFC0506304)

陸耀烽(1995-), 男, 浙江嘉興人, 碩士, 主要從事近岸海域水動力和水質(zhì)模擬研究, 電話: 15651835982, E-mail: yaofenglu0930@ 163.com

(本文編輯: 劉珊珊)