賈鵬，王慶改，周俊，趙曉宏，李時蓓

(1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心， 北京　100012；

2.國家環(huán)境保護環(huán)境影響評價數(shù)值模型重點實驗室， 北京　100012)

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地表水環(huán)評數(shù)值模擬精細(xì)化研究

賈鵬1,2，王慶改1,2，周俊1,2，趙曉宏1,2，李時蓓1,2

(1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心， 北京100012；

2.國家環(huán)境保護環(huán)境影響評價數(shù)值模型重點實驗室， 北京100012)

摘要：基于《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地面水環(huán)境》(HJ/T 2.3—93)的數(shù)值模型部分內(nèi)容已經(jīng)落后于水動力及水質(zhì)等數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，不能滿足環(huán)境影響評價工作的實際需要。建議開展地表水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬精細(xì)化研究，研究不同模型維數(shù)、不同模型類型之間模擬結(jié)果的差異，并開展模型參數(shù)的敏感性分析，闡明影響預(yù)測結(jié)果的主要模型參數(shù)，建立適合我國環(huán)評應(yīng)用的數(shù)值模擬預(yù)測共享軟件平臺。同時，開展地表水環(huán)境影響評價模型法規(guī)化研究，提出適用于國內(nèi)地表水環(huán)境影響評價的數(shù)值模型清單，建立法規(guī)模型驗證案例庫和法規(guī)模型庫，提出進(jìn)入法規(guī)模型庫的入庫標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范環(huán)境影響評價中模型的使用，為環(huán)境影響評價領(lǐng)域的數(shù)值模擬預(yù)測規(guī)范化、科學(xué)化提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：地表水；環(huán)境影響評價；數(shù)值模擬；模型

《環(huán)境影響評價導(dǎo)則 地面水環(huán)境》(HJ/T 2.3—93)是指導(dǎo)開展地表水環(huán)境影響評價的依據(jù)、方法和技術(shù)指南，于1993年頒布，導(dǎo)則詳細(xì)說明了地表水環(huán)境影響評價需要開展的主要工作內(nèi)容、技術(shù)方法等。地表水環(huán)境影響預(yù)測是地表水導(dǎo)則的重要內(nèi)容，也是地表水環(huán)境影響評價的重要內(nèi)容，環(huán)境影響的大小決定了污染防治措施選取的依據(jù)和環(huán)保投資的大小，在整個環(huán)評過程中起著重要作用?！董h(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地面水環(huán)境》(HJ/T 2.3—93)中給出了適合河流、湖(庫)、河口、海灣等各類水體類型的環(huán)境影響預(yù)測模式，其中包括持久性污染物、非持久性污染物、酸堿污染物、廢熱預(yù)測等的各類穩(wěn)態(tài)預(yù)測模型及部分?jǐn)?shù)值模型。

但是經(jīng)過20多年來地表水環(huán)境預(yù)測數(shù)學(xué)模型的不斷發(fā)展，導(dǎo)則中給出的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)不能滿足目前環(huán)境影響評價的實際需要，特別是數(shù)值模型部分，已經(jīng)落后于水動力及水質(zhì)等數(shù)學(xué)模型的發(fā)展。導(dǎo)則中數(shù)值模型介紹內(nèi)容比較少，只給出了部分?jǐn)?shù)值模型的計算公式，實際環(huán)評中，涉及河口、海灣、大型河流的污染排放量較大的石化化工項目、直流火電廠及大型水庫等，一般都采用數(shù)值模型進(jìn)行水環(huán)境影響的預(yù)測。而且在實際環(huán)評中，不同的環(huán)評單位往往應(yīng)用不同類型的數(shù)值模型軟件，但是不同模型之間模擬結(jié)果的差別究竟有多大，什么樣的情況應(yīng)采用什么樣的模型，尚沒有研究成果提供相關(guān)技術(shù)支持。因此，開展水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬精細(xì)化研究，研究不同模型軟件、模型維數(shù)模擬結(jié)果的差異，分析模型參數(shù)的敏感性和模型的不確定性是目前水環(huán)境影響評價的重大需求。

1國外水環(huán)境數(shù)值模型研究現(xiàn)狀

從1925年斯特里特(H.W.Streeter)和費爾普斯(E.B.Phelps)研究建立了第一個水質(zhì)模型(S-P模型)，到目前為止，水環(huán)境質(zhì)量模型經(jīng)歷了近90年的發(fā)展歷程。水環(huán)境質(zhì)量模型從單項水質(zhì)因子發(fā)展到多項水質(zhì)因子，從穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展到動態(tài)模型，從點源模型發(fā)展到點源和面源耦合的模型，從零維完全混合模型發(fā)展到一維、二維、三維模型，有關(guān)地表水環(huán)境影響預(yù)測的模型有上百種。水環(huán)境模型數(shù)值模擬計算的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，在河口海岸水動力、水沙等的數(shù)值模擬方面應(yīng)用研究的比較多，到70年代，河流湖庫水動力、水質(zhì)模型的數(shù)值模擬研究開始出現(xiàn)[1- 3]。發(fā)展至今，國際上已經(jīng)推出多個商業(yè)版和免費版的水環(huán)境數(shù)值模擬軟件。

美國在水環(huán)境質(zhì)量模型研究方面是走在最前面的，1972年美國頒布實施了《清潔水法》，該法對美國各州水域的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和TMDL計劃的制定、實施做出了具體規(guī)定，其控制對象包括點源和非點源?！肚鍧嵥ā芬蟾鶕?jù)水域的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，計算出該水域日最大能容納的某種污染物的總量；然后根據(jù)點源與非點源造成污染的比例，進(jìn)行點源與非點源之間污染排放許可的分配。美國環(huán)境保護局(EPA)資助Tetra Tech公司開展了TMDL模型評價和研究需求分析項目(TMDL Model Evaluation and Research Needs)[4]，該項目對60多個模型進(jìn)行了評估，對各種模型的模擬能力、適用性等進(jìn)行了詳細(xì)的評估對比。2002年，EPA發(fā)布了模型應(yīng)用指南(Guidance for Quality Assurance Project Plans for Models)，對環(huán)境質(zhì)量模型的應(yīng)用提出了建議和指導(dǎo)原則。2009年，EPA發(fā)布了《環(huán)境模型開發(fā)、評估及應(yīng)用指南》(Guidance on the Development,Evaluation and Application of Environmental Models)[5]，該指南分類給出了一系列模型，其中地表水環(huán)境模型有HSPF，WASP及QUAL2E等，并簡要介紹了各種模型的模型特征、適用模擬的環(huán)境過程以及模型的詳細(xì)介紹網(wǎng)址等。美國EPA環(huán)境模擬監(jiān)管委員會(CREM)在其網(wǎng)站[6]建立了模型庫，美國地質(zhì)調(diào)查局[7]、聯(lián)邦風(fēng)險應(yīng)急管理局[8]、美國陸軍工程兵團[9]等機構(gòu)都建有類似的模型庫，并對各類模型進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

英國發(fā)布的《地表水和地下水污染影響評估指南》提出了針對潛在污染源地表水環(huán)境影響評價的步驟和方法，推薦了65種適合河流、湖泊、水庫、河口、海域等不同條件的地表水預(yù)測模型，并給出了每個模型的適用條件、應(yīng)用說明等的詳細(xì)介紹，可以精細(xì)化定量評估污染源對地表水環(huán)境影響的程度。韓國環(huán)境部2006年提出了水環(huán)境管理總體計劃，針對具體的水質(zhì)預(yù)測，推薦了一系列的數(shù)學(xué)模型，實際應(yīng)用最廣泛的為QUAL2E模型、EFDC模型等。澳大利亞地表水環(huán)境預(yù)測應(yīng)用較為普遍的模型為MIKE系列模型以及Tuflow模型。丹麥水環(huán)境模型應(yīng)用最廣泛的是丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE系列模型，該系列模型可以針對生態(tài)與環(huán)境化學(xué)、水資源、水利工程、水動力學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行模擬分析。

美國、英國、韓國等發(fā)達(dá)國家都建立了水環(huán)境數(shù)值模型庫，并詳細(xì)給出了模型的適用條件、應(yīng)用范圍等內(nèi)容，以及可采納應(yīng)用的各類水環(huán)境數(shù)值模型。但對于不同模型軟件、不同維數(shù)模型之間模擬結(jié)果差別的深入、精細(xì)化研究尚不多見。

2國內(nèi)水環(huán)境數(shù)值模型研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代中期，香港開始使用Delft3D水動力-水質(zhì)模型系統(tǒng)，涉及水環(huán)境模擬預(yù)測的環(huán)境影響評價項目一般都采用該模型進(jìn)行預(yù)測，現(xiàn)在已經(jīng)成為香港環(huán)境署的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。臺灣“環(huán)保局”發(fā)布了《環(huán)境影響評估河川水質(zhì)評估模式技術(shù)規(guī)范》，推薦了適合不同水環(huán)境條件下的預(yù)測模式清單，主要有BASINS/HSPF、QUAL2K、SWMM、WASP，如果要選用其他模式，需要經(jīng)過模型驗證，提交模型理論公式，以及與推薦模型的對比結(jié)果。

我國大陸地區(qū)的數(shù)值模擬研究始于20世紀(jì)70年代，在水環(huán)境數(shù)值模擬研究方面做了很多工作，就數(shù)值模型的計算網(wǎng)格生成、離散方法、數(shù)值計算方法、模型參數(shù)、模型開發(fā)等方面做過很多研究，引進(jìn)了國際上常用的MIKE、EFDC、DELFT3D、WASP、SWAT、QUAL2E等數(shù)值模型軟件，并在我國水利水電工程、河口海岸工程等建設(shè)項目的水環(huán)境影響預(yù)測及規(guī)劃管理中得到廣泛應(yīng)用。一些科研院所和大學(xué)也開發(fā)了數(shù)值模型軟件，取得了較好的應(yīng)用效果。

南京水利科學(xué)研究院建立了河口海岸潮流泥沙數(shù)值模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用成熟的計算方法，編制出完整的河口海岸數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)，集成了平面二維、三維水流、鹽度、泥沙、水質(zhì)、溫排水、溢油等模塊。大連理工大學(xué)開發(fā)了HydroInfo軟件，可用來進(jìn)行復(fù)雜水流與輸運問題的大型數(shù)值模擬計算，系統(tǒng)集成了一維、二維、三維及多維耦合模型，采用無結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格高分辨率離散格式，來模擬計算水流、水質(zhì)、泥沙等輸運過程，且開發(fā)了易用的前后處理工具及與GIS、CAD軟件的數(shù)據(jù)接口，采用并行技術(shù)以提高模型的計算效率，并提供了多種標(biāo)準(zhǔn)算例。珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院開發(fā)了HydroMPM模型軟件，包括三種計算模式：一維模式、二維模式、一二維聯(lián)解模式。該軟件可以利用數(shù)值計算手段對水(潮)流、泥沙、水質(zhì)、咸潮等水動力及其伴生過程進(jìn)行模擬分析。浙江省水利河口研究院開發(fā)了ZIHE-2DS軟件，可以進(jìn)行水流、鹽度、水質(zhì)的計算，模型采用OpenMP并行編程技術(shù)對基于多核處理器的計算程序?qū)崿F(xiàn)了并行計算，控制方程采用二維淺水方程和對流擴散方程，水流計算采用有限體積KFVS(Kinetic Flux Vector Splitting)格式，水質(zhì)計算采用有限體積Godunov格式。四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室研發(fā)了West Water-Lateral (WWL)立面二數(shù)值模擬軟件，該水溫分析軟件計入地形、入流、發(fā)電泄流、防洪泄流、水位、太陽輻射、大氣長波輻射、水體返回長波輻射、水面蒸發(fā)、傳導(dǎo)、泄流孔口位置及尺寸等因素對水庫縱垂向水溫的影響，通過計算連續(xù)方程、動量方程、能量方程、紊流模式方程來模擬水庫水溫時空變化過程，模擬計算的過程、結(jié)果可自動輸出到第三方軟件如Tecplot、Excel等進(jìn)行動態(tài)顯示，并自動生成統(tǒng)計表格和圖形。交通部天津水運工程科學(xué)研究院、河海大學(xué)等單位經(jīng)過多年的科研成果積累，也開發(fā)了自己的數(shù)值模型軟件。

但是，我國建立的數(shù)值模型軟件主要局限于相關(guān)單位的自身實際應(yīng)用需求，尚未在大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。現(xiàn)在我國環(huán)評領(lǐng)域應(yīng)用較多的水環(huán)境模型軟件是國外的MIKE、EFDC、DELFT3D等，環(huán)評導(dǎo)則中尚未給出可參考選擇使用的數(shù)值模型清單。

3主要問題及重大需求

依據(jù)國內(nèi)外目前數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究成果，以及我國環(huán)境影響評價的現(xiàn)狀，建議開展我國地表水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬精細(xì)化研究，為我國的地表水環(huán)境影響評價提供技術(shù)支持，主要基于以下問題和需求。

(1)模型合理選擇缺乏研究基礎(chǔ)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)建立了一系列比較成熟的地表水環(huán)境質(zhì)量數(shù)值預(yù)測模型，特別是國外，開發(fā)了很多成熟的開源免費或商業(yè)軟件，并建有專門的模型支持網(wǎng)站，發(fā)布了一系列模型庫。但是，不同模型軟件之間的模擬結(jié)果差別究竟有多大，不同模型軟件是否可相互替代使用等方面的研究還很少，而目前在我國水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬預(yù)測中，使用的軟件類型較多，不同環(huán)評單位應(yīng)用的模型軟件、選用的模型維數(shù)存在差異，預(yù)測出來的結(jié)果也不完全一致，迫切需要開展相關(guān)研究工作。例如，在環(huán)評預(yù)測中，特別是在沿海及大江大河建設(shè)的直流火電廠項目中，溫排水預(yù)測的數(shù)值模型選擇一直存在異議，究竟應(yīng)該用平面二維模型還是三維模型，在環(huán)評界尚未達(dá)成共識。同樣，大型水庫建設(shè)后會產(chǎn)生庫區(qū)水溫分層，引起下泄低溫水，為了提高下泄水體的溫度，我國開始設(shè)計建設(shè)疊梁門。目前，我國已有多個大型水庫開始了疊梁門的設(shè)計建設(shè)，環(huán)評單位也進(jìn)行了疊梁門運行效果的數(shù)值模擬預(yù)測，但不同環(huán)評單位應(yīng)用的模型軟件、選用的模型維數(shù)存在差異，預(yù)測出來的結(jié)果也不完全一致。

目前，我國地表水環(huán)境影響評價預(yù)測中應(yīng)用的水環(huán)境模型軟件有很多，常用的數(shù)值模型軟件有MIKE、EFDC、DELFT3D等，還有一些研究單位自己開發(fā)的模型軟件，但對各種模型軟件模擬結(jié)果的差異性、參數(shù)的敏感性、參數(shù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化等的研究還沒有開展，急需開展相關(guān)研究，為環(huán)境影響評價提供技術(shù)支持。

(2)數(shù)值模擬預(yù)測缺少技術(shù)指導(dǎo)文件

《環(huán)境影響評價導(dǎo)則 地面水環(huán)境》(HJ/T 2.3—93)中推薦了地表水環(huán)境影響評價預(yù)測中常用的數(shù)學(xué)模型，包括穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型兩大類。穩(wěn)態(tài)模型在建設(shè)項目的地表水環(huán)境影響評價中起到了重要作用，但是對于非穩(wěn)態(tài)模型，由于導(dǎo)則中推薦的僅是數(shù)值模型的計算公式，計算過程復(fù)雜、計算量龐大，實際環(huán)評過程中可操作性不強。一般實際環(huán)評工作中，需要借助基于數(shù)值計算模型開發(fā)的相關(guān)數(shù)值模型軟件，進(jìn)行模擬預(yù)測。目前應(yīng)用的數(shù)值模擬預(yù)測軟件很多，包括國外多個國家發(fā)布的商業(yè)軟件、開源免費軟件以及國內(nèi)一些研究單位獨立研發(fā)的軟件，但是缺少相關(guān)模型應(yīng)用的技術(shù)指導(dǎo)性材料，特別是規(guī)范性應(yīng)用文件，缺乏可參考的依據(jù)。

4未來發(fā)展方向及建議

為解決環(huán)評中地表水環(huán)境影響預(yù)測存在的相關(guān)問題，建議未來在水環(huán)境影響數(shù)值模擬方面深入研究，組織開展地表水環(huán)境影響評價數(shù)值模型規(guī)范性應(yīng)用研究，盡快修訂地表水環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則，補充數(shù)值模擬預(yù)測部分相關(guān)內(nèi)容，提高對數(shù)值模擬預(yù)測的技術(shù)指導(dǎo)性，配套發(fā)布相應(yīng)的模型應(yīng)用技術(shù)指南或模型規(guī)范性應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)文件，為地表水環(huán)境影響評價提供技術(shù)支持。

(1)開展數(shù)值模擬精細(xì)化研究

目前，在環(huán)境影響評價中需要開展水環(huán)境數(shù)值模擬預(yù)測的主要涉及水利水電、直流電廠、石化、造紙、印染等行業(yè)建設(shè)項目，建議針對地表水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬預(yù)測中存在的主要問題及重大需求，選擇大型直流火電廠、疊梁門水庫、石化、造紙、印染類建設(shè)項目作為典型案例，開展水環(huán)境影響數(shù)值模擬精細(xì)化研究，包括溫排水、水庫水溫及下泄水溫、水質(zhì)的數(shù)值模擬精細(xì)化研究。研究不同數(shù)值模型軟件、不同模型維數(shù)之間模擬結(jié)果的差異，并開展模型參數(shù)的敏感性分析，闡明影響預(yù)測結(jié)果的主要模型參數(shù)，并給出每個參數(shù)的取值范圍；研究不同數(shù)值模擬軟件的適用條件、應(yīng)用范圍、參數(shù)特點等，并基于當(dāng)前主流開源的數(shù)值模型計算程序，建立適合國內(nèi)環(huán)評應(yīng)用的數(shù)值模擬預(yù)測共享軟件平臺，解決水環(huán)境影響預(yù)測評價中亟待解決的問題，為環(huán)境影響評價領(lǐng)域的數(shù)值模擬預(yù)測規(guī)范化、科學(xué)化提供技術(shù)支持。

(2)開展環(huán)評模型法規(guī)化研究

建議開展地表水環(huán)境影響評價模型法規(guī)化研究，在國內(nèi)外數(shù)值模型比較分析的基礎(chǔ)上，從模型適用性、模型精度、計算方法與效率、易用性與標(biāo)準(zhǔn)化程度等多方面建立環(huán)境質(zhì)量法規(guī)模型的評價指標(biāo)和模型驗證案例庫，提出適用于國內(nèi)地表水環(huán)境影響評價的數(shù)值模型清單，建立法規(guī)模型庫，提出進(jìn)入法規(guī)模型庫的入庫標(biāo)準(zhǔn)，提出法規(guī)模型參數(shù)獲取方法、來源及推薦值，法規(guī)模型參數(shù)的率定和驗證方法等，提出模型參數(shù)的規(guī)范化建議。同時，開發(fā)法規(guī)模型的中文化圖形用戶界面，編寫詳細(xì)的模型操作手冊和模型應(yīng)用技術(shù)指南，包括模型輸入(數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理)、模型構(gòu)建、模型校準(zhǔn)、模型驗證、參數(shù)評估、模型輸出等應(yīng)用過程，為地表水環(huán)評提供技術(shù)支持。

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Numerical Simulation of Surface Water Environmental Impact Assessment

JIA Peng1,2, WANG Qing-gai1,2, ZHOU Jun1,2, ZHAO Xiao-hong1,2, LI Shi-bei1,2

(1.Appraisal Center for Environment and Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China;

2.State Environmental Protection Key Laboratory of Numerical Modeling for Environment Impact Assessment, Beijing 100012, China)

Abstract:As the numerical models in theGuidelineofSurfaceWaterEnvironmentalimpactAssessment(HJ/T 2.3-93) lag behind the development of hydrodynamic force and water quality modeling, it is necessary to carry out research on numerical modeling of surface water environmental impact assessment to find out the differences between different models and to get the main parameters that affect the results. A software platform for numerical simulation prediction sharing should be established. Meanwhile, it is suggested that a numerical model inventory for surface water environmental impact assessment and a database of regulatory models and calibration cases should be established with clear access standards in order to provide technical assistance for the standardization of numerical modeling.

Key words:surface water; environmental impact assessment; numerical simulation; models

通訊作者：王慶改(1975—)，女，河北邯鄲人，研究員，博士，研究方向為地表水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬，E-mail： wangqg@acee.org.cn

作者簡介：賈鵬(1982—)，男，甘肅會寧人，工程師，碩士，研究方向為地表水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬，E-mail： peng.jia@acee.org.cn

基金項目：環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201309062)；環(huán)境保護部2014年部門預(yù)算項目環(huán)境影響評價專項(1441402450017-2)

收稿日期：2014-04-24

中圖分類號：X828

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6444(2015)01-0051-04

DOI:10.14068/j.ceia.2015.01.014