陸耀烽, 丁志斌, 黎 煒, 陳 鵬, 陳 曉

近岸海域水質模型研究現(xiàn)狀及展望

陸耀烽, 丁志斌, 黎 煒, 陳 鵬, 陳 曉

(陸軍工程大學 國防工程學院, 江蘇 南京 210007)

為更好地了解和使用近岸海域水質模型, 總結和比較了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用, 強調了選用合適的模型和降低不確定性是減小模擬結果誤差的重要保證, 對近海水質模型進行了展望。分析表明, WASP和EFDC的擴展性和開發(fā)性較強, MIKE的選擇性更大; 雖然水質模型在近岸海域已有較多應用, 但仍有較大的發(fā)展空間, 可通過模型內部完善、新技術耦合以及應用范圍拓寬等途徑使近岸海域水質模型得到進一步發(fā)展。

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

海洋具有極強的自凈能力, 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], 我國近海海域水質一般, 渤海灣、珠江口和杭州灣等區(qū)域水質較差, 近岸海域急需科學有效的水質管理。

對于近岸海域這類大而復雜的水體, 使用實測數據支撐水質管理決策是不夠的, 理論分析和數值模擬可以彌補實測數據的不足[5]。經校準和驗證的水質模型能模擬污染物遷移轉化等物理生化過程和規(guī)律, 預測海域水質情況, 是水環(huán)境研究必不可少的工具[6-7]。自20世紀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, 水質模型開始快速發(fā)展, 計算機的進步使復雜的水體系統(tǒng)得以被模擬[9-11]。截至目前, 研究學者已開發(fā)了100多種水質模型, 各有其優(yōu)勢和不足, Cao和Zhang[12]依據水體類型、水質成分、模型屬性和空間維度對水質模型進行了分類和總結。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)的水質模型考慮了大氣沉降污染物且開始用于復雜環(huán)境條件下的水體[16]。雖然各水質模型間有共通之處, 但仍需根據研究區(qū)域的特點和水質監(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、缺陷和輸入數據需求以及不確定性分析等有充分的理解[17], 否則易造成水質模型難以匹配研究要求。

近岸海域水質模型可視作水質模型在河口、海岸和海灣等區(qū)域的應用?！逗Ｑ蠊こ汰h(huán)境影響評價技術導則》指出[18], 對于寬淺型水域且潮混合較強烈、各要素垂向分布較均勻的近岸海域或河口、海灣, 可采用二維數值模型近似描述海水的三維運動, 其余情況宜采用三維數值模型, 一維模型適用于復雜水體的長期模擬[19], 因此近岸海域水質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模型, 在近岸海域有較多應用, 本文從概念、性能、優(yōu)勢和局限性等方面對其進行了總結和比較, 為近岸海域水質模型的選擇提供了參考。此外, 強調了水質模型存在著不確定性和誤差, 提出了相應的解決方法。最后, 對近岸海域水質模型進行了展望。本文可望為近岸海域水質模型的研究應用提供參考和依據。

1 近岸海域水質模型

1.1 EFDC

1.1.1 概述

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

1.1.2 優(yōu)勢

EFDC作為一款免費開源模型, 降低了使用者的準入門檻。在水平上其使用了正交曲線坐標或笛卡爾直角坐標系和結構化網格, 適用于長且直的岸線, 計算時間更短, 在垂直上使用了Sigma坐標系, 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。計算過程采用了內外模分裂法, 空間和時間的計算精度均為二階。

1.1.3 局限性

由于大多地表水的水平尺度遠大于垂直尺度, 為簡化計算, 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, 故多應用于淺水區(qū)。結構化網格也導致了EFDC對彎曲的海岸線適配度不高。EFDC對水質指標劃分較為細致, 這對海水水質監(jiān)測提出了較高要求, 大部分官方監(jiān)測數據均不適用于此模型, 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)和有機態(tài)), 這在一定程度上限制了EFDC的應用。

1.1.4 應用

EFDC在近岸海域的水動力模擬較多, 成功應用于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, 國內則有膠州灣[29]、廈門灣[30]和杭州灣[31]等。在水質方面, 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, 預測了COD、氨氮和活性磷酸鹽擴散趨勢, 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)的水質模型軟件, 最新版本為WASP8, 可從EPA官方網站(https: //www.epa. gov/)免費獲取。WASP采用了動力學箱式模型, 通過對水體進行合理分段來模擬一維、二維和三維水質問題, 基本程序有隨時間變化的平流、彌散流、點源和非點源的污染物負荷、邊界交換等[35]。WASP包含了水動力與水質兩個獨立部分, 兩者能聯(lián)和應用, 也能獨立運行。除了自帶的運輸算法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]。多數研究常使用WASP的EUTRI和TOXI模塊, 前者考慮了復氧-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)化相關的傳統(tǒng)污染指標, 后者用于模擬有毒物質。另有Periphyton、MERCURY、HEAT和LIGHT模塊對模擬水質加以細化。模擬的參數包括了: DO、BOD、N(可溶有機氮、氨氮、硝氮)、P(可溶有機磷和無機磷)、Si(可溶有機硅和無機硅)、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、有機化學品和Hg等[37]。

1.2.2 優(yōu)勢

WASP界面友好, 結果輸出選擇性較多, 易于用戶使用。其以FD方程為基礎, 保證了時間和空間上的質量平衡。水質模擬功能強大, 對穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)水體均適用, 模擬水質指標多樣, 除可模擬常規(guī)污染物外, 也能用于汞、有毒物質、重金屬和熱污染等問題的研究。其在國內應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格式, 易引起顯著的數值擴散。

1.2.4 應用

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、化學過程和生物過程對無機氮、磷酸鹽和溶解氧的影響。Zafer等[40]建立的ROMS- WASP模型準確模擬了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海灣的水動力構建, 確定了懸浮沉積物和DDT的傳輸擴散情況。

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可使用結構化和非結構化網格, 且能聯(lián)合使用。需要指出的是, 非結構化網格在模擬岸線彎曲的情況中有很大優(yōu)勢, 但會降低運算速度。模型包含了水動力(HD)、對流擴散(AD)、黏性泥沙(MT)、非黏性泥沙(ST)、粒子追蹤(PT)、石油泄漏(OS)和水質生態(tài)(ECOLab)等模塊。大部分水質模擬工作由ECOLab完成, 其進一步可細分為水質模式(Water Quality)、富營養(yǎng)化模式(eutrophication)和重金屬模式(heavy mental)[44], 相應的模擬參數有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、無機氮、無機磷、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, 其水質模擬的模式多樣, 有較為復雜的富營養(yǎng)化模塊(Eutrophication Model 1變量多達60個), 也有相對簡單的水質模塊(WQ Simple僅有BOD和DO), 用戶可以根據研究目的選擇合適模塊以降低對數據的要求, 簡化模擬難度, 提高工作效率。模型計算可使用一階精度或二階精度, 前者精度較差, 計算速度更快, 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 應用

MIKE 21用于近岸海域研究的報道較多, MIKE 3的應用則相對較少。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排放負荷條件下的Kochi近岸海域水質, 并提出了最佳污水排放策略。在國內, MIKE 21在泥沙沖淤[48]、填海工程[49]和溢油事故[50]等領域均有應用。

1.4 討論

本部分從功能、優(yōu)勢、局限性和應用等方面對EFDC、WASP和MIKE進行了討論, 相應的物理、化學和生物轉換過程如圖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的物質, 水動力特征、模擬維度、轉換過程和水質參數等要素對比如表1所示。

表1 EFDC、WASP和MIKE模型參數比對

注: “√”表示模型包含該參數, “—”表示模型不包含改參數。

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官方網站上免費獲取, 且源代碼開放, 用戶可根據需要進行模型功能拓展、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), 并對其進行了不確定性分析的研究。MIKE則不對外免費開放, 二次開發(fā)能力有限, 在擴展和開發(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模擬, 其中WASP常要耦合其他水動力模型。在水質參數方面, MIKE涵蓋范圍相對全面, 水質模式更多, 降低了匹配實際研究需求的難度; WASP包含了絕大多數研究所要用到的水質指標, 普適性強, 得到了較為廣泛的應用; EFDC注重對水質指標可溶性和不可溶性的區(qū)分, 對水質參數的劃分較為細致, 在保證模擬更加精確的同時, 對監(jiān)測數據的質量也提出了更高的要求。在網格劃分和計算方面, MIKE的選擇性也更多, 有結構化和非結構化網格、一階精度和二階精度, 其余兩者均使用結構化網格和二階精度。

綜上所述, MIKE作為一款成熟的商業(yè)軟件, 其選擇性強, 可依據研究目標選用合適的水質模式, 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, 可根據實際對其進行擴展和開發(fā), 但需按照模型要求進行水質監(jiān)測, 適用于近岸海域水質模型的理論研究和優(yōu)化。

2 模型不確定性及其應對方法

2.1 不確定性

輸入數據、模型結構和模型參數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模擬研究的重要任務。

James[52]曾指出, 海洋監(jiān)測數據缺乏是未來限制水質模型應用重要因素, 主要存在兩方面問題, 一是監(jiān)測指標不統(tǒng)一、不全面, 二是監(jiān)測頻率低、數據量小。以全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(global environment monitoring system, GEMS)為例, 其涵蓋的水質指標有DO、BOD、大腸桿菌、硝氮和重金屬等指標, 但未包含總碳、氮及其化合物、磷及其化合物、淤泥、黏土和有毒物質等指標。在國內, 《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.1-2007)對水樣的采集和測定方法進行了規(guī)范, 但沒有明確需監(jiān)測的水質指標, 這導致了各監(jiān)測部門發(fā)布的水質信息存在差異, 例如廣東省近岸海域水質監(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進行一次測定, 導致近岸海域監(jiān)測存在間隔時間長、頻率低和數據量少的問題。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行一次監(jiān)測, 山東省則在四個季度各進行一次監(jiān)測。上述情況使得輸入數據難以匹配水質模型要求, 常要處理輸入數據以補充缺失數據, 易引起誤差。

伴隨著學者對水質機理認識的不斷加深, 水質模型涉及的參數和狀態(tài)變量逐漸增多, 模型覆蓋的過程愈加復雜, 包括了非點源污染、大氣沉降和流域水文等, 但仍不能保證模型做到準確地反應實際過程。相反地, 為了構建模型, 提出了一系列的理想假設, 簡化了一些實際目標污染物轉化機理, 造成了模型結構的不確定性。

EFDC、WASP和MIKE均為機理水質模型, 需要調節(jié)參數以校準模型。由于校準過程多集中在實測值和模擬值的比較, 忽視了對模型內部運算過程的驗證。在大量參數的耦合作用下, 易發(fā)生“異參同效”情況, 出現(xiàn)了多組參數組合都能滿足模型輸出精度的現(xiàn)象[53]。

2.2 應對方法

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)對輸出結果的影響程度, 通過敏感性分析可定性或定量地描述模型結構、參數和輸入變量對輸出結果的影響程度。依據敏感性系數, 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], 計算機技術的發(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。張質明[53]利用蒙特卡羅法(概率法)從參數和結構兩方面對WASP水質模型進行了不確定性分析, 發(fā)現(xiàn)DO的擬合結果不佳, 后利用Sobol法和EFAST法進行了敏感性分析, 確定沉積物耗氧(SOD)、硝化耗氧(E12)和呼吸作用溫度系數(E1R)等為敏感參數。

除敏感性分析和不確定分析外, 解決近岸海域水質監(jiān)測數據存在的問題可更直接有效地降低水質模型的不確定性。一方面, 國家生態(tài)環(huán)境部需進一步規(guī)范水質監(jiān)測指標, 保證指標全面性和統(tǒng)一性, 適當提高監(jiān)測頻率, 增加監(jiān)測數據量; 另一方面, 研究者可依據研究目標和模型的需要, 進行實地監(jiān)測, 但成本較高。此外, 研究者可參照歷史監(jiān)測數據涵蓋的指標, 選用合適的水質模型, 但這要求使用者能夠深入理解各模型的不確定性、優(yōu)勢、假設和局限性。

3 小結與展望

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)境問題日益嚴峻。水質實測結合數值模擬可為近岸海域水質決策提供數據支撐。本文對EFDC、WASP、MIKE三種水質模型進行了總結和比較, 認為MIKE適用于近岸海域的實際應用和案例分析, EFDC和WASP在近岸海域水質模型的理論研究和優(yōu)化。此外, 近岸海域水質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監(jiān)測來提升模型準確性。

目前, 近岸海域水質模型已有較多應用, 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, 還可從模型內部完善、新技術耦合以及應用范圍拓寬來進一步發(fā)展近岸海域水質模型。

3.1 模型內部完善

水質模型的發(fā)展過程就是內部完善的過程, 根據實際應用的需要, 污染源從點源發(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, 復雜程度明顯增大, 以狀態(tài)參數為例, 由最初的BOD和DO兩個變量增加至36個(CE-QUAL-ICM模型)[24]。當前的水質模型可較完整地描述水體污染物中的物理、化學和生態(tài)過程[63], 但在水氣邊界交換方面多采用經驗系數, 有待改善。此外, 模型的可操作性、理論基礎、通用性、界面和擴展靈活性等方面也需進一步提高。

3.2 新技術耦合

1) 遙感技術(remote sensing, RS)

近岸海域水質模型的建立需要對研究區(qū)域進行大范圍、長時間和高頻率的水質監(jiān)測, 難度大、成本高。RS可遠程探測目標物, 覆蓋面積廣[64], 根據遙感波段信息和水質指標的光譜特征可建立反演模型, 利用遙感數據間接得到水質指標濃度, 獲取連續(xù)全覆蓋的高質量水質數據[65], 有望克服近岸海域水質監(jiān)測難題, RS耦合水質模型技術已在大東湖[66]、射陽河口[67]、杭州灣[68]等水體得到應用, 模擬結果可準確反映實際情況。

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

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

3.3 應用范圍拓寬

1) 離岸島嶼周邊海域

水質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, 周邊水質環(huán)境惡化[70]。與半開放型的近岸海域不同, 海島周邊海域屬于開放型區(qū)域, 影響范圍相對較小, 將水質模型用于海島周邊海域的水質管理極具意義。

2) 珊瑚礁保護

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90%以上[71], 導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一般, 珠江口水質極差。相較2016年, IV類和劣IV類的海水比例分別上升3.8%和9.1%, 主要污染指標為無機氮、PH和活性磷酸鹽。以珊瑚保護為目標的水動力水質模擬研究未見報道, 加強該方面的研究可望為珊瑚保護提供科學范例。

[1] Metcalf E. Wastewater Engineering, Treatment, Dis-posal and Reuse[M]. USA: McGraw-Hill, 1991: 56-60.

[2] Panda U S, Mahanty M M, Ranga R V, et al. Hydro-dynamics and water quality in Chilika Lagoon: A mo-deling approach[J]. Procedia Engineering, 2015, 116: 639-646.

[3] Yang Lei. Review of marine outfall systems in Taiwan[J]. Water Science and Technology, 1995, 31: 257-264.

[4] Ministry of Environmental Protection. China environmental status bulletin 2017 (Expert 3)[J]. Environmental Protection, 2018, 46(13): 70-74.

[5] 季振剛. 水動力學和水質: 河流、湖泊及河口數值模擬[M]. 北京: 海洋出版社, 2012: 410-421. Ji Zhengang. Hydrodynamics and Water Quality-Mo-deling Rivers, Lakes, and Estuaries[M]. Beijing: China Ocean Press, 2012: 410-421.

[6] 傅國偉, 程聲通. 水污染控制系統(tǒng)規(guī)劃[M]. 北京: 清華大學出版社, 1985: 7-159. Fu Guowei, Cheng Shengtong. Water Pollution Control System Planning[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1985: 7-159.

[7] 于寒, 楊靜, 劉桂梅. 海洋水質模型研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 海洋預報, 2017, 34(2): 88-96. Yu Han, Yang Jing, Liu Guimei. Research progress and development trend of marine water quality model[J]. Ocean Forecast, 2017, 34(2): 88-96.

[8] Streeter H W, Phelps E B. A Study of the Pollution and Natural Purification of the Ohio River[M]. Washington: United States Public Health Service, 1925: 10-20.

[9] Adrian D D, Yu F X, Barbe D. Water quality modeling for a sinusoidally varying waste discharge concen-tra-tions[J]. Water Research, 1998, 28(5): 1167-1174.

[10] McBride G B, Rutherford J C. Accurate modelling of river pollutant transport[J]. Journal of Environmental Engineering. 1984, 110(4): 809-827.

[11] Koussis A D, Kokitkar P, Mehta A. Modeling DO conditions in streams with dispersion[J]. Journal of Environmental Engineering, 1990, 116(3): 601-614.

[12] 曹曉靜, 張航. 地表水質模型研究綜述[J]. 水利與建筑工程學報, 2006, 4(4): 18-21. Cao Xiaojing, Zhang Hang. Commentary on study of surface water quality model[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2006, 4(4): 18- 21.

[13] Wang Qinggai, Li Shibei, Jia Peng, et al. A review of surface water quality models[J]. The Scientific World Journal, 2013(2013): 231768.

[14] Howland W E, Thomas H A. The pollution load capacity of streams[J]. Water Sewage Works, 1948, 95: 409-413.

[15] Dobbins W E. BOD and oxygen relationship in streams[J]. Journal of the Sanitary Engineering Division, 1964, 90(3): 53-78.

[16] Fan C, Ko C H, Wang W S. An innovative modeling approach using Qual2K and HEC-RAS integration to assess the impact of tidal effect on river water quality simulation[J]. Journal of Environmental Management, 2009, 90(5): 1824-1832.

[17] Deepshikha S, Arun K. Assessment of river quality models: a review[J]. Reviews in Environmental Science and Bio-Technology, 2013, 12: 285-311.

[18] GB/T19485-2014, 海洋工程環(huán)境影響評價技術導則[S]. GB/T 19485-2014, Technical Guidelines for Environmental Impact Assessment of Marine Engineering[S].

[19] Chibole O K. Modeling River Sosiani’s water quality to assess human impact on water resources at the catch-ment scale[J]. Ecohydrology and Hydrobiology, 2013, 13(4): 241-245.

[20] Hamrick J M. A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code: Theoretical and computa-tional aspects[R]. Virginia: The College of Willian and Mary, 1992.

[21] Hamrick J M. Application of the EFDC, Environmental Fluid Dynamics Computer Code to SFWMD water conservation area 2A: A report to South Florida water management district[R]. Virginia: Williamsburg, 1994.

[22] 張以飛, 王玉琳, 汪靚. EFDC模型概述與應用分析[J].環(huán)境影響評價, 2015, 37(3): 70-73. Zhang Yifei, Wang Yulin, Wang Liang. EFDC model overview and application analysis[J]. Environmental Impact Assessment, 2015, 37(3): 70-73.

[23] Trtra Technologies Inc. User’s manual for EFDC explorer7[R]. New York: Dynamic Solutions-Inter-na-tional, LLC, 2012.

[24] Cerco C F, Cole T M. Three-dimensional eutrophication model of Chesapeake Bay[J]. Journal of Environmental Engineering, 1993, 119(119): 1006-1025.

[25] Hamrick J M. The environmental fluid dynamics code, user manual, US EPA Version 1.01[R]. Arlington, USA: Tetra Tech, Inc, 2007.

[26] Zhou Juntao, Falconer R A, Lin Binliang. Refinements to the EFDC model for predicting the hydro-enviro-n-mental impacts of a barrage across the Severn Estuary[J]. Renewable Energy, 2014, 62: 490-505.

[27] Singha G, Pangchang V G, Nelson J A. Sensitivity assessment of wave heights to surface forcing in Cook Inlet, Alska[J]. Continental Shelf Research, 2013, 63: 50-62.

[28] Ji Zhengang, Hu Guangdou, Shen Jian, et al. Three- dimensional modeling of hydrodynamic processes in St. Lucie Estuary[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2007, 73: 188-200.

[29] 王翠, 孫英蘭, 張學慶. 基于EFDC模型的膠州灣三維潮流數值模擬[J]. 中國海洋大學學報, 2008, 38(5): 833-840. Wang Cui, Sun Yinglan, Zhang Xueqing. Numerical simulation of 3D tidal currents based on the EFDC model in Jiaozhou Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2008, 38(5): 833-840.

[30] 謝森揚, 王翠, 王金坑, 等. 基于EFDC的九龍江口-廈門灣三維潮流及鹽度數值模擬研究[J]. 水動力學研究與進展, 2016, 31(1): 63-75. Xie Senyang, Wang Cui, Wang Jinkeng, et al. Numerical simulation study on 3D tidal flow and salinity in the Jiulong Estuary-Xiamen Bay based on the EFDC[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2016, 31(1): 63-75.

[31] 謝銳, 吳德安, 嚴以新, 等. EFDC模型在長江口及相鄰海域三維水流模擬中的開發(fā)應用[J]. 水動力學研究與進展, 2010, 25(2): 165-174. Xie Rui, Wu Dean, Yan Yixin, et al. Application and improvement of the EFDC in numerical simulating of Yangtze River Estuary and adjacent sea[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2010, 25(2): 165-174.

[32] 樊喬銘, 丁志斌. 基于EFDC的港口污水處理廠排放標準及排污口選劃研究[J]. 環(huán)境工程, 2016, 34(12): 147-152. Fan Qiaoming, Ding Zhibin. Study on emission standard and sewage discharge selection of port sewage treatment plant based on EFDC[J]. Environmental Engineering, 2016, 34(12): 147-152.

[33] 何山. 基于EFDC模型對入海排污選址方案的研究[D].大連: 大連海事大學, 2017. He Shan. The research on scheme of the location of sewage outfall based on EFDC model[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2017.

[34] Zhu Zhenduo, Oberg N, Morales V M, et al. Integrated urban hydrologic and hydraulic modelling in Chicago, Illonois[J]. Environmental Modelling and Software, 2016, 77: 63-77.

[35] 于順東. WASP水質模型應用于DO模型評價[D]. 天津: 天津大學, 2007. Yu Shundong. WASP water quality model applied to DO model evaluation[D]. Tianjin: Tianjin University, 2007.

[36] Ambrose R B, Jr P E. WASP 8 stream transport model theory and user’s guide, supplement to water quality analysis simulation program (WASP) user documentation[R]. Washington, DC: Environmental Protection Agency, 2017.

[37] Wool T A, Ambrose R B, Martin J L, et al. WASP8 multiple algae model theory and user’s guide, supplement to water quality analysis simulation program (WASP) user documentation[R]. Washington, DC: Environmental Protection Agency, 2017.

[38] 倪晉仁, 秦華鵬, 趙智杰. 基于水質模型的海灣填海岸線選擇[J]. 環(huán)境科學學報, 2001, 21(6): 684-688. Ni Jinren, Qin Huapeng, Zhao Zhijie. Bay shoreline selection based on water quality model[J]. Journal of Environmental Science, 2001, 21(6): 684-688.

[39] Zheng Lianyuan, Chen Changsheng, Zhang F Y. Deve-lopment of water quality model in the Satilla River Estuary, Georgia[J]. Ecological Modelling, 2004, 178: 457-482.

[40] Zafer D, Frederick J S, Vincent D P, et al. Toward a comprehensive water-quality modeling of Banegat Bay: development of ROMS to WASP Coupler[J]. Journal of Coastal Research, 2017, 78: 34-45.

[41] Xiong Yi. Coupling sediment transport and water quality models[D]. Mississippi: Mississippi State university, 2010.

[42] MIKE 21. Coastal hydraulics and oceanography, user guide[R]. Horsholm, Denmark: DHI Water and Enviro-n-ment, 2005.

[43] MIKE 3. Modeling of coast and sea[R]. Horsholm, Denmark: DHI Water and Environment, 2019.

[44] MIKE 21 & MIKE 3. Flow Model FM, MIKE ECO Lab module, short description [R]. Horsholm, Denmark: DHI Water and Environment, 2019.

[45] 蔣錦剛. 沿海典型流域水文-水動力-水質多模型耦合建模與應用[D]. 杭州: 浙江大學, 2018. Jiang Jingang. Coupled modeling and application of hydrological, hydrodynamic and water quality models for typical coastal basins: a case study of the Yongjiang River Basin[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018.

[46] Babu M T, Vethamony P, Desa E. Modeling tide-driven currents and residual eddies in the Gulf of Kachchh and their seasonal variability: A marine environmental plan-ning perspective[J]. Ecology Modeling, 2005, 184: 299- 312.

[47] Babu M T, Kesava D V, Vethamony P. BOD-DO modeling and water quality analysis of a waste water outfall off Kochi, west coast of India[J]. Environmental International, 2006, 32(2): 165-173.

[48] 吳園園. 海陽中心漁港工程附近海域水動力及泥沙沖淤數值模擬[D]. 青島: 中國海洋大學, 2014. Wu Yuanyuan. The hydrodynamic and sediment scouring and silting numerical simulation of the surrounding waters of Haiyang Central Fishing Harbor[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2014.

[49] 馮靜. MIKE 21FM數值模型在海洋工程環(huán)境影響評價中的應用研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2011.Feng Jing. Application of MIKE 21FM numerical model in environmental impact assessment of ocean engi-neering[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2011.

[50] 郭健. 濱海近岸溢油風險模擬及對附近環(huán)境敏感區(qū)的影響[D]. 上海: 上海海洋大學, 2017. Guo Jian. The risk simulation and environment sensitive area nearby effects of oil spill in Binhai offshore[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2017.

[51] 李志一. 流域水環(huán)境多模型耦合模擬系統(tǒng)的不確定性分析研究[D]. 北京: 清華大學, 2015. Li Zhiyi. Study on the uncertainty analysis of basin coupling model system[D]. Beijing: Tsinghua University, 2015.

[52] James I D. Modeling pollution dispersion, the eco-system and water quality in coastal waters: A review[J]. Environmental Modeling and Software, 2002, 17: 363-385.

[53] 張質明. 基于不確定性分析的WASP水質模型研究[D].北京: 首都師范大學, 2013. Zhang Zhiming. Research on WASP based on uncertainty analysis[D]. Beijing: Capital Normal University, 2013.

[54] He Jianxun, Chu A, Ryan M C, et al. Abiotic influences on dissolved oxygen in a riverine environment[J]. Ecolo-gical Engineering, 2011, 37(11): 1804-1814.

[55] Saltelli A, Tarantola S, Chan KPS. A quantitative model independent method for global sensitivity analysis of model output[J]. Technometrics, 1999, 41(1): 39-56.

[56] Morris M. Factorial sampling plans for preliminary computational experiments[J]. Technometrics, 1991, 33: 161-174.

[57] 朱新軍, 王中銀, 李建新, 等. SWAT模型在漳衛(wèi)河流域應用研究[J]. 地理科學進展, 2006, 25(5): 105-112. Zhu Xinjun, Wang Zhongyin, Li Jianxin, et al. Applications of SWAT model in Zhangwei River Basin[J]. Progress in Geography, 2006, 25(5): 105-112.

[58] Sobol I M. Sensitivity estimates for non-linear mathematical models[J]. Mathematical Modelling and Computational Experiment, 1993, 4(1): 407-414.

[59] Angela S, Stefan U. Sensitivity analyses of a distributed catchment to verify the model structure[J]. Journal of Hydrology, 2005: 216-235.

[60] Vandenberghe V, Bauwens W, Vanrolleghem P A, et al. Evaluation of uncertainty propagation into river water quality predictions to guide monitoring campaigns[J]. Environmental Modelling and Software, 2007, 22(5): 725-732.

[61] Li Jianbing, Huang G H, Zeng Guangming, et al. An integrated fuzzy-stochastic modeling approach for risk assessment of groundwater contamination[J]. Journal of Environmental Management, 2007, 82(2): 173-188.

[62] Mailhot A, Villeneuve J P. Mean-value second-order uncertainty analysis method: Application to water quality modelling[J]. Advances in Water Resources, 2003, 26(5): 491-499.

[63] 陸莎莎, 時連強. 水質模型研究發(fā)展綜述[J]. 環(huán)境工程, 2016, 34(S1): 78-81. Lu Shasha, Shi Lianqiang. A review of research development about water quality model[J]. Environmental Engineering, 2016, 34(S1): 78-81.

[64] Mattikalli N M, Engman E T. Land surface remote sensing and geographical information systems for water quality modeling[J]. Geoscience and Remote Sensing Symposium, 1996, 4: 2237-2239.

[65] 冼翠玲. 基于遙感的香溪河水質模擬方法研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2017. Xian Cuiling. Study on water quality simulation me-thod of Xiangxi River based on remote sensing[D]. Wuhan: Wuhan University, 2017.

[66] 田勇. 湖泊三維水動力水質模型研究與應用[D]. 武漢: 華中科技大學, 2012. Tian Yong. Development and application of a three dimensional hydrodynamic and water quality lake model[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2012.

[67] 錢一婧. 基于遙感和數值模擬技術的河口水流及水質過程模擬研究[D]. 南京: 南京師范大學, 2008. Qian Yingjing. Simulation of flow and solute transport in estuary region based on remote sensing and numerical simulation[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2008.

[68] 李寧. 近岸水質的遙感監(jiān)測和數值模擬研究[D]. 天津: 天津大學, 2009. Li Ning. Remote sensing and numerical simulation of coastal water quality[D]. Tianjin: Tianjin University, 2009.

[69] Peng Sen, Fu G Y Z, Zhao Xinhua. Integration of USEPA WASP model in a GIS platform[J]. Journal of Zhejiang University-Science A, 2010, 11(12): 1015-1024.

[70] 陳海濱, 楊龑, 楊禹, 等. 旅游型海島生活垃圾污染及其控制[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2016, 24(1): 27-29. Chen Haibin, Yang Yan, Yang Yu, et al. Pollution and control of domestic waste in tourism island[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2016, 24(1): 27-29.

[71] 余克服. 南海珊瑚礁及其對全新世環(huán)境變化的記錄與響應[J]. 中國科學: 地球科學, 2012, 42(8): 1160- 1172. Yu Kefu. Coral reefs in the south China sea: Their response to and records on past environmental changes[J]. Science in China, 2012, 55(8): 1160-1172.

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

國家重點研發(fā)計劃 (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模擬研究, 電話: 15651835982, E-mail: yaofenglu0930@ 163.com

(本文編輯: 劉珊珊)