水污染模型EFDC在環境污染中的應用研究探討

楊金華

（山東省聊城市環保局，山東 聊城 252000）

EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code）模型是由威廉瑪麗大學維吉尼亞海洋科學研究所（VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary）的John Hamrick等人開發的三維地表水水質數學模型，可實現河流、湖泊、水庫、濕地系統、河口和海洋等水體的水動力學和水質模擬，是一個多參數有限差分模型。該模型系統主要包括水動力、泥沙、有毒物質、水質、底質、風浪等模塊。水動力學模塊可計算如下內容：流速，示蹤劑，溫度，鹽度，近岸羽流和漂流。水動力學模型輸出變量可直接與有毒物質等模塊耦合，作為物質運移的驅動條件，可以模擬各類污染物在水體中的遷移轉化過程以及水體的生態動力學過程。本文以某河流為例，利用EFDC模型的有毒物質模塊，實現模擬污染物在水體中擴散的過程，同時結合GIS實現整個過程的動態可視化。

1.GIS數據建立與處理

1)GIS數據庫的建立

在整個系統建立過程中，首先要建立數據庫。數據庫的建立主要包括GIS數據和業務屬性數據，其中空間數據主要包括：水系、居民地及設施、交通、管線、境界與政區、地貌、植被等基礎數據；以及河流周邊的敏感點信息數據。數據的坐標系采用WGS84（World Geodetic System 1984，是為GPS全球定位系統使用而建立的坐標系統）。其中屬性數據包括與模型計算相關的參數信息數據、模型計算的結果數據、濃度信息數據等，模型計算結果數據量較大，為了提高性能需要建立相關的索引。

2)GIS數據的處理

查詢出面狀水系圖層被研究對象的數據，提取河流兩岸坐標點對（經緯度格式）信息，并序列化，以文件格式進行保存，然后啟動坐標轉換程序，導入序列化坐標文件，批量轉換成大地坐標點對文件。

2.二維正交網格化

河道平面二維數學模型網格生成方法研究中兩個關鍵問題：第一網格與河道擬合的貼體問題；第二二維網格、控制方程和數值方法三者之間的匹配問題。目前，常用的河道二維正交網格生成方法是邊界擬合坐標系方法，即河道Thompson法，它主要是通過物理平面(天然河道平面)與變換平面(數模計算平面)之間Poisson方程邊值問題數值解實現二維正交網格的生成。但河道Thompson法存在一些問題。本文采用Hermite三次插值函數，生成河道沿程縱向與河勢或主流線相擬合的河勢擬合線(曲線)，并使得河寬方向橫向網格線(直線)與網格控制斷面相吻合，從而構造出平面二維正交四邊形網格。具體網格化主要包括以下幾個步驟：

1)確定網格控制斷面和節點

選取研究河段的進出口斷面、河段內水位/水文站點或測流斷面、河勢控制斷面以及需要重點研究河段的控制斷面等作為網格控制斷面；在所選取的網格控制斷面上確定網格控制節點，根據上面所生成的坐標點作為控制節點，所選擇的網格控制節點即為數學上Hermite三次插值函數的計算節點。

2)生成河勢擬合曲線

利用上述Hermite三次插值函數，可以生成一條既通過網格控制節點，又垂直于網格控制斷面的河道縱向網格控制曲線。通過多次調整網格控制斷面和節點，使得所生成的網格控制曲線與研究河段的河勢或主流線相擬合，將最終生成的河道縱向網格控制曲線確定為河勢擬合曲線。這一步是河勢貼體網格生成方法的關鍵和核心。

3) 構造平面二維網格

選取和調整縱向和橫向網格間距，構造由平行于河勢擬合曲線的曲線簇和垂直于河勢擬合曲線的直線簇 (包括網格控制斷面)的河勢貼體平面二維正交四邊形網格。經過處理后網格數據，數據以文件的方式導出進行保存，供EFDC模型計算應用。

3、EFDC模型計算

表1

EFDC具有通用性好、數值計算能力強、數據輸出應用范圍廣等特點。尤其有毒物質模塊的模擬精度已經達到相當高的水平。為了實現EFDC模型可視化的計算過程，對系統進行了重新的架構。首先把模型參數進行了梳理，編寫了模型參數錄入界面；然后把調用EFDC程序進行計算；最后以文件方式輸出計算結果。

1)模型計算參數的說明和相關值明細表如表1所示：

2）模型計算

模型輸入參數后點擊“模型計算”按鈕后，把相關參數傳遞給配置文件，然后啟動EFDC計算程序進行計算。在計算過程中不要關閉視窗，直到計算完畢。最后計算的結果存放在TOXCONH.OUT文件中，供集成系統進行調用。

4.與GIS集成展示

為了能夠使得模型計算結果動態的、直觀的展現，本系統實現了模型結果與GIS無縫的對接，同時實現了模擬結果的動態展示，能夠直觀展示出污染物在水體中擴散的過程，以及系統能夠手動添加監測點，并展示該監測點污染物濃度的變化值。

結語

1)計算機技術、水質模型技術與GIS技術的發展為我們水污染擴散的模擬提供了強有力的工具。特別是本系統的建立使得整個數據處理、參數錄入、模型計算、結果展示實現了可視化、自動化、直觀化。

2)基于GIS的EFDC模型的無縫集成系統經過運行表明，這種集成化的方式能夠快速的計算模擬出某條河流出現污染物泄漏或排放的擴散過程。能夠為應急決策提供依據。該系統可以在水源地保護應急工作中應用。

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