EFDC在城市河道防洪安全评估中的应用

以宁波市奉化江鄞州新城区段堤防整治工程为研究对象,采用水动力模型EFDC进行模拟,评估分析了在20年一遇和50年一遇设计洪水位的情况下河段水位和流速的变化情况。研究结果显示,河道整治后能有效地减低洪水水位,提高了排涝和调蓄能力,能够满足防洪要求。本文为防洪预测评估提供了一种有效的预测模拟方法,可供相关研究人员参考。

基于EFDC模型的感潮江段溢油事故风险预测

为了在溢油事故发生后能够立即采取有效措施控制和减轻油污染,降低事故危害,采用环境流体动力学模型(EFDC)对长江下游靖江段某码头进行溢油事故风险影响预测。通过EFDC准确地模拟出该江段的二维流场,在流场、风场以及复杂地形等综合条件下,采用拉格朗日质点追踪法计算油品入江后油膜漂移轨迹以及到达、离开下游保护区的时间。结果表明:油膜沿水流方向逐渐被拉伸,覆盖面积逐渐增大,且受长江地形条件影响;在感潮江段,潮流场对油膜漂移行为的影响占主导作用,同时风场也会影响油膜的漂移行为。受涨落潮的影响,油膜向下游来回震荡漂移;溢油事故发生时刻的流场不同,油膜往下游漂移的速度也不同,当溢油事故发生在落潮时,油膜往下游漂移速度更快;不利风向时风速越大,油膜往下游漂移的速度越快。

基于SWMM-EFDC耦合模拟的新凤河流域水环境治理工程效应评估

科学评估水环境治理工程的环境效应,对于制定和优化河湖治理方案、推动科学治污具有重要意义。新凤河流域为北京城市副中心水安全重要保障区,水污染(黑臭)问题突出,为科学评估新凤河水环境综合治理工程效应,构建了基于暴雨洪水管理模型(SWMM)与环境流体动力学模型(EFDC)水陆一体化耦合模拟的工程环境效应评估技术方法,开展流域截污治污、湿地建设、引水补水和初期雨水调蓄工程的环境效应定量模拟评估。结果表明:影响治理工程效果的主要因子包括截污率、湿地处理标准、补水水质和初期雨水调蓄能力;综合工程及各单项工程对水质改善均有积极贡献,以水质污染物浓度平均降低率评价工程贡献结构为综合工程(69.8%)>截污(63.1%)>补水(51.7%)>湿地(50.5%)>调蓄(3.8%),以平均达标率评价工程贡献结构为综合工程(96.7%)>截污(85.2%)>湿地(32.6%)>补水(32.5%)>调蓄(0.9%),以负荷减排评价工程贡献结构为截污(512.4 t/a)>综合工程(319.3 t/a)>湿地(89.9 t/a)>调蓄(21.9 t/a)>补水(-62.6 t/a)。基于SWMM和EFDC构建的水陆一体化耦合模型在水环境治理工程效应评估中具有较好的适用性,对于城市河道的水污染控制具有一定的指导意义。

基于EFDC的咸潮上溯对闽江下游水源地的影响

为保障咸潮上溯情况下闽江下游水源地供水安全,建立基于EFDC的二维水环境数学模型,利用2013年12月同步监测资料进行参数率定,模拟不同流量条件下咸潮上溯的距离以及对水源地的影响。结果表明:咸潮上溯距离与下泄流量成负相关关系;咸潮上溯距离的增加将延长下游水源地的不宜取水时间。为减缓咸潮上溯对闽江下游水源地的影响,建议优化水口水库调度方式,加大下泄流量。

江湖关系变化下雁类生境格局模拟及雁类种群的响应——以都昌保护区为例

2003年后江湖关系变化导致鄱阳湖湿地秋季快速退水,滩地提前出露,草洲面积不断扩张。1998—2020年环湖调查数据表明:越冬候鸟种群总量稳中有升,但雁类种群数量急剧增加。为分析候鸟生境及数量变化成因,从“水文-洲滩-植被-雁类”耦合关系入手,针对鄱阳湖雁类分布最为集中的都昌保护区,基于水动力模型分析了2003年前后保护区水域、洲滩的动态变化规律,根据洲滩梯次出露的特征,结合苔草(Carex spp.)、蓼子草(Polygonum criopolitanum)两种优势洲滩植物群落的淹水时长建立了反映高程梯度的生境适宜度评价模型(Habitat suitability index, HSI),结合鸿雁(Anser cygnoides)、豆雁(Anser fabalis)及白额雁(Anser albifrons)的数量变化分析了模型的敏感性。结果表明:2003年后,同一高程带洲滩在退水期的出露时间比2003年前提前约30 d, 2003年后相同日期的洲滩出露面积较2003年前增加约一倍。1990—2019年雁类生境适宜度指数(HSI)分值总体呈增加态势。9—12 m不同高程带洲滩的出露时间及其面积占比是HSI分值变化的主要因素。相关性分析结果表明鸿雁、豆雁和白额雁的数量随HSI分值增大显著增加,并呈指数曲线变化。当HSI分值大于0.5时,雁类数量急剧增长,尤其在2017—2019年表现明显,洲滩出露过程与雁类迁飞节律较为匹配是该现象的主要成因,确定了洲滩适宜出露时间窗口期——从9月15日(年内自然日第258天)到11月4日(年内自然日第308天)。提出了江湖关系变化下雁类生境保护的建议。研究可为基于越冬雁类保护的生态水文过程调控方案提供科学依据。

湖泊水动力模型外部输入条件不确定性和敏感性分析

以我国典型的大型浅水湖泊太湖为研究区域，采用国内外常用的环境流体动力学模型（EFDC），结合拉丁超立方取样（LHS）方法，研究湖泊水动力模型中4个重要的外部输入条件，即3个边界输入条件（出入湖流量、风速、风向）和1个初始输入条件（初始水位），对模型水动力模拟结果（水位、水龄以及流场）的影响与贡献．结果表明，初始水位的设定对模拟全湖水位和水龄产生决定性影响，不确定性的贡献率分别达到85．73％．和1166．125％，对垂向平均流速影响的贡献率只有3％；风速对表面流速模拟结果影响较大，贡献率达到58．70％，而对水位和水龄的贡献率分别为5．25％和3．00％．在垂向上，各层流速受外部输入条件不确定性的影响规律相似，贡献率排序为风速（55％-60％）〉风向（10％-15％）〉初始水位≈出入湖流量（1％～5％）．因此在模拟大型浅水湖泊水动力过程时，可以根据不同的输出目标能够有针对性地提高外部输入条件的准确度，为提高模型精确度提供有效信息．

虎门太平水道航道整治工程潮流数模计算

采用环境水动力学数学模型(EFDC)对太平水道航道整治工程前后的潮流进行了计算,分析了整治工程前后的水位、流速的变化情况并确定6个整治方案中的推荐备选方案。计算中用水平方向上的曲线正交坐标与垂直方向上的Sigma坐标相结合以及三维数学模型二维化的方法。计算结果与实测结果比较也表明:文中模型较好地重演太平水道流场,可以用于工程实际中的沿岸及受潮汐影响的水道潮流场的计算。

前海湾填海区的水龄特征及改善措施模拟

根据实际观测潮流与前海湾填海前后海域范围和海底地形条件,建立前海湾环境流体动力学模型（EFDC）,以水龄作为水交换能力的评价指标,利用EFDC模型中示踪和水龄模块模拟计算前海湾水龄的时空分布,分析评价填海工程对水龄的影响和不同工程措施对水交换的改善效果。结果表明,填海后前海湾北部的西乡河口附近海域水交换最差,水龄可达到9-10.8 d,5-8月份前海湾平均水龄要小于全年平均水龄;前海湾水龄主要受潮汐影响区域占72.2%,河流入流只对西乡河、新圳河和双界河河口附近较小区域有明显影响;填海后海湾平均水龄增加了67.7%,填海工程对西乡河口附近海域影响最大,水龄增加了6.8 d,对湾口和湾中心影响不明显;前海湾水动力改善的优选工程方案依次是：大铲湾港根部开槽50 m、暗涵注水5 m^3/s或暗涵抽水8 m^3/s。

白石水库饮用水水源保护区划分合理性研究

饮用水水源地水环境安全事关人民生命健康,是生态环保工作的重中之重。饮用水水源地保护区划分以类比经验法为主,无法反映保护区内水质指标的时空分布及达标情况。利用EFDC建立白石水库垂向平均的二维模型,模拟其水动力和水环境变化过程,对水库水龄、污染物迁移衰减规律进行分析,评价类比经验法划定的饮用水水源保护区的合理性。通过验证水位库容曲线,丰、平、枯3种典型年水位对应曲线的相对均方根误差均小于0.1,纳什系数均大于0.85,水质模拟曲线模拟趋势与实测数据一致,模型可靠。研究发现,在丰、平、枯3种典型年条件下坝前平均水龄分别为304.4,656.4和673.2 d,水库水力交换周期长;在丰、平、枯3种水动力条件及设计污染物边界条件下模拟污染物衰减过程,结果表明除丰水年取水口处氨氮超标外,其余条件下取水口水质均可达标;以116 m水位(库首)对应高程线以下全部水域为一级保护区的划分范围可以满足取水口水质要求,验证了上述策略在保护区划分上的合理性。

流域污染负荷-水质响应的时空数值源解析方法研究

以目前广泛应用的环境流体动力学模型EFDC为平台,构建时空数值源解析方法,理论上可以得到任意时刻任意空间点位污染物的来源构成.其原理是考虑水质模型的微分方程,直接对每个污染负荷再微分,从而将原来1个微分方程变为关于每个污染源的微分方程组,然后联立以EFDC的水动力模型求解,得到每个源对每个时空点的贡献.概化的抚仙湖模型作为数值案例用以验证方法.时空数值源解析的结果与传统扰动方法的结果几乎重合,验证了时空数值源解析方法的正确性.另一方面,数值案例中存在34个独立的污染源,扰动法则需要35次模拟,而时空数值源解析方法的结果通过单次模拟就可得到,说明时空数值源解析方法具有明显的计算效率优势.而通过对结果的进一步分析可以发现,时空数值源解析方法可以提供更精确的源贡献的动态描述.

气候变化和人类活动对鄱阳湖水龄影响的定量区分

在气候变化和人类活动的双重影响下,湖泊内部的水动力条件正发生重大的变化,进而影响到湖泊水环境的变化.水龄是颗粒物从入口传输到指定点的时间,可以定量反映水体的运动和交换程度以及滞留情况.如何定量区分人类活动与气候变化对水龄的影响程度,对湖泊水资源科学管理和水环境的治理有着重要的科学意义.本文耦合了深度学习网络和传统二维水动力模型,通过引入基准期概念,定量区分了气候变化和人类活动对鄱阳湖湖区水龄变化的贡献程度.结果表明:(1)本文构建的鄱阳湖流域降雨径流和鄱阳湖湖区二维水动力耦合模型,能够较好地反映鄱阳湖湖区水量交换及流域产流过程,其纳西效率系数分别达到了0.96和0.90以上;(2)鄱阳湖湖区水龄的空间差异显著,东部湖区和南部湖区尾闾水龄平均为228.01 d,而大部分通江水体水龄较小,平均为24.21 d;(3)在气候变化的影响下,鄱阳湖年均有2054 km^(2)的水体水龄呈现减少的趋势,减小幅度为30 d左右,而在人类活动的影响下,在涨水期和丰水期有约58%的湖区水龄呈现上升趋势,而在枯水期和退水期,平均有82%的水体水龄呈现下降趋势.研究结果能够为鄱阳湖水资源管理和水环境治理提供技术支撑,同时也为定量区分人类活动和气候变化对湖泊水动力的影响机制研究提供了一种新思路和视角.

生态调节坝对御临河水动力水质影响的模拟研究

御临河生态调节坝在减少三峡库区调度产生的消落区面积的同时,也改变了御临河内的水动力特性和水环境质量,调节坝对御临河水动力水质影响的量化是一个值得研究的问题。基于SWMM和EFDC模型,构建了御临河流域的水文、水动力和水质模型,通过对建坝前后的模拟分析对比,探求了生态调节坝对御临河水动力水质的影响。结果表明:调节坝运行后,御临河流速会受到较大滞缓,且下游段(舒家至调节坝)受影响比上游段(梅溪至舒家)更大;由于流速滞缓作用,枯水期水体会形成较明显的水质分段现象,但在丰水期该现象得到一定改善;建坝后水质指标浓度均有不同程度升高,下游流经建设用地段各水质指标浓度最高,库首段水质建坝前后变化幅度最大。模拟结果可以显示调节坝对御临河水动力和水质的影响,为三峡库区其他支流修建水利枢纽设施对其造成的影响评价提供一定参考。

近岸海域水质模型研究现状及展望

为更好地了解和使用近岸海域水质模型,总结和比较了EFDC(environmental fluid dynamics code)、WASP(water quality analysis simulation program)和MIKE三种模型的概念、性能、优势和局限性,介绍了其在近岸海域的应用,强调了选用合适的模型和降低不确定性是减小模拟结果误差的重要保证,对近海水质模型进行了展望。分析表明, WASP和EFDC的扩展性和开发性较强, MIKE的选择性更大;虽然水质模型在近岸海域已有较多应用,但仍有较大的发展空间,可通过模型内部完善、新技术耦合以及应用范围拓宽等途径使近岸海域水质模型得到进一步发展。

深圳河湾流域溢流污染规律及其对海湾水质的影响

以深圳河湾流域为研究对象,基于流域降雨径流污染?沿河截排系统溢流?海湾水动力水质联合模型,分析研究区溢流污染输出的时空变化规律及其对海湾水质的影响。结果表明,全年流域主要污染源为污水处理厂尾水污染和溢流污染;溢流污染占入河湾总污染负荷的30%左右,雨季升至50%左右,成为深圳河湾流域雨季最主要的污染源;溢流污染负荷季节差异性显著,雨季占全年总负荷的85%以上;溢流污染负荷随降雨量增加而增加,当降雨强度相差不大的时候,雨前干旱时间越长,溢流污染负荷越大;深圳湾内湾水质比外湾差且波动更明显,雨季内湾及湾中水质比旱季差且波动更大;在场次降雨情况下,内湾水质波动受溢流污染冲击影响最严重,湾中及外湾水质波动主要受潮汐作用影响;在降雨重现期为0.25~0.5年(2小时降雨约45~60 mm)时,深圳湾水质超标最明显,水质受溢流污染冲击影响的持续时间为12~20天。

EFDC模型在水环境管理信息系统集成开发过程中的关键技术研究

随着环保信息化工作的不断推进以及水环境质量模型研究的不断深入,人们对在水环境管理信息系统中集成水环境质量模型的需求变得越来越突出。简要介绍了EFDC水环境质量模型的研发历史、在国内的应用现状以及模型输入文件的数据结构,并对输入文件的原数据结构进行优化,即通过利用一种基于XML的EFDC-ML(EFDC Markup Language)标记语言来重构EFDC的输入文件,以适应于水环境管理信息系统的集成开发。

华北衡水湖湿地的水质评价

为了综合防治湿地水环境污染,对华北衡水湖湿地的水质数据进行了评价。应用了4种不确定性模型(模糊模型、灰色模型、物元分析、人工神经网络法),分析了衡水湖湿地年内水位、水温、溶解氧浓度和氨氮浓度的变化。利用环境流体动力学模型(EFDC)模拟,与衡水湖2003年的实测水质监测数据进行比较。结果表明:衡水湖水质基本为四类水到五类水;与其他3种方法的评价结果相比,人工神经网络法能够较为客观的评价衡水湖湿地水质;EFDC模型可以应用于衡水湖的水环境模拟预测。

水环境决策支持系统框架下的密云水库水质模型

为了探讨环境决策支持系统(EDSS)中复杂模型的集成和应用,以北京市饮用水水源地密云水库为案例,针对水环境决策支持系统框架下水动力学与水质模拟模型的集成以及EDSS系统集成和应用中遇到的问题和解决方案进行研究,提出基于模型服务的密云水库水环境决策支持系统逻辑结构,并从系统集成开发的角度探讨模型的选择、设置和改进。最后建立基于EFDC(environmental fluid dynamics code)和WASP(water quality analysis simulation program modeling system)的密云水库水动力-水质耦合模型运算服务,实现长时间序列的连续模拟和水环境管理的情景分析。

滩地植被对河道水流影响

该文结合实例河道运用环境流体力学代码(EFDC)模型研究滩地植被对河道水流的影响。模型通过建立植被阻力的经验公式,求解准三维水动力学方程,得到河道水流的水动力特征。通过模拟6组不同密度和高度的植被,并对流速和水位进行对比分析,结果表明:有植被存在时滩地水流显著减小。当植被密度600株/m2、高度为20cm时,滩地流速约为0.2m/s,此时河道水位相比无植被抬高0.2m左右;当植被高于1.0m时河道水位增加0.45m左右。研究结果对河道防洪和生态修复管理等有借鉴作用。

水污染预警DSS系统框架下的白河水质预警模型研究

为了应对频发的水环境污染事故,在污染事故发生后快速有效地制定应急响应措施,保护水环境,有必要在水源保护区建立水污染预警DSS系统,重点对系统建立的核心与难点——水质预警模型进行研究.密云水库是北京市最重要的地表水源地,以密云水库上游的白河为研究区域建立水污染预警DSS系统,设计水污染预警DSS系统的三层结构框架,将控制端、核心预警模型、GIS空间数据库紧密联合起来;在此基础上对核心预警模型的建模过程、参数取值等进行研究;最后以典型污染物氰化钠为例,设置水污染事故情景以及应急措施预案情景,进行了情景模拟分析.实例研究表明,此水质预警模型能够较准确地对污染发展趋势进行分析预测,并对不同的应急处理方案的实施效果进行模拟分析,模拟结果能够支持应急方案的制定与优选决策,达到了DSS系统的功能需求.

基于水环境模型和数据库的潮汐河网突发水污染事件溯源

为快速准确地实现潮汐河网突发性水污染的溯源,提出了基于水环境模型和数据库的溯源方法。以西江、北江佛山段为案例,基于EFDC(environmental fluid dynamics code)和WASP(water quality analysis simulation program)模型建立了研究区域的水动力模型、常规污染物水质模型以及有毒污染物水质模型;识别和筛选了研究区域的水环境风险源,并以此建立有毒污染物溯源数据库和常规污染物溯源数据库;最后以研究案例区内禅城沙口站监测到Cr6+超标为假设情景案例,通过数据库查询,使用反向计算确定3种可能的污染源排放情况下污染物初始排放量,再通过试错法,应用模型正向计算得到最终可能的污染源位置及对应的排放量,快速准确地完成污染物溯源。