基于《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地面水環(huán)境》(HJ/T2.3—93)的數(shù)值模型部分內(nèi)容已經(jīng)落后于水動(dòng)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(píng)價(jià)工作的實(shí)際需要。建議開展地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(cè)結(jié)果的主要模型參數(shù)，建立適合我國環(huán)評(píng)應(yīng)用的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)共享軟件平臺(tái)。同時(shí)，開展地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的數(shù)值模型清單，建立法規(guī)模型驗(yàn)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(píng)價(jià)中模型的使用，為環(huán)境影響評(píng)價(jià)領(lǐng)域的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)規(guī)范化、科學(xué)化提供技術(shù)支持。  

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則地面水環(huán)境》(HJ/T2.3—93)是指導(dǎo)開展地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(cè)是地表水導(dǎo)則的重要內(nèi)容，也是地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(gè)環(huán)評(píng)過程中起著重要作用�！董h(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地面水環(huán)境》(HJ/T2.3—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(cè)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(cè)等的各類穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)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(cè)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(píng)價(jià)的實(shí)際需要，特別是數(shù)值模型部分，已經(jīng)落后于水動(dòng)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(jì)算公式，實(shí)際環(huán)評(píng)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(xiàng)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(cè)。而且在實(shí)際環(huán)評(píng)中，不同的環(huán)評(píng)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的重大需求。  

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(fèi)爾普斯(E.B.Phelps)研究建立了第一個(gè)水質(zhì)模型(SP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(xiàng)水質(zhì)因子發(fā)展到多項(xiàng)水質(zhì)因子，從穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展到動(dòng)態(tài)模型，從點(diǎn)源模型發(fā)展到點(diǎn)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(cè)的模型有上百種。水環(huán)境模型數(shù)值模擬計(jì)算的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，在河口海岸水動(dòng)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(dòng)力、水質(zhì)模型的數(shù)值模擬研究開始出現(xiàn)。發(fā)展至今，國際上已經(jīng)推出多個(gè)商業(yè)版和免費(fèi)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(shí)施了《清潔水法》，該法對(duì)美國各州水域的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和TMDL計(jì)劃的制定、實(shí)施做出了具體規(guī)定，其控制對(duì)象包括點(diǎn)源和非點(diǎn)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(jì)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(diǎn)源與非點(diǎn)源造成污染的比例，進(jìn)行點(diǎn)源與非點(diǎn)源之間污染排放許可的分配。美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)資助TetraTech公司開展了TMDL模型評(píng)價(jià)和研究需求分析項(xiàng)目(TMDLModelEvaluationandResearchNeeds)，該項(xiàng)目對(duì)60多個(gè)模型進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)各種模型的模擬能力、適用性等進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估對(duì)比。2002年，EPA發(fā)布了模型應(yīng)用指南(GuidanceforQualityAssuranceProjectPlansforModels)，對(duì)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(píng)估及應(yīng)用指南》(GuidanceontheDevelopment，EvaluationandApplicationofEnvironmentalModels)，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(jiǎn)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(huì)(CREM)在其網(wǎng)站建立了模型庫，美國地質(zhì)調(diào)查局、聯(lián)邦風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理局、美國陸軍工程兵團(tuán)等機(jī)構(gòu)都建有類似的模型庫，并對(duì)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(píng)估指南》提出了針對(duì)潛在污染源地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(cè)模型，并給出了每個(gè)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(píng)估污染源對(duì)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(jì)劃，針對(duì)具體的水質(zhì)預(yù)測(cè)，推薦了一系列的數(shù)學(xué)模型，實(shí)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(cè)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(duì)生態(tài)與環(huán)境化學(xué)、水資源、水利工程、水動(dòng)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(duì)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。  

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(dòng)力水質(zhì)模型系統(tǒng)，涉及水環(huán)境模擬預(yù)測(cè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目一般都采用該模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，現(xiàn)在已經(jīng)成為香港環(huán)境署的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。臺(tái)灣“環(huán)保局”發(fā)布了《環(huán)境影響評(píng)估河川水質(zhì)評(píng)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(cè)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(yàn)證，提交模型理論公式，以及與推薦模型的對(duì)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(jì)算網(wǎng)格生成、離散方法、數(shù)值計(jì)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(xiàng)目的水環(huán)境影響預(yù)測(cè)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(jì)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(yùn)問題的大型數(shù)值模擬計(jì)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(jì)算水流、水質(zhì)、泥沙等輸運(yùn)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(jì)算效率，并提供了多種標(biāo)準(zhǔn)算例。珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院開發(fā)了HydroMPM模型軟件，包括三種計(jì)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(jì)算手段對(duì)水(潮)流、泥沙、水質(zhì)、咸潮等水動(dòng)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ZIHE2DS軟件，可以進(jìn)行水流、鹽度、水質(zhì)的計(jì)算，模型采用OpenMP并行編程技術(shù)對(duì)基于多核處理器的計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)了并行計(jì)算，控制方程采用二維淺水方程和對(duì)流擴(kuò)散方程，水流計(jì)算采用有限體積KFVS(KineticFluxVectorSplitting)格式，水質(zhì)計(jì)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(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了WestWaterLateral(WWL)立面二數(shù)值模擬軟件，該水溫分析軟件計(jì)入地形、入流、發(fā)電泄流、防洪泄流、水位、太陽輻射、大氣長(zhǎng)波輻射、水體返回長(zhǎng)波輻射、水面蒸發(fā)、傳導(dǎo)、泄流孔口位置及尺寸等因素對(duì)水庫縱垂向水溫的影響，通過計(jì)算連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、紊流模式方程來模擬水庫水溫時(shí)空變化過程，模擬計(jì)算的過程、結(jié)果可自動(dòng)輸出到第三方軟件如Tecplot、Excel等進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，并自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)表格和圖形。交通部天津水運(yùn)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(shí)際應(yīng)用需求，尚未在大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用�，F(xiàn)在我國環(huán)評(píng)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(píng)導(dǎo)則中尚未給出可參考選擇使用的數(shù)值模型清單。  

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(píng)價(jià)的現(xiàn)狀，建議開展我國地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬精細(xì)化研究，為我國的地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(cè)模型，特別是國外，開發(fā)了很多成熟的開源免費(fèi)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(píng)價(jià)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)中，使用的軟件類型較多，不同環(huán)評(píng)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(cè)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(píng)預(yù)測(cè)中，特別是在沿海及大江大河建設(shè)的直流火電廠項(xiàng)目中，溫排水預(yù)測(cè)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(píng)界尚未達(dá)成共識(shí)。同樣，大型水庫建設(shè)后會(huì)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(jì)建設(shè)疊梁門。目前，我國已有多個(gè)大型水庫開始了疊梁門的設(shè)計(jì)建設(shè)，環(huán)評(píng)單位也進(jìn)行了疊梁門運(yùn)行效果的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，但不同環(huán)評(píng)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(cè)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(píng)價(jià)預(yù)測(cè)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(duì)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(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。  

(2)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)缺少技術(shù)指導(dǎo)文件  

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則地面水環(huán)境》(HJ/T2.3—93)中推薦了地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)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(xiàng)目的地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中起到了重要作用，但是對(duì)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(jì)算公式，計(jì)算過程復(fù)雜、計(jì)算量龐大，實(shí)際環(huán)評(píng)過程中可操作性不強(qiáng)。一般實(shí)際環(huán)評(píng)工作中，需要借助基于數(shù)值計(jì)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(cè)。目前應(yīng)用的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)軟件很多，包括國外多個(gè)國家發(fā)布的商業(yè)軟件、開源免費(fèi)軟件以及國內(nèi)一些研究單位獨(dú)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)。  

未來發(fā)展方向及建議  

為解決環(huán)評(píng)中地表水環(huán)境影響預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)數(shù)值模型規(guī)范性應(yīng)用研究，盡快修訂地表水環(huán)評(píng)技術(shù)導(dǎo)則，補(bǔ)充數(shù)值模擬預(yù)測(cè)部分相關(guān)內(nèi)容，提高對(duì)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)中需要開展水環(huán)境數(shù)值模擬預(yù)測(cè)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(xiàng)目，建議針對(duì)地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)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(xiàng)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(cè)結(jié)果的主要模型參數(shù)，并給出每個(gè)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(diǎn)等，并基于當(dāng)前主流開源的數(shù)值模型計(jì)算程序，建立適合國內(nèi)環(huán)評(píng)應(yīng)用的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)共享軟件平臺(tái)，解決水環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中亟待解決的問題，為環(huán)境影響評(píng)價(jià)領(lǐng)域的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)規(guī)范化、科學(xué)化提供技術(shù)支持。  

(2)開展環(huán)評(píng)模型法規(guī)化研究  

建議開展地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)和模型驗(yàn)證案例庫，提出適用于國內(nèi)地表水環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(yàn)證方法等，提出模型參數(shù)的規(guī)范化建議。同時(shí)，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(cè)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(yàn)證、參數(shù)評(píng)估、模型輸出等應(yīng)用過程，為地表水環(huán)評(píng)提供技術(shù)支持。

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