第４２卷第１２期 ２０１４年６月 广州化工 Ｖ０１．４２ Ｎｏ．１２ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔ￣ Ｊｕｎ．２０１４ ＷＡＳＰ水质模型功能及应用 李广梁 ，滕洪辉２ （１许昌市天博生物科技有限公司，河南许昌４６１０００； ２吉林师范大学环境科学与工程学院，吉林 四平 １３６０００） 摘 要：ＷＡＳＰ（Ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ，水质分析模拟程序），是ＥＰＡ推荐使用的水质模拟软件，使用 较为广泛，能够模拟池塘、小溪、湖泊、水库、河流、河口、海岸等多种水体的稳态和非稳态的水质过程。本文主要介绍了 ＷＡＳＰ的组成、原理，并对其优缺点进行了评论，最后还介绍了该模型在国内外的应用及发展前景。 关键词：ＷＡＳＰ；水质分析；模拟程序 中图分类号：Ｘ８２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—９６７７（２０１４）０１２—００３６—０３ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ ＬＩ Ｇｕａｎｇ—ｌｉａｎｇ ．ＴＥＮＧ Ｈｏｎｇ—ｈｕｉ （１ Ｘｕｃｈａｎｇ Ｔｉａｎｂｏ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｅｎａｎ Ｘｕｃｈａｎｇ ４６ １ ０００； ２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ Ｓｉｐｉｎｇ １３６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷＡＳＰ（ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ）ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＥＰＡ，ａｎｄ ｗａｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｐｏｎｄｓ，ｓｔｒｅａｍｓ，ｌａｋｅｓ，ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ，ｒｉｖｅｒｓ，ｅｓｔｕａｒｉｅｓ，ｃｏａｓｔａｌ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｗａｔｅｒ ｂｏｄｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅａｄｙ ａｎｄ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ＷＡＳＰ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｒ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＷＡＳＰ；ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ＤＹＮＨＹＤ适用于一维的水动力模拟，它描述在浅水系统中 １ ＷＡＳＰ水质模型概述 ＷＡＳＰ水质模型最早是由美国环保局Ａｔｈｅｎｓ实验室于１９８３ 年开发的，之后又经过了几次修订，已成为美国环保署开发成 熟的模型之一。ＷＡＳＰ５及以前的版本都是在ＤＯＳ程序，而 ＷＡＳＰ６版本之后则发展为ＷＩＮＤＯＷＳ下的程序。它可以对河 流、湖泊、河口、水库等多种水体的稳态和非稳态进行模拟， 可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不 稳定流、常规污染物（包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以 及海藻污染）和有毒污染物（包括有机化学物质、金属和沉积 物）在水中的迁移和转化规律，被称为万能水质模型 －２ ３。 长波的传播．适用条件是：假定流动是一维的；Ｃｏｒｉｏｌｉｓ和其它 加速度相对于流动方向可忽略；渠道水深可变动而水面宽度认 为基本不变；波长远大于水深；底坡适度。 水动力模型ＤＹＮＨＹＤ的基本方程为圣维南方程组，包括 运动方程和连续性方程。 运动方程： ：一 ＋ ，＋ ＋ ｍ／ｓ 式中： ＯＵ——时变加速度Ｕ ——位变加速度，ｍ／ｓ Ｏ／ｇＡ—，２ ＷＡＳＰ的组成和原理 ＷＡＳＰ有两个独立的计算机程序ＤＹＮＨＹＤ和ＷＡＳＰ组成， 两个程序可连接运行，也可以分开执行。水动力模型ＤＹＮＨＹＤ 为水质模拟提供必要的水力参数如流速、流量、水位等。 ＷＡＳＰ是由两个子程序组成：有毒化学物模型ＴＯＸＩ和富营养 —沿渠道方向重力加速度，ｍ／ｓ ，——阻力加速度，ｍ／ｓ —沿渠道方向风加速度，ｍ／ｓ Ａ——渠道方向 ￡——时间，Ｓ —化模型ＥＵＴＲＯ，分别模拟两类典型的水质问题：①传统污染物 的迁移转化规律（包括ＤＯ、ＢＯＤ和富营养化）；②有毒物质迁 移转化规律（包括有机化学物、金属、沉积物等），任意子模 型都可以和ＷＡＳＰ连用。 Ｕ——沿渠道的流速，ｎｒ／ｓ ——沿渠道的距离，ｍ 连续性方程： ＝一古 式中：Ｑ——流量，ｍ ／ｓ 曰——宽度，ｍ ２．１ ＷＡＳＰ的组成 ２．１．１水动力模型ＤＹＮＨＹＤ 作者简介：李广梁（１９８６一），男，助理工程师，主要从事环境保护工作。 日——水面高度（水头），ｍ 第４２卷第１２期 李广梁，等：ＷＡＳＰ水质模型功能及应用 水面高度随时问变化率，ｍ／ｓ 其中关键变量是浮游植物，其动力反应会影响其它系统。 ３７ ——告 ——单位宽度水体积变化率，ｍ／ｓＤ ＤＹＮＨＹＤ程序对上述方程组采用有限差分法求解，把要计 算的水体系统概化成计算网络，流速、水头等在离散的网格点 上求解 。 ２．１．２模型参数 简单的有毒物质，采用ＴＯＸＩ程序对简单的毒物和相关的 固体进行模拟。ＴＯＸＩ可以对１～３种化合物和３中状态的固体 颗粒物的迁移和变化进行模拟。在应用ＴＯＸＩ是要考虑一些限 制，化合物应该是在痕量水平，对于高浓度，线性划分和变化 就会无效。化合物的密度也很重要。 复杂有机化合物反应，复杂反应（有机化学反应），复杂的 反应包括物理过程：水台吸收、挥发和沉淀，化学过程：电 输入参数可分为如下几类：节点参数，包括节点初始水 头，表面积，底坡等。渠道参数，包括渠道长度，宽度，水力 半径或水深，渠道走向，初始流速等。人流出流参数，其中人 流流量为负，出流为正，下游边界条件，可以是出流，也可以 离、水解、光分解和氧化，生物过程：生物降解与富集。 ３ ＷＡＳＰ水质模型的特点 是潮汐函数。风参数，指与风加速度有关的参数，包括风速， 风向。 ２．２ ＷＡＳＰ原理 ＷＡＳＰ是可以用来分析多种水域的一个动态区段模型， ＷＡＳＰ是以质量守恒为基础。这一原则要求对每种水质成分采 用一种或几种方法调查。 ＷＡＳＰ水质模块的基本方程是一个平移一扩散质量迁移方 程，如下式所示，它能描述任一水质指标的时间与空间变 化 。 。 等＝一 （ ｃ）一 ｏ （ＵｙＣ）一老（ ｃ）＋ Ｕ （Ｅ ｃ）＋ （ｕ， ＥｙＣ）＋导（ＯＺ， ｃ）＋Ｓ￡＋ＳＢ＋ＳＫ 式中：ｃ——水质成分浓度，ｍ＃Ｌ或ｇ／ｍ。 ￡——时间，天 、 、ｕ ——纵向、侧向、垂直的流速，ｍ／ｓ Ｅ 、Ｅ 、Ｅ ——纵向、侧向、垂直的扩散系数， ｍ ／ｓ ．ｓ，——点源和非点源负荷，昏／（ｍ ・ｄ） ｓ ——边界负荷（包括上游，下游，底层和大气）， ｇ／（ｍ ・ｄ） ｓ ——动力转换项（正为源，负为汇）， （ｍ ・ｄ） 具体应用时，往往涉及到以下几个方面： 示踪剂传输，示踪剂是水体迁移过程中的强制迁移的一种 不活泼的化学制品。包括盐类和氯化物。确定和校准示踪剂是 模拟较复杂的水质变量的第一步。ＷＡＳＰ一般使用ＴＯＸＩ程序 模拟保守示踪剂，ＴＯＸＩ可以模仿１～３种化学物质和１～３种固 体类型物质的传输和转化。 底质传输，其是水生系统的一个详单重要的过程。过量的 底泥直接影响水质。底泥大小或分布类型直接，采用ＴＯＸＩ程 序模拟，使用者通过定义每种颗粒的将戒律和有机浓度。可把 整个固体颗粒作为单一变量，或分别用１～３种固体类型（砂、 淤泥、粘土或有机、无机固体颗粒）表示。底质传输过程包 括：水流中传输（主要是沉降，动力过程用沉降公式表示）； 水底交换；沉淀负荷；底泥床运动。 溶解氧平衡，溶解氧（ＤＯ）是水质分析中最重要的几个变 量之一。低浓度的溶解氧会直接影响水生生物的生长。五个 ＥＵＴＲＯ状态变量直接影响溶解氧的平衡：浮游植物贪凉、氨、 硝酸盐、ＣＢＯＤ及溶解氧，则有如下８和过程影响溶解氧的平 衡，分别是：复氧、碳氧化、硝化、反硝化、沉降、浮游植物 生长、浮游植物死亡、底泥需氧量。 富营养化，使用ＥＵＴＲＯ５模拟富营养化过程，有４个相互 作用的系统：浮游植物动力反应；Ｐ循环；Ｎ循环：ＤＯ平衡。 ３．１ 界面友好 ＷＡＳＰ用户界面友好，使用方便，便于学习和应用。 ３．２ 系统开放 ＷＡＳＰ由两个独立而义能相互连接的软件ＤＹＮＨＹＤ和 ＷＡＳＰ组成。ＷＡＳＰ既可和ＤＹＮＨＹＤ相连接运行，也可和其它 水动力计算程序如ＲＩＶＭＯＤ、ＳＥＤ３Ｄ等相连接运行。用户也可 直接输人水力参数，使水质程序ＷＡＳＰ单独运行。 ３．３ 内容全面 ＷＡＳＰ可以用来分析多种水域，如池塘、溪流、湖泊、水 库、河流、河口和海岸等不同的水质问题。能模拟两种主要的水 质问题：传统污染（包括ＤＯ、ＣＯＤ、富营养化）和有毒的污染 （包括有机的化学药品、金属和沉淀物）分别描述有毒化学物污 染和常规水质污染，能模拟示踪剂、底质、溶解氧、水体富营养 化、简单有毒物质和有机化学物的传输、转化过程，能模拟 ＮＨ、ＢＯＤ、ＤＯ、ＮＯ、浮游植物、ＯＮ、ＯＰ、ＰＯ．等８个状态变 量，能同时模拟多种溶解状和颗粒状物质，能模拟表层水、下层 水、上层泥床、下层泥床等各类水体，能模拟河流、湖泊、水 库、河口、池塘等一、二、三维水体及水系 在时间和空间尺度 上可以变化很大，既可做稳态模拟，也可做动态模拟 。 ３．４使用限制 由于水动力模型ＤＹＮＨＹＤ采用显式差分格式求解，稳定 性和精度考虑，其时间步长、空间网络不能取得过大，对于定 性分析，流速低的河流不一定适用；而且水动力模型ＤＹＮＨＹＤ 只适用于一维的水动力模拟，在使用方面有很大限制；另外， ＴＯＸＩ模块要求化学物浓度应该是痕量水平。 另外，由于ＷＡＳＰ的界面全英文，这不仅要求使用者有较 深的水动力水质模型专业基础，又要有较高的专业英语水平。 对非英语国家的相关人员使用带来了一定障碍。 ４ 应 用 目前ＷＡＳＰ在国内外应用非常广泛：在国外，Ｔｈｏｍａｎｎ和 Ｆｉｔｚｐａｔｉｒｃｋ对美国东部波托马可河的富营养化进行模拟； Ａｍｂｒｏｓｅ对美国东部特拉华港口的挥发性有机物污染进行模拟； ＪＲＢ对美国卡罗莱纳州的重金属污染进行模拟 。存国内，孙 文章等应用ＷＡＳＰ对东昌湖水质进行模拟研究；杨家宽等运用 ＷＡＳＰ对汉江襄樊段水质模拟研究；逢勇等曾进行了太湖藻类 的动模拟研究，探讨了太湖藻类的动态变化机制，对治理太湖 藻类“水华”有一定的现实意义 ；孙学成等应用ＷＡＳＰ模拟 仿真三峡水库水质；上述应用最终的运行结果令人都较为满 意，表明ＷＡＳＰ的水质模拟能够较好地模拟各种水质过程。 （下转第５６页） ５６ 广州化工 ２０１４年６月 最大，其次是因素Ｄ，这两个因素的波动对酯化率的影响比较 大，为主要因素；因素Ａ、因素Ｂ的波动对酯化率影响相对较 小，为次要因素；因素Ｃ波动对酯化率的影响最小。理论最优 量影响最小；且得到合成最优化条件：醇酸摩尔比为２．１：１、 催化剂用量４％、阻聚剂用量３％、反应温度１２０℃，反应时间 为６ ｈ，酯化率达到９６．４６％。 通过最优条件合成的酯基大单体与烯丙基磺酸钠单体共聚 制备了电池浆料分散剂，该分散剂在掺量为０．６％时，可使 锂离子电池浆料的用水量减少至２７．０％，浆料初始粘度为 １ ７８６．６ ｍＰａ・ｓ，静置９０ ｒａｉｎ后浆料粘度为２６８０．３ ｍＰａ・ｓ。 参考文献 ［１］韩利华，张学丽，封孝信，等．聚羧酸系高效减水剂的研究进展及发 展现状［Ｊ］．混凝土，２００８（２）：９６—９８． ［２］ 曾小君，陈燕红，申静静，等．马来酸双聚乙二醇单甲醚酯大单体的 合成及其在聚羧酸减水剂制备中的应用［Ｊ］．新型建筑材料，２０１３ （１）：２３—２５． 化合成条件为 Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ ，结合生产实际要求，对于次要因 素按优质、低耗、高产的原则选取最佳水平，得到更为符合实 际生产条件的最优因素水平组合Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ ，由此因素水平 组合进行验证试验，马来酸酐酯化率为９６．４６％。 ２．３分散剂性能评价 由最优实验条件合成出的马来酸双聚乙二醇单甲醚酯制备 出分散剂，当马来酸双聚乙二醇单甲醚酯与烯丙基磺酸钠质量 比为４０：１，引发剂用量为大单体用量的３％，所得产物在电池 浆料中掺量为０．６％时，分散性能及净浆流动度保持性能良好， 可使锂离子电池浆料的用水量减少至２７．０％，浆料初始粘度为 １ ７８６．６ ｍＰａ・Ｓ，静置９０ ｍｉｎ后浆料粘度为２６８０．３ ｍＰａ・ｓ。减 少溶剂用量同时满足涂布工艺要求。 ［３］ 马保国，潘伟，温小栋，等．马来酸双聚乙二醇单甲醚酯合成影响因 素分析［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００８，３０（１）：４４—４７． ［４］ 魏瑞平，周金能，肖国民．减压条件下聚羧酸系减水剂活性大单体 ＭＰＥＧＭＡ的制备［Ｊ］．化学反应工程与工艺，２００９，２５（５）：３９１— ３９５． ３ 结论 通过减压熔融法合成马来酸双聚乙二醇单甲醚酯，并用红 外光谱对所得产物进行了表征。经过正交试验法对其合成的影 响因素进行优化，在设定的因素范围内反应时间影响最大，次 之是反应温度，醇酸摩尔比，催化剂用量影响较小，阻聚剂用 ［５］ 唐林生，张国政，李小丽，等．新型聚乙二醇接枝聚羧酸减水剂的制 备［Ｊ］．混凝土，２０１０（２）：７４—７７． ．１、蛉 石 Ｉ、 ； －、 Ｉ＿、 ： 盼 ＼！ 、盼、 、、！ 、 （上接第３７页） ５ ＷＡＳＰ的发展前景 在短短的２０多年间，ＷＡＳＰ模型取得了快速的发展，所建 立的各种模型都能很好的应用于各个研究领域。由于它的灵活 性使得它能与其他模型很好的耦合，进行二次开发，是水质模 ［２］唐大元．ＷＡＳＰ水质模型国内外应用研究进展［Ｊ］．安徽农业科学， ２０１１（３４）：２１２６５—２１２６７． ［３］汪德灌．计算水力学理论［Ｍ］．南京：河海大学出版社，１９８９． ［４］ 王飞儿，杨佳，李亚男，等．基于沉积物磷释放的ＷＡＳＰ水质模型改 进研究［Ｊ］．环境科学学报，２０１３（１２）：３３０１—３３０８． ［５］ 姜雪，卢文喜，张蕾，等．基于ＷＡＳＰ模型的东辽河水质模拟研究 ［Ｊ］．中国农村水利水电，２０１１（１２）：２６—３０． ［６］夏军，窦明．水体富营养化综合水质模型及其应用研究［Ｊ］．上海环 境科学，２０００（７）：３０２—３０８． 型达到更加完善的效果。ＷＡＳＰ模型与ＥＦＤＣ模型等耦合，充 分利用模型本身提供的多种模拟计算方案 “ 等必将是今后 一个阶段的研究重点。 基于地理信息系统（ＧＩＳ）的二次开发，必将使ＷＡＳＰ水质 模型得到更广泛应用。水质模型与ＧＩＳ耦合的优越性表现在以 下几方面：①利用数字化仪及ＧＩＳ将研究区域数字化，并进行 ［７］张永祥，王磊，姚伟涛，等．ＷＡＳＰ模型参数率定与敏感性分析［ｊ］． 水资源与水工程学报，２００９（５）：２８—３Ｏ． １８ ｌ ＴｉｍＡ．Ｗｏｏｌ，Ｒｏｂｅ￣Ｂ．Ａｍｂｒｏｓｅ，Ｊａｍｅｓ Ｌ．Ｍａｒｔｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｗａｔｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｉｍｕｌｍｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ（ＷＡＳＰ）Ｖｅｒｓｉｏｎ ６．０ ＤＲＡＦＦ：Ｕｓｅｒｓ 概化以及网格化，使得模型的前期工作大大减少，人为误差减 小，精度提高；②利用ＧＩＳ的栅格矢量化功能可以生成高质量 的填充颜色的浓度分布图；③ＧＩＳ的空间数据处理功能可以进 行实时浓度、时间和空间的平均浓度的计算并显示、输出，查 询模块可以对结果进行访问和查询。这样为决策部门进行区域 Ｍａｎｕａｌ［ｚ］．Ａｔｌａｎｔａ：ＵＳ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌ Ｐｒｏｔａｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ，ＭＳ Ｔｅｔｒｅ Ｔｅｃｈ．，２００１． ［９］ 逢勇．太湖地区大气一水环境的综合数值研究［Ｍ］．北京：气象出 版社，１９９８：５０—５５． ［１Ｏ］贺彬．滇池流域水污染控制仿真系统研究［Ｊ］．云南环境科学，２００４ （２）：ｌ４一ｌ６． 污染监控、管理提供有效方便的科学手段；④利用可视化开发 语言开发的系统使得模型的结果更直观、明确；⑤结合计算机 技术实现了数据信息集中管理和共享 。 参考文献 ［１］李炜．环境水力学进展［Ｍ］．武汉：武汉水利电力大学出版社 １９９５． ［１１］牛志广，陈彦熹，米子明，等．基于ＳＷＭＭ与ＷＡＳＰ模型的区域雨 水景观利用模拟［Ｊ］．中国给水排水，２０１２（Ｉ１）：５０—５２，５６． ［１２］张行南，耿庆斋，郭亨波，等．水质模型与地理信息系统的集成研究 ［Ｊ］．水利学报，２００４（１）：９Ｏ一９４．
