金华市职业技术学院 浙江金华 321017
摘要:WASP（water Quality Analysis Simulation Program，水质分析模拟程序）是EPA研制开发并推荐使用的水质模型软件，用于模拟河流、湖泊、水库、河口等多种水体的稳态和非稳态的水质过程。文中介绍了WASP的组成模块、基本原理及各个指标之间的相互转化，最后介绍了该模型在国内外的应用和发展前景、方向。
关键词：WASP；水质模拟；水质模型
1 WASP 水质模型概述
WASP水质模型最早是由美国环保局实验室于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［1］ 。
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。
2．1 WASP 的组成
2.1.1水动力模型DYNHYD
DYNHYD适用于一维的水动力模拟，它描述在浅水系统中长波的传播畅适用条件是： 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。
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］
2.1.2模型参数
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。入流出流参数，其中入流流量为负，出流为正，下游边界条件，可以是出流，也可以是潮汐函数。风参数，指与风加速度有关的参数，包括风速，风向。
2.2WASP 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—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［3］。
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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。
其中关键变量是浮游植物，其动力反应会影响其它系统。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
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由两个独立而又能相互连接的软件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［4］。
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，多位学者应用该软件对水体中的污染物进行了模拟研究。在国内，也有很多学者应用WASP软件对河流湖泊的水质进行了模拟研究。并且模拟结果还较为满意，今后应该开发WASP与其他可视化软件的联合使用。
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
[2]汪德灌.计算水力学理论[Ｍ].南京：河海大学出版社，1989
[3]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．
[4] 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）：28-30
论文作者:蒙媛
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第13期
论文发表时间:2017/12/18
标签：水质论文; 模型论文; 水体论文; 溶解氧论文; 动力论文; 河口论文; 程序论文; 《建筑科技》2017年第13期论文;