德国DWA水质模型

摘 要：DWA水质模型可用于范围广泛的水资源管理规划任务，从数据和系统的方面分析水体中的因子，来进行水污染防治的规划以及污染预警机制的建立。同时介绍了M3系统理论在模型中的应用，并以德国埃尔夫特河的应用为例，监测水体当前状态进行模拟并预测未来水体质量。最后展望DWA模型在未来中国的水资源管理规划工作中的应用前景。

关键词：DWA模型；水质模型；模拟；水资源管理

1 概述

水质模型是描述各种物质在水体中的混合和输运、在时间和空间上的迁移转化规律以及各影响因素之间相互关系的数学方程。它是水环境管理规划、水环境污染治理规划决策分析、水容量研究分析、水环境污染预警研究的重要工具和有效手段。水质模型是一种数学描述，在对水质进行研究分析的过程中涉及到物理、化学、和生物过程，因而要根据需求选择因子与研究方法，建立不同的模型。

文章就M3（Monitoring，Modelling，Management）系统及德国DWA水质模型作一介绍与分析及其在埃尔夫特河（Erft River）的应用。

2 M3系统理论

M3系统由水质监测系统、水质模拟系统和水质管理系统三个方面组成，是一个全面的对水体进行监测、模拟和管理的系统，从空间和时间上确定水体的现状，以期达到合理规划管理水体的目的。如图1所示。

2.1 水质监测系统

水质监测系统进行水体质量监测，分别对点源污染和面源污染监测，包括常规监测、在线监测和固体物调研，根据监测数据呈现水体质量的调查结果。

对水质监测系统的要求：

2.2 水质模拟系统

水质模拟系统对输入的监测数据进行可信度验证，根据模拟计算结果得出水体质量的调查结果。水质模拟的应用：

如图2所示是M3系统中监测和模拟的应用。

2.3 水质管理系统

水质管理系统对水质监测系统和水质模拟系统得到的数据进行研究分析后，改进边界条件，反馈给水质监测系统和水质模拟系统，优化监测方案和模拟计算过程。

3 DWA水质模型

3.1 模型的产生

德国水资源、污水及废物管理联合会（DWA）的水体质量模型由原德国污水技术联合会（ATV）的“水体质量管理中的模型计算”专业委员会于1991至1995年期间开发，并自此随着发展进步中的科学认识和水体质量管理领域的要求不断进行更新。目前该模型由DWA的GB1.4专业委员会指导。

3.2 目标和任务设置

流动水域展现了高度交错的生物学、化学和物理学的相互影响以及自然与人为因素的多样性影响而形成的庞杂的体系。这样的体系的典型特征是巨大的活力和空间上的易变形。人类通过对水域的使用和污染介入这一体系，使用和污染两方面既相互并存，也和作为生存空间的水域的各种生态功能间形成了多层次的对立。人为的介入不仅涉及水域的总体结构，也涉及物理、化学层面的水体质量。污染物的负荷一方面来源于点源污染，另一方面由直接或间接的面源污染造成。

水资源管理的任务在于，为确保尽可能与水域的自然状态相符的生活状况，将人为的影响局限在必要的尺度内并平衡在水资源使用过程中出现的矛盾冲突。就此而言，水体质量模型作为一种辅助手段被使用，其目的是以水域保护的既定目标为基础，认识行动的必要或了解措施与介入手段的效果。为达到此目的，需对水域在空间上的多变性和时间上的动态特征进行描述，并对多种不同类型的人为介入行为所引起的反应进行近似的量化。

由这些要求衍生出水体质量模拟型的各种任务和应用领域。其应用范围很广泛，从数据和系统分析开始，到水域保护规划中的方案调研，以及流量管理中的运用和预警机制等等。

模型的第一组应用是对真实的水域体系进行模拟，以在给定状态的基础上对其进行或强或弱的调整。水质模拟中的“经典”任务如厂址优化、措施规划等便属于此范畴。各种模型的灵活度的与日俱增，使得对一些状况的研究也成为可能，例如能通过对河道疏通与引流、自然修复或新的设施等措施来实现水域体系的调节。

水框架法为这类模拟提供了一个广阔的应用领域。该水法要求在某一规定的时间框架内达到根据某类型特征而定义的目标状态。在此，水体质量模拟可在相应生物群落生态环境条件（生物形态、辐射环境、底质）的模拟中协助进行措施的规划，规划时可将相互关联的分支水系列入考察范围。

模型的第二组应用是对在地貌空间、水文环境、负荷和使用方面符合某一特定类型的标准水域进行模拟。可利用已定义的不同场景对这些类型中某些物质的比例关系、相关物质的极限值的合理性等方面进行比较研究。

例如在富营养化控制方面，可针对“蓄水调节水域”、“高山河流”或“低地河”流类型推导出相应的磷的界限值。该类型的标准水域可用于检验环境化学污染物，如用于排入物质的去向。对于污水排入方面的检验和水域保护措施的保障，则尤其可针对负荷结果各不相同的特定流域，可以支持进行经济-效益分析。 模型的研发始终伴随着大量在德国水域进行的实际应用。应用案例的范围覆盖了从上游地区平坦的自然流动水域到常用于蓄水调解或船只通行的中、下游的所有地区。全面性和可操作性一直是模型研发的重要标准。

3.3 模型应用的前提条件

DWA模型的应用可能是非常多样的。然而要使模型的各项功能能得以完全发挥，对数据处理技术和人力资源方面提出了不可低估的前提条件。

3.3.1 数据要求。对于较复杂的水体质量模型而言，巨大的数据需求量常被视为其引入和全面推广过程中一种不小的障碍。此处应对数据需求的范围和数据获取的工作量加以区分。对已给定的模拟而言，数据需求的范围几乎无以变更，相对而言，数据获取的工作量却可明显地缩减。为达到此目的，将输入的数据分为以下两类：

被认为是普遍适用或被近似估计，因而可作为规定或建议值而提供的使用。

用于描述水域体系项目专门的数据，需针对每一当前的模拟案例由用户自己获取。

另外，数据需求量还取决于问题的设置：为回答所设置的问题需要的子模型越多，数据需求量自然就越大。但该需求不随板块结合的范围而“成比例”增长，因为重复需要的数据（如温度或辐射）只计算一次而在各板块间进行交换使用。

由此提出了关于数据和模拟结果的准确性的问题。在此关键的问题首先在于：例如要调查一水域的水质是否符合某种特定的用途，则算入模型中的浓度值必须与相应用途的界限值具有可比性，即超越界限值的情况必须能用尽可能可靠的方式来证实，因此在设计模型、各过程的数学描述和对输入数据提出要求的过程中，必须通过对表述的可靠性提出要求来保证准确度。除了数据的质以外，数据的量也起着重要作用，它又取决于连续性在时空上的分解（离散化）。

给定数据能很大程度上地简化模型的运用。因此该模型开发时在这一综合体内投入了相当的工作量。此外，模型中给定数据部分的扩展将是既定框架内未来更新工作的重要任务。这些给定数据中的多数基于监测、估算或是通过某些专门的调研项目获取。因而这些数据原则上不具备绝对有效性，而作为经验数据只合乎当前的认知水平。所以不管是与项目密切相关的专业层面还是从普遍意义上，用户具有随时对数据进行修改的可能性。

另一个重点是批量数据输入过程的简化（如污水处理厂工作流程中的动态日流量过程）。在此将不再要求输入每一时间间隔的完整数据，而是针对周期性的波动情况，如日或周过程，有经模型标准化的分布方式供选择。某一日过程的模型内部运算仅要求输入一个平均值和一个振幅值。输入冲击荷载时同样可利用某一标准分布。在缺乏描述水域断面几何特征的断面数据时，用户可在已有选项中选择断面类型，而针对该类型仅需输入少量易估计的参数。在上述情况中，用户若有可支配的监测值，同样还可将所需数据以文档的方式进行提交。

3.3.2 模型结果的评估。在每一应用案例中都须认真地核查，在考虑可用的输入数据和被模拟的体系自身特征的情况下，对模拟结果抱有哪些期望是合适的。总体而言，模拟的结果应作为近似解决方案进行考察：它们的可靠性仅取决于输入数据，还取决于（在每一个应用案例中），模型中拟定的过程和影响能在多大程度上理解和描述所模拟的水域水质的情况。

对此不可能存在普遍适用的数据信息。同样，用户使用水质和流量模拟工具的经验及其对于水域和荷载结构的了解在此过程中起着重要作用。应预防高估甚至滥用模拟结果。

参考文献

[2]郭劲松，李胜海，龙腾锐.水质模型及其应用研究进展[J].重庆建筑大学学报，2002，24（2）：110-115.

[4]姜云超，南忠仁.水质数学模型的研究进展及存在的问题[J].兰州大学学报（自然科学版），2008，44（5）：8-9.

[5]宋国浩，张云坏.水质模型研究进展及发展趋势[J].装备环境工程，2008，5（2）：32-36.