地表水水质模型综合评价技术体系研究

周 刚， 熊勇峰,2， 呼婷婷， 白 静， 陈振宇,2

1.中国环境科学研究院， 北京 100012

2.重庆交通大学河海学院， 重庆 400074

水环境模型是开展水污染防治和水环境管理工作的必备工具，也是环境管理决策的重要依据. 因此，水环境模型的科学性、可靠性、易用性尤为重要，然而由于不同模型在原理、功能、结构、算法以及适用范围等方面存在非一致性，导致计算结果差异显著，无法相互借鉴、参考与比较，影响了水环境管理决策的有效性和科学性. 为了更好地发挥模型的职能，减少因采用的模型差异而造成差别管理等不公平因素，应当建立科学的模型筛选制度和评价体系.

美国环境保护局(US EPA)在广泛开发和使用水质模型方面一直处于领先地位，除了资助开发和应用模型外，还制定了大量有关环境模型开发、评价和应用的技术导则或指南[1-2]，促进了环境模型的规范化和系统化. 美国环境保护局研究与开发办公室以及健康与环境评价办公室[3]开发了包含13个地表水模型共70个模型的暴露模型库及综合评价系统. 在美国环境保护局资助下，Tetra Tech公司[4-5]为流域评估和TMDL计划提供了包含22个受纳水体模型共46个模型的模型评价特征表及选择标准，以评估表格的形式对65个可用于TDML模型的模拟能力、适用性等20项信息进行了详细的评估对比. Water Environment Research Foundation[6]为了帮助模型用户在解决具体问题时选择合适的水质建模工具，从解决问题、分析层次、时间表达、空间维度、适用水体类型等方面对约150个模型的可用性和适用性进行了详细评估. 其他机构如美国陆军工程兵团水资源中心[7](US ACE)从模型名称、联系信息、易获取性、说明文档、电脑配置、模拟能力和应用历史等方面对水资源规划和管理应用中的39个模型进行了分类和评价.

欧洲方面，2003年，Arheimer等[8]向欧洲的水力学及水环境方面的专家和权威机构发放了154份调查问卷，结合文献和网络调研工作，整理了37个常用水环境质量模型在欧洲的应用情况，并介绍了应用于欧洲的决策支持系统与正在进行模型的比较工作. 2008年，欧洲环境署[9](EEA)发布了《modelling environmental change in Europe: towards a model inventory (SEISForward)》. 该报告从环境模型在环境涵盖主题，地理范围和各自模型结构分析的特征方面详述了目前可用于模拟欧洲环境变化的80多个模型工具.

国内模型评价方面，2014年黄河水利科学研究院 的“黄河水沙数学模型评价关键技术与应用示范”项目[10]，首次提出了黄河水沙数学模型评价的功能指标和性能指标体系，构建了完备的模型评价案例库，建立了多层次多指标耦合评价方法，制定了《黄河数学模型评价办法》，为模型应用于黄河水沙问题提供了指导. 2015年，杨研等[11]基于文献调研和数值试验方法提出了地表水环境质量模型评价指标及评价方法，建立了水动力学模型评价体系，并以ELCIRC模型为例进行了应用研究，但没有涉及水环境问题，不能作为水环境模型评价的依据.

水环境模型种类繁多，水质模型也称为受纳水体模型，特指描述水体中物质混合、输移、转化规律的数学模型的总称，包括常规污染物(氧平衡，营养盐富营养化，病原菌)输运模型和有毒化学物质输运模型. 该研究在模型生命周期分析的基础上，通过文献调研、网络调研和专家咨询等方法，提出模型评价技术框架，针对水质模型建立综合评价的评价指标和评价方法，并进行案例应用.

1 技术框架

模型质量是一个只有在某个特定的模型应用中才有意义的属性，也就是说，一个模型不可能解决所有环境问题，而只能应用于解决特定的一个或多个问题. 因此，模型评价就需要了解和遵循模拟过程的生命周期. 模拟过程的生命周期分3个步骤[1]：①模型需求分析. 通过系统分析确定模型需要解决的环境决策问题、明确目标、成本及输出结果的质量指标，从而决定模型具体需求以及判断已有的模型是否可以达到预期的目标. ②模型开发. 在已有模型不能适用的条件下，开发一个可以用于具体研究对象的新模型. ③模型应用. 应用一个已有模型(通过比较评价选择已有模型)或一个新开发的模型.

从图1可以看出，模型评价是模拟过程生命周期中不可或缺的组成部分，贯穿于模拟开发与应用的全过程. 该过程不断重复，直到模型结果可以解决所有预定目标且满足必需的标准为止.

在分析模拟过程及文献调研基础上，该研究提出了模型评价的技术体系框架，如图2所示.

a) 建立已有可获取的地表水环境模型库，根据模型分类分别筛选不同的模型，如水动力模型、泥沙模型、水质模型、水生态模型和流域(负荷)模型等，根据模型综合评价指标及方法进行分类模型综合评价(评价指标I)，即该文研究重点.

b) 针对具体的实际应用时，初步筛选可以用于解决该环境问题的备选模型，根据研究问题进行应用分类模型详细评价(评价指标Ⅱ)，判断现有模型是否能够满足模拟的需求.

c) 如果现有模型不能满足模拟需求，则需要改进或是重新开发新的模型，新开发模型必须完成内部评估(评价指标A)和外部评估(评价指标B)之后进行模型应用，如果专家审核评价未通过，则修改完善模型，直到满足需求为止，通过审核后则编入地表水环境模型库.

d) 如果现有模型可满足模拟需求，则直接利用已有成熟模型进行应用，此时只需通过外部评估方式，完成模型应用评审.

图1 模拟过程生命周期

图2 模型评价技术框架

内部评估和外部评估，主要区别在于内部评估是由模型开发者和使用者进行的评估，外部评估由不直接参与模型开发和应用的第三方机构或专家进行评估，但评价指标A和评价指标B基本一致，主要评估模型的科学合理性问题、可用数据的质量问题、与真实系统的近似程度及模型的适用性问题. 评价指标A必须进行解析解和实际案例测试，评价指标B对已测试案例测试进行复核并根据需要增加案例测试. 评价指标A和B包括定性指标(如评估模型原理、算法结构、参数设置、模型数据及软硬件架构是否满足模型模拟的目标和质量要求)和定量指标(如模型的案例验证测试，参数敏感性分析和不确定分析等). 需要说明的是，在一种全新的模型初次应用之前，应当由同行进行科学地评审，对于随后的应用，应当考虑到科学技术复杂性以及或者在特定条件下的新颖性，确定是否需要进一步的同行评审，为了节省资源，应当避免重复进行“类似”应用的同行评审. 同行评审过程和要素可参考文献[1].

2 评价指标

2003年，美国环境保护局科学政策委员会[12]指出，科技信息质量评价需要考虑可靠性、适用性与实用性、清晰度与完整性、不确定性与可变性、评估与审查5个评估因素. Jadhav等[13]指出，模型软件评价的标准主要有功能性、可靠性、可用性、效率、可维护性和可移植性. 综合考虑模型特点及评价指标的科学性、代表性、可操作性，该研究提出了包含目标层、准则层和指标层共3层指标的综合评价指标，如表1所示.

表1 地表水水质模型的综合评价指标

准则层包括通用性、可靠性、友好性、先进性和易用性，通用性反映的是模型软件的适用性及扩展性，包括水体类型、状态变量、时空纬度、边界条件、运行环境等；可靠性体现的是模型软件的科学合理性和软件稳健性，包括数学模型理论框架所包含的污染物物理、化学和生物关键过程的详细程度，数值格式稳定性，求解方法精度等；友好性反映的是模型软件界面设计的美观程度、人机交互的友好程度和代码的可读性等，包括共享程度、技术文档和有无界面等；先进性体现的是模型软件的先进技术和方法的应用程度，如网格系统、加速技术和自动率定等；普及性体现的是模型的开发历史及应用普及程度，如应用历史、交流平台和文献数量等；易用性体现的是模型软件学习应用过程中的难易程度，如经验需求、时间需求和数据需求.

3 评价方法

评价是一个多准则决策问题，它是指对可用的备选方案进行偏好决策，主要的评价方法有层次分析法[14-15]、加权平均法[16]、模糊评分法[17]等，该研究采用层次分析法分析软件yaahp，结合专家打分法确定评价指标权重(见表1).

指标层取值确定方法如表2所示，首先计算指标层各项指标的值和权重，然后加权求得准则层指标的值，最后通过准则层指标的权重和指标值加权求得目标层指标值，即为模型软件综合评价得分，也可以直接通过指标层取值和指标层要素对目标层权重值加权取得，范围为0～100分.

表2 指标取值说明

4 案例应用

该研究以国内外常用的水质模型，即HEC-RAS、MIKE11、CE-QUAL-W2、WASP、EFDC和Delft3D模型为例，进行水质模型的综合评价.

HEC-RAS模型[18-21]由美国陆军工程兵团水文工程中心(HEC)研发，第一个版本HEC-RAS 1.0于1995年7月发布，最新版本是2019年3月发布的5.07版，有软件界面，免费获取，官网地址为https:www.hec.usace.army.mil，可以进行恒定流水面线计算、一维二维非恒定流模拟、一维泥沙输运及动床模拟、一维水温及常规水质(营养盐)模拟. 该模型适用于枝状河流、环状河流、河口及湖库水体类型，主要应用于洪水分析、溃坝模拟、河道整治、桥墩冲刷和常规污染物输运.

MIKE11模型[22-24]由丹麦水利研究所(HDI)研发，最早发布于1970年，时称System11模型，现称为MIKE HYDRO River模型，有软件界面，商业购买，官网地址为https:www.mikepoweredbydhi.com，可以进行一维的非恒定流模拟、黏性沙与非黏性沙输运模拟、水质模拟. 该模型适用于内陆地表水系统如河流、河道、河口及水库水体类型，主要应用于洪水预报、水库调度、防洪措施分析、灌溉及排水系统分析、河道设计、潮汐风暴潮研究以及水质和泥沙输运等.

CE-QUAL-W2模型[25-26]由美国陆军工程兵团水道试验站(WES)水质模拟小组和美国波特兰州立大学研发，最初的模型叫做LARM模型，由Edinger和Buchak(1975年)开发，1986年发布CE-QUAL-W2模型的1.0版本，最新版本为2020年6月发布的4.2.1版本，既提供软件界面也提供源代码，官网地址为http:www.ce.pdx.eduw2，可以进行一维或垂向二维的水动力和水质模拟. 因为该模型假设横向均匀性，因此最适用于模拟长窄水体的纵向和垂向水质梯度的变化，已经广泛应用于河流、湖泊、水库、河口等水体的水温、盐度、DO和藻类、营养盐等模拟分析. 官网显示该模型已在全球116个国家得到应用，积累2 378个案例应用.

WASP模型[27-29]由美国Hydorscience公司(现为Hydroqual公司)的Di Toro等于1981年开发并于1983年初次发布，此版本无水动力计算程序. 1986年，由美国环境保护局支持并发布WASP 3.0版本，包括水动力模型DYNHYD3，之后陆续发布不同版本，至2019年4月发布最新8.32版本，官网下载地址为https:www.epa.govceamwater-quality-analysis-simulation-program-wasp. 该模型在河流、水库、湖泊、湿地、海洋和城市景观水等不同水体中都得到广泛应用，其中河流应用最为普遍，其次是湖库应用. 主要应用方向为模拟和预测污染物在水环境中的行为、水体富营养化评价、水环境容量计算和水质预警预报等.

EFDC模型[30-31]由美国环境保护局(US EPA)支持研发，最早是美国弗吉尼亚海洋研究所John M. Hamrick博士于1988年开发，官网地址为https:www.epa.govceamenvironmental-fluid-dynamics-code-efdc，最新版本为2007年9月发布EPA version 1.01版本，免费获取. 自1998年以来，DSI公司为EFDC模型程序提供改进，现称为EFDC+模型，最新版本为10.2，需要商业购买. 该模型包括一维、二维和三维的水动力以及泥沙输运、物质输移、水质动态变化、沉水植物和底泥沉积成岩等模块，广泛应用于河流、水库、湖泊、湿地、河口、海岸和海岸等水体，应用领域集中在环境评价、方案决策和总量分配等方面.

Delft3D模型[32-33]由荷兰代尔夫特水力研究所20世纪80年代开始研发，自2011年开始，Delft3D模型逐步分模块开源并转向基于非结构化网格模型开发，2018年推出了Delft3D-FLOW 6.03，是目前世界上最为先进的三维水动力-水质模型系统之一，既有软件也有源代码，官网地址为https:oss.deltares.nlwebdelft3d. 该模型包括水动力、波浪、水质、颗粒跟踪、生态、动力地貌和泥沙输移模块，自带丰富的水质和生态过程库，可用于模拟河流、湖库、河口、近海和海洋等水体一维、二维或三维的水流流动以及波浪运动、水质演变、生物作用和泥沙输运等. 官网显示至今已有24 000多用户加入Deltares开源社区，5 000多用户加入Delft3D领英群，已发表8 000多篇相关文献.

国内应用市场上，HEC-RAS、MIKE11、CE-QUAL-W2、WASP、EFDC和Delft3D模型应用比较广泛且各有侧重，中国知网“篇关摘”搜索文章数量分别为334、631、70、399、402和384篇，均有微信群和QQ群，也有相应的培训课程. HEC-RAS模型更多的应用于一维和二维河流洪水演进、溃坝分析、水面线计算分析、闸坝调度和河道治理等方向，因水质功能开发起步较晚，国内应用相对较少. MIKE11模型除了HEC-RAS模型的应用之外，更多的应用于河流或平原河网区水环境容量分析、水生态修复方案优选、污染物总量控制、水质改善方案评估、水污染事故模拟和预警等方向. CE-QUAL-W2模型主要应用于水库水温模拟、水环境容量分析、水体富营养化预测等方向，由于垂向二维应用场景少，应用热度相对较低. WASP模型常与其他模型耦合应用，应用场景更加广泛，涉及一维、二维和三维不同水体的水质模拟分析、水体富营养化预测、水质预报预警等. EFDC和Delft3D模型主要应用于二维和三维的水动力水质模拟、湖泊富营养化预测等方向. Delft3D模型应用场景比EFDC模型更加多元，在风暴潮模拟和泥沙冲淤模拟应用较多，但由于Delft3D模型体系结构复杂，应用难度更大，相较于EFDC模型在国内科研和环评市场中应用占比略低.

依据表3中各模型指标值打分说明，计算各模型综合评价得分，结果如表4所示. 从评价结果来看，模型综合评价得分高低的排序依次为Delft3D、EFDC、CE-QUAL-W2、MIKE11、WASP和HEC-RAS模型，其中得分差异主要来源于水体类型、状态变量、空间纬度、物理机理、生化机理、共享程度和操作界面等指标. 如Delft3D模型适用于6种水体类型可模拟上百个水质变量，而HEC-RAS模型只使用于3种水体类型十几个水质变量，模型功能和适用范围差异显著. 因此，针对特定模型应用时，应重点针对上述指标进行详细的分析对比，选择非专有化的能够免费或购买获得的软件或代码.

表3 不同模型指标得分说明

续表3

表4 不同模型综合评价结果

5 结论

a) 地表水水质模型的评价对于水环境模型的开发与应用具有重要的意义. 该研究基于模型模拟生命周期，建立了基于模型内部评估与外部评估相结合的评价技术框架，通过文献调研和专家打分法建立了包含通用性、可靠性、友好性、先进性、普及性及易用性5个评价准则共计29个评价指标的综合评价指标，基于层次分析法提出了指标值及指标权重的定性定量分析方法，构建了地表水水质模型综合评价技术体系.

b) 选取国内外常用的HEC-RAS、MIKE11、CE-QUAL-W2、WASP、EFDC和Delft3D模型为例，进行了水质模型的综合评价案例应用. 案例应用的模型评价得分高低的排序依次为Delft3D、EFDC、CE-QUAL-W2、MIKE11、WASP和HEC-RAS模型，结果表明水质模型综合评价技术体系科学可靠，容易操作，便于应用，可为水环境模型的初步筛选提供技术支撑.

c) 提出的水质模型综合评价方法只针对已经过内外部评价的入库模型进行综合评价，而模型质量和选择仅在特定应用时才更有意义. 依据建立的模型评价技术框架，对于具体特定应用有必要针对水体类型、状态变量、空间纬度、物理机理、生化机理、共享程度和操作界面等指标建立更加详细对比评价指标和方法，包括模型的案例验证测试、参数敏感性分析和不确定分析等.

d) 国内水环境模型的开发和应用尚不规范. 模型研发主体多是高校或是科研单位，各模型研制单位采用不同的技术研制、改造模型，缺少为各种文件格式模型实施统一管理和一体化服务的有效手段. 在模型选择、参数确定方面也没有规范化，缺乏统一的模型评价标准. 模型的私有化、模型软件前后处理功能缺失以及非模型利益第三方的应用、检验和测试，导致模型行业认可度低，不利于模型推广和应用.

e) 国外模型成熟度高，无论开源模型还是商业模型在国内市场占据了绝对优势，均导致国内自主模型产品研发动力不足，失去了发展空间. 此外，市场盈利模式不清，模型研发周期较长，研发投入费用巨大，国内模型重视不足，研发人才缺口严重等因素，严重阻滞了国内自主水环境模型的开发和应用.