近年，随着水环境问题的凸显，地表水水环境状况不仅是公众关注的焦点，也是环保、水务等部门兼管的重点，已成为项目审批、规划制定，甚至领导考核的决定因素，特别是国务院水十条即将出台，必将掀起新一轮的地表水环境质量政策、规划、科研的高潮。为了定量地描述地表水环境质量与污染排放之间的动态关系，EFDC、MIKE、Delft3D、Qual2K等数值模型被广泛应用在环境、水务、海洋等多个领域。
Environmental Fluid Dynamics Code（EFDC）是一款用于模拟江河，湖泊，河口，水库，湿地，近海表层水系统中三维流动，溶质运输以及生物化学过程的通用模型包。EFDC模型最初是由威廉玛丽大学海洋学院维吉尼亚海洋科学研究所（VIMS）的John Hamrick等人开发的公共领域软件（Hamrick, 1992）。在美国环保署（EPA） 的支持下，EFDC已成为最大日负荷总量计划（TMDLs）推荐模型家族中的一个重要成员，并越来越被国内科研工作者所青睐，
在水环境容量测算、水沙特性研究、环评规划等方面都有应用。EFDC是免费开源的数值模型，相关参数上百项，但目前EFDC相关的介绍和实例很少，中文书籍就更少，对初学者来说，很难快速掌握和应用EFDC去解决实际问题；
基于EFDC模型的表面流人工湿地水力性能和净化效果影响因素分析
人工湿地是农业面源污染处理的重要组成部分，研究其水力性能与净化效果的影响因素对合理制定农业面源污染防控措施具有重要意义[1–4]。人工湿地一般分为表面流人工湿地和潜流人工湿地，相较而言，表面流人工湿地具有建设费用低、运行管理简单的优点。长宽比、水深和水力负荷被认为是影响湿地水力性能和净化效果最关键的3个参数[5–8]。前人已有较多关于长宽比与湿地水力性能和净化效果的研究，长宽比被认为是对水力性能具有显著影响的参数。SU等[5]研究表明当湿地内部没有设置障碍物时，长宽比是影响湿地水力性能的主要因素。张硕等[6]研究表明长宽比对水力效率影响明显，水力效率随长宽比的增加而增大，但增速趋缓。WORMAN等[7]研究表明在湿地进口大小不变的情况下，降低长宽比会隔绝湿地的侧部体积并形成中央流动通道，导致氮去除效率降低。水深的改变会影响湿地水流在纵向上的分布和运动，从而影响湿地的水力性能和净化效果[8]。郭长强等[8]探讨了不同水深（20、40、60 cm）对塘堰湿地水力特性的影响，结果表明随着湿地水深的减小，湿地的水力效率从0.281增加到0.604，水深较小时有利于提高湿地的水力性能。SONG等[9]设置湿地平均水深为0.4 m和0.6 m，研究得到水深更大时氮去除率更高。入流流量和水力负荷（hydraulic loading rate，HLR）也是目前对湿地研究中考虑最多的因素。一般来说水力负荷越大，即入流流量越大，湿地的水力性能越好[5]。王荣震[10]对6种类型的人工湿地进行氮磷去除效果试验，结果表明各类型人工湿地减小水力负荷均能在一定程度提高去除率。
由于研究手段的限制，人工湿地试验耗费大量人力物力，前人一般通过设置正交试验等手段来节约试验资源，从中分析对试验对象产生显著影响的关键因素。马震等[11]基于正交试验分析了湿地设计参数与水力性能和净化效果指标的关系，筛选了最优参数组合，但正交试验获取的信息少于全因子试验，且该研究并未建立湿地设计参数与水力性能和净化效果之间的定量关系。数值模拟成本低廉，求解速度快，可以弥补试验操作复杂、试验成本高的缺点，全面分析影响因素与水力性能和净化效果的关系。EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）模型是目前广泛应用的水环境三维生态模型，在水动力和水质模拟方面具有较大优势，可模拟总氮、总磷、溶解氧等21种水质变量的浓度时间序列，被广泛应用于湿地、湖泊和小型生态沟等地表水[12–16]。该模型在多因素、多水平条件下建模方便，便于分析不同因素及因素间交互作用对湿地水力性能和净化效果的影响。
本文基于2021年湖北省灌溉试验中心站的表面流人工湿地水力性能和水质试验的数据建立EFDC水动力-水质耦合模型，利用构建的EFDC模型设置长宽比、水深与水力负荷各6个水平、共216个处理的全因子模拟试验，研究长宽比、水深、水力负荷及其交互作用对湿地水力性能和净化效果的影响；进而采用多元非线性回归方程建立了评价指标与3个影响因子之间的定量关系，以期为表面流人工湿地的设计、构建、运行提供科学依据。
| 引用本文: | 王佳儿，崔远来，张博超，等. 基于EFDC模型的表面流人工湿地水力性能和净化效果影响因素分析[J]. 农业工程学报，2024，40(7)：172-181. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.202306019
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| Citation: | WANG Jiaer, CUI Yuanlai, ZHANG Bochao, et al. Factors affecting the hydraulic performance and purification efficiency of free-water-surface constructed wetlands based on EFDC model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2024, 40(7): 172-181. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.202306019 |
目标：
1、掌握EFDC模型安装及建模方法（请自备电脑及安装所需软件）
2、掌握建模前处理及网格剖分方法
3、通过案例操作掌握一维河流模拟实操方法掌握
4、掌握EFDC二维湖库水动力模拟/非保守染色剂模拟、EFDC三维湖库水质模拟方法
5、掌握EFDC模型在地表水环境影响评价、地表水水源地划分、排污口论证、水环境容量计算等领域中的应用
158。3333。2534。
软件安装：
1.1 EFDC安装 1.2 EFDC-Explorer安装
1.3 Delft3D安装 1.4 Google Earth安装
版本：12
EFDC模型讲解
2.1 EFDC模型讲解 2.2 EFDC-DSI模型讲解
2.3 EFDC的适用范围 2.4 通过建模方法讲解
一维河流模拟实操
3.1 一维河流网格划分 3.2 一维河流初始条件设置
3.3 一维河流边界条件设置
3.4 一维河流水动力及Dye模拟
建模前处理
4.1 学习如何获取地图背景 4.2学习对背景进行配准
4.3 湖岸线绘制 4.4 河床地形测量及数字化
4.5 基于Google地图提取岸线 4.6 练习配准及岸线提取
EFDC网格剖分介绍
5.1 熟悉网格剖分工具CVLGrid
5.2 利用CVLGrid划分正交曲线网格
5.3 利用Delft3D 划分正交曲线网格
5.4 练习绘制一维网格
5.5 练习绘制二维网格
EFDC二维湖库水动力模拟/非保守染色剂模拟
6.1 二维湖库网格构建
6.2 二维湖库初始、边界条件设置6.3二维水动力设置及模拟6.4二维水动力结果查看6.5二维保守、非保守染色剂模拟6.6二维水龄模拟
EFDC水质模型参数及原理介绍
7.1 EFDC水质参数介绍
7.2 EFDC水生态动力学原理介绍
EFDC一、二、三维湖库水质模拟
8.1一维河流COD、DO模拟 8.2一维河流氨氮、硝态氮模拟
8.3二维湖库温度模拟 8.4三维湖库水质设置及模拟
8.5 EFDC三维水质结果查看 8.6 三维水质模拟结果输出
基于EFDC的地表水环境影响评价案例
9.1地表水环评规范解读 9.2地表水环境影响评价案例分析9.3地表水环评案例建模数据准备 9.4水动力模拟及验证9.5 COD模拟及验证 9.6河流水环境容量测算9.7河流治污规划情景分析 9.8 污染源排放敏感性分析
基于EFDC的地表水水源地划分案例
10.1地表水水源地划分规范解读10.2水源地案例网格划分 10.3三维水动力模拟及验证10.4三维水温模拟及验证 10.5三维水质模拟及验证10.6水源地划分方案多情景模拟 10.7划分方案模拟结果分析
基于EFDC的排污口论证案例讲解
11.1 EE10软件操作方法介绍 11.2 EE10新功能介绍
11.3排污口论证规范解读 11.4三维模型网格剖分
11.5排污口基础数据调查要求 11.6排污口案例水动力建模
11.7排污口COD模拟及验证 11.8多排污口贡献模拟计算
11.9排污口计算结果查看
EFDC源码讲解
12.1 EFDC源码介绍12.2 源码编译
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