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EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)
模型概述

    EFDC模型是单一源代码三维建模系统,将水动力学,水质富营养化,输沙和有毒污染物运移等模块明晰地联系在一起。该模型能以完全耦合的模式运行,同时模拟水动力和泥沙和污染物的运输,或者在迁移模式中使用已存储的水动力迁移信息。EFDC模型采用有限差分空间表现并且能够减少一维网格和二维(水平和垂直)模式的运行量。水柱迁移包括三维平流、垂直和水平湍流扩散。剪切分散可包括在二维横向应用中。功能上等同于水质富营养化模块的CEQUAL-IC,同时也被纳入EFDC(Hamrich和Wu,1997;Park等人,1995)。该模型可以应用于模拟河流,湖泊,水库,湿地,河口和沿海地区。

模型介绍
1.模型特征
  • 通用三维水动力和迁移模型
  • 模型模拟潮汐、密度、风生流、盐度、温度和泥沙输运
  • 代码中包含两个嵌入式完全耦合的水质富营养化子模型,以及有毒物质的运输和预测模型
2.模型支持
  • 流域          低度支持
  • 受纳水体  高度支持
  • 生态          高度支持
  • 空气          不支持
  • 地下水      低度支持
3.模型功能

      EFDC模型解决了垂直静水,自由表面,变密度,湍流平均运动方程和在拉伸垂直坐标系统和水平坐标系统(可能是笛卡尔或正交曲线)中湍流强度和长度、盐度、温度的迁移方程。方程描述了悬浮沉积物,有毒污染物的迁移,也解决了水质状态变量。多尺寸类别的粘性和非粘性沉积物及其相关沉积和悬浮过程以及河床演变都可用EFDC模拟。有毒物质以水相和沉积相在水柱和河床中迁移。内置的21-态变量的水质模型是建立在CE-QUAL-ICM反应动力学基础上的。10-态变量缩减水质模型在功能上等同于WASP5。其他模型功能包括模拟干湿过程、水动力结构,植被阻力和拉格朗日粒子跟踪。该模型也接受来自波浪折射-衍射模型的辐射应力场,折射-衍射模型允许模拟沿岸流及泥沙输运。

  • 详细资料

      EFDC模型框架包括计算水力学,混合区的稀释,富营养化,输沙,和有毒污染物迁移。

  • 混合区

      拉格朗日浮射流近区稀释和混合区模型是目前嵌入在远场的解决方案,它可以用来表现当地点源附近的沉积物分布。

  • 水力学

      EFDC使用有三个时间层面和一个内部-外部模式分裂程序的有限差分方法,实现利用内部剪切或斜压模式从外部自由表面重力波或正压模式进行的分离。一个隐含的外部模式的解决方案是使用多色连续过度松弛程序同时计算二维表面高程领域。外部解决方案是通过采用新的表面高程领域计算积深正压速度来完成的。EFDC中的对流迁移有各种选项,其中包括“集中时空”法和“时间提前和空间逆风”法。

  • 输沙

      泥沙输运模块模拟用户指定的黏性和非黏性泥沙粒径大小。泥沙沉降过程是由浓度表示,并且用环境水流湍流控制公式来表示非黏性泥沙沉降受阻过程和黏性泥沙的聚合与离散。水体河床的沉积物和吸附的污染物交换是由沉积和侵蚀通量代表的。对于非黏性泥沙,净通量是取决于河床的剪切力,床面的泥沙浓度以及关键的Shield参数。对于黏性泥沙,沉积和侵蚀通量取决于河床剪应力,临界沉积和侵蚀力和河床的剪切强度。沉积床是由诸多随时间变化的层来表示。每一层的泥沙的性质由单位面积质量,孔隙比和剪切强度决定。层的孔隙比由床固强模型指定或确定,而剪切强度则由孔隙比确定。

  • 污染物输移

      不同河床层之间泥沙及其吸附污染物的垂向迁移由泥沙颗粒位移间接表示的,而这种位移则是响应固结模型动态决定的层厚度变化而引起的。水体和河床之间,及与河床层孔隙水之间的溶解污染物的运输,由床固结模型和孔隙水扩散动态确定。任意量的有毒污染物可被同时输送。简单的污染物处理选项包括恒定系数平衡分布,挥发,和水体和河床以特定系数进行集中一阶衰减。复杂的污染物处理选项允许土和污染物依赖划分和依靠于周围环境的挥发,水解,光解,氧化和模拟特定污染物生物降解反应。

  • 生态系统

       该模型基于CE-QUAL-ICM模型,并集成了沉积物预测程序或成岩作用模型(Ditoro和Fitzpatrick,1993)。富营养化模型是直接耦合到水动力模型并能够模拟二维和三维空间。水体状态变量包括以碳当量单位表示的三种海藻类、氨氮、亚硝酸盐-硝酸盐、有机氮,正磷酸盐或无机磷、有机磷、有机碳,化学需氧量,溶解氧,有效和非有效硅、作为吸附点的总活性金属。有机碳,氮,磷是分为三类:溶解,不稳定微粒,稳定微粒。模型中床沉积物的变量包括有机碳颗粒,氮,磷,每种有三个反应速率;微粒和有效硅;硫化物或甲烷;氨;硝酸盐;无机磷;河床水体通量的氨,硝酸盐,无机磷和硅;沉积物需氧量和化学需氧量的释放量。模型设计可直接定义水体和河床泥沙中有机碳水平。

4.模型框架
  • 三维正交曲线有限差分
5.规模
6.假设
  • 基于三维静水流体力学方程和守恒的输运方程
7.模型优点
  • 完全集成了三维水动力学,水质/富营养化和泥沙-污染物迁移
8.模型缺点
  • 需要大量的流体力学的专业技术方可有效使用该模型
  • 使用水质模块需要专门的富营养化进程知识
9.应用历史

      EFDC模型已用于切萨皮克湾系统,印度River Lagoon和佛罗里达州Lake Okeechhobee、纽约的Peconic Bay System、阿拉斯加的Stephens Passage和台湾南湾的河口模拟研究。该模型也被用来模拟大型湿地流动和沼泽地迁移。该模型已广泛于流通,排放稀释和水质/富营养化研究(Hamrick 1992b;Tetra Tech,1994,1995,1998)。该模型也被用于河口-粘性泥沙输移模拟(Yang,1996),沿海非黏性泥沙迁移(Zarillo和Surak,1995),以及重金属和有机污染物运移(Schock和Hamric,1998)。

10.模型评价

      无。

11.模型输入
  • 开放边界水平面高程
  • 风和大气热力学条件
  • 开放边界的盐度和温度
  • 流入水体体积
  • 入库泥沙浓度和水质状态变量
  • 输入文件模板,包含源代码和用户指南,提供输入数据帮助
12.用户指南
13.硬件/软件要求
  • 硬件
    • 个人计算机、苹果机、Unix工作站、超级计算机
  • 操作系统
    • Windows、苹果OS、Unix、Linux系统
  • 程序语言
    • FORTRAN
  • 运行时间预估
    • 计算密集,但与同类软件系统相比经过了高度优化,可更快地运行
    • 运行时间高度依赖于计算机硬件、模型空间分辨率、原始条件模拟阶段和其他选项,如模型是只模拟水动力学还是同时模拟水动力学、溶解及悬浮物质的归趋;因其变化范围广泛,模拟需要几分钟到几个星期不等
14.链接支持
  • 可与WASP,CE-QUAL-ICM,RCA联用,并且其输出结果可用于食物链和风险评估模型
15.相关系统
  • GridEFDC,EFDCexplorer,EFDCview,EPA TMDL Toolbox
16.灵敏度/不确定性/校准

    无。

17.模型界面功能
  • 公共领域的GUI用户界面包括EFDCexplorer和EFDCview
18.联系信息

19.下载信息

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