平原河网水环境模型进展

代更明 张珺

摘 要：介绍了平原河网水环境模型中常用的水动力学模型、水质模型和河网水动力学-水质模型，总结了水环境模型所存在的问题及建议。

关 键 词：平原河网，模型，水动力学，水质

水环境模型的研究是进行水质预测、水环境管理与规划的重要内容。无论对开发建设的工程项目进行水环境质量的预测评价，还是对连续的或者突发性的排污进行水质影响的描述和评价，以及在进行污染控制的系统分析或制定区域水污染控制系统规划等过程，都涉及到水环境质量在时间和空间上的变化问题。

平原河网地区通常是城市发达、人口众多的地区，同时又是地势较低、湖泊密布、易于发生洪涝灾害的地区。平原河网水环境的主要特点：河湖相串、河道纵横交错；地势平坦，受潮汐等因素的影响，水流向顺逆不定；污染源分点源和面源排放，而且排放是非恒定的；水体受到不同程度的污染，以富营养化为主；水体可能处于好氧、缺氧、厌氧三种不同状态；水质变量是多组分的，影响因素是多参数的[1]。由于河网模拟区域范围很大，大多数情况下只能采用数值方法进行模拟。

水环境模型可分为水动力学模型和水质模型，水动力学模拟是水质模拟的基础和前提。水动力学模型的建立涉及控制方程组的简化、方程组的离散和求解、初始和边界条件的确定、参数率定和模型验证等一系列问题。下面从水动力学模型、水质模型和河网水动力学-水质模型三个层面，介绍国内外的研究进展。

1.水动力学模型：

河网非恒定流水力数学模型大体可以分为节点-河道模型、单元划分模型、混合模型以及人工神经网络模型四类。

节点-河道模型比较常用，其基本思想是：将河网中的每一河道视为单一河道，其控制方程均为一维Saint-Venant方程组；河道连接处称为节点，每个节点处均应满足水流连续性方程和能量守恒方程。节点-河道模型计算精度较高，但建模过程比较繁琐，且对于模拟湖泊、滩地等非河道水体有局限性[2]。

单元划分模型最早由法国水力学专家Jean于1975年提出，其基本思想是：将水力特性相似、水位变化不大的某一片水体概化为一个单元，取单元几何中心的水位为单元代表水位，给出水位与水面面积关系。将计算河网分解为一定数量的单元，再进行分组，然后确定各单元间的连接类型，采用谢才公式模拟单元间流量交换。对每个单元给出微分形式的质量平衡方程，经有限差分法离散后得到以单元水位为基本未知量的方程组，辅以边界条件，进而求解各单元的代表水位和单元间流量[3]。

混合模型是根据平面河网的特点，将节点-河道模型和单元划分模型取长补短，有机综合构成的数学模型。建立混合模型的基本思想是：将平原河网的水域区分为骨干河道和成片水域两类，对前者采用节点-河道模型；对后者采用单元划分的方法将其划分为单元，再引入当量河宽的概念，把成片水域的调蓄作用概化为骨干河道的滩地，纳入节点-河道模型一并计算。

人工神经网络是采用计算机来模拟生物神经网络的结构和功能，由大量神经元构成的并行分布式系统。人工神经网络与平原河网在结构上有许多相似之处，两者都是由各个内部单元通过并联或串联形成一个相互制约的整体网络结构，通过调整系统内部各个“神经元”之间的相互作用以达到系统输入变量和输出变量之间的最优化或平衡。因此，人工神经网络理论可用于复杂河网水动力模型的数值模拟。但天然河网十分复杂，河流湖泊众多，很难直接应用神经网络模拟河网的各种参数，必须根据实际工程问题研究的需要、河道湖泊之间的相互关系以及数值计算的需要，对河网进行概化。

2. 水质模型

任何水质模型都是依据物质质量守恒和能量守恒原理，通过流体力学中的连续方程、运动方程、能量方程推导得出。目前比较流行的水质模型主要有Streeter-Phelps模型、QUAL模型、WASP模型、RWQM模型等。

Streeter-Phelps模型是最早的水质模型，做了如下假设：DO浓度仅取决于BOD反应与复氧过程，并认为有厌氧微生物参与的BOD衰变反应符合一级反应动力学；水中溶解氧的减少是由于含碳有机物在BOD反应中的细菌分解引起，与BOD降解有相同速率；由于氧亏和湍流而引起复氧，复氧速率与水中氧亏成正比。此后有各种S-P模型修正形式，如Thomas修正形式增加了一项因其它因素如沉淀、悬浮、吸附及再悬浮等过程引起的BOD速率变化；Dobbins-Camp修正形式添加了因底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化，同时考虑了藻类光合作用和呼吸作用引起的溶解氧变化。

QUAL模型由美国环保局研究开发，应用最广的是QUAL2E和QUAL2K，QUAL2K是QUAL2E的发展增强版本。QUAL2E只适用于模拟稳态流的点源污染问题，在模拟河水流量以及污染负荷瞬时变化等非稳态情况时，模型将暴露其局限性，并且在模拟暴雨、洪水等造成的非点源污染时，这种局限性将变得更加明显。QUEL2K不仅适用于混合的枝状河流系统，而且允许多个排污口、取水口的存在以及支流汇入和流出，尤其对藻类—营养物质—光三者之间的相互作用进行了矫正，并在模拟过程对输入和输出等程序有了进一步改进 [4]。

WASP是由美国环保局负责开发的一个综合型水质模拟模型，可模拟河流、水库及湖泊的水质变化，可研究点源和非点源问题。同时，它既可用作为稳态模型，也可作为动态模型使用。WASP由两部分组成：水动力模型程序DYNHYD、水质模型程序WASP，WASP又由TOXI模块和EUTRO模块组成，DYNHYD水动力模块集成于整个程序中。WASP可模拟一维、二维和三维的水质变化，建立模型方程的最基本准则是物质守恒定律 [5]。

国际水协（IWA）河流水质模型组2000年推出了河流水质1号模型（RWQM1），从活性污泥数学模型（ASM）中发展而来，目的是为了建立一个通用、标准的河流水质模拟平台。RWQM1主要取得了三个重要成果：首先，模型建立了一种通用的模拟方法，为人们采集数据、选择动力学模型和物理传输模型提供了依据；其次，建立了一个标准、通用并与活性污泥模型（ASM）兼容的生化反应模型；第三，为促进模型的实际应用，RWQM1对生化反应模型做了一系列的简化，以推广应用，并且在不同的简化程度上有着成功的应用案例。

3. 河网水动力学-水质模型

河流水质的变化取决于物理的迁移、交换过程以及化学、生物和生物化学转变过程，即一个合适的水环境模型的控制方程应该包括水动力和水质过程。目前比较常用的方式是一维圣维南方程组结合S-P模型或者其修正形式的方程。在此基础上，严文武等[6]开发了感潮河网水量、水质统一的Hwnqow模型；徐一剑和曾思育等[7]结合确定性模型与不确定性分析的优点，以不确定性分析为框架，结合Saint-Venant方程组，开发了一维动态环状河网水质模型，有效解决了环状河网水文条件复杂和监测数据稀缺的问题。

4.存在问题及建议

目前平原河网水环境的模拟主要集中在一维，即假定任何排放物会在河流截面瞬时达到均匀混合，实际上，排放物与河流的横向混合往往需要一段很长的距离，该距离与河宽的平方近似成正比。因此，基于现有水质模型计算出的排放物的平均浓度，往往远低于河流中的最高浓度[8]。所以，对不同河宽的河段合理选择一维或者二维进行模拟，更符合实际情况。

在河网各类水质模型中应用最多的是有机污染模型，其中大量应用的是比較简单的Streeter-Phelps模型和Thomas模型。一方面由于模型的过于简化不能够描述更多的生物过程，如底泥释放、藻类生长等，另一方面水质基本上都以BOD作为状态变量，因而不能完全符合质量守恒原理。而模型的复杂化又进一步加大了求解的难度和速度。同时，模型复杂参系数增加也加大了模型的不确定性，这就是说，不是模型越复杂模拟得越精确。所以应该结合实际情况，在满足预测要求情况下合理的简化或者应用合理的多状态变量模型。

参考文献：

[1] 李炜主编.环境水力学进展[M],武汉:武汉水利电力大学出版社，1999.

[2] 吴作平,杨国录,甘明辉.河网水流数值模拟方法研究[J],水科学进展,2003,14（3）:350-353.

[3] 韩龙喜,张书农,金忠青.复杂河网非恒定流计算模型—单元划分法[J]，水利学报，1994，（2）:52-56.

[4] 陈月,席北斗等.QUAL2K模型在西苕溪干流梅溪段水质模拟中的应用[J]，环境工程学报,2008,2（7）:1000-1003.

[5] 于顺东.WASP水质模型应用与DO模型评价[D],天津大学,硕士学位论文,2007.

[6] 严文武,邹长国．水动力模型在平原感潮河网地区的研究与应用[J],浙江水利科技，2007,（4）:8-10.

[7] 徐一剑,曾思育,张天柱．基于不确定性分析框架的动态环状河网水质模型-以温州市温瑞塘河为例[J],水科学进展,2005,16（4）:574-580.

[8] 詹世平,周集体.河流水质模型及存在问题[J],浙江水利科技,2004,（4）：1-3.