河流水质模拟研究进展

张 维

(水利部新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

水质模型是描述水质因子受时间和空间影响与其他因子(物理、化学、生物等)之间关系的数学方法。经过几百年的发展，水质模型已经相当成熟。污染物在迁移过程中会受到各种因素的影响，进而导致污染物的迁移扩散。而建立水质模型的最终目的也是为了确定污染物在河流流经或扩散过程中产生的影响区域以及确定该过程中这些因素之间的定量关系，进而预测水质变化和水质污染控制及管理。根据水质模型的基础，通过建模方法和求解特征可将其分为确定性数学模型和随机性数学模型；根据所描述的水质模型系统是否在时间上具有稳定性，可以将其分为稳态数值模型和动态数值模型；根据系统参数的空间跨度分布特征，可以将其划分为一维、二维、三维模型，如果参数在三个方向上均匀分布并且完全混合，则该模型称为零维模型。随着现代科学技术的不断进步和环境科学的深入发展，为水环境管理者提供了科学的理论和数学依据，并为指导我们做出科学的决策。

随着计算机技术的快速发展和成熟，环境水力学理论得到实际的应用。如，附近地区的水流理论、偏远地区的水质模型、河网和湖泊水污染控制理论等。在此期间，环境水力学与天文学、气象学、海洋学、计算机科学以及其他学科之间的联系也越来越紧密。其中，现代技术的研究和应用控制理论、系统理论和反问题理论在环境水力学取得了深远的发展，并对传统水力学理论产生了巨大的冲击，特别是计算机技术和图形可视化技术的飞速发展促进了水质模拟在各个领域的应用和推广。随着中国经济的快速发展给流域水环境带来了前所未有的压力和挑战，威胁着生态环境的安全，因此，流域水环境管理已成为发展我国水利产业的当务之急。

目前对于河流水质模型研究的体系较复杂、所涉的学科较多、成果分散，尚缺少系统性的梳理和总结。本文通过梳理河流水质模型的发展特征和模拟应用，为河流水质模型的推广和发展奠定理论基础，针对复杂河流水质问题，提出未来的研究建议。

1 水质模型的发展

水质模拟是环境水力学的一个重要分支。该模拟的方法是一种经济有效的方法，用于污染物在河流和湖泊中的迁移和扩散。根据模拟的类型不同，水质模拟方法可分为物理模拟，电气模拟和数学模拟。水质的物理和电气模拟与数学模拟是分不开的，它涉及数学模型的应用和参与。评估和识别通常依赖于物理模拟、电子模拟或现场测量的结果，因此，现代水质模型是多手段多学科多领域多专业相互交叉的综合技术。

1.1 水质模型的发展阶段

1925年Streeter-Phelps首次在Ohio河上以有机污染物质为基础建立水质模型[1]。自此，国际上对水质模型的开发与研究进入了萌芽期，随之发展可分为几个阶段：

阶段1：1962—1964年开发出一个相对简单的双线性系统模型，如Dobbins模型、Camnps模型和Lis模型[2]。结果，经过多方面的研究和演练，河流和河口问题的一维计算方法才更加方便。

阶段2：从时空的一维跨越到二维计算，如OConner模型和Loucks-Lynns模型[3]，从本质上讲，该模型可以粗略地分为氧平衡模型。1978年Grenney[4]基于非线性氧平衡系统建立了一个全面的有机物水质模型，并同时研究了综合水质因子影响因素。

阶段3：由于氧气平衡系统无法满足环保要求，因而在1980年产生了以重金属污染的模型。在这一阶段，以鱼类和其他水生生态学及人类毒性暴露源为契机，建立基于水质分析模拟程序的暴露分析系统模型和食物链模型，但发展尚不成熟。

阶段4：为深入了解水环境的变化与相关学科的交叉渗透，将水环境数学模型研究纳入多媒体环境综合生态系统模型。该模型目的在于将处在不同环境单位中污染物质的变化过程与引起污染物质跨越介质边界的过程联系起来，形成一种数学表达式，用此模型描述多媒体环境中污染物的转化以及污染物在介质之间的迁移。如，Cohen在1985年提出了多媒体环境的综合生态系统模型。

1.2 水质模型的研究意义

水质模型是描述水中污染物质的迁移和转化过程，其旨在为水的环境保护而服务。河流水质模型可用于水质模拟和水质评估、水质预测和预警。

1.3 水质模型的选择及简化假定

为了简化计算，污染物在整个深度均匀混合。对于大多数河流大部分的宽度和深度，这一点只指向下游流速，这意味着横向速度二次循环造成的污染物被忽略，不与河床表面交换，也就是说，暂不考虑河床沉积的问题。这一假设在大多数污染问题中都得到了满足，其中毒物排放的时间尺度通常远小于年排放量的时间尺度。由于纵向速度的横向分布是已知的，所以可以用阻力公式来求得。

水体在流经的每一区域段都得到充分混合，而污水排放在时空中并不改变河流水力的特性变化。在选择使用水质模型时，应遵循以下基本原则:(1)合理选择河段，并系统概述污染水体流经区域问题。(2)选择主要因素和变量，并突出河流污水产生的主要矛盾，分析变量之间的逻辑关系，建立水质模型结构。(3)选择合适的模型，确定污染物介质的空间尺寸，即空间方向，考虑物质随时间的一维变化。(4)对于湖泊和水库，即浓度在垂直方向上的变化。(5)对于不同维数的模型，有两种稳态模型和非稳态模型。在具体问题中，应根据仿真目标要求选择模型的尺寸。

2 水质模拟的研究方法及应用

2.1 一维水质模拟的研究方法及应用

当污染物从非点源排放或在污染区下游的均匀混合段中排放时，通常在水资源保护和水污染控制实践中使用一维水质模型。早在1925年，Streeter和Phelps就通过研究美国俄亥俄州河的自然净化过程，建立了世界上第一个河流污染的水质模型[1]。在1990年，郑英铭等[5]针对我国河流水域普遍存在的水质发臭、发黑、土质缺氧和有机物氧化难降解等影响因素做了讨论，并将该过程分解为好氧、厌氧和亏氧，同时提出以方程组不同氧扩散机制的附和状态进行水质模拟。1991年，李军[6]采用软件动态扫描-浓度梯度搜索法以浮沱河流的水质为参数而建立的模型，并准确模拟浮沱河的自净过程。蒋忠锦等[7]以河流排放角为过渡源的过渡性面源污染控制为出发点，通过试验和实践，推导污染物浓度叠加原理，建立一维水质模型。

进入21世纪，对一维水质模型的研究更加深入，其中，翟敏婷等[8]基于QUAL2K水质模型模拟污染物在河道内的迁移转化规律；同一年，曹芳平[9]通过惠州段的水质情况及其污染源的分析，确定以高锰酸盐与氨氮为该流域的主要污染物质，基于环境动力学数据建立一维水动力模型，实现一维水质的动态可视化和控制。2005年，刘圣勇[10]利用一维水质数学模型模拟污染物扩散分布，以此作为河流污染物快速扩散应急的主要参考依据，借助Matlab软件进行了区域扩散模拟，揭示了由扩散引起的污染物的影响范围。2007年，孙晓艳[11]通过对淮河水质及污染源的扩散束流，建立了以高锰酸盐指数和氨氮指数为主要污染指数的水质模型。2009年，常建中[12]利用一维水质模型LW-Lim进行离散和模拟污染物扩散，以此作为污染物扩散的区域预警和预报。2010年，许淑娜等[13]提出了一种可视化的一维河流水质时空动态变化趋势的方法，并采用WASP水质模型模拟了多条河段水质的动态变化。WASP水质模型在ArcGIS的跟踪分析模块中与空间数据相连接，实现水质等级时空变化的动态显示，可以为河流水质管理者提供决策支持；同年，冯民权等[14]利用一维均匀流水质模型和一维稳态流水质模型来模拟邯郸盆地(陕西段)干流的水质。2012年，孙彦梅等[15]借助模糊技术进行了定量模拟，并建立了一个基于地下水补给的模糊模拟模型，通过描述和表征河流水文水质、地质来探讨对一维稳态河流水质的影响。2013年，王志刚[16]借以冰封河流的污染来源和水质特征为研究对象，解析冰封河流水质污染各项指标影响的层次分层结构，建立了以冰封河流的水质污染适应性高精度水流-水质模型；同年，陈友岚等[17]对湖北省府河随州区段河流污染水质现场取样和水质现状监控监测，应用数值统计将河流进行区域概化并建立该河段的一维数学水质模型。2017年，徐斌等[18]以生态工程为改善河流水质的主要目的，利用一维数学模型有效的模拟和预测生态修复工程的变化趋势。2019年，程铭等[19]以碳化生化需氧量和氨氮为水质检测指标，通过利用WASP水质模型验证和模拟实测数据的准确性，并运用模糊数学理论建立模型模拟河流流域水质风险进行模糊评估。

2.2 二维水质模拟的研究方法及应用

对于二维水质模型的研究起步较晚。随着科学技术的飞速发展与新型工艺的相结合，利用水质模型模拟并计算评估污染水体的扩散范围和污染物质可能导致水体微生物死亡的可接受区间范围。2000年，曾光明[20]以湘江某航运渡口大型枢纽工程过渡段为研究，对湘江区域水质可能产生的影响进行模拟演示，利用有限单元法和单元网络划分法与该河道水下地形图进行二维河流水质模拟，通过计算得出该河段可能产生的浓度场分布。2004年，赵万星等[21]借用流管微单元计算河流流场的污染物迁移和扩散对区域的水质影响，并通过FORTRAN方法对重庆城区某段污染物的扩散进行二维水质模拟，并取得了较好的效果；同年，袁兴中等[22]基于二维稳态河流水质模型探讨了污染水源对该河岸镜像所产生的问题，通过采用数学数值模拟河流水质污染带的影响区域发现，采用两侧镜像的二维水质模型其在污染带影响的准确率更高。2007年，朱长军等[23]基于环境水力学的灰色理论体系，建立河道二维河流水质模型，获得了污染源对控制点和下游污染物浓度影响的分布范围。2009年，吴其彰[24]根据天然河道河段内的水动力学特征以及污染物水体的输送位移特性，建立河流的二维水动力学模型和二维污染物扩散水质模型。2012年，任杰等[25]借以SMS程序建立以南四湖为研究对象，通过二维水体水流数学模型，分别确定了各方案中环境水力学计算水体和河流水质边界条件，模拟并计算南四湖调水期的二维流场和浓度场分布。2019年，彭亮等[26]在对临沂市区河流分布的二维水流数学模型模型进行分析的基础上，确定了河流二维流场的分布范围和氮磷浓度场。

河流水质模拟的基础和关键是拥有大量的水文，水质，工程概况，位置评价等内容，而通过同步监测获得的数据应更具真实性。而对于某些区域的部分监测取断面进行测量，有时因人为的误差以及通过河段区域的等高线凭经验估算河底高程来确定该河段的断面形状未免有些不足，最终影响河流水质动力模型以及水质数学模型中的水力要素。由于缺少部分人为认为的非紧要因素而导致数据模拟出的水质模型偏于理想化，因而在实际中要以理论为基础结合实际综合模拟水质。

3 结 语

河流的面源污染是一个复杂的过程，污染物投放到污染区域水体的汇集过程多是用水文水质的相关概念进行模拟，并通过长期的水质考察，结合经验模拟污染水体的大致影响时空范围而形成河流水质模型。有时，由于枯水期水量减弱而不具备污染源的相关流经区域，所以在今后需要多加的参考和考虑。水质模型在时间和空间上与污染水体对径流流向与泥沙和水体泥沙与泥沙相互之间的作用上认识还不够深入，所以在此基础上，非常有必要与水文水资源相结合进行模拟。

随着研究工作的进一步深入，以及在实际生活中应用的范围不断地扩大，在此过程中必然会出现一系列新的水质问题，如何找到一种即简便又较准确的经验公式定量地表示污染水源。在研究改进环境动力学、河流水质数学模型的基础上，探究在河段中存在的堰、堤、泄流、汇等的主要影响因素，以及污染源入流时对环境水力学各要素的影响，并建立相应的水质模型，用以适应更为复杂的河段计算，并尝试着以一维模型为基础跨越到二维三维的水质模型中来，利用可视化的功能需求，全面直观的再现污染水体的变化过程和演变机理。