平原河網水環境模型進展

代更明 張珺

摘 要：介紹了平原河網水環境模型中常用的水動力學模型、水質模型和河網水動力學-水質模型，總結了水環境模型所存在的問題及建議。

關 鍵 詞：平原河網，模型，水動力學，水質

水環境模型的研究是進行水質預測、水環境管理與規劃的重要內容。無論對開發建設的工程項目進行水環境質量的預測評價，還是對連續的或者突發性的排污進行水質影響的描述和評價，以及在進行污染控制的系統分析或制定區域水污染控制系統規劃等過程，都涉及到水環境質量在時間和空間上的變化問題。

平原河網地區通常是城市發達、人口眾多的地區，同時又是地勢較低、湖泊密布、易于發生洪澇災害的地區。平原河網水環境的主要特點：河湖相串、河道縱橫交錯；地勢平坦，受潮汐等因素的影響，水流向順逆不定；污染源分點源和面源排放，而且排放是非恒定的；水體受到不同程度的污染，以富營養化為主；水體可能處于好氧、缺氧、厭氧三種不同狀態；水質變量是多組分的，影響因素是多參數的[1]。由于河網模擬區域范圍很大，大多數情況下只能采用數值方法進行模擬。

水環境模型可分為水動力學模型和水質模型，水動力學模擬是水質模擬的基礎和前提。水動力學模型的建立涉及控制方程組的簡化、方程組的離散和求解、初始和邊界條件的確定、參數率定和模型驗證等一系列問題。下面從水動力學模型、水質模型和河網水動力學-水質模型三個層面，介紹國內外的研究進展。

1.水動力學模型：

河網非恒定流水力數學模型大體可以分為節點-河道模型、單元劃分模型、混合模型以及人工神經網絡模型四類。

節點-河道模型比較常用，其基本思想是：將河網中的每一河道視為單一河道，其控制方程均為一維Saint-Venant方程組；河道連接處稱為節點，每個節點處均應滿足水流連續性方程和能量守恒方程。節點-河道模型計算精度較高，但建模過程比較繁瑣，且對于模擬湖泊、灘地等非河道水體有局限性[2]。

單元劃分模型最早由法國水力學專家Jean于1975年提出，其基本思想是：將水力特性相似、水位變化不大的某一片水體概化為一個單元，取單元幾何中心的水位為單元代表水位，給出水位與水面面積關系。將計算河網分解為一定數量的單元，再進行分組，然后確定各單元間的連接類型，采用謝才公式模擬單元間流量交換。對每個單元給出微分形式的質量平衡方程，經有限差分法離散后得到以單元水位為基本未知量的方程組，輔以邊界條件，進而求解各單元的代表水位和單元間流量[3]。

混合模型是根據平面河網的特點，將節點-河道模型和單元劃分模型取長補短，有機綜合構成的數學模型。建立混合模型的基本思想是：將平原河網的水域區分為骨干河道和成片水域兩類，對前者采用節點-河道模型；對后者采用單元劃分的方法將其劃分為單元，再引入當量河寬的概念，把成片水域的調蓄作用概化為骨干河道的灘地，納入節點-河道模型一并計算。

人工神經網絡是采用計算機來模擬生物神經網絡的結構和功能，由大量神經元構成的并行分布式系統。人工神經網絡與平原河網在結構上有許多相似之處，兩者都是由各個內部單元通過并聯或串聯形成一個相互制約的整體網絡結構，通過調整系統內部各個“神經元”之間的相互作用以達到系統輸入變量和輸出變量之間的最優化或平衡。因此，人工神經網絡理論可用于復雜河網水動力模型的數值模擬。但天然河網十分復雜，河流湖泊眾多，很難直接應用神經網絡模擬河網的各種參數，必須根據實際工程問題研究的需要、河道湖泊之間的相互關系以及數值計算的需要，對河網進行概化。

2. 水質模型

任何水質模型都是依據物質質量守恒和能量守恒原理，通過流體力學中的連續方程、運動方程、能量方程推導得出。目前比較流行的水質模型主要有Streeter-Phelps模型、QUAL模型、WASP模型、RWQM模型等。

Streeter-Phelps模型是最早的水質模型，做了如下假設：DO濃度僅取決于BOD反應與復氧過程，并認為有厭氧微生物參與的BOD衰變反應符合一級反應動力學；水中溶解氧的減少是由于含碳有機物在BOD反應中的細菌分解引起，與BOD降解有相同速率；由于氧虧和湍流而引起復氧，復氧速率與水中氧虧成正比。此后有各種S-P模型修正形式，如Thomas修正形式增加了一項因其它因素如沉淀、懸浮、吸附及再懸浮等過程引起的BOD速率變化；Dobbins-Camp修正形式添加了因底泥釋放BOD和地表徑流所引起的BOD變化，同時考慮了藻類光合作用和呼吸作用引起的溶解氧變化。

QUAL模型由美國環保局研究開發，應用最廣的是QUAL2E和QUAL2K，QUAL2K是QUAL2E的發展增強版本。QUAL2E只適用于模擬穩態流的點源污染問題，在模擬河水流量以及污染負荷瞬時變化等非穩態情況時，模型將暴露其局限性，并且在模擬暴雨、洪水等造成的非點源污染時，這種局限性將變得更加明顯。QUEL2K不僅適用于混合的枝狀河流系統，而且允許多個排污口、取水口的存在以及支流匯入和流出，尤其對藻類—營養物質—光三者之間的相互作用進行了矯正，并在模擬過程對輸入和輸出等程序有了進一步改進 [4]。

WASP是由美國環保局負責開發的一個綜合型水質模擬模型，可模擬河流、水庫及湖泊的水質變化，可研究點源和非點源問題。同時，它既可用作為穩態模型，也可作為動態模型使用。WASP由兩部分組成：水動力模型程序DYNHYD、水質模型程序WASP，WASP又由TOXI模塊和EUTRO模塊組成，DYNHYD水動力模塊集成于整個程序中。WASP可模擬一維、二維和三維的水質變化，建立模型方程的最基本準則是物質守恒定律 [5]。

國際水協（IWA）河流水質模型組2000年推出了河流水質1號模型（RWQM1），從活性污泥數學模型（ASM）中發展而來，目的是為了建立一個通用、標準的河流水質模擬平臺。RWQM1主要取得了三個重要成果：首先，模型建立了一種通用的模擬方法，為人們采集數據、選擇動力學模型和物理傳輸模型提供了依據；其次，建立了一個標準、通用并與活性污泥模型（ASM）兼容的生化反應模型；第三，為促進模型的實際應用，RWQM1對生化反應模型做了一系列的簡化，以推廣應用，并且在不同的簡化程度上有著成功的應用案例。

3. 河網水動力學-水質模型

河流水質的變化取決于物理的遷移、交換過程以及化學、生物和生物化學轉變過程，即一個合適的水環境模型的控制方程應該包括水動力和水質過程。目前比較常用的方式是一維圣維南方程組結合S-P模型或者其修正形式的方程。在此基礎上，嚴文武等[6]開發了感潮河網水量、水質統一的Hwnqow模型；徐一劍和曾思育等[7]結合確定性模型與不確定性分析的優點，以不確定性分析為框架，結合Saint-Venant方程組，開發了一維動態環狀河網水質模型，有效解決了環狀河網水文條件復雜和監測數據稀缺的問題。

4.存在問題及建議

目前平原河網水環境的模擬主要集中在一維，即假定任何排放物會在河流截面瞬時達到均勻混合，實際上，排放物與河流的橫向混合往往需要一段很長的距離，該距離與河寬的平方近似成正比。因此，基于現有水質模型計算出的排放物的平均濃度，往往遠低于河流中的最高濃度[8]。所以，對不同河寬的河段合理選擇一維或者二維進行模擬，更符合實際情況。

在河網各類水質模型中應用最多的是有機污染模型，其中大量應用的是比較簡單的Streeter-Phelps模型和Thomas模型。一方面由于模型的過于簡化不能夠描述更多的生物過程，如底泥釋放、藻類生長等，另一方面水質基本上都以BOD作為狀態變量，因而不能完全符合質量守恒原理。而模型的復雜化又進一步加大了求解的難度和速度。同時，模型復雜參系數增加也加大了模型的不確定性，這就是說，不是模型越復雜模擬得越精確。所以應該結合實際情況，在滿足預測要求情況下合理的簡化或者應用合理的多狀態變量模型。

參考文獻：

[1] 李煒主編.環境水力學進展[M],武漢:武漢水利電力大學出版社，1999.

[2] 吳作平,楊國錄,甘明輝.河網水流數值模擬方法研究[J],水科學進展,2003,14（3）:350-353.

[3] 韓龍喜,張書農,金忠青.復雜河網非恒定流計算模型—單元劃分法[J]，水利學報，1994，（2）:52-56.

[4] 陳月,席北斗等.QUAL2K模型在西苕溪干流梅溪段水質模擬中的應用[J]，環境工程學報,2008,2（7）:1000-1003.

[5] 于順東.WASP水質模型應用與DO模型評價[D],天津大學,碩士學位論文,2007.

[6] 嚴文武,鄒長國．水動力模型在平原感潮河網地區的研究與應用[J],浙江水利科技，2007,（4）:8-10.

[7] 徐一劍,曾思育,張天柱．基于不確定性分析框架的動態環狀河網水質模型-以溫州市溫瑞塘河為例[J],水科學進展,2005,16（4）:574-580.

[8] 詹世平,周集體.河流水質模型及存在問題[J],浙江水利科技,2004,（4）：1-3.