河流水質模擬研究進展

張 維

(水利部新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水質模型是描述水質因子受時間和空間影響與其他因子(物理、化學、生物等)之間關系的數學方法。經過幾百年的發展，水質模型已經相當成熟。污染物在遷移過程中會受到各種因素的影響，進而導致污染物的遷移擴散。而建立水質模型的最終目的也是為了確定污染物在河流流經或擴散過程中產生的影響區域以及確定該過程中這些因素之間的定量關系，進而預測水質變化和水質污染控制及管理。根據水質模型的基礎，通過建模方法和求解特征可將其分為確定性數學模型和隨機性數學模型；根據所描述的水質模型系統是否在時間上具有穩定性，可以將其分為穩態數值模型和動態數值模型；根據系統參數的空間跨度分布特征，可以將其劃分為一維、二維、三維模型，如果參數在三個方向上均勻分布并且完全混合，則該模型稱為零維模型。隨著現代科學技術的不斷進步和環境科學的深入發展，為水環境管理者提供了科學的理論和數學依據，并為指導我們做出科學的決策。

隨著計算機技術的快速發展和成熟，環境水力學理論得到實際的應用。如，附近地區的水流理論、偏遠地區的水質模型、河網和湖泊水污染控制理論等。在此期間，環境水力學與天文學、氣象學、海洋學、計算機科學以及其他學科之間的聯系也越來越緊密。其中，現代技術的研究和應用控制理論、系統理論和反問題理論在環境水力學取得了深遠的發展，并對傳統水力學理論產生了巨大的沖擊，特別是計算機技術和圖形可視化技術的飛速發展促進了水質模擬在各個領域的應用和推廣。隨著中國經濟的快速發展給流域水環境帶來了前所未有的壓力和挑戰，威脅著生態環境的安全，因此，流域水環境管理已成為發展我國水利產業的當務之急。

目前對于河流水質模型研究的體系較復雜、所涉的學科較多、成果分散，尚缺少系統性的梳理和總結。本文通過梳理河流水質模型的發展特征和模擬應用，為河流水質模型的推廣和發展奠定理論基礎，針對復雜河流水質問題，提出未來的研究建議。

1 水質模型的發展

水質模擬是環境水力學的一個重要分支。該模擬的方法是一種經濟有效的方法，用于污染物在河流和湖泊中的遷移和擴散。根據模擬的類型不同，水質模擬方法可分為物理模擬，電氣模擬和數學模擬。水質的物理和電氣模擬與數學模擬是分不開的，它涉及數學模型的應用和參與。評估和識別通常依賴于物理模擬、電子模擬或現場測量的結果，因此，現代水質模型是多手段多學科多領域多專業相互交叉的綜合技術。

1.1 水質模型的發展階段

1925年Streeter-Phelps首次在Ohio河上以有機污染物質為基礎建立水質模型[1]。自此，國際上對水質模型的開發與研究進入了萌芽期，隨之發展可分為幾個階段：

階段1：1962—1964年開發出一個相對簡單的雙線性系統模型，如Dobbins模型、Camnps模型和Lis模型[2]。結果，經過多方面的研究和演練，河流和河口問題的一維計算方法才更加方便。

階段2：從時空的一維跨越到二維計算，如OConner模型和Loucks-Lynns模型[3]，從本質上講，該模型可以粗略地分為氧平衡模型。1978年Grenney[4]基于非線性氧平衡系統建立了一個全面的有機物水質模型，并同時研究了綜合水質因子影響因素。

階段3：由于氧氣平衡系統無法滿足環保要求，因而在1980年產生了以重金屬污染的模型。在這一階段，以魚類和其他水生生態學及人類毒性暴露源為契機，建立基于水質分析模擬程序的暴露分析系統模型和食物鏈模型，但發展尚不成熟。

階段4：為深入了解水環境的變化與相關學科的交叉滲透，將水環境數學模型研究納入多媒體環境綜合生態系統模型。該模型目的在于將處在不同環境單位中污染物質的變化過程與引起污染物質跨越介質邊界的過程聯系起來，形成一種數學表達式，用此模型描述多媒體環境中污染物的轉化以及污染物在介質之間的遷移。如，Cohen在1985年提出了多媒體環境的綜合生態系統模型。

1.2 水質模型的研究意義

水質模型是描述水中污染物質的遷移和轉化過程，其旨在為水的環境保護而服務。河流水質模型可用于水質模擬和水質評估、水質預測和預警。

1.3 水質模型的選擇及簡化假定

為了簡化計算，污染物在整個深度均勻混合。對于大多數河流大部分的寬度和深度，這一點只指向下游流速，這意味著橫向速度二次循環造成的污染物被忽略，不與河床表面交換，也就是說，暫不考慮河床沉積的問題。這一假設在大多數污染問題中都得到了滿足，其中毒物排放的時間尺度通常遠小于年排放量的時間尺度。由于縱向速度的橫向分布是已知的，所以可以用阻力公式來求得。

水體在流經的每一區域段都得到充分混合，而污水排放在時空中并不改變河流水力的特性變化。在選擇使用水質模型時，應遵循以下基本原則:(1)合理選擇河段，并系統概述污染水體流經區域問題。(2)選擇主要因素和變量，并突出河流污水產生的主要矛盾，分析變量之間的邏輯關系，建立水質模型結構。(3)選擇合適的模型，確定污染物介質的空間尺寸，即空間方向，考慮物質隨時間的一維變化。(4)對于湖泊和水庫，即濃度在垂直方向上的變化。(5)對于不同維數的模型，有兩種穩態模型和非穩態模型。在具體問題中，應根據仿真目標要求選擇模型的尺寸。

2 水質模擬的研究方法及應用

2.1 一維水質模擬的研究方法及應用

當污染物從非點源排放或在污染區下游的均勻混合段中排放時，通常在水資源保護和水污染控制實踐中使用一維水質模型。早在1925年，Streeter和Phelps就通過研究美國俄亥俄州河的自然凈化過程，建立了世界上第一個河流污染的水質模型[1]。在1990年，鄭英銘等[5]針對我國河流水域普遍存在的水質發臭、發黑、土質缺氧和有機物氧化難降解等影響因素做了討論，并將該過程分解為好氧、厭氧和虧氧，同時提出以方程組不同氧擴散機制的附和狀態進行水質模擬。1991年，李軍[6]采用軟件動態掃描-濃度梯度搜索法以浮沱河流的水質為參數而建立的模型，并準確模擬浮沱河的自凈過程。蔣忠錦等[7]以河流排放角為過渡源的過渡性面源污染控制為出發點，通過試驗和實踐，推導污染物濃度疊加原理，建立一維水質模型。

進入21世紀，對一維水質模型的研究更加深入，其中，翟敏婷等[8]基于QUAL2K水質模型模擬污染物在河道內的遷移轉化規律；同一年，曹芳平[9]通過惠州段的水質情況及其污染源的分析，確定以高錳酸鹽與氨氮為該流域的主要污染物質，基于環境動力學數據建立一維水動力模型，實現一維水質的動態可視化和控制。2005年，劉圣勇[10]利用一維水質數學模型模擬污染物擴散分布，以此作為河流污染物快速擴散應急的主要參考依據，借助Matlab軟件進行了區域擴散模擬，揭示了由擴散引起的污染物的影響范圍。2007年，孫曉艷[11]通過對淮河水質及污染源的擴散束流，建立了以高錳酸鹽指數和氨氮指數為主要污染指數的水質模型。2009年，常建中[12]利用一維水質模型LW-Lim進行離散和模擬污染物擴散，以此作為污染物擴散的區域預警和預報。2010年，許淑娜等[13]提出了一種可視化的一維河流水質時空動態變化趨勢的方法，并采用WASP水質模型模擬了多條河段水質的動態變化。WASP水質模型在ArcGIS的跟蹤分析模塊中與空間數據相連接，實現水質等級時空變化的動態顯示，可以為河流水質管理者提供決策支持；同年，馮民權等[14]利用一維均勻流水質模型和一維穩態流水質模型來模擬邯鄲盆地(陜西段)干流的水質。2012年，孫彥梅等[15]借助模糊技術進行了定量模擬，并建立了一個基于地下水補給的模糊模擬模型，通過描述和表征河流水文水質、地質來探討對一維穩態河流水質的影響。2013年，王志剛[16]借以冰封河流的污染來源和水質特征為研究對象，解析冰封河流水質污染各項指標影響的層次分層結構，建立了以冰封河流的水質污染適應性高精度水流-水質模型；同年，陳友嵐等[17]對湖北省府河隨州區段河流污染水質現場取樣和水質現狀監控監測，應用數值統計將河流進行區域概化并建立該河段的一維數學水質模型。2017年，徐斌等[18]以生態工程為改善河流水質的主要目的，利用一維數學模型有效的模擬和預測生態修復工程的變化趨勢。2019年，程銘等[19]以碳化生化需氧量和氨氮為水質檢測指標，通過利用WASP水質模型驗證和模擬實測數據的準確性，并運用模糊數學理論建立模型模擬河流流域水質風險進行模糊評估。

2.2 二維水質模擬的研究方法及應用

對于二維水質模型的研究起步較晚。隨著科學技術的飛速發展與新型工藝的相結合，利用水質模型模擬并計算評估污染水體的擴散范圍和污染物質可能導致水體微生物死亡的可接受區間范圍。2000年，曾光明[20]以湘江某航運渡口大型樞紐工程過渡段為研究，對湘江區域水質可能產生的影響進行模擬演示，利用有限單元法和單元網絡劃分法與該河道水下地形圖進行二維河流水質模擬，通過計算得出該河段可能產生的濃度場分布。2004年，趙萬星等[21]借用流管微單元計算河流流場的污染物遷移和擴散對區域的水質影響，并通過FORTRAN方法對重慶城區某段污染物的擴散進行二維水質模擬，并取得了較好的效果；同年，袁興中等[22]基于二維穩態河流水質模型探討了污染水源對該河岸鏡像所產生的問題，通過采用數學數值模擬河流水質污染帶的影響區域發現，采用兩側鏡像的二維水質模型其在污染帶影響的準確率更高。2007年，朱長軍等[23]基于環境水力學的灰色理論體系，建立河道二維河流水質模型，獲得了污染源對控制點和下游污染物濃度影響的分布范圍。2009年，吳其彰[24]根據天然河道河段內的水動力學特征以及污染物水體的輸送位移特性，建立河流的二維水動力學模型和二維污染物擴散水質模型。2012年，任杰等[25]借以SMS程序建立以南四湖為研究對象，通過二維水體水流數學模型，分別確定了各方案中環境水力學計算水體和河流水質邊界條件，模擬并計算南四湖調水期的二維流場和濃度場分布。2019年，彭亮等[26]在對臨沂市區河流分布的二維水流數學模型模型進行分析的基礎上，確定了河流二維流場的分布范圍和氮磷濃度場。

河流水質模擬的基礎和關鍵是擁有大量的水文，水質，工程概況，位置評價等內容，而通過同步監測獲得的數據應更具真實性。而對于某些區域的部分監測取斷面進行測量，有時因人為的誤差以及通過河段區域的等高線憑經驗估算河底高程來確定該河段的斷面形狀未免有些不足，最終影響河流水質動力模型以及水質數學模型中的水力要素。由于缺少部分人為認為的非緊要因素而導致數據模擬出的水質模型偏于理想化，因而在實際中要以理論為基礎結合實際綜合模擬水質。

3 結 語

河流的面源污染是一個復雜的過程，污染物投放到污染區域水體的匯集過程多是用水文水質的相關概念進行模擬，并通過長期的水質考察，結合經驗模擬污染水體的大致影響時空范圍而形成河流水質模型。有時，由于枯水期水量減弱而不具備污染源的相關流經區域，所以在今后需要多加的參考和考慮。水質模型在時間和空間上與污染水體對徑流流向與泥沙和水體泥沙與泥沙相互之間的作用上認識還不夠深入，所以在此基礎上，非常有必要與水文水資源相結合進行模擬。

隨著研究工作的進一步深入，以及在實際生活中應用的范圍不斷地擴大，在此過程中必然會出現一系列新的水質問題，如何找到一種即簡便又較準確的經驗公式定量地表示污染水源。在研究改進環境動力學、河流水質數學模型的基礎上，探究在河段中存在的堰、堤、泄流、匯等的主要影響因素，以及污染源入流時對環境水力學各要素的影響，并建立相應的水質模型，用以適應更為復雜的河段計算，并嘗試著以一維模型為基礎跨越到二維三維的水質模型中來，利用可視化的功能需求，全面直觀的再現污染水體的變化過程和演變機理。