平原河網水環(huán)境模型進展

代更明 張珺

摘 要：介紹了平原河網水環(huán)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(huán)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(huán)境模型的研究是進行水質預測、水環(huán)境管理與規(guī)劃的重要內容。無論對開發(fā)建設的工程項目進行水環(huán)境質量的預測評價，還是對連續(xù)的或者突發(fā)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(tǒng)分析或制定區(qū)域水污染控制系統(tǒng)規(guī)劃等過程，都涉及到水環(huán)境質量在時間和空間上的變化問題。

平原河網地區(qū)通常是城市發(fā)達、人口眾多的地區(qū)，同時又是地勢較低、湖泊密布、易于發(fā)生洪澇災害的地區(qū)。平原河網水環(huán)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(yǎng)化為主；水體可能處于好氧、缺氧、厭氧三種不同狀態(tài)；水質變量是多組分的，影響因素是多參數(shù)的[1]。由于河網模擬區(qū)域范圍很大，大多數(shù)情況下只能采用數(shù)值方法進行模擬。

水環(huán)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(shù)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(shù)學模型大體可以分為節(jié)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(jié)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(jié)點，每個節(jié)點處均應滿足水流連續(xù)性方程和能量守恒方程。節(jié)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(shù)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(jié)點-河道模型和單元劃分模型取長補短，有機綜合構成的數(shù)學模型。建立混合模型的基本思想是：將平原河網的水域區(qū)分為骨干河道和成片水域兩類，對前者采用節(jié)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(jié)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(tǒng)。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(lián)或串聯(lián)形成一個相互制約的整體網絡結構，通過調整系統(tǒng)內部各個“神經元”之間的相互作用以達到系統(tǒng)輸入變量和輸出變量之間的最優(yōu)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(shù)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(shù)，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(shù)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(xù)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(huán)保局研究開發(fā)，應用最廣的是QUAL2E和QUAL2K，QUAL2K是QUAL2E的發(fā)展增強版本。QUAL2E只適用于模擬穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(tǒng)，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(yǎng)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(huán)保局負責開發(fā)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(wěn)態(tài)模型，也可作為動態(tài)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(xié)（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(shù)學模型（ASM）中發(fā)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(shù)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(huán)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(fā)了感潮河網水量、水質統(tǒng)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(yōu)點，以不確定性分析為框架，結合Saint-Venant方程組，開發(fā)了一維動態(tài)環(huán)狀河網水質模型，有效解決了環(huán)狀河網水文條件復雜和監(jiān)測數(shù)據稀缺的問題。

4.存在問題及建議

目前平原河網水環(huán)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(xiàn)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(tài)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(shù)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(tài)變量模型。

參考文獻：

[1] 李煒主編.環(huán)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(shù)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(huán)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(qū)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?zhí)熘诓淮_定性分析框架的動態(tài)環(huán)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.