城市河湖水環(huán)境模型研究進展

摘 要：河湖是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，保護和改善城市河湖水環(huán)境是當前國內(nèi)外關(guān)注的重點。水環(huán)境模型是利用數(shù)學方法分析水污染過程的內(nèi)在規(guī)律和相互作用，從而為水環(huán)境管理與規(guī)劃提供了有效的技術(shù)支持。本文主要介紹了目前河湖水質(zhì)模型（如WASP、SWAT、Mike等）的研究動態(tài)，系統(tǒng)分析不同軟件的優(yōu)缺點和水質(zhì)模型的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)模型；河湖；模擬

河湖是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與人類的相互作用密切，一方面表現(xiàn)在人類更強烈地影響城市河湖的水文特性、物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境；另一方面表現(xiàn)在城市的社會經(jīng)濟系統(tǒng)和居民日常生活也更加依賴于城市河湖所提供的各種服務(wù)功能。

隨著我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、人口的不斷增長以及城市化進程的加快，城市經(jīng)濟、文化和生活水平有了長足的發(fā)展。隨之而來的是大量污水的產(chǎn)生，由于我國污水處理率低，部分污水未經(jīng)處理直接排入城市河湖，造成我國城市河湖嚴重污染和生態(tài)系統(tǒng)失衡。

城市河湖水污染防治工作是讓江河湖泊生態(tài)恢復、休養(yǎng)生息的重要途徑，在具體的工程實踐中，由于河湖特性及污染物排放類型的復雜性和多樣性，以及各污染物之間的相互作用與轉(zhuǎn)化，促使河湖水質(zhì)模擬分析逐漸成為開展規(guī)劃和建設(shè)的前提研究，比如湖泊換水率的估算，河道綜合治理后水質(zhì)變化情況評估，水系規(guī)劃后內(nèi)部水質(zhì)變化情況，以及河道沿岸雨污水截污后水質(zhì)恢復情況。水質(zhì)模型的引入大大的豐富了水環(huán)境管理與規(guī)劃的技術(shù)手段。

1 水質(zhì)模型的建立

水質(zhì)模型是用數(shù)學的語言和方法來描述水體污染過程中的物理、化學、生物及生態(tài)各方面的內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系，即將一個復雜的河湖系統(tǒng)通過一定的概化，轉(zhuǎn)化成一組適當?shù)臄?shù)學方程進行數(shù)學模擬。水質(zhì)模型的建立一般需要以下步驟：

（1）收集和分析與建模有關(guān)的資料和信息，如河湖地形條件、外源污染分布等，為建模作好準備工作。

（2）根據(jù)取得資料和數(shù)據(jù)，選擇目標變量和邊界條件，根據(jù)自然條件合理確定參數(shù)取值；

（3）模型方程中參數(shù)值的率定，保證模型的穩(wěn)定性，靈敏性和平衡性；

（4）水質(zhì)模型建立后，檢驗?zāi)M結(jié)果的有效性。

2 國內(nèi)外水質(zhì)模型研究進展

2.1 WASP模型

WASP模型是由美國環(huán)保署（USEPA）開發(fā)的用于地表水水質(zhì)模擬的模型，能夠用于不同污染環(huán)境決策系統(tǒng)中分析和預(yù)測由于人類和自然污染造成的各類水質(zhì)狀況，可以模擬水文動力學、河流一維不穩(wěn)定流、湖泊和河口三維不穩(wěn)定流、常規(guī)污染物和有毒污染物在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，亦稱為萬能水質(zhì)模型。

目前最新的版本為WASP7.52，其程序、源代碼以及示例可以從USEPA的網(wǎng)站上免費獲得。它由兩個獨立的程序組成：水動力模型程序DYNHYD和水質(zhì)模型程序WASP，兩個程序可聯(lián)合執(zhí)行，也可以單獨運行。模型包括兩個模塊：TOXI（有毒化學物模型）和EUTRO（富營養(yǎng)化模型）。TOXI主要用于動態(tài)模擬是有機物化合物和重金屬在各類水體中遷移累計，也可以預(yù)測溶解態(tài)和吸附態(tài)化學物在河流中的變化情況；EUTRO可預(yù)測DO、COD、BOD、葉綠素a、氨、硝酸鹽、有機氮、正磷酸鹽等物質(zhì)在河流中的變化情況。WASP模型被廣泛的應(yīng)在河流水質(zhì)分析、水環(huán)境容量計算等方面。

2.2 SWAT模型

SWAT模型全稱為土壤和水評價工具，是由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究所（ARS）1994年開發(fā)的適用于較大流域的非點源污染計算模型，可用以模擬100年以內(nèi)的某流域降水、土壤、土地利用和管理對徑流流量、營養(yǎng)元素的負荷、泥沙流失量等長期的影響。SWAT模型由水文過程子模型、土壤侵蝕子模型和水質(zhì)模擬子模型組成，可以模擬流域內(nèi)部多種過程地表徑流、入滲、側(cè)滲、回流、融雪徑流產(chǎn)沙、輸沙、作物生長、養(yǎng)分流失、流域水質(zhì)和農(nóng)藥/殺蟲劑等內(nèi)容。

國內(nèi)引進SWAT模型較晚，主要應(yīng)用在產(chǎn)流/產(chǎn)沙模擬、非點源污染及輸入?yún)?shù)對模擬結(jié)果的影響方面。模型對營養(yǎng)鹽模擬效果欠佳，主要是SWAT模型內(nèi)部參數(shù)設(shè)置偏重于陸域水文模擬，對河道演算等模塊有待完善；另一方面模型校驗的數(shù)據(jù)以總磷（TN）、總氮（TP）的形式，而非具體的營養(yǎng)鹽類別。

2.3 Aquatox模型

Aquatox是由美國環(huán)境署發(fā)布的水生態(tài)系統(tǒng)過程基準模型，可適用于模擬不同的水生生態(tài)系統(tǒng)，包括垂直分層湖泊、水庫、池塘、河流甚至河口區(qū)域，還可以與SWAT、HSPF等多種模型耦合擴展其應(yīng)對復雜環(huán)境的能力。Aquatox模型有5個參數(shù)庫：動物庫、植物庫、化學物質(zhì)庫、場所庫和重礦化庫，可以根據(jù)具體研究對象選擇參數(shù)。模型可以預(yù)測不同污染物，如營養(yǎng)物和有機物的轉(zhuǎn)化及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響，可以同時計算模擬時段內(nèi)每天發(fā)生的重要化學或生物學過程，模擬生物量、能量及化學物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移；能夠建立水質(zhì)、生物響應(yīng)、水生物利用之間的因果關(guān)系鏈。

Aquatox模型以系統(tǒng)分析方法為模擬的基礎(chǔ)，通過對研究對象的物理過程、生物過程（食物網(wǎng)）、礦化過程（碎屑模擬和營養(yǎng)鹽模擬等）、無極沉淀過程以及有機有毒化學物遷移5個過程模擬實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)的模擬。目前Aquatox模型主要應(yīng)用在湖庫水體富營養(yǎng)化研究。

2.4 HSPF模型

HSPF以Stanford水文模型為基礎(chǔ)，能夠綜合模擬徑流、土壤流失、污染物傳輸、河道水力等過程，廣泛應(yīng)用于氣候變化與土地利用變化的流域水環(huán)境情景模擬，是半分布式水文水質(zhì)模型的優(yōu)秀代表。其主要模塊包括透水地段水文水質(zhì)模型（PERLND）、不透水地段水文水質(zhì)模擬模塊（IMPLND）以及地表水體水文水質(zhì)模擬模塊（RCHRES）。3個模塊可按功能分為若干子模塊，實現(xiàn)對徑流和泥沙、BOD、DO、氮、磷、農(nóng)藥等污染物的遷移轉(zhuǎn)化和負荷的連續(xù)模擬。

HSPF模型限于均勻混合的河流、水庫和一維水體模擬，因此對復雜流域或水體的模擬研究，需要將HSPF與其他模型整合以解決更加綜合的問題。如HSPF與WASP整合模型。

2.5 Mike模型

Mike系列軟件是由丹麥水利研究所研發(fā)，廣泛的應(yīng)用在研究一維（Mike11）、二維（Mike21）、三維河流（Mike31）、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。該模型的特點是界面友好、可視性強，具有強大的前、后處理能力，可提供仿真模擬。但是Mike系列軟件的源程序不對外公開，使用時有加密措施，售價較高。

國內(nèi)對其研究主要集中在計算河流水功能區(qū)納污能力、河道水面線推演、人工湖換水周期分析等方面。

3 水質(zhì)模型的發(fā)展趨勢

3.1 模型的耦合分析

隨著對水環(huán)境問題認識的增加，水質(zhì)模擬也逐漸從水體本身發(fā)展到區(qū)域或流域，模型的狀態(tài)變量不斷增多。由于不同的水質(zhì)模型的特點不同，在實際應(yīng)用中往往需要將不同的模型結(jié)合起來，取長補短，才能充分發(fā)揮模型的功能。

3.2 模型的不確定性分析

不確定性即不肯定性、不確知性、隨機性和偶然性，是指人們對事物發(fā)展的趨勢和結(jié)果無法做出準確的判斷。水環(huán)境的不確定性來自于對水環(huán)境中各種各樣的物理生化過程缺乏足夠的認識，以及缺乏足夠的實測數(shù)據(jù)造成的。同時，數(shù)學模型本身以及求解過程中也會產(chǎn)生某些不確定性因素。如何克服這些問題是水環(huán)境模擬分析中研究的重點。

3.3 隨機方法

在確定性水質(zhì)模型中，常將變化復雜的降解速率、沉淀速率及擴散系數(shù)等參數(shù)按照常量處理，只模擬了變化的趨勢而忽略了其不確定性；隨機方法將模型參數(shù)處理成隨機變量或隨機過程，研究計算結(jié)果的統(tǒng)計特性。

實際應(yīng)用中，隨機分析法可以在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，只需要選擇有限的模擬次數(shù)，就可以使計算值接近真值，且產(chǎn)生適合各種分布的隨機變量，具有較高的研究和應(yīng)用意義。

3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）

相比于確定性模型，ANN主要的優(yōu)點就在于它以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過學習訓練來掌握系統(tǒng)內(nèi)部的變化規(guī)律，而不需要數(shù)學方程來表達輸入與輸出之間的相互關(guān)系，應(yīng)用簡便，非常適合處理非線性的水環(huán)境問題。由于目前對于污染物在水環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化、降解過程的了解并不是十分的清晰，而ANN正好回避了這一問題。隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的人工智能模擬必將得到蓬勃發(fā)展。

4 結(jié)語

本文主要介紹了水環(huán)境水質(zhì)模擬軟件的應(yīng)用情況，雖然目前各類軟件都具有一定的局限性，但是隨著科學的不斷發(fā)展及人們對水環(huán)境問題認識的逐漸深入，水環(huán)境模型必將逐漸更加科學、全面、實用和準確，從而為城市水環(huán)境管理、規(guī)劃以及經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供更好的指導。

參考文獻

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[2]施練東，俞海平，朱建坤，等.基于SWAT模型的湯浦水庫流域非點源污染模擬[J].水生態(tài)學雜志，2011，32（3）：66-70.

（作者單位：1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學院）