地表水質(zhì)模型研究進(jìn)展綜述

韓瑞康

（上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，上海 200235）

0 引言

在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展水平下，水環(huán)境污染防治的形勢(shì)逐漸嚴(yán)峻，當(dāng)水環(huán)境惡化到一定程度時(shí)，人類生產(chǎn)活動(dòng)和健康安全會(huì)受到極大影響。研究地表水污染的現(xiàn)存問(wèn)題，判斷其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于政府開(kāi)展水污染防治工作具有積極意義。

地表水預(yù)測(cè)模型是模擬污染物在各類水體中運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化過(guò)程的重要方法，涉及水文、氣象、水生物多門(mén)學(xué)科的綜合知識(shí)，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求量較大，在水質(zhì)預(yù)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)工作中起著重要的作用。本文主要根據(jù)水質(zhì)模型理論基礎(chǔ)的分類對(duì)各類主流水質(zhì)模型研究進(jìn)展進(jìn)行整理總結(jié)，并展望未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型是目前水質(zhì)模型中的主流模型類型，其中最早誕生的是S-P一維模型，該模型假設(shè)河流中同時(shí)發(fā)生有機(jī)污染物氧化耗氧和大氣中氧氣進(jìn)入水體的復(fù)氧兩個(gè)過(guò)程，使得水體中溶解氧達(dá)到平衡，為一維穩(wěn)態(tài)模型，關(guān)注重點(diǎn)為水中的氧平衡，未涉及其他水質(zhì)項(xiàng)目。到20世紀(jì)七八十年代，環(huán)境科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的一維水質(zhì)模型已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用方面有所欠缺，此時(shí)出現(xiàn)了多種模型研究，如多維仿真、形態(tài)仿真、多媒體仿真等。該階段的代表性模型有QUAL-I、WASP等，主要關(guān)注N、P存在形態(tài)的相互轉(zhuǎn)化及各形態(tài)與溶解氧、藻類、大腸桿菌等指標(biāo)的相互作用。20世紀(jì)80年代至今的階段，水質(zhì)模型中包括了更多的復(fù)雜水質(zhì)過(guò)程模擬，集成了水動(dòng)力學(xué)、水生態(tài)、水質(zhì)、泥沙等多個(gè)模塊。該階段產(chǎn)生的模型包括EFDC、MIKE、Delft等。比起早期的水質(zhì)模型，目前的模型在沉積平衡原理的基礎(chǔ)上考慮了水體中的化學(xué)、生態(tài)過(guò)程及目標(biāo)污染物在水沙界面的交換量，描述了泥沙吸附作用的影響[1]。目前，使用廣泛的水質(zhì)模型包括QUAL2K模型和MIKE21模型。

1.1 QUAL2K模型

為了改進(jìn)以往模型只涉及五日生化需氧量和溶解氧兩個(gè)參數(shù)而不能實(shí)際反應(yīng)水體總體質(zhì)量的問(wèn)題，美國(guó)環(huán)保署委托美國(guó)水資源工程公司和德州水資源開(kāi)發(fā)部于1970年成功研發(fā)出QUAL系列模型。QUAL2K模型的基本結(jié)構(gòu)為平流-擴(kuò)散一維方程，該模型在機(jī)理上考慮了平流擴(kuò)散、稀釋、水質(zhì)組分內(nèi)部的相互作用及組分外部源和匯對(duì)組分中濃度的影響[2]。它可以模擬多種水質(zhì)組分，包括化學(xué)需氧量、溶解氧、藻類、硝酸鹽氮、葉綠素、大腸桿菌等。QUAL2K模型含有氮循環(huán)、碳循環(huán)、溶解氧和浮游植物四個(gè)完整過(guò)程[2]。

QUAL2K的水質(zhì)方程為

式中：C為污染物濃度，mg/L；t為計(jì)算時(shí)間，s；x為縱向距離，m；Ax為距離x處斷面面積，m2；DL為縱向彌散系數(shù)，m2/s；為平均流速，m/s；s為組分外污染物濃度，mg/L；V為計(jì)算單元體積，m3。

該模型主要存在的缺點(diǎn)為：（1）該模型對(duì)計(jì)算單元有一定限制，對(duì)河段、源頭數(shù)量、單個(gè)河段的計(jì)算單元和全流域的計(jì)算單元總數(shù)都有嚴(yán)格的數(shù)量限制[3]，而且總河口只能設(shè)定為1個(gè)，只適用于中小型的河流；（2）該模型缺少靈敏度分析的功能，且官方未提供對(duì)應(yīng)插件。

1.2 MIKE21模型

丹麥DHI開(kāi)發(fā)的MIKE21是平面二維自由表面流模型，同系列的模型還有一維動(dòng)態(tài)模型MIKE11和三維模型MIKE31。該模型具隨著實(shí)際工程應(yīng)用不斷優(yōu)化修改，具有用戶界面友好、可進(jìn)行多種控制性結(jié)構(gòu)的設(shè)置、可定義多種類型水邊界條件等優(yōu)點(diǎn)[4]。

MIKE21模型的二維水動(dòng)力模型理論依據(jù)為Reynolds值均布的Naiver-Stokes方程及三向不可壓縮，同時(shí)遵從和靜水壓力假定和Boussinessq假定[5]。

MIKE21模型應(yīng)用非常靈活，除了能夠和同系列的模型進(jìn)行調(diào)用以外，還可以和SWMM、SWAT等其他體系的水質(zhì)模型進(jìn)行耦合，針對(duì)特定水質(zhì)問(wèn)題的實(shí)際情況發(fā)揮不同模型的特點(diǎn)，提高預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確度[6]。

2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型

水質(zhì)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)的難點(diǎn)問(wèn)題在：水質(zhì)管理系統(tǒng)是由多個(gè)污染因子指標(biāo)變量組成的復(fù)雜信息系統(tǒng)，每個(gè)因子都有一定代表性，但難以做出綜合評(píng)價(jià)，而多元統(tǒng)計(jì)法的特點(diǎn)可以克服這一缺點(diǎn)。這些年來(lái)，主成分分析、數(shù)據(jù)聚類、回歸分析等多元統(tǒng)計(jì)方法逐漸在水質(zhì)評(píng)價(jià)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[7]。

多元統(tǒng)計(jì)法作為多變量處理的統(tǒng)計(jì)分析方法，適合用于解決水質(zhì)評(píng)價(jià)這類綜合分析問(wèn)題。多元統(tǒng)計(jì)法中的主成分分析法無(wú)須人為給定指標(biāo)權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果客觀，是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度建立的評(píng)價(jià)模型，與普通分析方法有所不同，不會(huì)因?yàn)橹笜?biāo)共線問(wèn)題而導(dǎo)致問(wèn)題被隱藏。

以多元分析法為基礎(chǔ)的模型通過(guò)數(shù)據(jù)間的線性變換實(shí)現(xiàn)變量降維，可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化提煉和有效性可靠性的提高，與涉及水體中氮、磷、化學(xué)需氧量等多種污染因子的綜合評(píng)價(jià)等問(wèn)題有較強(qiáng)的相關(guān)性[8]。該模型需要注意的問(wèn)題是水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選取合適與否會(huì)對(duì)相關(guān)性程度產(chǎn)生影響，從而對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成干擾。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有多層運(yùn)算結(jié)構(gòu)，可以用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行仿真訓(xùn)練，模擬人類思考過(guò)程，將信息數(shù)據(jù)化后分析計(jì)算，起到預(yù)測(cè)的作用。該模型具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、自我糾錯(cuò)能力和數(shù)據(jù)分析能力，可用于多個(gè)領(lǐng)域，其中也包括了水質(zhì)分析方面的應(yīng)用，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法主要針對(duì)非線性函數(shù)問(wèn)題，其過(guò)程為首先隨機(jī)分配算法權(quán)值，之后把產(chǎn)生的輸出值與實(shí)際值比對(duì)，將比較所得的誤差反向傳遞，在隱藏層中對(duì)誤差求偏導(dǎo)，通過(guò)分析斜率來(lái)糾正權(quán)值，從而最終得到最優(yōu)權(quán)值，完成算法的訓(xùn)練[9]。該模型通過(guò)反向傳播的方式，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的誤差及時(shí)糾正，在因子閾值和權(quán)值的訓(xùn)練過(guò)程中能夠得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。該模型存在的缺點(diǎn)是較易取到局部極值且模型訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，水質(zhì)參數(shù)的低復(fù)雜性使得模型的訓(xùn)練速度較慢，仍有較大的提升空間。

4 總結(jié)與展望

（1）地表水質(zhì)模型對(duì)于水質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警工作有重要意義，通過(guò)敏感性分析、不確定分析和水質(zhì)實(shí)際數(shù)據(jù)比對(duì)等方法可以選取合適的水質(zhì)模型，為地表水水質(zhì)相關(guān)決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（2）地表水質(zhì)模型正在經(jīng)歷系統(tǒng)化和平臺(tái)化的過(guò)程，由于水質(zhì)模型涉及水文、水生物、水動(dòng)力等多個(gè)領(lǐng)域，將各類數(shù)據(jù)作為模塊構(gòu)建統(tǒng)一平臺(tái)從而完善數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，成為流域控制和規(guī)劃的依據(jù)，是目前水質(zhì)模型的發(fā)展熱點(diǎn)。

（3）地表水質(zhì)模型在目前大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，通過(guò)引入超算、云計(jì)算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)可以大幅度提升模型算法的效率和準(zhǔn)確度，配合3S和遙感技術(shù)可以促進(jìn)真正“天地一體化”的水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的建立。