河流水質(zhì)模擬研究進展

張 維

(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水質(zhì)模型是描述水質(zhì)因子受時間和空間影響與其他因子(物理、化學(xué)、生物等)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方法。經(jīng)過幾百年的發(fā)展，水質(zhì)模型已經(jīng)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(dǎo)致污染物的遷移擴散。而建立水質(zhì)模型的最終目的也是為了確定污染物在河流流經(jīng)或擴散過程中產(chǎn)生的影響區(qū)域以及確定該過程中這些因素之間的定量關(guān)系，進而預(yù)測水質(zhì)變化和水質(zhì)污染控制及管理。根據(jù)水質(zhì)模型的基礎(chǔ)，通過建模方法和求解特征可將其分為確定性數(shù)學(xué)模型和隨機性數(shù)學(xué)模型；根據(jù)所描述的水質(zhì)模型系統(tǒng)是否在時間上具有穩(wěn)定性，可以將其分為穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型和動態(tài)數(shù)值模型；根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)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(shù)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進步和環(huán)境科學(xué)的深入發(fā)展，為水環(huán)境管理者提供了科學(xué)的理論和數(shù)學(xué)依據(jù)，并為指導(dǎo)我們做出科學(xué)的決策。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，環(huán)境水力學(xué)理論得到實際的應(yīng)用。如，附近地區(qū)的水流理論、偏遠地區(qū)的水質(zhì)模型、河網(wǎng)和湖泊水污染控制理論等。在此期間，環(huán)境水力學(xué)與天文學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)、計算機科學(xué)以及其他學(xué)科之間的聯(lián)系也越來越緊密。其中，現(xiàn)代技術(shù)的研究和應(yīng)用控制理論、系統(tǒng)理論和反問題理論在環(huán)境水力學(xué)取得了深遠的發(fā)展，并對傳統(tǒng)水力學(xué)理論產(chǎn)生了巨大的沖擊，特別是計算機技術(shù)和圖形可視化技術(shù)的飛速發(fā)展促進了水質(zhì)模擬在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展給流域水環(huán)境帶來了前所未有的壓力和挑戰(zhàn)，威脅著生態(tài)環(huán)境的安全，因此，流域水環(huán)境管理已成為發(fā)展我國水利產(chǎn)業(yè)的當務(wù)之急。

目前對于河流水質(zhì)模型研究的體系較復(fù)雜、所涉的學(xué)科較多、成果分散，尚缺少系統(tǒng)性的梳理和總結(jié)。本文通過梳理河流水質(zhì)模型的發(fā)展特征和模擬應(yīng)用，為河流水質(zhì)模型的推廣和發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)，針對復(fù)雜河流水質(zhì)問題，提出未來的研究建議。

1 水質(zhì)模型的發(fā)展

水質(zhì)模擬是環(huán)境水力學(xué)的一個重要分支。該模擬的方法是一種經(jīng)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(jù)模擬的類型不同，水質(zhì)模擬方法可分為物理模擬，電氣模擬和數(shù)學(xué)模擬。水質(zhì)的物理和電氣模擬與數(shù)學(xué)模擬是分不開的，它涉及數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用和參與。評估和識別通常依賴于物理模擬、電子模擬或現(xiàn)場測量的結(jié)果，因此，現(xiàn)代水質(zhì)模型是多手段多學(xué)科多領(lǐng)域多專業(yè)相互交叉的綜合技術(shù)。

1.1 水質(zhì)模型的發(fā)展階段

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

階段1：1962—1964年開發(fā)出一個相對簡單的雙線性系統(tǒng)模型，如Dobbins模型、Camnps模型和Lis模型[2]。結(jié)果，經(jīng)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(zhì)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(tǒng)建立了一個全面的有機物水質(zhì)模型，并同時研究了綜合水質(zhì)因子影響因素。

階段3：由于氧氣平衡系統(tǒng)無法滿足環(huán)保要求，因而在1980年產(chǎn)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(tài)學(xué)及人類毒性暴露源為契機，建立基于水質(zhì)分析模擬程序的暴露分析系統(tǒng)模型和食物鏈模型，但發(fā)展尚不成熟。

階段4：為深入了解水環(huán)境的變化與相關(guān)學(xué)科的交叉滲透，將水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究納入多媒體環(huán)境綜合生態(tài)系統(tǒng)模型。該模型目的在于將處在不同環(huán)境單位中污染物質(zhì)的變化過程與引起污染物質(zhì)跨越介質(zhì)邊界的過程聯(lián)系起來，形成一種數(shù)學(xué)表達式，用此模型描述多媒體環(huán)境中污染物的轉(zhuǎn)化以及污染物在介質(zhì)之間的遷移。如，Cohen在1985年提出了多媒體環(huán)境的綜合生態(tài)系統(tǒng)模型。

1.2 水質(zhì)模型的研究意義

水質(zhì)模型是描述水中污染物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化過程，其旨在為水的環(huán)境保護而服務(wù)。河流水質(zhì)模型可用于水質(zhì)模擬和水質(zhì)評估、水質(zhì)預(yù)測和預(yù)警。

1.3 水質(zhì)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(shù)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(huán)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(shè)在大多數(shù)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(jīng)的每一區(qū)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(zhì)模型時，應(yīng)遵循以下基本原則:(1)合理選擇河段，并系統(tǒng)概述污染水體流經(jīng)區(qū)域問題。(2)選擇主要因素和變量，并突出河流污水產(chǎn)生的主要矛盾，分析變量之間的邏輯關(guān)系，建立水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)。(3)選擇合適的模型，確定污染物介質(zhì)的空間尺寸，即空間方向，考慮物質(zhì)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(shù)的模型，有兩種穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型。在具體問題中，應(yīng)根據(jù)仿真目標要求選擇模型的尺寸。

2 水質(zhì)模擬的研究方法及應(yīng)用

2.1 一維水質(zhì)模擬的研究方法及應(yīng)用

當污染物從非點源排放或在污染區(qū)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(zhì)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(zhì)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(zhì)發(fā)臭、發(fā)黑、土質(zhì)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(tài)進行水質(zhì)模擬。1991年，李軍[6]采用軟件動態(tài)掃描-濃度梯度搜索法以浮沱河流的水質(zhì)為參數(shù)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(fā)點，通過試驗和實踐，推導(dǎo)污染物濃度疊加原理，建立一維水質(zhì)模型。

進入21世紀，對一維水質(zhì)模型的研究更加深入，其中，翟敏婷等[8]基于QUAL2K水質(zhì)模型模擬污染物在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；同一年，曹芳平[9]通過惠州段的水質(zhì)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(zhì)，基于環(huán)境動力學(xué)數(shù)據(jù)建立一維水動力模型，實現(xiàn)一維水質(zhì)的動態(tài)可視化和控制。2005年，劉圣勇[10]利用一維水質(zhì)數(shù)學(xué)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(yīng)急的主要參考依據(jù)，借助Matlab軟件進行了區(qū)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(zhì)及污染源的擴散束流，建立了以高錳酸鹽指數(shù)和氨氮指數(shù)為主要污染指數(shù)的水質(zhì)模型。2009年，常建中[12]利用一維水質(zhì)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(qū)域預(yù)警和預(yù)報。2010年，許淑娜等[13]提出了一種可視化的一維河流水質(zhì)時空動態(tài)變化趨勢的方法，并采用WASP水質(zhì)模型模擬了多條河段水質(zhì)的動態(tài)變化。WASP水質(zhì)模型在ArcGIS的跟蹤分析模塊中與空間數(shù)據(jù)相連接，實現(xiàn)水質(zhì)等級時空變化的動態(tài)顯示，可以為河流水質(zhì)管理者提供決策支持；同年，馮民權(quán)等[14]利用一維均勻流水質(zhì)模型和一維穩(wěn)態(tài)流水質(zhì)模型來模擬邯鄲盆地(陜西段)干流的水質(zhì)。2012年，孫彥梅等[15]借助模糊技術(shù)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(zhì)、地質(zhì)來探討對一維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)的影響。2013年，王志剛[16]借以冰封河流的污染來源和水質(zhì)特征為研究對象，解析冰封河流水質(zhì)污染各項指標影響的層次分層結(jié)構(gòu)，建立了以冰封河流的水質(zhì)污染適應(yīng)性高精度水流-水質(zhì)模型；同年，陳友嵐等[17]對湖北省府河隨州區(qū)段河流污染水質(zhì)現(xiàn)場取樣和水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)控監(jiān)測，應(yīng)用數(shù)值統(tǒng)計將河流進行區(qū)域概化并建立該河段的一維數(shù)學(xué)水質(zhì)模型。2017年，徐斌等[18]以生態(tài)工程為改善河流水質(zhì)的主要目的，利用一維數(shù)學(xué)模型有效的模擬和預(yù)測生態(tài)修復(fù)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(zhì)檢測指標，通過利用WASP水質(zhì)模型驗證和模擬實測數(shù)據(jù)的準確性，并運用模糊數(shù)學(xué)理論建立模型模擬河流流域水質(zhì)風(fēng)險進行模糊評估。

2.2 二維水質(zhì)模擬的研究方法及應(yīng)用

對于二維水質(zhì)模型的研究起步較晚。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與新型工藝的相結(jié)合，利用水質(zhì)模型模擬并計算評估污染水體的擴散范圍和污染物質(zhì)可能導(dǎo)致水體微生物死亡的可接受區(qū)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(qū)域水質(zhì)可能產(chǎn)生的影響進行模擬演示，利用有限單元法和單元網(wǎng)絡(luò)劃分法與該河道水下地形圖進行二維河流水質(zhì)模擬，通過計算得出該河段可能產(chǎn)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(qū)域的水質(zhì)影響，并通過FORTRAN方法對重慶城區(qū)某段污染物的擴散進行二維水質(zhì)模擬，并取得了較好的效果；同年，袁興中等[22]基于二維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型探討了污染水源對該河岸鏡像所產(chǎn)生的問題，通過采用數(shù)學(xué)數(shù)值模擬河流水質(zhì)污染帶的影響區(qū)域發(fā)現(xiàn)，采用兩側(cè)鏡像的二維水質(zhì)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(huán)境水力學(xué)的灰色理論體系，建立河道二維河流水質(zhì)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(jù)天然河道河段內(nèi)的水動力學(xué)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(xué)模型和二維污染物擴散水質(zhì)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(shù)學(xué)模型，分別確定了各方案中環(huán)境水力學(xué)計算水體和河流水質(zhì)邊界條件，模擬并計算南四湖調(diào)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(qū)河流分布的二維水流數(shù)學(xué)模型模型進行分析的基礎(chǔ)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(zhì)模擬的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是擁有大量的水文，水質(zhì)，工程概況，位置評價等內(nèi)容，而通過同步監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)更具真實性。而對于某些區(qū)域的部分監(jiān)測取斷面進行測量，有時因人為的誤差以及通過河段區(qū)域的等高線憑經(jīng)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(zhì)動力模型以及水質(zhì)數(shù)學(xué)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(dǎo)致數(shù)據(jù)模擬出的水質(zhì)模型偏于理想化，因而在實際中要以理論為基礎(chǔ)結(jié)合實際綜合模擬水質(zhì)。

3 結(jié) 語

河流的面源污染是一個復(fù)雜的過程，污染物投放到污染區(qū)域水體的匯集過程多是用水文水質(zhì)的相關(guān)概念進行模擬，并通過長期的水質(zhì)考察，結(jié)合經(jīng)驗?zāi)M污染水體的大致影響時空范圍而形成河流水質(zhì)模型。有時，由于枯水期水量減弱而不具備污染源的相關(guān)流經(jīng)區(qū)域，所以在今后需要多加的參考和考慮。水質(zhì)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(chǔ)上，非常有必要與水文水資源相結(jié)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(yīng)用的范圍不斷地擴大，在此過程中必然會出現(xiàn)一系列新的水質(zhì)問題，如何找到一種即簡便又較準確的經(jīng)驗公式定量地表示污染水源。在研究改進環(huán)境動力學(xué)、河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)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(huán)境水力學(xué)各要素的影響，并建立相應(yīng)的水質(zhì)模型，用以適應(yīng)更為復(fù)雜的河段計算，并嘗試著以一維模型為基礎(chǔ)跨越到二維三維的水質(zhì)模型中來，利用可視化的功能需求，全面直觀的再現(xiàn)污染水體的變化過程和演變機理。