河流污染二维水质模型研究及RMA4模型概述_马莉

二维水质模型定义水质模型是通过对水体特定参数进行数学建模和模拟，来研究、预测和评估水体环境的变化和质量的方法。

水质模型的目的是更好地理解水体中的污染物传输、生态系统变化和水质改善措施的效果。

本文将重点讨论二维水质模型的定义、原理和应用。

二维水质模型是一种通过建立二维网格来模拟和分析水体内污染物及其水质变化的方法。

它考虑到水体的水平平面分布和水流运动，并使用物理方程和计算方法来模拟和预测水体中污染物的扩散和转运。

在二维水质模型中，水体被划分为若干个网格单元，每个单元代表一个小的空间区域。

通过测量和监测，可以获取水体的初始条件和边界条件，并将其输入到模型中。

随着时间的推移，模型根据初始条件、边界条件和物理方程进行计算和模拟，以得到水体中污染物的浓度和分布。

二维水质模型的基本原理是质量平衡方程和扩散方程。

质量平衡方程描述了污染物在水体中的产生、输入、输出和转化过程，扩散方程则描述了污染物的扩散和输运。

这些方程考虑了水体中物质的浓度、流速和水动力学特性，并使用数值方法进行离散化和求解。

通过这些模型的建立和求解，可以预测不同情况下水质的变化，如污染物浓度的分布、水体的富营养化程度、溶解氧的含量等。

二维水质模型在水环境管理和水资源规划中具有广泛的应用。

它可以用于评估污染事件的影响、指导水体治理和保护措施的制定，并预测未来水质的变化趋势。

通过改变模型中的参数和输入条件，可以进行不同的情景分析和模拟实验，以评估不同的污染控制策略和方案的效果和可行性。

此外，二维水质模型还可以与其他模型相结合，如水动力模型、生态模型和气象模型，以更全面地模拟和评估水体的水文、水力和水质过程。

这种耦合模型的应用可以提供更准确的结果和更全面的分析，为决策者提供指导，以保护和改善水体环境。

总之，二维水质模型是一种有效的工具，用于研究水体环境的变化和质量的评估。

它基于物理方程和计算方法，通过建立二维网格来模拟和分析水体内污染物及其水质的变化。

水环境质量评价理论与模型研究随着环境问题日益严重，人们对水环境质量的关注也越来越高。

水环境质量评价理论与模型研究是一门重要的学科，通过对自然环境和人类活动的影响进行深入研究，为保护水环境、维护人类健康、促进可持续发展提供了重要理论和实践支撑。

一、水环境质量评价的意义水环境质量评价是指对水体的污染物状况、生态系统变化及其对人类的健康和环境的影响进行综合评价的过程。

水环境质量评价的意义在于为监测水质提供依据，保护人类健康和生态系统的完整性，优化水资源的利用，推动区域经济和社会可持续发展，建设清洁美丽的环境，改善人民生活质量。

水环境质量评价是一个复杂的过程，需要综合考虑物理、化学和生物因素，并基于环境系统的动态性、复杂性和不确定性分析和建模。

二、水环境质量评价的方法与技术1. 监测与数据分析水环境质量评价的第一步是对水体进行监测。

目前的水监测技术已经非常成熟，包括基于实地采样的野外监测和基于遥感和卫星图像的遥感监测。

监测数据被用于水环境质量评价的第二步，即数据分析。

数据分析包括对监测数据的有效性检查、数据处理、异常值处理、趋势分析、水环境管理和决策支持分析等。

2. 马尔可夫模型马尔可夫模型是一种可用于自然和社会环境系统分析的模型。

马尔可夫模型可以用来预测不同状态之间的转移概率，是分析水环境质量变化的有效工具。

马尔可夫模型和时空统计模型的结合在预测和模拟水环境变化方面具有良好的前景。

3. 空间插值方法空间插值方法是一种从有限点数据估计未知位置的方法，具有高度可视化和易于理解的特点。

在水环境质量评价中，应用空间插值方法可以将水质数据的空间分布表现为一个连续的表面，可以更好地显示地域性和季节性变化的特点。

4. 非参数回归分析非参数回归分析是用于评估响应变量和解释变量之间关系的一种方法，不需要假设线性关系，适用于复杂的复杂非线性关系。

在非参数回归分析中，可以确定水环境质量因素与环境指标之间的复杂动态关系，并为水环境质量评价提供更准确的分析和预测方法。

123二维水质模型及应用研究进展彭 琴，牟新利，张丽莹，李 军，李仁婷（重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆 万州 404100）摘 要：本文综述了二维水质模型及其应用，以及二维水质模拟研究进展，可看出它为评价、预测和选择污染控制方案及制定水质标准提供依据,是河流规划、管理、研究过程中的重要工具。

关键词：二维；水质模型；环境基金资助：重庆市教委科学技术研究项目（编号：KJ091106）和重庆三峡学院大学生创新实验项目（编号：2008-10）随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，水环境问题越来越受到人们的关注和重视，水质模拟是预测评价水环境问题的重要手段之一。

近几十年来，国内外许多学者已开展了大量的研究工作，针对所研究的问题的不同，提出许多水质模型。

水质数学模型(简称水质模型)是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法，是水环境污染治理规划决策分析中不可缺少的重要工具。

1 二维水质模型 1.1 FESWMS有限元表面水模型系统，模型最初是为美国联邦高速公路管理局开发的，用来模拟流经许多人工构筑物如堤坝、桥梁的河口和河流的水动力情况。

现在由国地质调查局(USGS)支持和发布。

王远航等应用FESWMS 二维水动力学数值模型，对温榆河机场南线高速公路段拟建桥墩壅水情况进行了模拟，探讨了高速公路桥对河道行洪安全的影响[1]。

1.2 MIKE21本模型由丹麦水动力研究所(DHI)开发，是MIKE11的姐模型，属于平面二维自由表面流模型。

丹麦水力研究所不断采用MIKE21作为研究手段，在应用中发展和改进该软件。

20多年来，MIKE21在世界范围内大量工程应用经验的基础上持续发展起来，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能。

模型可以提供多种水质变化过程，在全世界得到了广泛应用。

Patrick Poulin 等运用MIKE21-NHD 模型预测了潮汐通量，通过不同时期盐沼出口截面评估了养分通量的变化[2]。

2000年9月水 利 学 报SHU IL I XU EBAO 第9期收稿日期:1999209227作者简介:江春波(1960-),男,吉林镇赉人,副教授,博士.文章编号:055929350(2000)0920020205河道立面二维非恒定水温及污染物分布预报模型江春波1,张庆海1,高忠信2(11清华大学水利系,北京　100084;21中国水利水电科学研究院机电所,北京　100038)摘　要:通过建立一种立面二维模型,考虑自由水面的变化,采用全显式的有限体积法模拟了河道流动的水温及悬浮污染物质分布.该模型适用于大尺度水域中较长期的流动、水温及悬浮物质迁移问题.通过优化取水口位置高程将水体中污染物质残存总量控制到最少,对水库实际流动、水温、悬浮物质分布的模拟结果与实际观测符合良好.关键词:温度分层流;立面二维模型;水污染控制中图分类号:X143 文献标识码:A由于人类活动及工农业生产,使河流两岸的植被遭到破坏,大量泥沙及其悬浮物质流入江河、湖泊等水域,造成河流、水库水质的严重污染.随着人们对环境保护的日益重视,已经开展了大量的对水污染治理的研究,并且提出了相应的工程措施.其中,建立一个预报河道水域中流动、水温和污染物质分布的数学模型,是水污染控制方法之一.模拟河道水流流动特性的数学模型有二维与三维[1,2]之分.与三维数学模型相比,二维模型输入数据少、计算效率高.对于流速、温度以及浓度等在水深方向上分布基本均匀的情况,用沿水深方向积分后的数学模型[3]就可以得到满意的结果.而对于河道比较窄,流速、水温或污染物在深度方向上分布具有明显差异的情况,如垂向有回流旋涡、密度分层等,用立面二维模型[4,5]可以充分反映流动特征,与完全三维模型相比还可以节省计算工作量.对于简单均匀流动(垂向流速近似为零),文献[4]在假定悬浮泥沙颗粒为单一粒径且不考虑颗粒本身沉降速度的情况下,采用剖面二维模型模拟了泥沙颗粒在河道中的迁移过程;对于考虑复杂流态的立面二维模型,文献[5]采用k 2ε双方程湍流模型计算了一个立面二维流动,实际算例为一个定常的悬浮泥沙分布问题.以上两种模型均未考虑自由水面的变化.本研究提出了一种预测河道型水库中流速、温度和悬浮污染物质分布的立面二维数学模型.模型的特点为:(1)数值格式全部采用显式,具有节省机器内存、计算速度快的优点;(2)可以模拟较长时期(如几个月,几年)的流态、水温和悬浮污染物质分布;(3)考虑河道宽度的变化以及汛期自由水面的变化,适合于非定常问题的模拟;(4)考虑悬浮物质粒径不均匀性及自身在水中的沉降速度,并通过取水口布置对水库中悬浮物质分布及残存总量进行控制.1　数学模型111　基本方程　从Navier 2Stokes 方程和对流扩散方程出发,将方程沿河宽方向积分,通过时均化处理并引入湍流模型,就得到本文将要求解的立面二维方程组.—02—55x (B u )+55z(B w )=0(1)55t (B u )+55x (B uu )+55z (B w u )=-B ρ05p 5x +55x B v x 5u 5x +55z B v z 5u 5z -τw x ρ0(2)55z(p )=-ρg 或p =-ρg (h +ζ)(3)55t (B T )+55x (B u T )+55z (B w T )=55x B k x 5T 5x +55z B k z 5T 5z +B H ρ0c p (4)55t (Bc )+55x (B uc )+55z [Bc (w -w s )]=55x B λx 5c 5x +55z B λz 5c 5z(5)式中:u ,w 为水平和铅直方向的流速分量;ζ为水面相对高度;w s 为悬浮物质的沉降速度;T 为水温;C 为悬浮物质的浓度;v x ,v z 为涡粘性系数分量;k x ,k z 为水温扩散系数;λx ,λz 为污染物质的湍动扩散系数;p 为压力;ρ为水的密度;ρ0为水的参考密度;g 为重力加速度;h 为水深;c p 为水的比热;τw x 为边壁阻力;H 为太阳辐射热源项.H =55z(1-β)<0exp [-ξ(ζ-z )](6)式中:<0为太阳辐射量;β为热辐射的反射系数;ξ为常系数.对于直径在10～100μm 的悬浮质,其沉降速度w s 可由如下的斯托克斯公式确定:w s =g 18v ρs ρ-1d 2(7)式中:ρs 为悬浮物质的密度;d为悬浮物质的直径;v 为水的分子粘性系数.水的密度ρ是水温T 和污染物浓度c 的函数,由如下公式确定:ρ=ρ(T )+c 1-ρ(T )ρs (8) 从式(1)～式(8)中可见,模型考虑了河道宽度B 的变化、自由水面与大气的热交换、悬浮物质的沉降速度.对于悬浮颗粒浓度的计算,模型根据粒径的变化将其分为不同的组次分别利用式(5)、式(8)进行计算,然后将得到的不同粒径的悬浮质浓度按百分比进行加权平均,就可得到悬浮颗粒的浓度.模型的着重点在于掌握悬浮污染物质分布与水流速分布的关系,而不考虑悬浮污染物的生物及其化学反应过程.图1　计算区域和边界条件112　边界条件　计算区域如图1所示.(1)上游入口条件:水平方向流速—根据上游来流流量Q in 确定(垂向流速为零);入口处水温T in —根据气温的变动情况而确定;悬浮质浓度C in —根据与流量Q in 的相关分析而确定.(2)取水口(出口)边界条件:取水口处的流速根据发电和下游用水量确定;温度和浓度的法向梯度5T/5n ,5c/5n 为零.(3)水面边界条件:在水面由于水温和气温不同,有热量交换产生,其值<L 可由下式计算<L =<e +<c +<ra(9)式中:<e ,<c ,<ra 分别表示在水面上由于蒸发、传导和辐射而引起的热量交换.另外,水面上还给定悬浮物质的沉降通量w s c =0及扩散通量5c/5n =0.(4)底部河床边界条件:给定无滑移流速条件;温度和浓度的扩散通量为零.由于悬浮物质具有沉降速度,沉到河床底部的悬浮质的数量为:{w su c u B u -w sd c d B d -(B u -B d )w s c}Δx i (10)式中:下脚标u ,d 分别表示控制体的上、下表面;w su ,w sd 分别为在控制体的上下表面的沉降速度;Δx i 为控制体在水平方向的尺寸.在式(10)中,第三项是沉降到河床底部的悬浮质的数量.2　数值格式图2　控制体和变量的位置示意采用控制体积方法对基本方程(1)～(6)进行空间离散,根据交错网格方法,变量u ,w 以及标量(c ,T )分别布置在不同的空间位置上.如图2所示,求解水平流速分量u 的控制体用虚线表示,求解垂直流速分量w 和标量c ,T 的控制体用实线表示,两种控制体在水平位置上相差半个网格.若第k 时间步的各变量数值已知,则第k +1时间步的浓度值c k +1(i ,j )可表示为ΔV (i ,j )Δtc k +1(i ,j )-c k (i ,j )+B r u k (i +1,j )c k r -B L u k (i ,j )c k L Δz j +B u (w k (i ,j +1)-w s (i ,j +1))c k u -B d (w k (i ,j )-w s (i ,j ))c kd Δx i =λx B r c k (i +1,j )-c k (i ,j )Δx i +1/2-λx B L c k (i ,j )-c k (i -1,j )Δx i -1/2Δz j +λz B u c k (i ,j +1)-c k(i ,j )Δz j +1/2-λz B d c k (i ,j)-c k (i ,j -1)Δz j -1/2Δx i (11)式中:ΔV (i ,j )为关于浓度的控制体体积;下脚标(i ,j )为变量对应于网格点的位置;u r ,u L ,u u 和u d 为流速在控制体的右、左、上和下各边中点的流速值;B r ,B L ,B u 和B d 为各边中点处的河宽;Δx i ,Δz j 为网格尺寸;Δt 为时间步长.温度方程的离散形式与式(11)完全相同,在此略去.计算第k +1时间步的水平流速分量u k +1(i ,j )的格式为ΔV ′(i ,j )Δtu k +1(i ,j )-u k (i ,j )+B ′r u k r u k r -B ′L u k L u k L Δz j +B ′u (w k u u k u -B ′d w k d u k d Δx i -1/2=-1ρ0[p k (i ,j )-p k (i -1,j )]B ′c Δz j -1ρ0τk w x ΔV ′(i ,j )+v x B ′r [u k (i +1,j )-u k (i ,j )]Δx i -v x B ′L [u k (i ,j )-u k (i -1,j )]Δx i -1ΔZ j +v z B ′u [u k (i ,j +1)-u k (i ,j )]Δz j +1/2-v zB ′d [u k (i ,j )-u k (i ,j -1)]Δz j -1/2Δx i -1/2(12)式中:ΔV ′(i ,j )为水平速度分量的控制体体积;相应的河宽记为B ′r ,B ′L ,B ′u,B ′d .在水平流速分量u k +1(i ,j )求出之后.利用连续方程可以直接求出垂直方向的流速分量w k +1(i ,j +1).普通的交错网格法在求解垂直流速时,采用与水平流速和浓度均不同的控制体.本研究考虑到河道立面二维模型的特点,采用与求解标量(温度、浓度)相重合的控制体求解垂直流速分量.计算先从河道底部的格子开始,利用河道底部垂直流速为零的条件和已知的水平流速,直接可以得到格子上边中点的垂直流速,这样从下到上直到自由水面.对于自由水面上的格子,利用连续方程可以直接得到水面的升降变化值.在求出新的水面位置后,就可以实现网格的自动调整,满足变动水位情况下的非定常模拟.详细离散公式如下:w k +1(i ,j +1)=w k +1(i ,j )B d B u-u k +1(i +1,j )B r -u k +1(i ,j )B L Δz j /(B u Δx i )(13)Δζk +1i /Δt =w k +1(i ,j )B d B u -u k +1(i +1,j )B r -u k +1(i ,j )B L Δz j /(B uΔx i )(14) 从上述空间离散格式中可见,由于在变量的布置上考虑了立面二维河道的特点,采用显式的方法求解各变量,并能够模拟自由水面的变化过程,因此适用于河道流速、水温以及污染物分布的中长期的非定常计算.由于水库中的流速比较小,在处理对流项时采用了中心格式.对于网格雷诺数大于2—22—的强对流情况,根据水平来流方向采用迎风格式.3　数值模拟结果实际河道由主流和支流组成,在应用立面二维模型求解河道中温度分层流动及悬浮污染物的分布时,应在几条河流交汇处考虑质量、动量守恒条件.在主流河段布置34×80个立面有限体网格,在支流布置15×80个立面网格.网格在流动方向尺寸约为120～200m ,在水深方向上为1m ,在河床高程以下的网格在计算中不加考虑.根据相关分析来确定来流的悬浮质浓度,其公式为:c in =αQβ(16)式中:系数α=01135,β=1146,是利用观测数据通过最小二乘法确定的.其他计算参数的取值为:v x =10m 2/s ;v z =0101m 2/s ;k z =110×10-5m 2/s ;ρs =2650kg/m 3;c p =411784kJ /(kg 1℃);λx =015m 2/s ;ρ0=2650kg/m 3;k x =10m 2/s ;λz =110×10-4m 2/s ;g =918m/s 2.其中粘性系数和扩散系数的选取,是经过原形观测数据检验确定的.计算时段为某年9月4日～11月30日,在这期间有原型观测水温和悬浮物质浓度分布可以用来验证模拟结果.图3(a )为计算开始后96h (9月8日)的计算结果和实际观测结果的比较,图3(b )是在计算开始后600h (9月29日)的结果.图中:浊度为残留悬浮物质浓度.(a )(b )图3　计算与观测结果的比较 从这些结果中可见,由于太阳辐射的影响,在水面附近水温较高,数值模拟能够再现温度分层现象.计算得到的水温值与观测结果符合良好.图4　残留污染控制总量随时间的变化在洪水期间,水库中悬浮物质浓度较大,如何尽快清除悬浮污染物质及其掌握水域中的水温分布是水资源保护的一个重要课题.为了控制水库中的悬浮质分布和残留总量,根据实际工程需要对以下几种取水口位置高程方案进行了模拟和比较:(1)现状:取水口保持在430m 高程;(2)表面取水:取水口随着水面的位置而变化;(3)高浓度取水A (高A ):在440～480m 高程内,取水口随着坝前最高浓度的位置而变化;(4)高浓度取水B (高B ):在430～480m 高程内,取水口随着坝前最高浓度的位置而变化.不同工况下水库中残留污染控制总量随时间的变化如图4所示,从中可见在现状运行条件下有大量悬浮物质停留在自由水面附近;采用表面取水,可以保持水面清洁,但是水库中悬浮物质总量增多;采用高A和高B运行方案,可以使得悬浮物质总量减小,并且保持较厚的清水层,相比之下高B方案在取水口上方还有少量悬浮质存在.同时,采用高A和高B运行方案可以减小水库中污染物的残留量,并且能够保持较厚的清水层存在.4　结论(1)应用立面二维流动模型、显式的数值格式模拟较长时期、较大流域范围内的水温、悬浮污染物的迁移过程,计算效率高.(2)模型考虑了自由水面的变化和河道宽度的变化,适用于模拟河道非定常流动问题.计算结果与实测资料符合较好.(3)水域中的悬浮物质残留总量可以通过优化取水口位置高程的运行方案进行控制.比较4种运行方案(现状取水、表面取水、高A和高B取水)数值模拟结果,表明高浓度取水方案最优.参　考　文　献:[1]　ASCE Task Committee on Turbulence Models in H ydraulic Computations.Turbulent Modeling of Surface WaterFlow and Transport:Part1[J].Journal of Hydraulic Engineering.1988,114(9):971-991.[2]　Van Riji L C.Field verification of22D and32D suspended sediment models[J].Journal of H ydraulic Engineer2ing.ASCE,1990,116(10):1270-1288.[3]　Falconer R A,Owens P H.Numerical modeling of suspended sediment fluxes in estuarine waters[J].estuarine,Coastal and Shelf Science,1990,(31):745-762.[4]　张耀新,吴卫民.剖面二维非恒定悬移质泥沙扩散方程的数值求解[J].泥沙研究,1999,(2):40-45.[5]　雒文生,周志军.水库垂直二维湍流与水温水质耦合模型[J].水电能源科学,1997,15(3):1-7.A22D unsteady flow model for predicting temperature and pollutantdistribution in vertical cross section of a riverJ IAN G Chun2bo1,ZHAN G Qing2hai1,G AO Zhong2xin2(11Tsi nghua U niversity,Beiji ng　100084,Chi na;21Chi na Instit ute of W ater Resources andHydropower Research,Beiji ng　100038,Chi na)Abstract:A model for predicting the thermal stratified flow and turbidity transportation in the vertical section of a river is established.Since the scheme is explicit for velocity components,pres2 sure and scalar quantities,the model is efficiency and able to simulate long period transportation process of suspending materials in reservoirs and rivers.The model can be used to forecast and control of pollution.The validity of this model is verified by in site observation data.K ey w ords:thermal stratified flow;vertical22D flow model;explicit scheme;pollution control ——42。

流域水环境污染模型及其应用研究综述*朱瑶梁志伟＊＊李伟杨祎杨木易毛巍徐寒莉吴伟祥（浙江大学环境工程系，杭州310058）摘要流域水环境污染模型是研究流域水环境问题的重要工具，通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程定量化描述，识别污染物主要来源和迁移途径，估算污染负荷，评价其对流域水环境的影响，可为流域规划与管理提供决策依据．本文对当前国内外广泛应用的流域水环境模型，尤其是模拟污染负荷的模型进行了系统总结，主要包括污染负荷模型（GWLF 与PLOAD ）、受纳水体水质模型（QUAL2E 与WASP ）、以及集成污染负荷与水体水质的综合流域模型（HSPF 、SWAT 、AGNPS 、AnnAGNPS 、SWMM ），着重介绍各模型的结构原理与主要特点，讨论模型实际应用的局限性．此外，还对其他水质模型（CE-QUAL-W2、EFDC 和AQUATOX ）与综合流域模型（GLEAMS 和MIKE SHE ）进行了简要的总结．最后，通过对单个模型独立运用和多个模型联合运用的案例分析，探讨了流域水环境污染模型的发展趋势与应用前景．关键词流域水环境污染模型负荷水质文章编号1001－9332（2013）10－3012－07中图分类号X52文献标识码AWatershed water environment pollution models and their applications ：A review．ZHU Yao ，LIANG Zhi-wei ，LI Wei ，YANG Yi ，YANG Mu-yi ，MAO Wei ，XU Han-li ，WU Wei-xiang （Col-lege of Environmental and Ｒesource Sciences ，Zhejiang University ，Hangzhou 310058，China ）．-Chin．J．Appl．Ecol ．，2013，24（10）：3012－3018．Abstract ：Watershed water environment pollution model is the important tool for studying watershed environmental problems．Through the quantitative description of the complicated pollution processes of whole watershed system and its parts ，the model can identify the main sources and migration pathways of pollutants ，estimate the pollutant loadings ，and evaluate their impacts on water environ-ment ，providing a basis for watershed planning and management．This paper reviewed the watershed water environment models widely applied at home and abroad ，with the focuses on the models of pollutants loading （GWLF and PLOAD ），water quality of received water bodies （QUAL2E and WASP ），and the watershed models integrated pollutant loadings and water quality （HSPF ，SWAT ，AGNPS ，AnnAGNPS ，and SWMM ），and introduced the structures ，principles ，and main charac-teristics as well as the limitations in practical applications of these models．The other models of wa-ter quality （CE-QUAL-W2，EFDC ，and AQUATOX ）and watershed models （GLEAMS and MIKE SHE ）were also briefly introduced．Through the case analysis on the applications of single modeland integrated models ，the development trend and application prospect of the watershed water envi-ronment pollution models were discussed．Key words ：watershed ；water environment ；pollution model ；loading ；water quality．*中央高校基本科研业务费专项基金项目（2013XZZX004）资助．＊＊通讯作者．E-mail ：zhiweiliang@163．com 2013-01-16收稿，2013-07-23接受．目前，国内外由于重金属、病原体、营养物质和土壤侵蚀引发的流域水环境恶化趋势尚未得到有效控制，其中由于营养物质超标引起的水体富营养化问题尤为突出［1］．然而，目前我国在解决流域水环境污染问题的主要途径仍然是工程技术手段，运用模型在流域范围内对污染问题进行系统分析、预测、模拟和管理的手段仍然匮乏．流域水环境污染模型通过模拟污染物在流域范围内的迁移转化过程，明确污染物运移的时空分布规律，可以为治理和管理流域水环境提供有力支持．通过模型模拟，可以获悉人为污染源和土地管理活动产生的污染负荷对受纳应用生态学报2013年10月第24卷第10期Chinese Journal of Applied Ecology ，Oct．2013，24（10）：3012－3018DOI:10.13287/j.1001-9332.2013.0479水体的水质状况产生的影响，以及如何改变负荷输入以提高水质状况［2］．国内外已有不少关于流域尺度水文和非点源污染模型的结构特点和主要类型的综述［3－4］．国内外流域模型众多，归纳起来，主要可以分成两大类：第一类是根据物理过程描述的不同分为概念性（或经验性）模型和（半）机理机制的模型；另一类是根据空间离散程度或分辨率大小的不同分为集总式和分布式模型［5］．本文着重对流域水环境污染模型进行系统总结，根据研究目的和服务对象的不同，将其分为污染负荷模型、受纳水体水质模型和综合流域模型三大类，详细介绍了各类模型的结构原理、模型特点与水文、污染物迁移过程，通过具体的案例分析总结各模型在实际应用过程中的优势和局限性，探讨了模型发展趋势和应用前景．1污染负荷模型1.1GWLF（Generalized Watershed Loading Func-tions）GWLF模型是由宾夕法尼亚州立大学的Haith 和Shoemaker［6］共同开发的半分布式、半经验式的流域负荷模型，主要以月步长的形式模拟流域内不同土地利用类型产生的径流量、土壤侵蚀量和氮磷营养盐负荷．模型将整个流域视为一个单一的单元，并不对流域进行空间划分，仅对所有土地利用地区的负荷量进行简单加和．GWLF模型采用SCS曲线方程对地表径流进行计算模拟．利用改进的USLE 方程计算进入水体中的土壤侵蚀产生量．对于污染负荷模拟，GWLF模型将进入水体的污染物按形态分为溶解态污染物和颗粒态污染物．溶解态污染负荷来源包括点源、农村径流和地下水；颗粒态污染负荷来源包括农村径流和城市径流．GWLF采用负荷方程将溶解态和颗粒态污染物与流量联系起来［7］．GWLF模型能够利用地理信息系统技术（GIS）和遥感技术（ＲS）提供的空间数据，在中等尺度流域的范围内进行非点源污染负荷估算．GWLF对数据的要求比较低，只需要土地利用信息、土地覆盖、土壤、径流参数、土壤侵蚀和营养物负荷等．其相对SWAT等大型分布式流域模型具有空间数据要求少、参数量少、模拟过程相对简单等优点，且模型不需要校准，尽管水文校准已证明对具有监测数据时非常有用［8］．GWLF模型是半分布式、半经验式的流域负荷模型，因此模拟精度较粗；虽然可以按天进行计算，但只能以月步长输出径流量、污染负荷量，因此对单次暴雨时间的模拟不理想，不能说明极端环境情况下污染负荷贡献的问题．1.2PLOADPLOAD模型是由美国CH2M HILL水资源工程小组开发的基于GIS的流域非点源污染负荷模型，主要在年尺度上分析流域非点源的负荷量情况［9］．PLOAD模型所需的数据分为GIS数据（包括流域边界数据和土地利用类型数据）和表格形式的数据，输入的数据以文件的形式传递给模型进行计算．PLOAD能够计算各种污染物的负荷，包括总悬浮物（TSS）、溶解性总固体（TDS）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氮和磷等，计算负荷量时以不同土地利用类型进行分类统计计算．此外，对于实施“最佳管理措施（Best Management Practices，BMP）”的区域，还可增加BMP数据．PLOAD模型具有众多优点使其在许多区域得到广泛应用．该模型计算方法简单、易于理解、操作简便，而且计算结果可视化效果好；同时又能与BMP模型结合，可为非点源污染控制措施的制定提供依据．2水体水质模型2.1QUAL2EQUAL2E是由Tufts大学土木工程系和EPA水质模型中心（CWQM）环境研究实验室合作开发，其前身是20世纪60年代推出的QUAL-Ⅰ模型．QUAL2E是一维稳态水质模型，适用于模拟完全混合的树枝状河流水质．QUAL2E假定存在主流输送机理，即假定平流和离散作用都沿着河流的主流向，而在河流的横向与垂向上水质组分是完全均匀混合的，允许河流沿程有多个污染源、取水口和支流汇入．模型可依用户需求组合模拟15种水质参数：溶解氧（DO）、生化需氧量、温度、叶绿素a、氮、磷、大肠杆菌、任意非守恒物质和3种守恒物质［10］．QUAL2E既可以作为静态的模型也可以作为动态的模型使用．静态模拟时，能用来研究废水排放对河流水质的影响；动态模拟时，可研究气象数据每天的变化对水质（主要是溶解氧和温度）的影响，还可计算预定的溶解氧水平所需要的稀释流的流量．但QUAL2E作为一个相对通用的软件，使用的限制条件较为苛刻：河段数最多25个，且每个河段不超过20个计算单元；汇合单元最多6个；源头最多不超过7个等．QUAL2K是QUAL2E的改进版本，较QUAL2E 而言，QUAL2K改进的部分主要有：QUAL2E把河流系统分割成长度相等的河段，而QUAL2K采用不同310310期朱瑶等：流域水环境污染模型及其应用研究综述长度的河段；采用两种碳化BOD的形式（缓慢反应形式和快速反应形式）来表示有机碳；溶解氧和营养物的沉积物-水之间的通量被模拟成内在反应；模拟河流pH和底栖藻类等［11］．2.2WASP（The Water Quality Analysis Simulation Program）WASP模型是由美国环境保护局开发的水质模型系统，是用于模拟地表水中污染物迁移转化的通用的模型框架．适用于分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域一维、二维和三维的水质模拟问题．WASP是十分灵活的动态模型，其基本方程中反映了对流、弥散、点源负荷和非点源负荷以及边界等随时间变化的过程［12］．WASP模型是一种数学模型，在数值计算、参数率定上具有优势，但不足之处是其前期概化以及网格化较为繁琐，存在人为误差，因此需要与GIS耦合应用，将研究区域数字化，以提高精度．WASP系统由两个相对独立的计算程序DYN-HYD和WASP组成，两个程序可联合运行，也可分开独立运行．DYNHYD适用于一维的水动力学程序，用以模拟水流的运动；WASP是水质分析模拟程序，是基于质量守恒原理的动态模型模拟体系，在时空上追踪水质组分在水体中的变化．WASP程序由两个子模块组成：有毒化学物模块TOXI和富营养化模块EUTＲO．TOXI采用EXAMS的动力学结构，结合模型迁移结构和简单的沉积平衡机理，可预测有机化合物和重金属在各类水体中迁移积累的动态变化过程．EUTＲO采用POTOMAC富营养化的动力学结构，可模拟DO、BOD、氨、硝酸盐、叶绿素a、正磷酸盐等营养物质在水体中的迁移转化情况［13］．2.3其他水体水质模型除QUAL2E和WASP两种主要的常用水质模型外，还有许多其他适用于特定水体的水质模型．例如，由美国陆军工程兵团水道实验站开发的二维水质和水动力学模型CE-QUAL-W2，用于模拟二维横向平均水动力学和水质，适用于湖泊、水库和河口等水域［14］．由美国Virginia海洋研究所开发的环境流体动力学模型EFDC，可模拟水系统一维、二维和三维流场、点源、非点源的污染物、有机物迁移、回归趋势等［15］．AQUATOX模型是淡水生态系统模拟模型，可预测营养物和有机物的迁移转化，以及这些变化对生态系统的影响，包括鱼、无脊椎动物和水生生物［16］．3流域综合模型3.1HSPF（Hydrological Simulation Program-For-tran）HSPF模型是由美国环境保护署（EPA）开发的半分布式水文模型，用于较大流域范围内自然和人工条件下的水文水质过程的连续模拟．HSPF模型在斯坦福流域模型（SWM）的基础上发展而来，能够模拟流域的水量水质变化，预测径流、地表水、地下水中的污染物浓度，且计算常规的和有毒的污染物浓度以及模拟复杂非点源污染传输过程．HSPF包括3个主要应用模块，分别为透水区、不透水区、河道和混合水库，分别对3种不同性质的地表水文和水质过程进行模拟．3大模块又可细分为若干子模块，水文模块采用斯坦福Ⅳ模型计算径流量；侵蚀模块采用具有机理性的土壤侵蚀模型，将土壤侵蚀分为雨滴溅蚀、径流冲蚀和径流运移等若干子过程；污染物的迁移转化模块则考虑了BOD、DO、氮、磷和农药的复杂过程［17］．HSPF是最全面和灵活的一种流域水文水质模型，以强大的水文模型为基础，能够应用于大多数的流域，模拟精度较高，能够模拟不同时间尺度（每分钟、每小时或每日）的洪峰流量和低流量，但对其输入数据的要求也高，需要给出连续的降雨、蒸发、气温和日照等时间序列，同时也要有相应的连续水文水质监测数据来率定模型．HSPF最大的缺陷就是假设模拟的地区对“Stanford流域水文模型”是适用的，并且假设污染物在受纳水体的宽度和深度方向上是充分混合的，所以模型的实用性受到了一定限制．3.2SWAT（Soil and Water Assessment Tool）SWAT模型是由美国农业部（USDA）的农业研究中心开发的流域尺度模型，被称为在以农业和森林为主的流域具有连续模拟能力的最有前途的非点源污染模拟模型［3］．模型开发的目的是在具有多种土壤、土地利用和农业管理条件的复杂流域，预测土地管理措施对水分、泥沙和农业污染物的长期影响．SWAT模型采用日尺度为时间单位进行连续计算，是一种基于GIS的分布式流域水文模型，主要是利用ＲS和GIS提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程［18］．考虑到流域下垫面和气候因素时空变异对模型的影响，SWAT模型按照特定的集水区面积阈值，划分成若干个子流域，再根据不同的土地利用方式和土壤类型将各个子流域进一步划分出水文响应单元HＲUs．模型在各个HＲU上独立运4103应用生态学报24卷行，并将结果在子流域的出口进行汇合．模型模拟的流域水文过程分为两部分：坡面产流和汇流部分、河道汇流部分，前者控制着每个子流域内主河道的水、沙和化学物质等的输入量，后者决定水、沙和营养物质从河网向流域出口的输移情况．SWAT模型主要含有水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型3个子模型．采用SCS 模型计算地表径流，引入反映降水前流域特征的无因子参数CN，得到降水径流的经验方程；利用改进的通用方程（MUSLE）预测土壤侵蚀量；考虑各种形式的N、P在土壤中的迁移转化，并采用QUAL2E模型计算河道中营养物的迁移转化．SWAT模型目前应用广泛，但在实际应用中亦存在一定的问题．SWAT模型的数据库标准是针对北美地区的植被、气候与流域特点设计的，与我国现行的流域数据库（如土壤类型）存在差异，因此在实际应用时，需进行相关标准的转换，且工作量大而繁琐．此外，模型模拟的准确度主要通过调整与校验参数来取得，重要参数的选取也是影响模型应用效率的因素．3.3AGNPSAGNPS模型是由美国农业部农业研究局与明尼苏达污染物防治局共同研制出的流域分布式事件模型，不仅能预报流域的非点源污染负荷，而且还可以用来进行风险和投资/效益分析．AGNPS按照栅格采集模型参数，由水文、侵蚀和营养物质（主要因子为氮和磷）迁移三个部分组成，用以土壤养分流失预测，并对农业地区的水质问题以重要性为顺序进行排列，同时对单次暴雨径流和侵蚀产沙过程进行模拟［19］．AGNPS模型适用的流域尺度大小从几公顷到大约20000hm2，流域再以0．4 26hm2的单元进行均等分室，并以网格为基本运行单位，通过网格间逐步演算推算出流域出口．AGNPS模型是单次降雨模型，无法对流域内非点源污染进行连续预测，不适用于流域物理过程的长期演变特点，以及土壤侵蚀的时空分布规律等方面的研究．因此，美国农业部自然资源保护局与农业研究局开发了连续模拟模型———AnnAGNPS模型（Annualized Agricultural Non-point Source Pollution Model）［20］．与AGNPS模型相比，AnnAGNPS根据流域水文特征（地形、土地利用和土壤类型等）按照集水区来划分任意形状的分室，并以河网连接分室，以日为基础连续模拟一个时段内每天以及累计的径流、泥沙、养分及农药等输出结果，可用于评价流域内非点源污染长期影响．3.4SWMM（Storm Water Management Model）美国环境保护署开发的暴雨洪水管理模型SWMM是基于水动力学的降雨-径流模拟模型，它可以模拟完整的城市暴雨径流水量和污染物运动过程．SWMM包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体模块等主要模块．通过这些模块，模型可以计算城市地区与产汇流相关的各种水文过程，主要包括时变降雨量、地表水蒸发、洼地截留、地表径流非线性水库演算等［21］．此外，SWMM可以估算与径流相关的污染物负荷，可以应用以下过程对水质进行模拟：不同土地利用类型干旱天气下的污染物；在暴雨产生时，特定土地利用类型的污染物冲刷；BMPs（最佳管理措施）引起的冲刷负荷变化等．SWMM不仅可用于单次暴雨洪水的模拟，还具有连续模拟功能．在模拟具有复杂下垫面条件的城市时，将流域离散成多个子流域，根据各子流域的地表性质，逐个模拟，可以方便地解决复杂城市流域的雨洪模拟问题．SWMM模型是城市雨洪资源化研究的有效工具，但该模型对参数的要求很高，有待进一步完善和改进．3.5其他流域综合模型GLEAMS（Groundwater Loading Effects of Agri-cultural Management Systems）是由美国农业部农业研究署研制开发的基于连续降雨事件的经验型模型，可用于模拟地下水非点源污染，特别是对农药的迁移行为［22］．MIKE SHE模型是由丹麦水力学研究院（DHI）在SHE基础上发展研制的一个综合性、确定性的完全物理分布式水文模型．模型以多模块耦合的方式来模拟水循环中几乎所有的水文过程以及水量、水质和泥沙运输［23］．4模型应用4.1模型独立应用上述各模型自推出以来，在流域水环境污染模拟上已得到广泛的应用．Chikondi等［24］运用GWLF 模型模拟估算Malawi湖流域的Linthipe河集水区的总磷、总氮以及泥沙负荷，结果表明GWLF模型能够很好地估算泥沙以及污染物质的年平均负荷．Lee 等［25］运用模型估算从美国切萨皮克（Chesapeake）市滨海平原排放到Choptank流域的营养负荷，证实GWLF是一个非常有用的估算模型，在实际资料缺少的情况下，N、P等年尺度模拟精度在10% 50%．Ning等［26］为评估污染防治计划，运用QUAL2E模拟台湾Kao-Ping流域的生化需氧量、溶510310期朱瑶等：流域水环境污染模型及其应用研究综述解氧、总磷和铵氮浓度，得出需要在未来加大控制措施以减轻流域污染状况．张智等［27］将QUAL2E模型应用于长江重庆段水质模拟，以长江重庆主城区段平水期水质为原型，应用模型对成库后的水质进行了模拟预测．Lin等［28］应用WASP模拟评估台湾咸水流域的水质和计算水环境承载力，根据模拟结果，建议应尽量减少工业和生活污水的排放．史铁锤等［29］针对湖州市环太湖河网区水流往复性特点，以WASP模型为基础估算了环太湖河道COD和氨氮的水环境容量，并建立了综合点源和非点源的COD 和氨氮日最大排污量管理模式．相对于污染负荷模型和水体水质模型，综合流域模型HSPF、SWAT和AGNPS以及AnnAGNPS在国内外的应用更为广泛．Mishra等［30］基于HSPF模拟印度一个小流域的非点源污染损失量，经过模型校准和验证，模拟结果表明HSPF模型能够很好地模拟研究区径流和土壤侵蚀引起的非点源污染物流失．邢可霞等［31］将HSPF模型应用于滇池流域进行非点源污染模拟，得出SS是滇池流域非点源污染的首要污染物．Jha等［32］为确定改变土地利用对硝态氮负荷的削减情况，将SWAT模型应用于美国以农业为主的Squaw Creek流域，并得出结论：土地利用改变对硝态氮的损失非常敏感，改变土地利用方式，可以削减7% 47%的硝态氮．Wang等［33］基于SWAT模型估算大尺度流域———扬子江流域非点源污染负荷．模型分溶解态和吸附态污染负荷两部分进行模拟，并根据模拟估算结果，表明溶解态负荷主要受人类活动影响，吸附态污染负荷则主要受自然因素影响．尹刚等［34］利用SWAT建立了东北图们江流域非点源污染数据库，分别进行水文模拟、降雨径流和土壤侵蚀量计算．Polyakov等［35］对AnnAGNPS 模型进行适用性研究，将其应用于48km2的热带流域模拟该流域的地表径流、土壤侵蚀以及水质状况．洪华生等［36］运用AnnAGNPS进行中国南方山区中等尺度流域———九龙江流域农业非点源污染负荷估算和模拟流域过程和管理措施．Lee等［37］利用SWMM模型评估不确定性并估算在TMDL（最大日负荷总量）计划中基于BMPs更加合适的非点源负荷削减方案．为估算城市地区土地利用变化而引起的非点源污染负荷，Shon等［38］运用SWMM模型模拟Busan市的非点源污染负荷变化，并与前人研究作对比以确定其可信性．4.2模型耦合或集成应用由于各种模型具有不同的优势、限制以及适用条件，大量研究者将几种模型耦合应用，最大限度地发挥各模型的优势，使模拟结果更加符合研究需求，有效解决了流域复杂污染问题．Yuan等［39］集成AnnAGNPS和河岸带生态系统管理模型ＲEMM （Ｒiparian Ecosystem Management Model）评估美国海岸带平原河岸缓冲系统的污染负荷状况．Zhu等［40］为预测黑河金盆水库水质，研究非点源污染对陕西金盆水库水质的影响，耦合应用AnnAGNPS和CE-QUAL-W2模型．密西西比湾海岸地区的圣路易斯湾河口对密西西比河的水质具有重大影响，因此Liu 等［41］集成运用HSPF模型和EFDC模型模拟圣路易斯湾河口的水力水质状况．Ekdal等［42］将SWAT和WASP模型耦合应用于地中海沿岸咸水湖，将SWAT模型模拟的流域流量和非点源负荷输出作为WASP模型的输入，进行水质模拟．Narasimhan 等［43］基于SWAT和WASP建立了水库水质评估综合管理模型，SWAT模拟流域非点源污染结果表明，85%以上的总氮（TN）和总磷（TP）来自于非点源污染，而WASP模拟水库水质表明，至少需削减35%的TN和TP才可以明显地减少水库叶绿素a的浓度．王建平等［44］开发了以流域非点源模型（SWAT）、水生态动力学模型（EFDC）和河流模型（WASP）为基础的，在GIS、ＲS技术支持下的密云水库水环境模拟预测集成模型，实现密云水库及流域的营养物集成模拟和预测．5流域水环境污染模型发展趋势从流域水环境污染模型国内外的实际应用状况来看，以下几个方面需要深入研究：1）发展与改进现有模型，尤其是水文和污染物迁移转化机理的模型，包括模型平台开发、模型功能扩展以及模型校准验证等，拓展模型的使用范围和提高模拟的精度．目前许多模型已经与ArcView或ArcGIS平台集成，利用平台对空间数据的存储和处理能力，模型能自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、植被和河流等数据进行模拟，提高了模型模拟效率与准确性．针对模型校准验证，SWAT模型已推出专门用于模型率定和验证的SWATCUP［45］软件，单独高效地解决率定难、效率低等问题．因此，迫切需要进一步发展和完善各种模型，以提高模型应用效率．2）不确定性分析．虽然已有关于模型不确定性的讨论，但还没有形成系统化，普遍适用的理论体系［46］．因而对模型进行深入地不确定性分析，确定误差的大小和分布，对于模型的准确应用十分有意义．3）6103应用生态学报24卷加强耦合模型或集成化模型的应用．耦合模型或集成化模型就是结合各模型的优势，最大限度地发挥模型的应用，是解决流域水环境复杂污染问题的发展方向之一．随着各模型的推广应用，构建以水质为中心的大型流域集成管理模型成为必然，代表模型有BASINS模型．BASINS模型主要包括HSPF模型、SWAT模型、QUAL2E模型和PLOAD模型，目前，已有应用BASINS模型计算和评估污染负荷［47－48］，但是大多数应用只针对其中单个模型如PLOAD模型或HSPF模型的应用，未进行真正意义上的联合模拟．随着流域水环境污染问题的日益复杂化，耦合模型的综合优势将逐渐增强，在我国的应用也将更加广泛．参考文献［1］Novotny V，Olem H，Olness A．Water 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河流总体水质评价方法研究及数值模拟的开题报告一、选题背景和意义随着环境问题日益严峻，水环境质量成为了人们关注的焦点。

河流是地球上最重要的水资源之一，而河流水质的好坏直接影响着生态环境和人类健康。

因此，对于河流水质的评价和管理成为了一个热门的研究领域。

目前，河流水质评价的方法主要有定量和定性两种。

定量方法主要是利用各种物理、化学、生物指标进行水质分析，对河流水质进行定量评价；定性方法则是借助观感方法、水质管家等，进行水质主观分析。

但是这些方法都存在一定局限性，因此需要不断探索更为科学有效的方法。

数值模拟是近年来发展迅速的研究方法，可以模拟事物的变化趋势和规律，对于河流水质评价也有着广泛的应用。

因此，探索河流水质数值模拟评价方法及其在实践中的应用有着重要的理论和实践意义。

二、研究内容和方法本课题主要研究基于数值模拟的河流水质评价方法及其在实践中的应用。

具体内容包括：1.河流水质评价指标的确定：对于河流水质评价，确定评价指标是非常重要的。

因此，首先需要对河流水质评价指标进行了解和分析。

2.数值模拟方法的选择：根据研究目的和要求，选择合适的数值模拟方法，并在此基础上对数学模型进行构建和改进。

3.实验数据的采集和处理：在实际研究中需要采集一些实际数据，如河流水位、流量、温度、溶解氧等。

对于数据的采集和处理也是一个需要探索的问题。

4.数值模拟结果的分析和验证：通过对数值模拟结果的分析和验证，检测数学模型的可靠性和准确度。

5.数值模拟在实践中的应用研究：将数值模拟方法应用于实际河流水质评价中，探索其实践应用价值。

三、预期成果通过本研究，预期获得以下成果：1.确定适合河流水质评价的评价指标体系；2.选择适合的数值模拟方法，并构建相关的数学模型；3.探索河流水质实验数据的采集和处理方法；4.验证数值模拟结果的可靠性和准确度；5.在实践中应用数值模拟方法进行河流水质评价，并分析其实践应用价值。

四、研究进度安排本项目的研究进度预计分为以下阶段：1.目前阶段：文献资料收集、拟定研究方案及数学模型构建。

河流中污染物迁移转化模型研究进展黄维;方俊华【摘要】从数学特性角度分类，河流污染物的迁移转化模型可分为确定与非确定性模型，并正经历着由确定性模型向非确定性模型发展的转变。

从确定与非确定性两个方面对国内外河流水质模型进行了总结和分析，并着重介绍了WASP、QUAL、RMA4等确定性模型和随机模型、灰箱模型、神经网络算法等非确定性模型的原理及其在国内的应用。

针对河流中某个特定污染体系(如底泥、潜流带)或某类污染物(如重金属、石油类、营养物质等)的迁移转化模型也有大量研究成果。

河流污染物迁移转化模型的未来发展趋势将是模糊数学和不确定性分析技术的应用，与人工神经网络和GIS的结合，状态变量和组分数量的增加，以及三维数学模型的发展。

%10.3724/SP.J.1201.2012.06142【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】6页(P142-146,158)【关键词】污染物;迁移转化;河流;水质模型;模拟【作者】黄维;方俊华【作者单位】重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045;重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045【正文语种】中文【中图分类】TV21;X522河流中污染物的进入及迁移转化在很大程度上影响着河流水质，而河流水质与人类生产生活息息相关，因此清楚河流中污染物迁移转化规律及预测河流水质变化规律至关重要。

数学模型在河流水质预测中发挥着显著的作用。

它可以模拟河流中污染物迁移转化的过程，预测污染物分布状况及河流水质。

描述河流中污染物迁移转化的数学模型，多为水质模型。

因此，笔者主要从国内外河流水质模型和几种特殊污染物的迁移转化模型两个方面阐述了河流污染物迁移转化模型的研究进展。

1 河流污染物迁移转化模型的发展及其类型1925年，美国工程师Streeter和Phelps在研究Ohio河污染时建立了第一个氧平衡模型［1］，简称S－P模型，由此打开了水环境数学模型之门。

33马莲河水环境质量现状分析及保护对策文_张丽 福建省南平市浦城生态环境局摘要：伴随我国城市化进程不断深入与经济发展，马莲河流域所受污染日益加剧，流域水环境质量整体受到削弱，无法与水功能区相关要求相匹配。

因此，本文将主要通过对马莲河各河流段现状的监测、分析、评价，将“外源减排、内源控制、水质净化、生态恢复”作为技术总体思路，进而提出今后水环境保护应采取的对策与措施，促使马莲河水质得到改善。

关键词：水质监测；对策；水环境；马莲河Environmental Quality Analysis and Protection Countermeasures of Malian RiverZhang Li[ Abstract ] With the development of urbanization and economy in China, the pollution of Malan River basin is becoming more and more serious, and the quality of water environment in the basin is weakened. Based on this, this paper will mainly through the monitoring, analysis and evaluation of the current situation of each section of the Malan River, "external source emission reduction, internal source control, water quality purification, ecological restoration" as the overall technical thinking, the countermeasures and measures should be taken to protect water environment in the future are put forward to improve water quality of Malan River.[ Key words ] water quality monitoring; countermeasures; water environment; malan river1 马莲河水域概况马莲河原名新溪，属于南浦溪一条支流，河流全长25.2km，流域面积145.7km2。

基于二维水动力水质模拟下水环境容量的求解研究随着现代社会的发展，由于人口的增加，环境污染的加剧，以及农业、工业等各种生产活动对水资源的过度消耗，下水河流的污染程度不断增加，这就导致了水环境容量的急剧下降。

为了准确描述水环境的容量变化，研究者提出了基于二维水动力水质模拟的求解研究。

首先，在研究过程中，研究者将水环境成分划分为两维概念：水动力学和水质学。

水动力学是指河流水文过程，包括河流的流动特性、水位变化和水流量；水质学指的是河流水质，主要关注河流水体化学物质、离子和有机物的运动过程以及水体的机械特性。

因此，研究者利用二维水动力模型和水质模型，通过对河流水文过程和水质特性的相互影响，进行模拟分析，从而准确描述水环境容量的变化。

其次，研究者利用二维水动力水质模型，将流域分为上、下游两段，分别进行模型研究。

在上游模型中，研究者建立了水动力模型和水质模型，其中水动力模型主要包括水位、流量和渗透系数的模拟，而水质模型的主要内容是水质成分的物理变化过程，包括水温、浊度、溶解氧含量等指标的模拟；在下游模型中，研究者采用的是吸附减污法，即研究者建立了水流速度模型，模拟上游发生的水流和水质变化，并通过计算模型来求解各种污染物吸附情况，从而对污染物进行有效的减污处理。

经过上述模型研究，研究者建立了一种新型的流域水环境容量模型，其可以准确描述水环境容量的变化特征，进而可以为水环境的容量恢复提供参考依据，从而改善水环境质量。

综上所述，本研究利用二维水动力水质模拟，对流域水环境容量的变化进行研究，为水环境的容量恢复提供了重要参考。

但是，本研究也有一些不足之处，例如，在模型研究中，研究者忽略了水体中其他污染物的影响；由于缺少实际数据，研究者也无法对模型的精度进行有效的检验；最后还有一点是，在流域水环境容量的恢复过程中，研究者也只是采用了基于物理机制的模型研究，而忽略了利用生态学方法来恢复水环境容量的重要性。

因此，在未来，研究者需要对模型进行进一步的改进和完善，以提高模型的准确性；此外，研究者也需要挖掘更多实际数据，以便有效地验证模型；最后，研究者也需要将生态学技术引入到流域水环境容量的恢复当中，进一步提升恢复水环境容量的有效性。

地表二维稳态河流水环境数字化评价平台的设计
安静华;白文斌;张亚丽
【期刊名称】《现代农业科技》
【年(卷),期】2013(000)010
【摘要】地面河流水模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述.水质模型广泛应用于水环境过程模拟、水环境质量评价、污染物水环境行为预测、水生物污染暴露程度分析和水资源科学管理规划等水环境保护的各个方面.该文用VisualBasic编程语言调用MATLAB工具箱中强大的数据处理和图形显示功能,通过构建二维稳态河流水环境数字化评价平台,从而实现便捷、科学、准确地预测污染物在二维稳态水环境中变化.
【总页数】4页(P196-198,204)
【作者】安静华;白文斌;张亚丽
【作者单位】山西省水利水电勘测设计研究院,山西太原030024;山西省农业科学院高粱研究所;山西农业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
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1.基于熵权多元联系数的大沽河流域地表水环境健康评价 [J], 张欣;张保祥;时青;崔峻岭
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河流污染二维水质模型研究及RMA4模型概述马 莉1,2,桂和荣1,3,曹彭强4(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232007;2.淮南职业技术学院采矿工程系,安徽淮南 232007;3.宿州学院,安徽宿州 234000;4.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098)摘 要:介绍二维水质模型常用的模拟手段、建模求解步骤的要点难点,并在此基础上对RM A 4水质模型的特点进行详细归纳和分析,最后探讨河流水质模型的未来发展趋势,从而为建立二维河流水质模型进行水质模拟提供一定的思路和依据.关键词:河流;二维;水质模型;RMA 4中图分类号:X 522;O 242.1 文献标志码:A 文章编号:1000-2162(2011)01-0102-07Study on i ntegration of 2D waterquality m odels and revi ew of RM A4modelMA L i 1,2,GU I H e rong 1,3,CAO Peng q iang 4(1.D epart ment o f Earth and Env iron m ent ,A nhui U nivers it y of Science and T echno l ogy ,H uai nan 232007,Ch i na ;2.D epart ment o fM i ning Engeer i ng ,H uainan V o ca ti ona l T echn ical Co llege ,Hua i nan 232007,China ;3.Suz hou Co lleg e ,Suzhou 234000,Ch i na ;4.D epa rt m ent ofH ydrolody and W ater R esources ,H oha iU niversity ,N anji ng 210098,Ch i na)Abst ract :The co mm on m ethod o f 2D w ater quality m odels and the po ints for so l v ing t h e w ater qua lity m ode ls were introduced i n t h is paper .Then a w ater qua lity m odels RMA4w as i n tr oduced and its character i s tics w ere analyzed .Fina ll y the developi n g trends o f si m ulati o n o f river w ater qua lity w as d iscussed .Th is is beneficia l to bu ild i n g and using m athe m atic mode ls to si m u late the river w ater qu lity .K ey w ords :river ;2D;w ater qua lity m ode;l RMA41 河流污染二维水质模型研究概况水质模型是污染物在水环境中的变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述,它既是水环境科学研究的内容之一,又是水环境研究的重要工具.它涉及水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题.最早研究的水质模型为一维水质模型,其主要应用于河道很长,而水面宽度和深度收稿日期:2010-06-08基金项目:安徽省学术与技术带头人基金资助项目作者简介:马 莉(1983 ),女,辽宁沈阳人,淮南职业技术学院讲师,安徽理工大学在读博士.引文格式:马莉,桂和荣,曹彭强.河流污染二维水质模型研究及RM A 4模型概述[J].安徽大学学报:自然科学版,2011,35(1):102-108.2011年1月第35卷第1期安徽大学学报(自然科学版)Journa l o f Anhu iU n i versity (N a t ural Science Ed iti on)January 2011V o.l 35N o .1相对较小的狭长河段.二维模型适用于某一坐标方向混合比较均匀,如竖向混合(一般相对浅而宽的河流)或横向混合(如在分层的河口),而在其他两个坐标方向的浓度梯度较大的情况[1].二维水质模型可以广泛应用于大型河流河口,是研究河流污染较常采用的方式.1.1 二维水质模型的研究手段国内对二维水质模拟通常采用两种方式:一是针对特定水域自主开发模型;二是采取国外的水质模型软件.针对特定水域自主开发模型,近几年来,刘启峻[2]以守恒形式的二维水动力方程组为基础,开发了Tabata 的迎风有限元模型.马生伟等[3]建立了浅水湖泊风生流和TP 的二维迎风有限元数值模型.华祖林等[4-5]建立了水质模型并计算了长江南通段的潮流和浓度场.张萍峰等[6]建立了二维风生流模型等.国外发明的二维水质模拟软件主要有:M I K E21、CE -QUAL -W 2、WASP 、S M S -SED2D 、S M S -R MA4模型等.(1)M I KE21模型:由丹麦水动力研究所研发,用于二维水动力学、水质、富营养化、石油泄漏等计算,适用于河流、湖库、河口及海湾等.(2)CE -QUAL-W 2模型:由美国陆军工程兵团研发,是二维横向平均水动力学和水质模型,广泛适用于湖泊、水库和具有湖泊特性的河流.(3)WASP 模型:由美国国家环保局开发,它可以模拟几个底泥层和2个水体层,模拟范围较广,其水质模型为二维,水动力学模型为一维.(4)SM S-SED2D 、SM S-RMA4模型:SED2D 、RMA4是大型商业软件地表水模拟系统S M S (the SurfaceW ater M odeli n g Syste m )的重要组成模块,两者均为运输传送模型,SED2D 倾向泥沙传送,R MA4应用于污染物扩散输移.综合分析以上几个模型的特点,从模型模拟对象来看,CE -QUAL -W 2模型由于起初是针对水库研发的,较多用于模拟多藻体水体,因此主要用于水库、湖泊的模拟,其余模型的模拟对象广泛.从模型求解来看,S M S 模型由于采取有限元算法,网格划分灵活,可以很好地生成矩形网格和三角形网格,易于处理不规则区域边界,计算精度较高,但计算量大,计算速度较慢.M I K E21和WASP 模型由于采取差分求解法生成矩形网格来拟合实际边界,相比之下计算精度不高,但速度较快.从模型运行来看,SM S 和M I KE21模型是大型商业软件,用户界面友好,输入输出灵活,能够提供较好的技术支持.特别是S M S 软件,可以提供原程序,为二次开发提供可能.基于以上国外模拟软件,国内学者做了大量的研究,王崇浩等[7]利用M I K E2l 模型建立了渤海水域大模型和黄河口水域小模型,对黄河口潮流和泥沙输移进行了数值模拟.胡治飞等[8]应用CE -QUAL-W 2建立了北京市官厅水库水质预报系统.庄丽榕等[9]应用CE -QUAL-W 2模型模拟了福建山仔水库.孙学成等[10]进行了WASP 系统在三峡库区水质的仿真应用.廖振良等[11]通过WASP 模型软件开发了苏州河水质模型.尹海龙[12]应用S M S 模型对黄浦江水质进行改善措施分析.不管采取何种方式建模,二维水质模型的建立通常要从以下几个步骤建立.1.2 二维水质模型的建立步骤1.2.1 区域信息资料的采集了解研究区域流域状况,收集研究区域相关地形、水文、水质、降雨等详细资料,完备的水质水流报告是建立水质模型的基础.监测数据要具有代表性、实时性和动态性等特点.1.2.2 计算区域网格的生成计算网格通常采用两种形式,即有限差分计算网格与有限元计算网格,分别基于数值计算的有限差分与有限元原理.有限差分计算网格包括:等步长矩形网格、变步长矩形网格、贴体边界曲线网格.矩形网格一般应用于规则的计算边界,难以精确而光滑地拟合实际边界.贴体边界曲线网格、有限元计算网格都可以用来较好地模拟复杂不规则的边界,减少边界误差,但由于受到正交性和局部曲率的限制,贴体边界曲线网格不能完全任意地贴合河岸和海岸边界,而有限元网格则基本上可以任意地贴合河岸和海岸边界,故应根据实际地形特征选择适宜的网格生成方法.103第1期马 莉,等:河流污染二维水质模型研究及RM A4模型概述1.2.3 二维水动力学模型的建立水动力学模型是描述不同水体水文特征和流场时空分布规律的数学模型.研究不同类型水体中流场的时空分布规律是研究污染物分布的基础,掌握水体中流场特性才有可能研究污染物的分布特性.因此,水动力学模型是水质模型的流场基础.二维水动力学模拟涉及边界处理和水动力学参数设置.实际流动问题都有边界存在,属于混合初边值问题.主要有:外部流动(绕流)和内部流动(流体被限制在陆地之间),或其混合.常需截取一部分水体形成有界计算域,因而边界可分两类:一是陆边界(闭边界),是实际存在的;二是水边界(开边界),是人为规定的.边界条件的主要形式有3种:给定水位过程;给定流量过程;给定水位流量关系.选择时首先要考虑问题的物理要求.参数估计往往是一个有尝试又有主观判断的模拟计算和迭代过程.通常根据已有的河流水流水质信息以及污染物在河流中变化规律的知识,先选择一初始参数,然后将模型的输出与观测值加以比较[13],水动力学参数主要涉及床面阻力系数、动边界计算参数和紊动黏性系数等.1.2.4 二维水质模型的建立水质模型是描述水体中污染物随时间和空间迁移、扩散和转化的数学方程.它是水环境中污染物排放与水体水质之间定量关系的描述,是实际水环境中污染物物理、化学、生物化学等行为的数学概化和抽象,是由此而形成的污染物时空分布规律的描述.水质模型中也有许多重要的参数,这些参数正确与否,直接关系到水质模型在实际应用中能否正确反映实际情况.实际上,水质模拟过程,也就是对系统模型进行识别,对模型参数进行估计,再用观测值进行检验、调整的反复试验过程.水质参数主要涉及离散系数、大气复氧指数等.1.2.5 模型的验证与应用通过以上4点可以确定由选择参数所确定的河道污染物相关指数的预测数据,将此数据和实测数据进行比较分析,看是否在一个合理的误差区间、精确度是否满足.根据所监测目标河段的全面数据,将模型应用于模型所使用的范围.鉴于以上对二维水质模型的描述,故以下对目前常用的二维水质模型R MA4作一简要的介绍和分析.2 二维水质模型RMA4R MA4模型是被美国陆军工程兵团使用的TABS模型系统的一部分,在S M S中执行.SM S即地表水模型系统,由美国B ri g ha m Young大学图形工程计算机图形实验室开发[14].R MA4模型作为一个平面二维有限元法的污染物输移的水质模型,主要应用于水库、河流、河口、海湾和滨海地区污染物质的输移扩散计算,以及排污口优化、石油泄漏评价等.应用RMA4模型进行天然河道的数值模拟计算,可以满足水质预测、计算精度等多方面的要求[15].该模型执行前必须有SM S中另一模块TABS-R MA2模块提供水动力学支持.2.1 R MA4模型控制方程(hc) t+x(huc)+y(hvc)=x(hD xcx)+y(hD ycy)+S i+S0,其中:c为污染物断面平均浓度;h为计算节点的水深;u、v为x、y方向的深度平均流速;D x、D y为x、y方向的扩散系数;S i为方程式中的污染物组分反应项,诸如生物化学中的生长与降解变化,假定反应遵守一级动力学反应式,则S i=-kch,k为生物化学反应率常数;S0为源和汇项.2.2 R MA4建模过程R MA4建模过程如图1所示.104安徽大学学报(自然科学版)第35卷图1 RMA4建模过程F ig.1 R M A4m ode ling process2.3 R MA4的功能与局限性(1)可以从GFGEN中读取一维或二维的网格文件,并进行网格编辑.同时从RMA2模块中读取河段的水力学信息,并描绘流速场.(2)对于河漫滩等特殊地形,在前期R MA2模块中可以设置干湿分离;对于特殊天气,还可以进行降雨量和蒸发量的设置.(3)可以对R MA4之前运行的程序进行热启动.(4)R MA4可以同时计算包括保守物质和非保守物质在内的6种污染物质.(5)R MA4模型仅局限于污染物在垂向方向混合均匀的水流情况,对于复杂的三维流动,尤其对于分层流动,当流体的浓度对密度产生较大影响时,则需采用TABS-MDS、W ES R MA10加以描述.2.4 R MA4模型的应用举例2.4.1 前期地形数据的采集SMS的Scatter模块可以识别的有*.xyz,*.ti n以及数字高程的*.de m文件;M ap模块可以识别包括GTS、C AD或T I FF格式的图片数据.以输入C AD格式的图片文件为例,在M ap模块下,将其转化为.dx f文件,导入SMS界面,通过勾勒研究区域边界,可以导入平面坐标数据.对于高程数据,含有河底高程数据的.dx f格式文件在M ap模式下散点化,即可导入研究区域的河底高程.图2为含有高程信息的某一河段[14]的散点图.继而可以得到该研究河段的河底地形填充图,如图3所示.图2 含有高程信息的散点图F ig.2 T he data po i n ts inc l ud i ngelevation图3 河底地形填充图Fig.3 E levati on con tours of r i ver botto m105第1期马 莉,等:河流污染二维水质模型研究及RM A4模型概述2.4.2 有限元网格的生成采用的基于GIS 原理的S M S 中的地图模块(M ap M odule)、有限元网格生成模块(M esh M odu le)中的有限元网格生成模块是一种自动化的计算网格生成工具[14].考虑到该河段计算域边界较规则,三角形网格刚度较大,容易造成应力集中,而四边形网格稳定性较好,故以四边形网格为主划分计算区域,图4为该河段利用S M S 的网格生成工具自动生成的有限元网格.该区域共生成网格单元640个,其中八节点四边形单元数600个,六节点三角形单元数40个,总节点数为2021个.2.4.3 由S M S-RMA2模块建立水动力学模型首先需确定水动力边界条件.水动力边界条件分上下游边界和侧边界.上下游边界一般为动边界,对R MA2模块而言,一般为流量过程线和水位过程线.侧边界是研究河段的大小支流,研究之前必须明确,根据其对研究河段的影响程度决定取舍.图4中目标河段无边界支流,仅有一单个边界排污口.以恒定流为例,假设上边界流量为1416m 3 s -1,下边界水位为35m,排污口排污流量为5.7m 3 s -1.参数设置河底糙率为0.035,紊动黏性系数为20,图5为基于有限元网格生成的流速场.图4 有限元网格F ig .4 T he f i n ite ele m ent m esh 图5 基于有限元网格生成流速场 Fig .5 The flo w i n g field based on f i n ite ele m en t m esh2.4.4 RMA 4模型的建立及应用对于瞬时单个排污口排污,用户可以自定义排污口的位置,对于固定排污,确定恒态值,对于随机性排污则给定排污量曲线,同时确定各个模型参数.对于多个排污口,则需要对浓度场叠加.如河段为单个排污口排污,假设排放5h ,污染物排放浓度为1000ppm,污染物扩散系数为10m 2 s -1,图6、7展示的是单个排污口恒态排污下,排污1、5h 的浓度场.图6 排污1h 的浓度场F ig .6 The concen tration fie l d related to one hou r spoll u tan ts si nk s 图7 排污5h 的浓度场 Fig .7 The concen tration f i e l d re l ated to f i ve hour s po ll u tan ts sink s由以上R MA4模型的特点可以看出:(1)利用G I S 原理的SMS 中的地图模块(M ap M odule)将二维水域进行空间离散化,形成基于有限元的自动化计算网格,使得数据的精度和信度大为提高.(2)R MA2模块提供的水动力学条件是R MA4模块执行的前提.106安徽大学学报(自然科学版)第35卷(3)应用RMA4强大的后处理功能,可以直观地显示和输出污染物在空间和时间上的分布变化,可以为水质监测和管理部门提供一定的技术支持.3 水质模型的研究进展3.1 水质模型的完善与开发自1925年,美国的两位工程师斯特里特和费尔普斯在对Ohio 河流污染源及其对生活用水造成的影响的研究中,提出了氧平衡模型的最初形式S-P 模型以来,国外研究学家相继开发了生物化学需氧量和溶解氧(B OD -DO )的双线性系统模型、暴露分析模拟系统模型和具有水质分析模拟程序的食物链模型、多介质环境综合生态模型等.近年来,很多科研组织开发了不少综合水质模型,如上文所述,M I KE 、CE -QUAL-W 2、WASP 、RMA4等,但在模型的通用性、全面性、开发性、灵活扩展的程序接口方面还有很大的发展空间.因此,通过应用新技术,在对污染物扩散输移机理不断深入认识的同时,不断改进和完善已有的模型.同时,根据国内需要开发和引进新的水质模型是目前的一个发展方向.3.2 模拟对象的拓展模拟对象逐步由环境水质向环境生态过渡,综合生态模型系统成为趋势.近年来,国内研究学者林卫青等[16]建立了长江口水质和生态动力学模型,贾海峰等[17]建立了北京水系多藻类水质生态模型.目前,河流水质模拟主要是自然条件下水质指标的动态变化,比如溶解氧(DO )、5日生化需氧量(BOD 5)、营养物等水质指标,但对水体生态系统并未考虑.随着水生生态系统为对象的提出,虽然有些以水生生态系统为对象的模型被开发,此类模型对水生生态系统内部动力学关系描述详细,但是对模拟对象的水动力学条件和水质动态较为简化[17].因此,综合考虑水动力学条件下的水体生态系统将成为未来水质模拟发展方向.河流水质模拟将以生态动力学为主流,各学科相互交错与渗透,生态学与分子生物学相结合,水环境与生态的保护和管理值得关注.3.3 模拟方法的增强随着计算机技术的增强,水质模拟从最初的解析解和浓度表达发展到现在的以人工神经网络模拟辅助解析及与地理信息系统(Geograph ic Infor m ati o n Syste m,简称为GIS)相结合的数值解和逸度表达.人工神经网络(ANN s)除了可以直接应用于对水质进行模拟预测外,还可以被嵌入到水质模型模拟中,如通过人工神经网络定水质模型中的各参数,使其对水质的分析和模拟过程更趋于合理化,同时增强处理非线性问题的能力,提高预报精度等,在水质模型方面的应用研究必将随着人工智能模拟的进步而深入.地理信息系统是一种在计算机软件、硬件支持下,把各种地理信息和环境参数按空间分布或地理坐标,以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统.它以空间实体作为描述、反应空间对象的单位,采用空间分析和建模的方法,适时提供多种空间决策支持信息.地理系统在空间信息的查询和分析、地物叠加、地理信息实体化、空间参数的获取与传递、结果的直观表达等多方面具有优势,且已发展出组件开发的灵活集成模式[18].国内学者庄巍等[19]对长江预警预报系统进行了研发,根据长江水体二维水质模拟的不同需求,针对连续排放点源模型、瞬时排放点源模型、非稳态数值解模型这3种水质模型,提出了在G I S 平台下的集成方法,将水质模拟与地理信息系统集成,更好地满足计算精度、计算效率等方面的需要,提高了水质模拟应用的灵活性.G I S 技术的完善,将水质模拟引入一空间层次.4 结 语由以上分析可以看出,随着水质模拟方法的增强以及各种成熟的水质模拟软件的应用,水质模拟已得到快速发展,取得一系列的成果,而且应用前景广阔.但是目前由于一些实验条件的制约(研究前期资料收集的困难等),河流水质模拟还存在一定的困难.但随着科学技术的深入,尤其是水环境的信息化、智能化和实用化在水环境中的应用和发展,其必将为资源和环境的规划和管理提供更有力的支持.此外,水环境信息的不断公众化和网络化,也将为研究提供更广泛的资源渠道.107第1期马 莉,等:河流污染二维水质模型研究及RM A4模型概述108安徽大学学报(自然科学版)第35卷参考文献:[1] 王玲杰,孙世群,田丰.河流水质模拟问题的探讨[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2005,28(3):260-265.[2] 刘启峻.太湖梅梁湾风生流的数值模拟[D].中国科学研究院地理与湖泊研究所,1993.[3] 马生伟,蔡启铭.浅水湖泊TP分布的迎风有限元数值模型研究[J].环境科学研究,1999,12(5):57-59.[4] 华祖林.弯曲河段水流水质二维数值模拟[J].水资源保护,1999(3):12-15.[5] 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第26卷第6期2010年11月水资源保护WATER RESOURCE S PROTEC TION Vol.26No.6Nov.2010DOI :10.3969/j.issn.1004 6933.2010.06.002作者简介:常文婷(1983 ),女,安徽涡阳人,助理工程师,硕士,主要从事污染物质在天然水体中的迁移转化规律、环境系统规划等研究。

E mail:hhc wt@基于平面二维水质模型的潮汐河流污染源反演常文婷1,王 冠2,韩龙喜3(1.杭州市环境保护科学研究院,浙江杭州 310014; 2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020; 3.河海大学环境学院,江苏南京 210098)摘要:根据潮汐河流的水动力及污染物输运特点,采用二维非稳态水动力、水质模型构造污染源控制反问题,在确保控制点水质达标的前提下,通过对污染源进行反演控制,实现总负荷量最大与污染负荷最优分配的目标。

以长江小河口 十二圩段为例,对反演方法进行验证。

结果表明,反问题计算结果是可信的。

关键词:潮汐河流;二维水质模型;污染源控制;反问题中图分类号:X26 文献标识码:A 文章编号:1004 6933(2010)06 0005 04Inverse study on pollu tion source in tidal river on the basis of 2D water quality modelCHANG Wen ting 1,WA NG Guan 2,HAN Long xi 3(1.Hangzhou Academy o f Environmental Science,Hangzhou 310014,China ;2.Zhejiang Institute o f Hydraulics and Estuary ,Hangzhou 310020,China ;3.College o f Environment,Hohai University ,Nanjing 210098,China)Abstract:Considering characteristics of water dynamics and pollutants traveling in a tidal river,an inverse problem of wa ter pollution source c ontrol was established on the basis of two dimensional unsteady hydrodynamics and a water quality model.On the condition that the water quality meets the standards at the control points,the maximization of total discharged pollutant loads and the optimal distribution of pollutant loads can be realized simultaneously by inverse control of water pollution sources.The reach of the Yangtze River from Xiaohekou to Shierwei was taken as an example to validate the method.Key words:tidal river;2D water quality model;pollution source control;inverse proble m 随着我国经济的持续发展,水体受污染程度日趋严重。

二维水动力模型在无资料河段水位流量关系分析中的应用宋雄;李大成;马黎;赵乔
【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】2022(48)4
【摘要】无论是工程设计还是水文监测,河道设计断面水位流量关系的拟定都十分重要。

目前,主要通过低中高水流量监测,结合设计断面大断面测量成果进行拟定。

对于一些工程,特别是海外工程,设计河段可能没有任何水文监测资料,同时难以调查到历史洪水,但工程前期方案设计时,需要尽可能准确地拟定出设计断面的水位流量关系。

为此,尝试采用二维水动力学模型分析计算设计断面的水位流量关系,并与传统一维水动力模型计算成果进行了对比。

结果表明,二维水动力模型对于水力特征较为复杂的河道更具适应性。

【总页数】7页(P17-23)
【作者】宋雄;李大成;马黎;赵乔
【作者单位】中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】P333
【相关文献】
1.无实测流量资料河段建立水位～流量关系曲线初探
2.二维水动力模型在分汊河段涉河工程防洪影响评价中的应用
3.精细化二维水动力模型在防洪评价中的应用—
—以滹沱河部分河段为例4.基于MIKE21水动力模型计算感潮河段闸下水位流量关系5.动量输送法在无资料河段水位—流量关系定线应用探讨
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二维随机水质模型研究及其应用的开题报告
一、研究背景与意义
随着城市化进程的加速和人口的快速增长，城市水环境面临着越来越大的挑战。

水质
污染问题逐渐成为人们关注的焦点之一。

为了保障水环境的可持续发展，需要对城市
水质污染进行有效地评估和管理。

随机水质模型是一种定量评估城市水质的有效方法
之一，在城市水环境规划和管理工作中具有广泛的应用前景。

二、研究内容和目标
本文研究的主要内容是二维随机水质模型的建立与应用。

该模型基于经典的扩散模型，考虑了城市水体中污染物的扩散和对流，以及环境条件和排放源等因素的影响。

在模
型构建的过程中，将运用数学统计学和计算机仿真等方法进行数据处理和模型验证，
以提高模型的准确性和可靠性。

通过建立二维随机水质模型，本文旨在解决以下问题：
1. 确定城市水质受污染的关键因素；
2. 评估城市水质的稳定性和变异性；
3. 优化城市水环境管理措施，降低水质污染的风险。

三、研究方法
1. 搜集城市水环境数据，包括水体的水质指标、环境条件和排放源等因素；
2. 基于扩散模型，建立城市水质二维随机模型，结合计算机仿真和数据处理技术进行
模型验证和优化；
3. 运用该模型进行城市水质的稳定性和变异性分析，并探究城市水环境管理措施优化
的途径和对策。

四、研究结果与预期贡献
通过建立二维随机水质模型，可以全面评估城市水环境质量，深入探究城市水质受污
染的关键因素，提出科学的管理建议，从而推进城市水质污染治理工作的有效实施，
实现水环境的可持续发展。

预计本研究将在数学统计学、水环境科学及城市规划等领
域做出一定的贡献。