基于平面二维水质模型的潮汐河流污染源反演

长江感潮河段平面二维潮流数值模拟曾小辉;李国杰;姜昱【摘要】基于正交曲线网格下的有限体积法,建立河口潮汐的水深平均二维模型,运用Simple算法求解河口潮汐的二维浅水方程.以长江下游江阴水道为计算实例,用“露滩冻结”动边界技术处理方法模拟江阴水道二维潮流场,较好地解决了边滩、浅滩边界随水位的变动问题.实例和验证结果表明:计算的潮位和潮流过程与实测过程吻合较好,计算的流场合理.对计算结果的前后可视化处理,采用AutoCAD的DXF 数据接口生成流场和网格图,以便更好地进行直观分析.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】5页(P12-16)【关键词】二维潮流场;数值模拟;SIMPLER算法;动边界技术【作者】曾小辉;李国杰;姜昱【作者单位】中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉430071;中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉430071;中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉430071【正文语种】中文【中图分类】TP391有限差分法的原理比较简单，若边界不复杂，数学推理和程序编制都比较简单，并且计算内存占用比较少，计算速度快，在非恒定性比较强的问题中应用比较多。

但有限差分方法在处理复杂边界时灵活性比较差，计算精度不高，在复杂边界上常常出现虚假流动的现象，有时会出现水量不守恒现象。

相对而言，有限元法数学推理和程序编制复杂些，且因这种方法的网格可以为三角形或四边形等任意网格，虽然这种网格结构易于处理边界和地形比较复杂的问题，但需要数据结构定义计算单元之间的位置关系，占用内存比较大，计算速度相对较慢。

有限体积法是将计算区域划分成若干不规则形状的单元或控制体，对每个控制体分别进行水量和动量平衡计算，在计算出通过每个控制体边界沿法向输入（出）的流量和动量后，便得到计算时段末各控制体平均水深和流速。

有限体积法与有限单元法和有限差分法的数值逼近相比，其物理意义更直接、更明晰。

平面二维水质数学模型
近年来，水质污染已经成为了一个全球性的环境问题。

水质污染
的影响非常广泛，不仅使得人们的饮用水受到影响，而且还影响了水
生态系统的生命物种。

为了准确地研究水质污染问题，科学家们一直在积极开展研究，
其中平面二维水质数学模型是目前应用广泛的一种方法。

这种方法采
用了水质建模方法，评估和优化水资源供应策略，确保水质达标。

平
面二维水质数学模型可以通过数学和计算机模拟来模拟湖泊、河流、
河口等水域的水动力学和水质特性。

本文以湖泊为例，说明平面二维水质数学模型的应用。

首先，模
型需要考虑湖泊的输入和输出水量、温度、盐度、Ph等环境指标。

然后，根据水动力学原理，模型可以计算湖泊各个点的水流速度和水深，进而模拟湖泊水流的受污染情况。

在模拟过程中，还需要考虑湖泊底
部的沉积物对于水质的影响，以及水生植物在吸收养分和氧气方面的
作用。

平面二维水质数学模型不仅可以模拟水质污染的传播和影响，还
可以优化水质管理方案，比如增加湖泊的深度、提高水流速率、进行
人工清洁等，来减少水质污染的影响。

总之，平面二维水质数学模型是一种比较可靠、有效的方法，可
以帮助我们更好地了解水质污染问题，并采取相应的措施来保护环境。

第53卷 第6期 2023年6月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(6):095~102J u n e ,2023基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨❋以小清河为例于晓霞1,2,梁金辉2,杨雪娜2,张启超2❋❋,李爱华2,梁生康1(1.中国海洋大学,山东青岛266100;2.山东省生态环境规划研究院,山东济南250101)摘 要: 本文通过构建小清河河口区水质数学模型并进行了验证,建立了河海水质关联关系,基于多情景对两种理论方案进行了分析㊂建议结合地表水考核位置和考核目标㊁混合区边界近岸海域环境功能区目标要求,近期将河口混合区作为单独的水体类型进行管理,并逐步提高入海河流断面水质要求,实现由地表水到近岸海域水质的过渡和有效衔接,远期根据陆源总氮减排要求,逐步取消河口混合区㊂关键词: 陆海统筹;入海河流;混合区;水质目标中图法分类号: X 5 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)06-095-08D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220065引用格式: 于晓霞,梁金辉,杨雪娜,等.基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨 以小清河为例[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(6):95-102.Y uX i a o x i a ,L i a n g J i n h u i ,Y a n g X u e n a ,e t a l .R e s e a r c ho n t h em e t h o d o f d e t e r m i n i n g t h ew a t e r q u a l i t y t a r g e t o fX i a o q i n gR i v e r b a s e d o nm a r i n e p r o t e c t i o n n e e d s [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(6):95-102. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2018Y F C 140/604)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2018Y F C 140/604)收稿日期:2022-01-28;修订日期:2022-05-24作者简介:于晓霞(1981 ),女,高级工程师㊂E -m a i l :yu x i a o x i a 19811027@126.c o m ❋❋ 通讯作者:E -m a i l :n j z h a n g qi c h a o @163.c o m 中国是陆地大国,也是海洋大国,拥有约470万k m2海域㊁1.4万k m 海岛岸线㊁1.8万k m 大陆海岸线[1]㊂据统计测算,陆源排放对近岸海域的污染贡献占80%以上,陆源污染排放是海洋污染的主要来源[2]㊂近岸海域陆域污染源包括入海河流及入海排污口,其中入海河流承载着上游各类污染物的汇入,对近岸海域水环境质量影响较大[3]㊂ 十四五 时期,海洋生态环境保护要求构建 流域 河口 近海 污染防治的联动机制,加强陆海协同共治㊂入海河流河口区作为地表水和海水混合区域,是陆海相互作用的过渡地带,其中地表水执行‘地表水环境质量标准“(G B 3838 2002),近岸海域水体执行‘海水水质标准“(G B 3097 1997),而两套标准体系存有较大的差异[4]㊂目前针对小清河的研究仅考虑水环境质量的评价和入海河口区的环境分析,并未开展小清河污染输入与近岸海域水质超标的关联性分析[5-7],已开展的入海河流对近岸海域水质的影响仅分析了河流的污染分担率[8],对指导确定入海河流需达到的水质目标并无借鉴意义㊂因此,基于海洋保护需求对不同入海河流水质目标的确定,需合理地分析河口区,研究制定入海河流河口区环境质量标准,构建陆海统筹衔接的标准体㊂本文通过构建小清河河口区水质数学模型并进行验证,建立河海水质关联关系,基于多情景分析,对设定河口混合区及不设定河口混合区两种方案进行分析,研究提出入海河流水质目标确定的技术方法,为陆海统筹开展入海河流水质目标的确定提供参考㊂1 入海河流河口区水环境质量标准衔接的矛盾随着我国水环境保护工作的逐步推进,水污染物的管控已逐渐由河流向海洋发展,强调 陆海统筹 ,实现海洋可持续发展㊂然而当前我国现行两项水质标准之间的衔接存在诸多问题,例如适用范围存在交叉,在水质分类㊁水质指标设置㊁部分指标分析方法及部分指标标准限值衔接上均有较大的差异,导致陆海水质标准无法有效衔接,制约了我国海洋生态环境保护工作,尤其是污染源陆海联防联控工作的开展和实施㊂两标准之间的衔接问题主要体现在以下几个方面㊂1.1水质分类不衔接‘地表水环境质量标准“和‘海水水质标准“根据不同的使用功能和保护目标分别将目标水体分为5类和4类,无法简单地将两项水质标准的不同类别一一对接(见表1)㊂此外,由于咸淡水生态系统的差异导致其使Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年用功能的不同,从功能归属上也较难将两个水质标准予以衔接㊂1.2水质指标设置㊁分析方法及指标标准限值不同‘地表水环境质量标准“中基本项目共有24项,‘海水水质标准“中基本项目共有39项㊂两项水质标准的参数类别虽基本一致,但在部分指标参数的设置上存在显著差异(见表1)㊂基本感官指标方面,在入海河流中存在许多黑臭水体,由于缺少这些基本的感官指标,往往造成部分黑臭或异味水体 达标 排放入海,造成近岸海域水体污染㊂氮磷物质的指标设置方面,地表水和海水之间关于氮㊁磷物质的水质评价是两条线,无法直接比对和评价,严重制约了氮㊁磷等物质的陆海联防联控㊂指标分析方法及指标标准限值方面,两套标准同一指标限值要求可相差数倍,造成河流达标排放,入海后邻近海域水质超标现象,按照地表水达标排放后,造成陆源入海污染物总量超过海域承载能力㊁自净能力㊂表1 ‘海水水质标准“和‘地表水环境质量标准“存在的差异T a b l e 1 T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n ‘S e aW a t e rQ u a l i t y S t a n d a r d “a n d ‘E n v i r o n m e n tQ u a l i t y St a n d a r d s f o r S u r f a c eW a t e r “项目I t e m‘海水水质标准“‘S e aW a t e rQ u a l i t y St a n d a r d “‘地表水环境质量标准“‘E n v i r o n m e n tQ u a l i t y S t a n d a r d s f o r S u r f a c eW a t e r “水质指标设置W a t e r q u a l i t y o b je c t i v e 基本感官指标营养物质指标色㊁嗅㊁味无漂浮物/无机氮,包含硝酸盐-氮㊁亚硝酸盐-氮㊁氨氮氨氮非离子氨总磷活性磷酸盐总氮(湖㊁库)部分指标分析方法及指标标准限值I n d e r a n a l y s i s a n d s t a n d a r d化学需氧量碱性高锰酸钾法,第一类㊁第二类㊁第三类和第四类标准值分别为2m g /L ㊁3m g /L ㊁4m g /L ㊁5m g /L ,重铬酸盐法,Ⅰ类㊁Ⅱ类㊁Ⅲ类㊁Ⅳ类和Ⅴ类标准值分别为15m g /L ㊁15m g /L ㊁20m g /L ㊁30m g /L ㊁40m g /L ,生化需氧量五日培养法,第一类㊁第二类㊁第三类和第四类标准值分别为1m g /L ㊁3m g /L ㊁4m g /L ㊁5m g/L ㊂稀释与接种法,Ⅰ类㊁Ⅱ类㊁Ⅲ类㊁Ⅳ类和Ⅴ类标准值分别为3m g /L ㊁3m g /L ㊁4m g /L ㊁6m g /L ㊁10m g/L 2 入海河流地表水与海水混合区的研究本研究以小清河为典型河流,运用M I K E 21建立小清河河口区的水文水质模型㊂选取2019年12月㊁2020年3月和2020年5月为典型月份,对小清河入海断面以下及河口近岸海域水质进行采样监测,以三期水质监测数据,验证模型的可靠性,通过模拟(主要指标考虑无机氮)确定河口混合区的范围及不同情境下的水质目标㊂2.1小清河概况小清河流域是山东省五大流域之一,地处山东腹地,全长237k m ,发源于济南西郊睦里庄,经济南㊁滨州㊁淄博㊁东营㊁潍坊5市18个县(市㊁区),在潍坊寿光市羊口镇注入渤海莱州湾㊂本次研究选取小清河为典型河流,通过水文水质模拟,研究入海河流水质目标确定的技术方法㊂选取小清河作为研究对象的主要原因包括:一是小清河发源于本省,对小清河开展研究,不涉及责任纠纷;二是小清河对整个莱州湾甚至渤海海域的污染贡献较大,依据2018年山东省主要入海河流污染物入海量贡献比(除黄河外),小清河的贡献率最高,约47.5%,占近一半的入海污染量,小清河的水质是渤海海域水质变化的重要影响因素,因此,小清河管理经验对其他入海河流具有示范性和可复制性;三是小清河干流设有省控及以上水文站3个㊁省控及以上水质考核断面共7个,相对于其他入海河流而言更为丰富的水文水质资料,便于模拟和对比㊂2.2监测站位布设及监测结果为了解小清河及附近海域海水水质现状,对小清河羊口断面以下及河水与海水混合区进行污染物监测,共布设17个监测点位,分别监测3次,分别为2019年12月㊁2020年3月㊁2020年5月,点位分布情况详见图1㊂2.3数学模型构建水动力模型采用水深平均的平面二维水动力运动方程,含动量方程㊁连续性方程及物质输运方程,可较好地反映莱州湾流场中水流运动特征及物质输运过程㊂具体控制方程如下:2.3.1控制方程连续性方程:∂ζ∂t +∂h u ∂x +∂h v ∂y=0㊂(1)69Copyright ©博看网. All Rights Reserved.6期于晓霞,等:基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨图1 小清河河口区监测点位分布图F i g .1 D i s t r i b u t i o nm a p o fm o n i t o r i n g po i n t s i n X i a o q i n g R i v e r e s t u a r y ar e a 动量方程:x 方向:∂u ∂t +u ∂u ∂x +v ∂u ∂y-f v =-g∂ζ∂x -g u u 2+v 2c 2h +∂∂x (N x ∂u ∂y )+∂∂y (N y ∂u ∂y)㊂(2)y 方向:∂v ∂t +u ∂v ∂x +v ∂v ∂y +f u =-g ∂ζ∂y-g v u 2+v 2c 2h +∂∂x (N x ∂v ∂x )+∂∂y (N y ∂v ∂y)㊂(3)垂向平均的物质输运方程:∂(H P )∂t +∂(H P u )∂x +∂(H P v )∂y-∂∂x (H D x ∂p ∂x )-∂∂y (H D y ∂p ∂y )=H S -k p ㊂(4)式中:x ,y 原点o 置于某一水平基面的直角坐标系坐标;u ,v 流速矢量V ң沿x ㊁y 方向的分量(m /s );ζ相对于x o y 坐标平面的水位(m );h =d +ζ总水深(m );d 相对于x o y 坐标平面的水深(m );N x ,N y ,水流x ,y 紊动粘性系数;f 科氏参量;g 重力加速度;c 谢才系数,c =1n6R ,n 为曼宁糙率系数;P 为污染物浓度(m g /L );D x ㊁D y 为x ㊁y 向扩散系数;S 为污染物在单位时间的排放量速率;k为衰减系数㊂2.3.2网格划分 本研究所建立的海域数学模型计算域范围及网格如图2所示,即为图中莱州港㊁黄河口两点以及岸线围成的海域㊂模拟采用非结构三角网格,整个模拟区域内由9302个节点和15775个三角单元组成;最小网格间距为20m ㊂图2 大海域计算域网格及潮位验证点位置图F i g .2 R e g i o n a l g r i d d i a g r a mf o r l a r g e o c e a n a r e a c o m pu t a t i o n a n d t h e l o c a t i o n o f v e r i f i c a t i o n p o i n t 2.3.3边界条件及参数选取 模型设置中陆地边界为闭边界,沿闭边界流速的切向速度的法向梯度㊁水位法向梯度均为零,传播到闭边界的波浪均完全吸收㊂开边界采用的是水位边界条件,由渤海潮流模型提供㊂水深和岸界根据相关水深地形测量资料以及工程附近海域的最新实测水深地形资料确定㊂模型计算时间步长根据C F L 条件进行动态调整,确保模型计算稳定进行,最小时间步长0.5s㊂底床糙率通过曼宁系数进行控制,曼宁系数n 取45~58m 1/3/s㊂采用考虑亚尺度网格效应的S m a g o r i n s k y (1963)公式计算水平涡粘系数,表达式如下:A =c 2s l 22S i j S i j ㊂式中:c s 为常数;l 为特征混合长度,由S i j =12㊃∂u i ∂x j+∂u j ∂x i æèçöø÷,(i ,j =1,2)计算得到㊂2.3.4计算工况 本次数值模拟设置了2种方案,一是基于实测调查资料的现状浓度㊁不设定考核断面的情况,二是不设定河口混合区㊁水质达到相应近岸海域环境功能区的情况㊂每种计算方案包括3种工况,分别对应2019年12月㊁2020年3月㊁2020年5月三个典79Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年型月份㊂依据海水无机氮考核要求,为方便模拟研究,对小清河地表水3个站位三期监测结果简单分析,初步得出地表水中无机氮(y )与总氮(x )的关系为y =0.8923x -0.029(R 2=0.8894,仅适用于本次模拟分析),源强无机氮是总氮转换值㊂模拟了6个工况半月潮条件下,无机氮在河口及附近海域的浓度场时空变化规律㊂根据小清河各站历年各月平均流量统计情况及小清河河口区污染物监测结果,各工况的主要计算参数如表2㊂表2 计算工况信息表T a b l e 2 I n f o r m a t i o n t a b l e o f c a l c u l a t i o n c o n d i t i o n s计算方案C a l c u l a t i o n s c h e m e工况编号C o n d i t i o n sN o .潮型T i d e p a t t e r n 对应月份M o n t h 入海流量D i s c h a r ge /(m 3/s )源强S o u r c e s t r e n gt h (无机氮(m g /L ))本底浓度T h e b a c k gr o u n d c o n c e n t r a t i o n /(m g/L )1半月潮2019-1229.49.50.97一2半月潮2020-0320.19.51.013半月潮2020-0512.7112.64半月潮2019-1229.4合理确定源强,保证入海水质达到二类标准0.97二5半月潮2020-0320.11.016半月潮2020-0512.72.6注:本底浓度值(即背景值)依据三次采样监测数据离岸最远点位最小值来确定㊂T h e b a c k g r o u n d c o n c e n t r a t i o nv a l u e i s d e t e r m i n e d a c c o r d i n g to t h e m i n i m u mv a l u e o f t h e f a r t h e s t o f f s h o r e p o i n t o f t h e t h r e e s a m p l i n g m o n i t o r i n g da t a .2.3.5潮流模型验证 潮位采用潍河口㊁潍坊港的潮位观测资料,潮位验证曲线如图3所示㊂潮流采用中国海洋大学于2014年5月28日12:00至2014年5月29日13:00观测数据,潮流验证曲线如图4所示㊂潮位及潮流验证结果表明,模拟值与实测值均基本吻合,能够较好地反映周边海域潮位及潮流状况㊂图3 潮位验证曲线F i g.3 T i d e l e v e l v e r i f i c a t i o n c u r v e 2.3.6污染物扩散模拟结果及验证 根据流场运动规律,选用2019年12月小清河流量及监测的无机氮浓度数据,选取H 1㊁H 2㊁H 3㊁H 4㊁K 52㊁K 53㊁K 103㊁K 153等8个点进行验证,文中给出的预测结果为最大浓度增量,即该格点上各时刻数据中最高的瞬时浓度,浓度增量等值线是各点最高瞬时浓度的连线㊂图5给出了2019年12月小清河无机氮扩散的预测结果,表3给出了无机氮实测值与模拟值偏差一览表㊂从表3中可以看出,除H 4㊁K 52站位外,各站位无机氮的模拟值与实测值偏差在5%以内,模拟结果能够较好地反映小清河无机氮指标在河口处的扩散趋势㊂H 4㊁K 52站位模拟结果较差可能与采样时间所对应的涨落流变化有关㊂2.4河口混合区划定及水质目标根据三次水质监测数据,选取2019年12月㊁2020年3月㊁5月进行现状条件下河口混合区范围(增量ȡ0.3m g/L )的模拟(见图6)㊂结果显示,2019年12月㊁2020年3月㊁5月混合区范围分别约184.8㊁134.05和95.9k m 2,对应的总氮浓度目标值约为10.2㊁11.3和7.38m g/L ㊂2.5无河口混合区情境下的河流水质目标根据‘山东省近岸海域环境功能区划(2016 2020年)“,小清河入海口执行二类海水水质标准(无机氮ɤ0.30m g /L ),因此,小清河入海污染物导致附近海域无机氮浓度增量应不超过0.30m g /L (即扣除本底浓度)㊂89Copyright ©博看网. All Rights Reserved.6期于晓霞,等:基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨(L Z 1站位和L Z 3站位㊂L Z 1s t a t i o n a n dL Z 3s t a t i o n .)图4 潮流验证曲线F i g.4 P o w e r f l o wv e r i f i c a t i o n c u r ve 图5 2019年12月无机氮扩散模拟结果F i g .5 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f i n o r g a n i c n i t r o ge n d if f u s i o n i nD e c e m b e r 2019表3 2019年12月无机氮实测值与模拟值偏差一览表T a b l e 3 L i s t o f d e v i a t i o n s b e t w e e nm e a s u r e d a n d s i m u l a t e di n o r g a n i c n i t r o ge n v a l u e s i nD e c e m b e r 2019站位S t a t i o n 实测值M e a s u r e d /(m g /L )模拟值S i m u l a t e d /(m g /L )偏差D e v i a t i o n /%H 19.779.50-2.76H 28.218.493.43H 35.876.164.89H 42.649.47258.71K 522.154.1391.96K 535.475.643.20K 1032.132.05-3.75K 1530.970.970.51图6 2019年12月(a )㊁2020年3月(b )及年5月(c)小清河河口混合区范围示意图F i g .6 S c o p e o f X i a o q i n g E s t u a r y M i x i n g Z o n e i nD e c e m b e r 2019(a ),M a r c h 2020(b )a n dM a y 2020(c )99Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年图7给出了2019年12月源强为2.3和2.28m g /L 时无机氮的扩散范围(图中给出的为扣除本底后的人为增量,下同)㊂从中可以看出,当源强为2.3m g /L 时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3m g/L ,不符合二类海水水质标准;当源强为2.28m g /L 时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3m g/L )㊂因此,在不设定河口混合区(即只要河流入海,水质即应达到相应近岸海域环境功能区的水质目标要求,下同)的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过2.28~2.29m g /L ,对应的总氮浓度不应超过2.59~2.60m g/L㊂图7 无机氮源强为2.3m g /L (左)和2.28m g/L (右)时对应的扩散范围F i g .7 D i f f u s i o n r a n g e c o r r e s p o n d i n g t o 2.3m g /L (l e f t )a n d 2.28m g /L (r i g h t )i n o r g a n i c n i t r o g e n s o u r c e s t r e n gt h 图8给出了2020年3月源强为1.32和1.31m g/L 时无机氮的扩散范围㊂从中可以看出,当源强为1.32m g /L 时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3m g /L ,不符合二类海水水质标准;当源强为1.31m g/L 时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3m g/L )㊂因此,在不设定河口混合区的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过1.31m g/L ,对应的总氮浓度不应超过1.50m g/L㊂图8 无机氮源强为1.32m g /L (左)和1.31m g/L (右)时对应的扩散范围F i g .8 D i f f u s i o n r a n g e c o r r e s p o n d i n g t o 1.32m g /L (l e f t )a n d 1.31m g /L i n o r g a n i c n i t r o g e n s o u r c e s t r e n gt h 图9分别给出了2020年5月源强分别为2.93和2.91m g /L 时无机氮的扩散范围,需要说明的是,图中给出的为扣除本底后的人为增量㊂从中可以看出,当源强为2.93m g /L 时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3m g/L ,不符合二类海水水质标准;当源强为2.91m g/L 时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3m g/L )㊂因此,在不设定河口混合区的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过2.91~2.92m g/L ,对应的总氮浓度不应超过3.29~3.30m g/L ㊂001Copyright ©博看网. All Rights Reserved.6期于晓霞,等:基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨图9 无机氮源强为2.93m g /L (左)和2.91m g/L (右)时对应的扩散范围F i g .9 D i f f u s i o n r a n g e c o r r e s p o n d i n g t o 2.93m g /L (l e f t )a n d 2.91m g /L (r i g h t )i n o r g a n i c n i t r o g e n s o u r c e s t r e n gt h 3 结语及建议本文尝试通过建立数学模型模拟研究确定小清河水质目标,存在河流流量及污染物扩散连续性㊁氮污染物形态转化㊁采样时间和空间连续性等诸多不可控因素,会影响模型精度㊂但也呈现出一定的规律性,具体如下:统筹陆域地表水环境功能区划与近岸海域环境功能区划的管理需求,结合小清河水文水质模拟研究,不设定混合区时,小清河入海断面不同水期总氮浓度需在1.5~3.3m g /L 范围内㊂设定混合区时,不同水期小清河入海断面总氮目标浓度在7.38~11.3m g /L 范围内,接近或大于小清河2020年入海断面总氮年均值(7.3m g/L )㊂因此,在根据不同水期水质监测数据模拟确定河口混合区后,需结合混合区边界的近岸海域环境功能区划水质目标㊁入海河流上游总氮减排的可行性等因素,合理缩小混合区范围,结合确定入海断面的位置和考核目标㊂建议综合考虑上述两种情景,基于经济技术可行性,确定入海河流水质目标㊂针对河口区特殊的水体特征和地理位置,将河口混合区作为单独的水体类型进行管理,制定能够满足水体使用功能并有效维护水体生态系统健康的河口区的水环境质量标准㊂结合地表水考核位置和考核目标㊁混合区边界近岸海域环境功能区目标要求,通过水文水质模拟,合理确定混合区的水质考核目标,实现由地表水到近岸海域水质的过渡和有效衔接㊂可分两步逐步实现入海河流的水质满足海水要求:近期目标,即科学设置过渡期(划定河口混合区),逐步提高入海河流断面水质要求;远期目标,即依据减排措施,逐步取消河口混合区㊂当前我国近岸海域水质超标因子主要是无机氮和活性磷酸盐,富营养化问题突出㊂现行‘地表水环境质量标准“(G B 3838 2002)中表征河流富营养化的指标为氨氮㊁总磷,‘海水水质标准“(G B 3097 1997)中为无机氮㊁活性磷酸盐,而目前针对地表水及海水中无机氮㊁氨氮㊁总氮之间,总磷㊁活性磷酸盐之间的关系和循环转化过程的研究开展较少,各类指标之间的联系尚不明确,给氮磷污染控制带来了极大不便㊂建议在地表水及海水水质标准中均设置总氮㊁总磷指标,以便进一步了解水体中不同形态氮和磷的相互关系㊁循环转化过程以及与富营养化或赤潮灾害的关系,更好地阐释近岸海域环境质量与陆源污染源之间的关系㊂通过开展区域性营养物质的海水水质基准研究,制定符合当前社会经济发展状况的地表水和海水中的总氮㊁总磷水质标准限值㊂参考文献:[1] 姚瑞华,张晓丽,刘静,等.陆海统筹推动海洋生态环境保护的几点思考[J ].环境保护,2020,48(7):14-17.Y a oR H ,Z h a n g X L ,L i uJ ,e t a l .S t u d y o n p r o m o t i n g m a r i n e e c o -e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n t h r o u g h l a n d a n dm a r i n e d e v e l o pm e n t i n a c o o r d i n a t e dw a y [J ].E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n ,2020,48(7):14-17.[2] 刘静,刘录三,郑丙辉.入海河口区水环境管理问题与对策[J ].环境科学研究,2017,30(5):645-653.L i u J ,L i uLS ,Z h e n g BH.P r o b l e m s a n d c o u n t e r m e a s u r e s o f w a -t e r e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t i ne s t u a r i e s [J ].R e s e a r c ho fE n v i -r o n m e n t a l S c i e n c e s ,2017,30(5):645-653.[3] 张晓丽,姚瑞华,徐防.陆海统筹协调联动助力渤海海洋生态环境保护[J ].环境保护,2019,47(7):13-16.Z h a n g XL ,Y a oR H ,X uF .C o o r d i n a t i o n a n d l i n k a g e o f l a n d a n d s e a t o p r o m o t e t h em a r i n e e c o -e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n i nB o h a i S e a [J ].E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n ,2019,47(7):13-16.[4] 杨帆,林忠胜,张哲,等.浅析我国地表水与海水环境质量标准存在的问题[J ].海洋开发与管理,2018,35(7):36-41.Y a n g F ,L i n Z S ,Z h a n g Z ,e t a l .P r o b l e m s i n e n v i r o n m e n t a l q u a l i -t y st a n d a r d s o f s u r f a c ew a t e r a n dm a r i n ew a t e r i nC h i n a [J ].O c e a n D e v e l o p m e n t a n dM a n a ge m e n t ,2018,35(7):36-41.[5] 李昶,陈丽贵,何造胜.莱州湾小清河入海口水质变化及成因分析101Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年[J].环境与发展,2020,32(11):118-119+121.L i C,C h e n LG,H e Z S.A n a l y s i s o f w a t e r q u a l i t y c h a n g e a n d c a u-s e s o fX i a o q i n g R i v e re s t u a r y i nL a i z h o uB a y[J].E n v i r o n m e n t a la n dD e v e l o p m e n t,2020,32(11):118-119+121.[6]孙伟,张守本,杨建森,等.小清河口水环境质量评价及主要污染物入海通量研究[J].海洋环境科学,2017,36(3):366-371.H eW,Z h a n g SB,Y a n g J S,e t a l.Q u a l i t y a s s e s s m e n t o f a q u a t i c e n v i r o n m e n t a n d f l u x e so fm a j o r p o l l u t a n t s t ot h eX i a o q i n g r i v e re s t u a r y[J].M a r i n e E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e,2017,36(3):366-371.[7]范新凤,韩美,王磊,等.小清河入海口近十年水质变化及驱动因素分析[J].环境科学,2020,41(4):1619-1628.F a nXF,H a nM,W a n g L,e t a l.A n a l y s i s o f w a t e r q u a l i t y c h a n g e a n d i t sd r i v i n g f a c t o r so f t h eX i a o q i n g r i v e r e s t u a r y i nr e c e n t t e n y e a r s[J].E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e,2020,41(4):1619-1628.[8]李志伟,崔力拓.秦皇岛主要入海河流污染及其对近岸海域影响研究[J].生态环境学报,2012,21(7):1285-1288.L i ZW,C u i LT.C o n t a m i n a t i v e c o n d i t i o n s o fm a i n r i v e r s f l o w i n g i n t o t h e s e a a n d t h e i r e f f e c t o n s e a s h o r e o f Q i n h u a n g d a o[J].E c o l o-g y a n dE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,2012,21(7):1285-1288.R e s e a r c h o n t h eM e t h o d o f D e t e r m i n i n g t h eW a t e r Q u a l i t y T a r g e t o fX i a o q i n g R i v e r B a s e d o nM a r i n eP r o t e c t i o nN e e d sY uX i a o x i a1,2,L i a n g J i n h u i2,Y a n g X u e n a2,Z h a n g Q i c h a o2,L i A i h u a2,L i a n g S h e n g k a n g1 (1.O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a;2.S h a n d o n g A c a d e m y f o r E n v i r o n m e n t a l P l a n n i n g,J i n a n250101,C h i n a)A b s t r a c t: T h e e s t u a r y a r e ao f r i v e r s e n t e r i n g t h e s e a i s am i x e da r e ao f s u r f a c ew a t e r a n ds e aw a t e r.D u e t o i t s s p e c i a l g e o g r a p h i c a l c h a r a c t e r i s t i c s,t h ew a t e r q u a l i t y e v a l u a t i o nr e s u l t so f t h e e s t u a r y a r e a c a n t r e f l e c t t h em a i n r e s p o n s i b i l i t y o f t h ew a t e r q u a l i t y t a r g e t o b j e c t i v e l y.T h e r e f o r e,t h e a r t i c l e e s t a b l i-s h e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r i v e r a n d s e aw a t e r q u a l i t y,a n d s e l e c t t h e b e t t e r s c h e m e b a s e d o nm u l t i p l e s c e n a r i oa n a l y s i sa n da r g u m e n t a t i o n,a c c o r d i n g t ob u i l da n dv a l i d a t ea m a t h e m a t i c a lm o d e l o fw a t e r q u a l i t y i n t h e X i a o q i n g R i v e r e s t u a r y a r e a.F i n a l l y c o n s i d e r i n g t h e a s s e s s m e n t l o c a t i o n a n d t a r g e t s o f s u r-f a c ew a t e r,w e s u g g e s t t h a t c h o o s e t h e e s t u a r y m i x e d a r e a a s a s e p a r a t ew a t e r b o d y t y p e,a n d i m p r o v e t h ew a t e r q u a l i t y r e q u i r e m e n t s o f r i v e r s e c t i o n s e n t e r i n g t h e s e a g r a d u a l l y i n t h e n e a r f u t u r e.I n t h e l o n g t e r m,a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f l a n d-b a s e d t o t a l n i t r o g e n e m i s s i o n r e d u c t i o n,t h e e s t u a r i n em i x e d a r e aw i l l b e e l i m i n a t e d g r a d u a l l y.I t w i l l r e a l i z e t h e t r a n s i t i o n a n d e f f e c t i v e c o n n e c t i o n f r o ms u r f a c ew a t e r t o o f f s h o r ew a t e r q u a l i t y.K e y w o r d s:l a n d-s e a c o o r d i n a t i o n;r i v e r s t o t h e s e a;m i x e d a r e a s;w a t e r q u a l i t y t a r g e t s责任编辑徐环201Copyright©博看网. 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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。

平面二维水流-水质有限体积法及黎曼近似解模型赵棣华;戚晨;庾维德;徐葆华;裴中平【期刊名称】《水科学进展》【年(卷),期】2000(11)4【摘要】根据研究工程、工业废水及生活污水的水环境影响的需要 ,提出一个平面二维水流 -水质有限体积法及黎曼近似解模型。

在无结构网格上对偏微分方程进行有限体积的积分离散 ,把二维问题转化为一系列局部的一维问题进行求解 ,模型具备有限单元法及有限差分法两者的优点。

由于模型采用黎曼近似解计算水量、动量及污染物输运等通量 ,不仅提高了数值模拟的精度 ,而且能模拟包括恒定、非恒定或急流、缓流等水流 -水质状态。

应用若干理想条件下的精确解对模型精度进行了检验 ,并结合汉江中下游的水质问题验证了模型的实际应用能力。

模型计算结果与精确解拟合极好 ,与汉江中下游实测的污染分布带也相当吻合 ,为中线南水北调对汉江中下游水质的影响评价提供了依据。

【总页数】7页(P368-374)【关键词】水流-水质模型;有限体积法;黎曼解;浅水方程;对流扩散方程;无结构网格【作者】赵棣华;戚晨;庾维德;徐葆华;裴中平【作者单位】水利部南京水文水资源研究所;长江水资源保护局【正文语种】中文【中图分类】X143;X824【相关文献】1.基于Roe格式黎曼近似解的二维FVM模型 [J], 汪梅华;张铭;柳杨;乌景秀2.浅水流动有限体积法/Osher格式的二维水流-水质模拟 [J], 蒋艳;杨珏;赵棣华;何海3.基于有限体积法的平面二维水流数学模型的改进 [J], 李绍武;张弛;杨学斌;李文善4.基于有限体积法的二维水流数学模型在桥梁防洪评价中的应用 [J], 蒋友祥; 刘洋; 文岑5.基于黎曼近似解的溃堤洪水一维-二维耦合数学模型 [J], 姜晓明;李丹勋;王兴奎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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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基于进化算法和水质模型的河口污染物溯源方法孙杰;章卫胜;荆立;韩笑;王青;孔俊【摘要】近年来河口地区水体污染突发事件日益增多,快速识别污染源发生的位置、时间和总量,对于防控措施的制定具有重要的研究价值.为此基于河口地区潮流动力特征,通过变量解耦、优化遗传算法和水质扩散模型,提出了一套适用于河口地区的溯源方法.通过引入基于拉格朗日方法的大尺度粗筛,明确溯源范围;再基于考虑权重系数的遗传算法和适应度指标法,进一步优化污染源位置和发生时间;最后基于解耦模型实现泄露总量的判定,确保了计算效率和和预测精度.模型进一步应用于福建省泉州湾河口地区的污染源识别.研究结果表明,模型在单观测点信息源的情况下,仍具有良好的鲁棒性和溯源准确性,若观测点增加,通过交叉验证可消除观测误差的影响,给出更为准确的溯源结果,证实该方法不受限于实测数据源的多少,具有较好的推广和应用性.该方法可以辅助河口及海岸地区水污染的快速溯源和调查取证,协助相关部门采取必要措施减轻水污染造成的不利影响.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2019(019)014【总页数】7页(P384-390)【关键词】河口地区;水污染;溯源模型;拉格朗日法;遗传算法【作者】孙杰;章卫胜;荆立;韩笑;王青;孔俊【作者单位】河海大学,江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室,南京210098;南京水利科学研究院,南京210029;同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092;河海大学,江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室,南京210098;河海大学,江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室,南京 210098;河海大学,江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室,南京 210098【正文语种】中文【中图分类】X143伴随着经济的发展，工业生产领域和水上运输业的规模也不断扩大，污染现象也愈加严重，尤其是突发性水污染事件日益增多[1]。

河流水环境容量计算方法研究摘要：水环境容量是污染物总量分配控制的理论依据，基于此，本文对河流水环境容量计算进行了详细的论述。

关键词：河流；水环境容量；计算水环境容量来源于环境容量，是指某一水环境单元在特定环境目标下能容纳的污染物量，即在环境单元依靠自身特性使本身功能不破坏前提下，允许的污染物量。

随着水环境污染问题的日益突出，采用合适的方法科学合理地计算且利用水环境容量已成为一个值得研究的重要课题。

一、水环境容量简介1、概述。

水环境容量是指在满足水环境质量要求下，水体容污染物的最大负荷量，因此又称水体负荷量或纳污能力。

按污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量和自净容量。

稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。

自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。

2、基本特征。

①地带性。

不同地带水体由于所处自然环境不同,对污染物的物理、化学、生物自净能力不同,其水环境容量必然不同。

②有限性和可更新性。

水环境容量资源可被耗尽,一旦耗尽,其恢复和更新很难。

同时，水环境容量资源中的一部分可更新,所以水环境容量资源可开发利用,但必须控制在一定限度内。

③不均衡性。

环境中污染物种类众多,不同性质污染物对各类迁移转化的响应程度差异大,如耗氧有机物丰度高,有毒有机物则很低,重金属水环境容量甚微。

二、研究背景目前，水环境容量的计算方法分确定性方法、不确定性方法。

①确定性方法以机理性水质模型为主要工具，包括解析公式法、模型试错法、模拟优化法，不确定性因素通过限制性条件引入，表达对安全及控制风险的要求，计算结果为定值。

解析公式法采用稳态水质模型直接计算，工作量小，应用广，但精度低且不能用于计算动态水环境容量。

模型试错法采用动态水质模型反复测算，计算精度高，但计算效率相对低。

基于规划理论的模拟优化方法，将模拟方法与优化方法有机结合，方法灵活，能大幅提高效率和精度。