水质预测模型研究进展
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收稿日期：２０１７－１１－２３ 作者简介：王健 （１９７９－），男，汉 族，云 南 昆明 人，学 士， 高级工程师，主要从事环境质量监测与管理工作。
年来主要水质预测模型的优缺点及适用性。根据我 国的水环境特征，提出了建立模型所需解决的问题 和未来模型研究的发展趋势，旨在为我国水质预报 预警工作的开展提供理论依据。 １ 水质模拟模型
水质模拟模型以水质模拟原理为理论基础，属 于目 前 应 用 最 为 广 泛 的 水 质 预 测 模 型 之 一。 Ｓｔｒｅｅｔｅｒ－Ｐｈｅｌｐｓ（Ｓ－Ｐ） 模型被视为最早的水质模 型，属于一维稳态氧平衡模型，迄今得到了广泛的 应用［３］。随后，欧美国家又开发了多种水质模型， 如 ＱＵＡＬ、ＷＡＳＰ、ＭＩＫＥ、ＥＦＤＣ、ＳＷＡＴ等。我国 在水质模拟模型方面的研究起步相对较晚，但在引 进国外先进水质模拟模型及自身开发的基础上也取 得了一定的成果。陈友超等人［４］对在 Ｓ－Ｐ预测模 型中引入污染源现状源强和预测断面现状监测浓 度，将预测结果与现状监测联系起来，使得预测结 果更贴近实际。李军等［５］对 ＷＡＳＰ富营养化模型 核心算法的重新编程，实现了该模型在 ＧＩＳ中的完 全集成，并设计了 ＬＨ－ＯＡＴ程序对参数进行全局 参数敏感性分析，提高了 ＷＡＳＰ富营养化模型模 拟性能和应用范围。ＺｈａｎｇＹ［６］根据国内流域水力 工程的实际情况，对 ＳＷＡＴ模型的水库调控模块 和水质模块进行改进，改进后的模型尤其适用于水 库水质的模拟，可实现对淮河流域 ３９个站点水量 及水质的模拟。表 １列出了一些国内典型水质模拟 模型研究。尽管国外已开发的水质模型应用较为成 熟，适用于河流、湖泊 （水库）、河口等多种水环 境、多种污染物的模拟，但其往往要求较为丰富的 数据资料，且精度难以掌握，故其在我国的运用受 到了很大限制。而国内已建立的模型虽能较好地模 拟水质要素的基本分布规律，但这些模型往往以小
李兴等［８］
环境流体动力 学模型
以 ＥＦＤＣ的水动力模块作为 ＣＥ－ＱＵＡＬ－ＩＣＭ富营养化模型的输入文件，建 立了耦合富营养化模型。模型不仅考虑了风速、蒸发对于模型的影响，也加 入了挺水植物密度、高度、直径等指标，使模拟结果更接近于实际。
朱磊等［９］
水文水质联合 模型
流域水文非点源 ＡｎｎＡＧＮＰＳ模型和水库水质 ＣＥ－ＱＵＡＬ－Ｗ２模型联合建的 水文水质联合模型，该模型不仅可对某水库的垂向和纵向水质进行预测，还 可应对洪水期和非洪水期的非点源污染区别对待。
— ６３—
环境科学导刊 ｈｔｔｐ： ／／ｈｊｋｘｄｋｙｉｅｓｏｒｇｃｎ 第 ３７卷 第 ４期 ２０１８年 ０８月 范围为研究区域，缺乏建模所需资料，不具有全面 性、通用性以及推广性。
研究者 袁癑等［７］
类型
二维动态水质 模型
表 １ 典型水质模拟模型研究 模型特点
借助 ＭＩＫＥ２１水力水质模型，对污水处理厂在正常排污和非正常排污事故中 的污染物在水环境中的过程变化进行了时空上的量化预测。对风速、水温变 化等因素进行了概化处理，忽略了浓度在垂直方向的变化。
关键词：水质预测模型；人工神经网络模型；回归分析模型；灰色理论模型；综述 中图分类号：Ｘ８２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－９６５５（２０１８）０４－００６３－０５
０ 引言 水作为生命之源，对人类生存发展极为重要。
随着经济的高速发展以及城市化进程的加快，水环 境污染问题日益严重，认识水环境污染存在的问题 及发展趋势，对水污染防治具有重要意义。水质预 测模型可依据水质监测的历史数据，建立多元监测 数据与水质参数变化之间相应的映射关系，实现对 监测因子或水质状况在未来一段时间内变化趋势的 预测。近年来，建立可靠的水质预报预警模型已成 为水环境科学领域的研究热点之一。水环境资源管 理需求不断扩大，提高了对可靠、高效、准确水质 预测技术的 需 求［１］。 目 前， 国 内 研 究 者 集 中 于 改 善水质预测模型的适用性和可靠性，引入了多种新 技术，如模 糊 数 学、 随 机 数 学、３Ｓ技 术 以 及 人 工 神经网络等，促使水质预测模型得到完善，提高了 其应用范围［２］。
环境科学导刊 ｈｔｔｐ： ／／ｈｊｋｘｄｋｙｉｅｓｏｒｇｃｎ ２０１８，３７（４）
ＣＮ５３－１２０５／Ｘ ＩＳＳＮ１６７３－９６５５
水质预测模型研究进展
王 健，向 峰，邱 飞，王 华，刘 慧 （云南省环境监测中心站，云南 昆明 ６５００３４）
摘 要：根据水质预测模型理论基础的不同，重点介绍了水质模拟模型、神经网络模型、回归分析模 型以及灰色理论模型，分别对模型的优缺点及适用性进行了分析。针对水质预测模型研究现状，提出了模 型发展所需要解决的问题和未来的发展趋势。
尤宾等［１０］ 一维稳态模型王祥三等［１１］ 二维随机水质 Nhomakorabea预测模型
刘中锋等［１２］
大型水库三维 水质模型
采取测流跟踪监测得到好氧系数 Ｋ１ 以及衰减系数 Ｋｃ、ＫＮ，在一定程度上 降低了误差；但模型本身仅考虑了降解、平流项，不适用于水力条件复杂多 变、排污范围大的水体。
结合一维随机水质降解模型和二维迁移扩散模型，同时考虑水质参数 Ｋ１、 Ｋ２、Ｋ３和河道横向扩散系数 Ｄｙ影响，适用于条件较复杂和排污范围大的 水体。
常见的水质预测模型有多种形式，可按照不同 的方法进行划分。通常，按照预测空间的维数可分 为一维、二维和三维水质预测模型；按照模型预测 污染物的范围，可分为单因子预测模型和综合水质 预测模型；按照模型理论基础的不同，可分为水质 模拟模型预测法、混沌理论预测法、数理统计预测 法、灰色系统理论预测法和神经网络模型预测法 等。每一种预测模型都有其各自的优缺点，适用于 不同的水质污染因子和水环境区域。如何选择可靠 性强、预测精度高的水质模型分析和评价区域水环 境质量，不仅是研究的热点，更成为了难点。本文 结合国内水质预测模型的研究发展历程，探讨了近
在大型水库三维水质预测模型中的污染物输移方程中采用了考虑温度分层影 响的原项表达式。由于模型未考虑风力作用、季节变化等引起垂直混合作用 的变化，导致 ＤＯ模拟误差较大。
年来主要水质预测模型的优缺点及适用性。根据我 国的水环境特征，提出了建立模型所需解决的问题 和未来模型研究的发展趋势，旨在为我国水质预报 预警工作的开展提供理论依据。 １ 水质模拟模型
水质模拟模型以水质模拟原理为理论基础，属 于目 前 应 用 最 为 广 泛 的 水 质 预 测 模 型 之 一。 Ｓｔｒｅｅｔｅｒ－Ｐｈｅｌｐｓ（Ｓ－Ｐ） 模型被视为最早的水质模 型，属于一维稳态氧平衡模型，迄今得到了广泛的 应用［３］。随后，欧美国家又开发了多种水质模型， 如 ＱＵＡＬ、ＷＡＳＰ、ＭＩＫＥ、ＥＦＤＣ、ＳＷＡＴ等。我国 在水质模拟模型方面的研究起步相对较晚，但在引 进国外先进水质模拟模型及自身开发的基础上也取 得了一定的成果。陈友超等人［４］对在 Ｓ－Ｐ预测模 型中引入污染源现状源强和预测断面现状监测浓 度，将预测结果与现状监测联系起来，使得预测结 果更贴近实际。李军等［５］对 ＷＡＳＰ富营养化模型 核心算法的重新编程，实现了该模型在 ＧＩＳ中的完 全集成，并设计了 ＬＨ－ＯＡＴ程序对参数进行全局 参数敏感性分析，提高了 ＷＡＳＰ富营养化模型模 拟性能和应用范围。ＺｈａｎｇＹ［６］根据国内流域水力 工程的实际情况，对 ＳＷＡＴ模型的水库调控模块 和水质模块进行改进，改进后的模型尤其适用于水 库水质的模拟，可实现对淮河流域 ３９个站点水量 及水质的模拟。表 １列出了一些国内典型水质模拟 模型研究。尽管国外已开发的水质模型应用较为成 熟，适用于河流、湖泊 （水库）、河口等多种水环 境、多种污染物的模拟，但其往往要求较为丰富的 数据资料，且精度难以掌握，故其在我国的运用受 到了很大限制。而国内已建立的模型虽能较好地模 拟水质要素的基本分布规律，但这些模型往往以小
李兴等［８］
环境流体动力 学模型
以 ＥＦＤＣ的水动力模块作为 ＣＥ－ＱＵＡＬ－ＩＣＭ富营养化模型的输入文件，建 立了耦合富营养化模型。模型不仅考虑了风速、蒸发对于模型的影响，也加 入了挺水植物密度、高度、直径等指标，使模拟结果更接近于实际。
朱磊等［９］
水文水质联合 模型
流域水文非点源 ＡｎｎＡＧＮＰＳ模型和水库水质 ＣＥ－ＱＵＡＬ－Ｗ２模型联合建的 水文水质联合模型，该模型不仅可对某水库的垂向和纵向水质进行预测，还 可应对洪水期和非洪水期的非点源污染区别对待。
— ６３—
环境科学导刊 ｈｔｔｐ： ／／ｈｊｋｘｄｋｙｉｅｓｏｒｇｃｎ 第 ３７卷 第 ４期 ２０１８年 ０８月 范围为研究区域，缺乏建模所需资料，不具有全面 性、通用性以及推广性。
研究者 袁癑等［７］
类型
二维动态水质 模型
表 １ 典型水质模拟模型研究 模型特点
借助 ＭＩＫＥ２１水力水质模型，对污水处理厂在正常排污和非正常排污事故中 的污染物在水环境中的过程变化进行了时空上的量化预测。对风速、水温变 化等因素进行了概化处理，忽略了浓度在垂直方向的变化。
关键词：水质预测模型；人工神经网络模型；回归分析模型；灰色理论模型；综述 中图分类号：Ｘ８２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－９６５５（２０１８）０４－００６３－０５
０ 引言 水作为生命之源，对人类生存发展极为重要。
随着经济的高速发展以及城市化进程的加快，水环 境污染问题日益严重，认识水环境污染存在的问题 及发展趋势，对水污染防治具有重要意义。水质预 测模型可依据水质监测的历史数据，建立多元监测 数据与水质参数变化之间相应的映射关系，实现对 监测因子或水质状况在未来一段时间内变化趋势的 预测。近年来，建立可靠的水质预报预警模型已成 为水环境科学领域的研究热点之一。水环境资源管 理需求不断扩大，提高了对可靠、高效、准确水质 预测技术的 需 求［１］。 目 前， 国 内 研 究 者 集 中 于 改 善水质预测模型的适用性和可靠性，引入了多种新 技术，如模 糊 数 学、 随 机 数 学、３Ｓ技 术 以 及 人 工 神经网络等，促使水质预测模型得到完善，提高了 其应用范围［２］。
环境科学导刊 ｈｔｔｐ： ／／ｈｊｋｘｄｋｙｉｅｓｏｒｇｃｎ ２０１８，３７（４）
ＣＮ５３－１２０５／Ｘ ＩＳＳＮ１６７３－９６５５
水质预测模型研究进展
王 健，向 峰，邱 飞，王 华，刘 慧 （云南省环境监测中心站，云南 昆明 ６５００３４）
摘 要：根据水质预测模型理论基础的不同，重点介绍了水质模拟模型、神经网络模型、回归分析模 型以及灰色理论模型，分别对模型的优缺点及适用性进行了分析。针对水质预测模型研究现状，提出了模 型发展所需要解决的问题和未来的发展趋势。
尤宾等［１０］ 一维稳态模型王祥三等［１１］ 二维随机水质 Nhomakorabea预测模型
刘中锋等［１２］
大型水库三维 水质模型
采取测流跟踪监测得到好氧系数 Ｋ１ 以及衰减系数 Ｋｃ、ＫＮ，在一定程度上 降低了误差；但模型本身仅考虑了降解、平流项，不适用于水力条件复杂多 变、排污范围大的水体。
结合一维随机水质降解模型和二维迁移扩散模型，同时考虑水质参数 Ｋ１、 Ｋ２、Ｋ３和河道横向扩散系数 Ｄｙ影响，适用于条件较复杂和排污范围大的 水体。
常见的水质预测模型有多种形式，可按照不同 的方法进行划分。通常，按照预测空间的维数可分 为一维、二维和三维水质预测模型；按照模型预测 污染物的范围，可分为单因子预测模型和综合水质 预测模型；按照模型理论基础的不同，可分为水质 模拟模型预测法、混沌理论预测法、数理统计预测 法、灰色系统理论预测法和神经网络模型预测法 等。每一种预测模型都有其各自的优缺点，适用于 不同的水质污染因子和水环境区域。如何选择可靠 性强、预测精度高的水质模型分析和评价区域水环 境质量，不仅是研究的热点，更成为了难点。本文 结合国内水质预测模型的研究发展历程，探讨了近
在大型水库三维水质预测模型中的污染物输移方程中采用了考虑温度分层影 响的原项表达式。由于模型未考虑风力作用、季节变化等引起垂直混合作用 的变化，导致 ＤＯ模拟误差较大。
