河流水质模型和水质评价
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河流水质模型和水质评价方法
摘要：水资源开发利用与保护的重要任务是在对水资源质量全面合理评价的基础上根据不同供水目的，提供满足其用水水质要求的，具有一定水量保证的水源。水资源的合理开发与有效利用的前提就是对供水资源数量与质量建立合理模型和进行正确评价。
关键词：水质模型 水质评价
水是一种特殊的资源，支撑着所有的生命。从当前和未来的社会经济发展趋势来看，我国水资源形势不容乐观，我们在过去的快速发展中对水资源的破坏相当严重。水资源短缺和污染等问题已经成为我国可持续发展的瓶颈，更是未来我国实现全面建设小康社会和实现现代化目标所面临的重大挑战之一。
水质型缺水问题突出，水资源、水环境的承载能力已不堪重负，多地出现了很突出的水资源污染导致的严重的环境问题。像太湖的富营养化导致的藻类大量繁殖破坏水体等都是水资源严重破坏，水质得不到有效保障，大自然给予我们的警告。为着力解决新时期水资源的开发、利用、保护和治理等重大问题，加强水资源科学管理，2002年3月国家发改委和水利部联合部署开展全国水资源综合规划编制工作。
下面提出几种水质模型和相关理论为基础，结合水资源规划的具体要求及相关标准，来阐述对河流水质评价的方法，为不同水域环境规划以及相关工程措施提供科学依据。
水质评价内容及指标
水质指标项目繁多，有上百种。可以分为物理的、化学的和生物学的三大类。
1.物理性水质指标有：
（1）感官物理形状指标，如温度、色度、臭和味、浑浊度、透明度等。
（2）其他物理性水质指标，如总固体、悬浮固体、可沉固体、电导率（电阻率）等、
2.化学性水质指标有：
（1）一般的化学性水质指标，如PH、监督、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总含盐量、一般有机物等。
（2）有毒的化学性水质指标，如各种重金属、氰化物、多环芳烃、卤代烃、各种农药等。
（3）氧平衡指标，如溶解氧（DO）化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总需氧量（TOD）等。
3.生物学水质指标有：
一般包括细菌总数、总大肠菌数、各种病原细菌、病毒等。
水体水质现状评价指标的选择因评价对象不同而不同，主要原则是应根据水质监测情况以及水体所处地理条件等确定，具有代表性，能反映水体污染特性。对大中型河流，由于接纳污染物复杂，污染物负荷较高，易造成指标超标，因此可多选一些指标作为评价指标，对小河可适当减少一些评价指标，当然有足够监测资料，也可多选一些指标。在数据统计时，应该是经过统计检验且删除了离群值后的K个监测数据的平均值或考虑其均方差。
水环境质量评价方法现有主要为污染指数法、模糊评价法、灰色评价法、物元分析法、单因子评价法，水质综合评分法等。要综合各种方法的优劣做合适的评价方法。
水质模型特点与内容
水质模型：是一种数学模型，指水体含有物（包括化学物质、热、放射性物质、生物体）因水动力和生物化学作用而发生物理的、化学的和生物的各种反应，形成错综复杂的迁移转化过程所做的数学描述和模拟。可以对污染物进入天然河流所产生的稀释、扩散、自净过程与规律进行评价、预测等。
以下各模型方案中主要分析水质模型及其建立而不详细阐述各组合模型的具体设计和实施。
1.基于GIS的水质模型
传统的水质评价，通常只是通过一些诸如污染指数、超标倍数或指标等数字来表达水质状况，不能让人直接明了的了解水质污染现状。利用GIS的图形化显示功能及水质站的空间特性，将水质评价结果与水质站的空间分布建立联系，进行空间统计分析，可以比较直观的表示水体水质污染情况。既描述有关地理特征，又反映不同时间水资源质与量的属性数据。
以往的水环境信息系统大都是环境管理系统（MIS），没有和地理信息系统（GIS）相结合，而利用GIS建立水环境信息管理模型能很好的将空间地理数据进行信息化管理，从而快速、有效地处理大量复杂的水环境信息。对其进行空间跟踪、模拟、动态分析等，使人们能及时掌握水质现状，为改善环境提供保障，并且满足水资源保护与管理的需要。
主要内容：水质模型的建立 - GIS的二次开发 - GIS与水质分析模型的集成 - 建立数据库 - 建立系统管理模块 - 结果显示 - 水环境水质评价
水质模型的建立：
一维稳态模型：一种相对简单的模型，是河流、河口和湖泊遭受污染时，实际的断面浓度分布与断面浓度的平均值偏差不大时常采用的水污染预测模型，适用流速较小的小型河流，岸边排放的污染物能在较短时间到达对岸且与河水均匀混合。建立微分方程∂C∂t+U∂C∂X=E∂2C∂X2−KC
对其解析可得C=QpCp+QECEQP+QEexp(−KX(t)86400U)
二维稳态水质模型：当水利条件复杂多变、排污范围大的水体（如大型的河流、河口、海湾、浅湖等)，当排放到河流中的污染物在完成横向混合前这段过程，污染物在纵向和横向都存在浓度梯度，这时就需要采用二维水质模型对其进行描述。在河床形状较为规则、水量稳定的条件下，可采用二维稳态水质模型对其进行模拟，这样既可以满足计算精度的要求，又可大大简化计算过程。其具体形式
Dx∂2C∂x2+Dy∂2C∂y2−ux∂C∂x−uy∂y∂x−KC=0
水质模型解为C(x,y)=Muxh√4πDyxux⁄{∑exp[−ux(2nB−y)24Dyx+∞n=−∞]}exp[−Kxux]
水质模型的概化：对于一维模型，选择污染评价的河流，并显示河流上节点；根据河流流向确定起始点坐标，然后搜索下个节点记录坐标，依步长划分河段，依次遍历河流上的节点，直至最后一个节点，在河流分叉时，设置奇异点记录坐标重复上述步骤，依此概化另一支流。
对于二维模型，采用网格剖分，将空间离散化或将离散数据重新采样和内插，将水质模型与GIS在空间坐标系统一起来。
在建立了水质模型后对GIS进行二次开发，融合水质分析模型，建立GIS-水质评价模型。
2.河流综合水质模型-QUAL2E模型
QUAL2E综合水质模型是在QUAL-II水质模型基础上，由美国环保局水质模型中心环境研究室开发的，用于河流的水质规划与管理。
QUAL2E模型的基本方程是一个平流-弥散质量迁移和反应的偏微分方程，考虑了平流扩散、稀释、水质组分自身反应、水质组分间的相互作用以及组分的外部源和汇对组分浓度的影响。对任一水质组分，有∂C∂t=∂(AxDL∂C∂X)Ax∂X−∂(AxUC)Ax∂X+dCdt+SV 其中 ∂C∂t≠0
QUAL2E允许有多个排放口、取水口以及支流，适用计算靠增加河流流量来满足预订溶解氧水平时所需的稀释流量。它是一个生态模型，描述了河流中藻类、营养物质和光三者之间的相互生态作用。与众多的水质模型相比，QUAL2E可以按照使用者所希望的任意组合方式模拟以下15种水质组份：溶解氧、生化需氧量、温度、藻类-叶绿素a、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、任意非保守性组分和3种保守性组分。
水质模型的建立：将所研究的河流水系的每一计算单元看成一个由一系列完全混合的反应器组成的系统。根据所研究河流水系的水文地质条件和研究目的，将河流划分为一定数目的河段，再确定出每一河段计算单元的数目，然后确定各河段的水质参数、力学参数、水文参数、污染负荷以及其它边界条件和初始条件。最后把这些参数输入模型中，进行水质模拟。
相关数据有以下类型：程序控制数据、系统定义数据、水力数据、复氧系数和常数、初始条件数据、沿程附加流量和水质数据、源头数据、点源数据和气象数据等。经过对数据的分析得到水力学、温度、反应系数、水质、藻类、溶解氧等数据总结和动态模拟结果总结以及模拟组分及水量相对河流长度的变化曲线。
模型水质参数通过现场实验方法获取，水力学参数利用水文站实测水文参数样本与相关经典数学公式和经验公式推演得出，边界条件利用水文参数及相关国家水质标准确定，初始条件例如研究某种组分时，由该组分的初始浓度，温度等以及参考监测的历史资料确定河流源头水质背景浓度值。
利用现场监测数据与模型模拟预测数据验证模型可行性，得出其相关关系并校正。
3.QUASAR河流综合水质模型
QUASAR模型属于水质控制数学模型，研究目的是建立污染物排放量与河流水质间的关系，而不研究污染物在水体的迁移转化规律，模型相对简单。模型对溶解氧浓度的因素作了充分描述，适合大河溶解氧模拟。运用概率论和数理统计为基础的随机方法，从而得到比确定性模型更多的信息，但其严重的一个缺陷是计算量随系数的抽样数目增加而增加许多倍。该模型不能模拟有回流的河流。
水质模型的建立：QUASAR模型是一维动态水质模型，由PC-QUASAR、HERMES和QUESTOR三部分组成。采用含参数的一维质量守恒微分方程来描述枝状河流动态传质过程。
首先将模拟河段划分为一系列非均匀流河段，再将河段划分为若干等长的完全混合计算单元。利用
流量平衡 质量平衡
Q支+Q排-Q （Q/C/）支+（QC）
Q/ Q Q/C/ QC
对任一水质组分忽略弥散作用对水质影响，并假定每个计算单元是理想的完全混合反应器，有dC/dt=Q/(C/-C)/V+ΔC
假定水密度不随时间而改变，并假定流量相对于时间步长变化缓慢，因此对于守恒物质，其模型为dC/dt=(1/τ)Q/(C/-C)；对于非守恒物质Dc/dt=(1/τ)Q/(C/-C)+ ΔC且τ=L/v
采用四阶Runge-Kutta法求解。该方法允许模型同时求解以保证方程表达的每一步不会优先于其他步骤，与QUAL2E模型比较，该模型比较容易公式化和检验，模型求数值也较容易。
数据需求：在应用于水质模拟时，所需数据为a.流域结构和地理信息b.边界条件，即流入
ΔC 系统的水流流量和质量c.检验和求解模型而监测的数据d.河段参数，包括每一河段特定的速度常数。
模型参数确定：模型参数的确定是建模工作的核心内容，可靠的参数是模拟成败的关键。因此在确定模型结构之后，还要对模型中的参数进行确定，求得与实测资料最佳拟合的模型参数。QUASAR模型参数按河段来组织，主要包括水力参数和水质参数两类。水力参数可根据河段的水文资料确定，水质参数可根据QUASAR模型所提供的相关水质参数的经验公式计算，也可以通过监测资料反算而取得。
总结与建议
近年来我国在利用水质模型进行河流、湖泊水质规划方面都有较大进展，但在日常水质环境管理与污染防治中使用水质模型尚不广泛。在水污染防治中实行的排污总量控制制度，对水质污染的定量化管理提出新的要求的大背景下，本文利用污染源与河流水质的的水质模型关系，提出相应模型水质目标值公式，重点分析了几种模型的模型建立内容。但由于影响水质的因素很多，对水质评价的模型构筑有很多种，比如模糊数学在水质评价中的模型，对河流控制断面水质目标值的一维水质模型，BP神经网络和灰色模糊聚类法建立水质评价模型等。各种模型都有其优缺点，我们为建立更准确的反映自然水体水质模型，应该探索将各模型结合与优化，并用现代信息管理技术来建立实际可行易行的方案。
