河流水质模型及其发展趋势
摘 要:水质模型是进行环境水污染控制、水质规划和环境管理的有效工具. 运用系统分析技术进行水污染控制系统的规划是现代水质管理的基础和依据, 水质模型对整个规划过程起着至关重要的作用。
本文对河流水质模型的发展进行了简要介绍,比较详细的评述了河流水质模型及几个国际通用的综合水质模型. 同时本文还着重对河流水质模型的发展趋势做出评价,特别是提出了对河流水质模型与虚拟现实(VR) 技术结合这一应用前景.
关键词:河流水质模型；控制方程; 应用
河流水质模拟可以分为定性模拟和定量模拟两种,目前主要采用数学模型、物理模型与模拟模型3 种系统进行水质定量模拟。河流水质模型是对河道水体中污染物随空间和时间迁移转化规律的数学描述,其中涉及到许多物理、化学和生物过程,模型大都比较复杂. 近年来,对水质模型的研究已经从点源污染模型转向面源污染模型,从一般的水质模型转向综合水质模型,并将营养物、有毒化合物及底泥等作用纳入到模型中,逐渐向真实、定量化方向发展.
随着不确定性分析方法、人工神经网络、地理信息系统以及虚拟现实等方法技术的不断发展及与河流水质模型的进一步结合,将极大地促进河流水质模拟和水环境管理技术的先进性和现代化. 水质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, 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 。它的研究涉及到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。它的发展在很大程度上取决于污染物在水环境中的迁移、转化和归宿研究的不断深入, 以及数学手段在水环境研究中应用程度的不断提高。水质模型在理论上从最初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理论; 在实际应用上,从最初的城市排水工程设计发展到现在的污染物水环境过程模拟、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; 在研究方法上, 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( GIS) 相结合的数值解和逸度表达法。这些成果都极大地推动了水环境管理技术的现代化。
50 第四章 萨克拉门托模型
萨克拉门托)(Sacramento流域水文模型，简称萨克模型，是美国国家天气局萨克拉门托预报中心的BurnashCJR、FerralLR和McguireAR于70年代初期在第IV斯坦福模型基础上改进和开发的一个集总参数的概念性降雨径流模型，因它始用于美国加里福尼亚州的萨克拉门托河而得名。1973年编制完成了日流量模拟程序，1975年又进一步编制完成h6的模拟程序。研究者希望模型能适用于所有地区，包括干旱地区和湿润地区。萨克模型已在美国的水文预报中广为应用，也是国内引进的水文模型中人们较为熟悉的模型之一。
第一节 模型的基本概念与结构
一、基本概念
萨克模型是一个集总参数的概念性降雨径流模型。它以土壤水分的贮存、渗透、运移和蒸散发特性为基础，用一系列具有一定物理概念的数学表达式来描述径流形成的各个过程；模型中的状态变量代表水文循环中一个相对独立的特性；模型参数具有明确的物理意义，可以根据流域特征、降雨量和流量资料推求。
二、模型结构
萨克模型基本结构见图4－1。
1、流域划分
萨克模型将全流域按下垫面对降雨产流的作用不同分为不透水面积和透水面积。而不透水面积又分为永久不透水面积PCTIM和可变的不透水面积ADIMP,透水面积为)(1ADIMPPCTIM。
2、土层划分
在透水面积上，萨克模型按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为上土层和下土层；上土层自由水向下土层的渗透用霍尔坦下渗方程描述。
3、土壤水划分
萨克模型按土壤水水力特性的不同，将每层土壤中的蓄水量分为张力水和自由水两部分。张力水是指紧密吸附于土壤颗粒表面的分子水及毛管水，其最大值等于 51 田间持水量。它消耗于蒸散发，在重力作用下不能自由运动。自由水可以补充张力水，而张力水不能补充自由水。当张力水与自由水的蓄量均达到饱和时，透水面积与不透水面积性质相同。不透水面积、可变不透水面积上考虑张力水蓄量，但无自由水蓄量，张力水蓄量分上下两层。
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《QUAL 一 2 K模型及其主要参数确定》
S — P模型的基本思路是： 他们认为水中溶解氧( DO) 随时问减少的速率与 B OD的浓度成正比，水中溶解氧的减少主要是由于水中有机物在好气菌在分解中消耗水中氧气所引起的，并且与BOD降解具有相同的速度，即复氧的速度与氧亏成正比。
S - P模型只考虑了有机物降解和大气复氧对DO的影响，没有考虑有机物沉浮、底泥吸附等对DO的影响，因此其结果与实际有一定的差别。有很多学者对其进行了改进，主要有以下3种模型：
( 1 ) Thomas模型：对一维稳态河流，在S---P模型基础上增加了一项因悬浮物的沉淀与浮所引起的BOD速率变化。
( 2 ) Camp—Dobbins模型：在Thomas的基础，增加了底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化速率和藻类光合作用和呼吸作用以及地表径流引起的溶解氧速率变化。
( 3 ) Oconnor模型：假定总的BOD是由含碳BOD(CBOI))和含氮BOD(NBOD)两项组成，模型不仅考虑了含碳化合物的耗氧，而且也考虑了含氮化合物的耗氧。
《WA S P水质模型在辽河干流污染减排模拟中的应用》
WASP水质模型：WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)是由美国国家环保局开发的水质分析软件，可用来模拟常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律，是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域等一系列水质问题而设计的动态多箱模型。WASP模型在中国渭河、苏州河、汉江等多个流域及水库已有成功的应用。
WASP模型由两个独立的计算机程序DYNHYD和WASP组成，两个程序可连接运行，也可以分开执行。DYNHYD是一个简单的“Link—node”网络水力动态模型，产生的输出文件可为水质分析模拟程序WASP提供流量和体积参数。WASP是一个基于质量守恒原理的动态模型模拟体系，由有毒化学物模型TOXI和富营养化模型EUTRO两个子模块组成。TOX I是有机化合物和重金属在各类水体中迁移积累的动态模型，可预测溶解态和吸附态化学物质在河流中的变化情况。EUTRO采用了OTOMAC富营养化模型的动力学，可预测DO、C OD、BOD、富营养化、碳、叶绿素a、氨、硝酸盐、有机氮、正磷酸盐等物质在河流中的变化情况。
1 第一章 水源水质概述
第一节 天然水中的杂质
一、杂质的来源
水是地球上分布最广泛的自然资源，在自然界中通过降水径流、渗透的方式进行着无休止的循环运动，形成了各自水源。
水的溶解能力较强，水在自然界的循环过程中不停混入了泥砂、粘土等杂质，还可以溶解各种固体、液体和气体等物质。动植物的残骸在水中极易腐败分解而形成腐植质等各类有机化合物。尤其是生活污水和工业废水的窜入，严重地破坏了天然水中物质平衡，致使天然水遭受污染，给人类的生活和工农业生活造成极其恶劣的影响。
二、杂质颗粒的分类
不同来源的水中杂质，按照存在的状态和颗粒尺寸的大小，通常分为溶解物、胶体悬物三类。
颗粒名称 溶液 胶体 悬浮杂质
颗粒直径（um） 0．0001-0．001 0．01-0．1 1um-10 100-1000
外观 透明 浑浊 浑浊
颗粒内容 分子、离子 有机腐殖质、细菌病毒、粘土、重金属氧化物等 浮游生物、泥土 砂
处理方法 离子交换
软化等方法 混凝、沉淀、过滤除去 自然沉淀、过滤除去 沉砂池除去
三、杂质的成分
按照给水处理的需要，天然水中杂质成份可分为溶解物、悬浮物、胶体、溶解性有机高分子化合物和微生物五类。
1）溶解物：水中的溶解物主要是盐类和气体。
盐类是以阳离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+），阴离子（HCO3- 、SO42-、Cl）的形式存在，有的地下水还含有Fe2+、Mn2+和F-。溶解性气体主要O2和CO2两种，有时也含有少量的N2、SO2、H2S等气体。这些来自于自然界的无毒无机盐类，对人体的健康无害，它与水构成了均匀的分散体系，对光的照射能全部通过，外观透明。
2）悬浮物：天然水中的悬浮杂质主要是泥砂、动植物和浮游生物残骸，有机高分子物质（如蛋白质，腐殖酸等）。粒径较大的杂质颗粒，在动水中基本上呈悬浮状态，在静水中 2 易下沉，在水力的作用下能在水中悬浮或上浮水面，主要成分是有机类物质和极为微小的杂质颗粒。悬浮杂质的颗粒对光线具有反射和散射作用，使水体产生浑浊现象。因此悬浮杂质是生活饮用水处理的对象之一。
