水質(zhì)模型概述

鄭燦　劉強　李延林　楊子超

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院　寧夏銀川　750001）

1　前言

水環(huán)境是指環(huán)繞在人類周圍并影響人類一切活動的水體，包括自然因素與社會因素。水環(huán)境的好壞直接或間接影響社會經(jīng)濟的發(fā)展。近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，污染物種類及途徑逐漸增多，水環(huán)境的安全受到嚴(yán)重威脅。所以，對水環(huán)境治理與保護成為亟待解決的重要問題之一。水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的引入為水環(huán)境保護與治理提供有力的理論依據(jù)。

2　水質(zhì)模型的發(fā)展歷程

第一階段（1925～1980），這一階段出現(xiàn)了最早的水質(zhì)模型-氧平衡模型（S-P模型），它是由美國的兩位工程師斯重托爾（Streeter）和菲爾甫斯（Phelps）提出，之后，在其基礎(chǔ)上運用BOD－DO模型于水質(zhì)預(yù)測等方面。這一階段把對氧平衡的研究作為要點，而其他因素作為外部輸入，主要是一維穩(wěn)態(tài)模型，且以BOD-DO、QUAL-I、QUAL-II等模型作為代表模型。

第二階段（1980-1995），由于計算機的發(fā)展，水質(zhì)模型也有了突飛猛進的發(fā)展。這一階段，主要把底泥、面源污染等因素的影響進行了研究，并且向多維的、動態(tài)的、以及多介質(zhì)的模型發(fā)展，其中以WASP、一維動態(tài)模型MIKE系列等模型為代表。

第三階段（1995-至今），此階段把大氣污染沉降輸入模型，各種多維的、動態(tài)的以及多介質(zhì)的模型也逐步趨于完善，其中以QUAL2K、QUAL2E模型、QUASAR系列模型為代表，同時也把多種新技術(shù)和方法，如3S技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，應(yīng)用到水質(zhì)模型中。

3　水質(zhì)模型應(yīng)用

隨著對水質(zhì)模型的不斷研究，現(xiàn)今的水質(zhì)模型主要用于：模擬和預(yù)測污染物運動、水質(zhì)管理規(guī)劃與評價、水環(huán)境容量的計算等方面。

3.1　在模擬和預(yù)測污染物運動規(guī)律中的應(yīng)用

一般通用的思路是：先進行圣維南方程組的求解，得到流速場；然后再進行水質(zhì)方程的求解，得到濃度場。Salterain等運用IWA水質(zhì)模型，模擬了西班牙Ebro河；趙棣華等運用有限體積法及黎曼近似解建立了水流-水質(zhì)模型，且進行模型率定檢驗，并分析模型計算污染帶的合理性。

3.2　在水質(zhì)評價中的應(yīng)用

水質(zhì)評價是水質(zhì)規(guī)劃的基本程式。萬金保等建立了地表水環(huán)境質(zhì)量模糊綜合評價模型，運用該模型對江西省的樂安河進行了水質(zhì)評價。李平衡等利用生態(tài)動力學(xué)模型求解葉綠素a的分布，模擬了溫排水對陡河水庫的富營養(yǎng)化影響。

3.3　在水質(zhì)管理規(guī)劃和水環(huán)境容量計算中的應(yīng)用

在水質(zhì)管理規(guī)劃中，根據(jù)河流的最大允許污染物排入總量，通過水質(zhì)模型與系統(tǒng)工程相結(jié)合，用最小的成本使水質(zhì)達到預(yù)定目標(biāo)。汪常青等通過建立水質(zhì)模型，指導(dǎo)污水處理廠的建立及運行。

在水環(huán)境容量的計算中，要求動態(tài)水質(zhì)模型與線性規(guī)劃相結(jié)合進行計算。周剛等提出了動態(tài)水文條件下基于WESC2D模型水質(zhì)模擬和粒子群算法中RPSM非線性優(yōu)化的河流水環(huán)境容量計算方法。

4　總結(jié)與展望

從水質(zhì)模型的發(fā)展歷程及應(yīng)用情況，可以看出研究成果巨大，應(yīng)用前景廣闊。但目前，由于影響水環(huán)境的因素較多，涉及參數(shù)也較多，因此，對于模型參數(shù)的對比率定較為困難，且應(yīng)用范圍和準(zhǔn)確性也有待提高。但隨著科學(xué)不斷發(fā)展，研究人員的不斷努力，相信水質(zhì)模型會有更高的層次，更大的應(yīng)用。