（水利水电工程专业论文）引黄济津水质数值模拟研究.pdf

中文摘要 中文摘要 我国受气候影响，降水分布极不均匀，人均水资源短缺。由此引发了水环境 的恶性循环：因缺水导致生态环境恶化水环境污染严重流域性缺水。流 域性供水不足不仅影响人民的基本生活，还关系到国家的政治生活。为了不断满 足城市、乡镇供水需求，调水工程逐渐成为保障供水的重要角色。随着经济的发 展和人民生活水平的提高，人们对水的需求逐渐增多的同时，越来越关注水的安 全问题，即水质问题。 本文结合引黄济津调水工程，依据连续性方程、动量方程、自由表面方程、 状态方程和水质输运方程，采用有限差分法，对自由表面方程、动量方程和水质 输运方程进行求解，建立了引黄济滓调水工程水质模型。 基于引黄济津调水工程水质模型，对引黄济津河道进行了水动力和水质模拟 和验证，水动力和水质各参数计算值与实测值的比较表明，模型模拟结果与实测 值吻合较好，能较好地对引黄济津河道水质状况进行模拟和预测。模拟结果表明 到达九宣闸站的水质为地表水i 类水域标准，污染物经过一定天数后，从崔庄站 输移扩散到九宣闸站，并且沿程也有所衰减。该模型可为调水路线上任一地提供 可靠的水质数据，亦可预测到达天滓的水质状况，比进行现场监测节省时间和人 力，并能够模拟突发事件后水质变化状况，为实际决策提供科学依据。 本文用v b n e t 语言开发了引黄济津水质模拟可视化软件。该软件分为数据 输入、模型计算和输出动画三部分，可为用户提供输入水质模型计算的相关控制 条件的可视化界面，更好地实现人机交互。为方便操作，对软件功能及使用说明 进行了较详细地介绍。 关键词：引黄济津；水质模型；数值模拟；水质预测；可视化 a b s t r a c t a b s t r a c t a f f e c t e db yt h ec l i m a t e ，o u rc o u n t r yi ss ou n e v e no nt h er a i n f a l ld i s t r i b u t i o nt h a ti n d u c e st h e v i c i o u sc i r c l eo nt h ew a t e re n v i r o n m e n t ：t h ed e t e r i o r a t i n go fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n tb e c a u s eo f w a t e rs h o r t a g e - s e v e r ew a t e rp o l l u t i o n - w a t e rs h o r t a g eo nt h ew a t e r s h e d s h o r t a g eo f w a t e rs u p p l y i sn o to n l yi m p a c to i lp e o p l e sr a d i c a ll i f e ，b u ta l s oi m p a c to nt h en a t i o n a lp o l i t i c s i no r d e rt o f u l f i l lt h ew a t e rr e q u i r e m e n to fc i t i e sa n dt o w n s ，w a t e rt r a n s f e rp r o j e c tg r a d u a l l yb e c o m ea l l i m p o r t a n tr o l eo nw a t e rg u a r a n t e e a st h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h es t a n d a r do fl i v i n g ，a sw e l la sp e o p l e si n c r e m e n to fw a t e ru s a g e ，w ec o n c e n t r a t eo nt h ew a t e r s e c u r i t ya n dw a t e rq u a l i t yp r o b l e m c o m b i n e dw i t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c tf r o my e l l o wr i v e rt ot i a n j i n ，b a s e do nc o n t i n u i t y e q u a t i o n ，m o m e n t u me q u a t i o n ，f r e ew a t e rs u r f e re q u a t i o n ，e q u a t i o no fs t a t ea n dw a t e rq u a l i t y t r a n s p o r te q u a t i o n , t h ee q u a t i o n sa r es o l v e dw i t hf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d t h i st h e s i se s t a b l i s h e sa w a t e rq u a l i t ym o d e lo f w a t e rt r a n s f e rp r o j e c tf r o my e l l o wr i v e rt ot i a n j i n b a s e do nt h ew a t e rq u a l i t ym o d e lo fw a t e rt r a n s f e rp r o j e c tf r o my e l l o wr i v e rt ot i a n j i n ，t h i s t h e s i ss i m u l a t e sa n dv e r i f i e st h eh y d r o d y n a m i ca n dt h ew a t e rq u a l i t yo nt h er i v e rf r o my e l l o w r i v e rt ot i a n j i n t h ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hf i e l dd a t ao fh y d r o d 3 ，n a m i ca n dw a t e r q u a l i t yc o n s t i t u e n t ss h o wt h a tt h es i m u l a t e dr e s u l t si d e n t i f yw i t ht h ef i e l dd a t a i to a a 3s i m u l a t ea n d p r e d i c tt h ew a t e rq u a l i t ya l o n gt h er i v e rf r o my e l l o wr i v e rt ot i a n j i nm o r ep r e c i s e l y t h e s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rq u a l i t ya r r i v i n gj i u x u a n z h as t a t i o ni si i is t a n d a r df o r s u r f a c ew a t e r a f t e rs e v e r a ld a y s ，t h ep o l l u t a n ti st a k e na n dd i f f u s e df r o mc u i z h u a n gs t a t i o nt o j i u x u a n z h as t a t i o n ，w i t hd e c r e a s i n gd u r i n gt h et r a n s p o r t a t i o np r o c e s s t h i sm o d e lc o u l dp r o v i d e d e p e n d a b l ew a t e rq u a l i t yd a t af o re v e r ys e c t i o no nt h et r a n s f e rr o u t e a n di tc a np r e d i c tt h es t a t u s o fw a t e rq u a l i t yi nt i a n j i n ，w h i c hs a v e st i m ea n dm a n p o w e rc o m p a r e dw i t hf i e l dt e s t a d d i t i o n a l l y , i tc a r ls i m u l a t et h ew a t e rq u a l i t ys t a t u sa f t e rs o m es u d d e ne v e n t s ，a n dp r o v i d es c i e n t i f i cf o u n d a t i o n o nd e c i s i o n t h et h e s i sd e v e l o p sw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o nv i s u a ls o f t w a r ew i t hv b n e t t h es o f t w a r e i n c l u d e sd a t ai n p u t ，m o d e lc a l c u l a t i o na n dd e m oo u t p u t i tg a np r o v et h ev i s u a li n t e r f a c eo fw a t e r q u a l i t ym o d e lc a l c u l a t i o n ，a n dr e a l i z et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eu s e ra n dm a c h i n em o r ef l e x i b l y a n di tg i v e sm o r ed e t a i l sa b o u tt h es o f t w a r ef u n c t i o ni nt h eu s e rm a n u a l k e yw o r d s ：w a t e r s u p p l yf r o my e l l o wr i v e rt ot i a n j i n ；w a t e rq u a l i t ym o d e l ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；w a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o n ；v i s u a l i z a t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期：御f 年月廖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 钦舡 签字日期：却年占月) y 日 导师躲。未r 辛章导师签名：( 孓 中 签字日期：如年6 月培日 第一章绪论 1 1 我国水环境概述 第一章绪论 水是地球环境的基本要素，水与光、热、气共同组成地球环境的大气圈：水 存在于海洋、江河、湖泊、湿地中，形成地球环境的水圈：水在地球环境的生物 圈中，是植物、动物、微生物的重要物质成份，是生物不可替代的生命之源。没 有水就没有生命，地球上最初的生命产生于水环境中。水也是人类不可缺少的自 然资源，为人类社会的繁荣与发展发挥着重要的支撑和保障作用。1 9 7 2 年联合 国人类环境会议首次发出“水将导致严重的社会危机”的呼吁。早在2 0 世纪8 0 年代初，我国明确提出，环境保护是一项必须长期坚持的基本国策，并在中国 环境保护法的基础上制定了环境管理八项制度1 1 【2 】。1 9 9 8 年召开的全国人民代 表大会更进一步把环境保护提高到国家政治生活中新的水平 3 1 。伴随着科技的进 步、经济的发展和城市化进程的加速，人类对水的需求也逐渐增多，并不可避免 地产生水环境污染问题。汪恕诚指出：“我国的水污染问题十分严重，其造成的 严重后果不亚于洪灾和旱灾”。进入2 1 世纪，水环境仍然是人类可持续发展所面 临的一个重大课题。 我国江河水质状况大致为：上游水质好于下游，干流水质好于支流，南方水 质好于北方，流经城市的河段水质最差。2 0 0 2 年，全国7 大江河7 4 1 个重点监 测断面中，2 9 1 的断面满足i 类水质要求，3 0 的断面属v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质。在评价的1 2 3 万k m 河长中，符合和优于i i i 类水的河长占 总评价河长的6 4 7 。评价的2 4 个湖泊中，6 个湖泊水体符合和优于i i i 类水质， 6 个湖泊部分水体受到污染，1 2 个湖泊水体污染严重。1 9 6 座水库的水质评价结 果，符合和优于i 类水质的水库有1 4 6 座，占评价水库的7 4 。1 6 1 座水库的营 养状况，处于中营养状态的水库有1 0 5 座，处于富营养状态的有5 6 座。目前全 国不少地区地下水开采量超过补给量，黄淮海3 大流域年超采量达到1 0 0 亿n 1 3 左右，其中海河流域年超采量超过5 0 亿m 3 。浅层地下水和深层地下水的超采面 积分别占流域平原面的3 0 和4 0 。北方城市和中部平原地区地下水水质较差， 特别是华北地区主要城市的地下水污染较为严重，海河流域2 0 0 0 多眼地下水监 测井的水质评价表明，仅有3 l 评价总井数的水质符合生活饮用水卫生标准，即 第一章绪论 2 3 以上监测井水质不符合生活饮用水标准。相比较南方城市的地下水水质状况 优良【“。 水污染的日趋严重，一方面带来严重的生态与环境问题。例如，污染的水体 破坏了众多野生动物和植物栖息、繁衍的乐园：影响水产养殖、渔业、农业灌溉 等，造成巨大的经济损失甚至威胁人民的生命。另一方面也加剧了一些缺水地区 和缺水城市的缺水严重程度，有些地区和城市甚至出现了缺乏安全饮用水的危 机，成为污染型缺水区。例如，2 0 世纪9 0 年代淮河出现多次特大污染，致使苏 皖两省数百万人饮水困难口j 。 缺水导致生态环境目益恶化。从各流域的生态环境需水量所包括的分项内容 看，大部分生态环境需水量，主要由尚未控制利用的地表水和地下水来满足，同 时工农业和生活用水的退水量再补充一部分。从目前的水量平衡分析角度看，在 地下水超采之外，海河流域和黄河流域的生态环境需水量尚有约1 3 0 亿m 3 的缺 口不能满足。在工农业和生活用水的废水回用量中，尚有约8 0 亿m 3 未处理过的 污水量用于生态环境。超采地下水引发地面沉降、海水入侵等一系列环境地质问 题【6 】：挤占生态环境用水其直接后果是河道断流、入海水量减少、生态环境遭到 严重破坏。水体水质呈恶化趋势不仅危害人民身体健康，而且加剧了水资源的紧 缺状况。 因生态环境缺水，黄淮海流域已不同程度地出现植被退化萎缩、河道及湖泊 萎缩、灌区次生盐渍化、土地沙化、水土流失、水环境污染等生态环境问题，且 有日趋严重的趋势。根据 2 0 0 2 年中国水资源公报和( ( 2 0 0 2 中国地表水资源 质量年报等有关资料分析，我国黄淮海流域水资源整体状况较差，局部地区已 到了极其严重的程度。河流污染河段( 劣于类) 达5 6 ，高于全国平均水平 1 1 个百分点。海河和淮河已无i 类水，i i 类水所占比重也较低。各流域水体污 染形势不容乐观，己由局部发展到全流域、由下游蔓延到上游、由城市扩散到农 村、由地表延伸到地下。以安阳市的水资源第二次评价结果为例：平原区河流的 水质除了洪水期外普遍很差，又黑又臭、氨氮、c o d 、挥发酚等的浓度超过v 类 水标准的几倍到几十倍；城市附近和沿河两岸( 拦蓄污水进行灌溉) 地下水水质 严重超标，饮用水井的细菌和大肠杆菌超标也比较普遍，严重威胁着民众的身体 健康【_ ”。在安阳市下游的海河其他地区水污染问题更是不容乐观。淮河流域的水 污染问题更是全国闻名。 水污染的主要原因是大量工业和生活废污水未经任何处理而直接排放，农村 地区过度使用化肥和农药也是造成面源污染的主要原因。水体污染直接威胁着饮 第一章绪论 用水安全、蔬菜和粮食安全、降低景观质量，还破坏清洁水体的使用功能，从而 加剧水资源的紧缺程度。因此，无论是在南水北蒯工程建成前还是建成后，都要 采取强有力的措施进行黄淮海流域水污染防治和治理。 1 2 课题的提出与研究意义 海河流域多年平均降水量5 3 9 毫米。降水量年内分配很不均匀，8 0 “, o 左右集 中在6 - 9 月份，且往往集中在几次强降雨过程；降水的年际变化很大，丰水年可 达8 0 0 毫米以上，枯水年仅2 7 0 毫米左右。流域多年平均水资源总量3 7 2 亿立方 米，人均占有量3 0 5 立方米，为全国的1 7 ，是全国严重缺水区之一。2 0 世纪5 0 年代以来，海河流域水资源短缺和水环境恶化问题越来越突出。河道断流，湿地 萎缩，地f 水大量超采，水污染和水土流失加剧，流域水环境已经恶化到十分危 险的境地。在咀北京为中心的首都经济圈的带动下，海河流域的经济高速发展。 随着全流域城市化发展，供水需求不断增加，水环境蜕化的速度也在加快。尤其 是最近2 0 年来，全流域湿地萎缩，浅层地下水枯竭，越来越多的河流断流，水 库无水可蓄，水环境状况不断恶化。 2 0 世纪7 0 年代后，多次出现流域性供水危机。为了不断满足北京、天津等 中心城市越来越大的供水需求，向广大的乡村和中小城镇提供灌溉、生活用水， 海河流域兴修了许多水利建设，其中调水工程成为保障供水的举足轻重的角色。 1 9 8 3 年9 月，举世闻名的引滦入津工程使天津人民告别了喝咸水、苦水的历史。 自1 9 7 2 年至2 0 0 4 年，为缓解天津水荒在党中央、国务院的关怀下，先后9 次 引黄济津，共引水约5 4 亿立方米，天津市共收水约3 0 2 亿立方米。与此同时， 南水北调工程也已逐步进入施工阶段。 随着经济的发展和人民生括水平的提高，人们对水的需求逐渐增多，越来越 关注水的安全问题，即水质问题。这就要求调水工程有更完善的管理运行体系， 加强输水路线的水质管理和控制、保护水源，以保障输水安全。为了保证城市乡 村居民安全用水，使有限的资金发挥出最大的效益，往往就需要我们不仅知道水 质的现状，还需要根据当前的水质情况、污染物的迁移转化规律以及可能的污染 源发生情况来预测今后水体质量的变化情况，从而在环境效益、经济效益综合评 估的基础上制定出水污染控制的方案”j ；同时，对于突发性污染事故，也必须建 立起有效的预警预报系统。实践证明，利用现代计算机和计算技术建立水质预警 预报系统不失为一种经济有效的科学手段。 本文开发的调水工程水质模拟可视化软件是现代水质管理和控制的重要组 本文开发的调水工程水质模拟可视化软件是现代水质管理和控制的重要组 第一章绪论 成部分，而其的核心是水质模型。该软件能预报输水路线各断面的水质变化情况， 并且提供可靠的水质数据，预警可能的点源污染物汇入输水河道，以避免出现严 重的水质污染，确保输水安全和环境卫生，从而达到社会效益、环境效益、经济 效益的统一。 1 3 水质数学模型的重要性 水质数学模型简称水质模型，它是解决环境系统工程定量问题的重要工具之 一，是水环境管理规划和控制过程的重要组成部分，是解决实际工程所必需的手 段。由于环境系统复杂，物理模型耗时较长、成本较高，这些问题都往往使其在 应用和扩展的范围上受到限制。在模拟水质方面，大多数物理模型很难较准确地 模拟和再现水环境的复杂问题，对于预测也难给出令人满意的结果。物理模型的 对象往往具有局限性，适应性较差，而数学模型对各种问题则灵活多变，可与反 馈技术相结合，这是物理模型所不及的。数学模型与高速计算机相结合使得运算 快速，这对于水质的预测和控制是很有利的。因此国际上对数学模拟水环境污染 和大气污染给予普遍的重视，认为是一种经济、灵活的手段，有相当的真实性， 可以提供规划预测的依据。随着计算机技术的日益发展，在计算机上进行数学模 拟，具有较大的灵活性和适应性，可以在短时间内完成各种方案的比较，这是物 理模型所无法比拟的。尤其是在对多个预案进行比较时，更能体现数学模型的优 越性。 1 4 本文的主要研究内容 本文基于水环境现状、水质模型的重要性，结合引黄济津调水工程研讨了一 种多参数的水质模型，并应用此水质模型开发出了一个较为实用的水质模拟可视 化软件。本文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 )对河流水质数学模型进行了综述，介绍了国外水质模型研究的几个发 展阶段，对水质模型的各种分类进行了概述，对一些常用的水质模型 软件进行了介绍，对河流水质模型的优势及其局限性进行了叙述。 ( 2 )概述了引黄济津调水工程水质模型建立的背景，对其控制方程和求解 方法进行了详细阐述。 ( 3 )建立了引黄济津调水工程水质模型，并进行了水动力和水质模拟和验 证。经过对水动力和水质各参数计算值与实测值的比较表明，该系统 第一章绪论 模拟结果与实测值吻合较好，能较好地对引黄济津水质状况进行模拟 和预测。 ( 4 )基于调水工程水质模型开发了一个水质模拟可视化软件。软件采用 v i s u a lb a s i c n e t 语言编写，使用w i n d o w s 平台界面，具有友好的 界面和怠好的操作性，并详细介绍了引黄济津调水工程水质模拟可视 化软件的功能与使用说明。 1 5 本章小结 本章对我国水环境进行了概述，介绍了引黄济津水质数值模拟研究课题的背 景、理论意义和实际价值，对水质数学模型的重要性进行了阐述，并归纳了本文 的主要研究内容。 第二章河流水质模型 第二章河流水质模型 2 1 水质模型研究的发展阶段 从1 9 2 5 年s t r e e t e r - p h l e p s 算起，水质模型已被研究了8 0 年。国际上，从水 质模型研究发展的时间上看，大致可以分为以下三个阶段【1 0 】： 2 1 1 第一阶段( 1 9 2 5 年至1 9 8 0 年) 这一阶段模型研究对象仅是水体水质本身，被称为“自由体”阶段。也就是 说，在这一阶段模型的内部规律只包括水体自身的各水质组分的相互作用，其他 如污染源、底泥、边界等的作用和影响都是外部输入( 图2 1 ) 。第一个河流 b o d d o 耦合模型( s t r e e t e r - p h l e p s 模型，1 9 2 5 年) 提供了水中有机物氧化作用 与同时发生的复氧过程的关系式。这种模型框架维持了很长时间，直到1 9 5 8 年， 奥康纳( o c o n n e r ) 和多宾斯( d o b b i n s ) 对复氧系数进行了深入的理论分析， 取代了仅仅利用观测得到的复氧系数的方法为止。他们还将河流溶解氧模型扩展 到河口，并且开发了时变的模型( o c o n n e r1 9 6 0 ，1 9 6 2 ，1 9 6 5 ，1 9 6 7 ；o c o n n e r a n dm u e l l e r1 9 8 4 ) 。 在这一阶段，开始主要研究生活和工业点污染源严重污染的河流系统，输入 的污染负荷仅强调点源。其他源和汇，例如底泥耗氧( s o d ) 和藻类光合和呼吸 作用，与水动力传输一样，都是作为外部输入，而面污染源仅仅是作为背景负荷。 随着欧美等发达国家强制要求对工业污水进行二级处理，点源污染下降了，对于 许多水体，来自水系( 流域) 内的面源污染相对增大了。这样，为相应改善对水 流生态系统的管理，就要求对面源污染进行评价；同时，随着点源污染的下降， 在底泥与上层水体之间发生的离散与交换作用，以及底泥耗氧等作用更加突出， 在大部分情况下，因为他们明显地与点源和非点源产生相互作用，所以靠外部输 入这些值不再合适。当然，对于开放的边界，如海洋，边界浓度通常是要由外部 确定。 在水质模型发展的第一阶段末期，模型受到了另一个巨大的挑战：由于过剩 的营养输入而产生的水体富营养化问题。为应付这个问题，模型增加了相互作用 的状态变量( 水质组分) ，从而模型复杂了。其中，一些模型包括了营养物和水 第= 章河流水质模型 生植物、水生动物之间的非线性相互作用，例如，应用于s a c r a m e n t o - s a nj o a q u i n 三角地带的一个三变量( 氨氮、水生植物、水生动物) 非线性相互作用的机理动 态模型( d it o r o 等，1 9 7 1 年) 。 第一阶段的模型发展开始于点源，但随着对面源控制的要求和将以前外部过 程如底泥作用内在化的要求增加，应用这类模型的时代便告结束了。 图2 - 1 水质模型第一阶段“自由体”阶段 2 1 2 第二阶段( 1 9 8 0 年至1 9 9 5 年) 水体 从1 9 8 0 年至1 9 9 5 年可以作为水质模型快速发展的第二阶段( 图2 2 ) ，这一 阶段模型有如下发展：( 1 ) 在状态变量( 水质组分) 数量上的增长：( 2 ) 在多维 模型系统中纳入了水动力模型；( 3 ) 将底泥作用纳入了模型内部( 如o c o n n e r 等1 9 8 3 ；t h o m a r m 和d it o r o1 9 8 3 ；d it o r o 和f i t z p a t r i c k1 9 9 3 ) ；( 4 ) 在流域模 型进行连接以使面污染源能被连入初始输入( 如d o n i g i a n 等1 9 9 i ) 。在这一阶段， 由于能对流域内面源进行控制，从而使管理决策更完善：由于将底泥的影响作为 模型的内部相互作用的过程处理，从而在不同的输入条件下底泥通量能随之改 变；而且由于水质模型的约束更多了，预测的主观性大大减少了。这一时期，人 们对一些比以前大得多的系统建立了模型，如美国的大湖，切萨比特湾，等等。 2 1 3 第三阶段( 1 9 9 5 年至今) 随着发达国家对面源污染源控制的增强，面源污染减少了。而大气中污染物 质沉降的输入，如有机化合物、金属( 如汞) 和氮化合物等对河流水质的影响日 显重要。虽然营养物和有毒化学物由于沉降直接进入水体表面已经被包含在模型 框架内，但是，大气的沉降负荷，不仅直接落在水体表面，也落在流域内，在通 过流域转移到水体，这已成为日益重要的污染负荷要素。从管理的发展要求看， 第二章河流水质模型 增加这个过程需要建立大气污染模型，对一个给定的大气流域，能将动态或静止 的大气沉降连接到一个给定的流域。所以，在模型发展的第三阶段( 图2 - 3 ) ，增 加了大气污染模型，能够像对沉降到水体中的大气污染负荷直接进行评估一样， 对来自流域的负荷进行评估。 图2 - 2 水质模型第二阶良_ 包括底泥、水动力模型。并与流域模型连接 图2 - 3 水质模型第三阶段_ 与大气模型连接后，所有污染物都纳入了模型 2 2 水质模型的分类 水质模型可以有很多种分类方法，在此讨论以下若干种。 包 水 流 第二章河流水质模型 2 2 1 根据模型的空间维数分类 事实上，自然界的一切现象都是在三维空间里发生的，水质现象也不例外。 因此，描述水质现象的数学模型也应该是一个解释为三维空间中的函数。但是， 在处理某些具体问题时，为了减少数学处理上的复杂性，更多的是在给定的假设 基础上使用二维甚至一维的模型。例如在一般情况下，可以用一个一维模型来描 述一条河流，用一个二维模型来描述一个大而浅的湖泊。有时甚至可以用一个零 维( 不包括空间变量) 模型来描述一个完成混合的湖泊。 2 2 2 根据模型的时间相关性分类 含有时间变量的数学模型能够描述水质随时间变化的规律，因此这类模型被 称为动态模型：而那些不含时问变量的模型则只能描述平衡状态的水质情况，因 此称其为稳态模型。根据所要解决的问题的不同性质，可分别采用不同时间相关 性的模型。例如当我们要了解一次污染事故后河流中的水质分布时，则必须要用 动态模型；而当制定排放标准、确定减少排放量时需要使用临界条件下的稳态模 型。 2 2 3 根据模型的建立方法分类 如果模型建立的原理是根据水体中各水质组分的物理、化学、生态作用机理， 则称之为机理模型，如果模型的建立是按照统计学的方法，则称之为统计模型； 如果数据资料充分，通过河网的拓扑结构关系建立方程组，这样的模型称之为微 观模型或白箱模型；如果撇开河网的复杂结构，仅考虑系统的输入输出，建立变 量之间的经验关系模型，则称之为宏观模型或黑箱模型【1 1 l ，介于两者之间的则称 之为灰箱模型。 2 2 4 根据模型变量的确定性分类 按照模型变量是否为随机变量，可以把模型分为确定性模型和非确定性模型 两类。当变量含有随机特性( 即非确定性) 时，称为随机模型；当变量不含有随 机特性时，则称为确定性模型。 第二章河流水质模型 2 2 5 根据变量的阶次分类 按模型方程中变量的阶次可以把数学模型分成线性模型和非线性模型。模型 方程中变量的阶次都是一次的叫做线性模型，否则叫做非线性模型。非线性模型 在数学上处理比较困难，因此如有可能应尽量使用线性模型。 2 2 6 根据研究的水体分类 如果研究的水体是地表水，则称之为地表水质模型：如果研究的水体是地下 水，则称之为地下水质模型。 2 2 7 根据模型的研究方法分类 根据研究对象是固定的空间流场还是流场中连续运动的质点，可以分为欧拉 模型和拉格朗日模型【1 2 】。 被水质模型模拟的过程包括对流、扩散、稀释和各种反应过程等等。描述这 些过程的微分方程被称为对流扩散过程。在欧拉模型中，对空间固定的控制体应 用质量守恒定律，而对流项的存在使微分方程复杂化，对流项是导致难以求得方 程精确的数值解的主要原因。但是欧拉模型计算便利，它能简便的表达系统要素， 它的计算结果还自动包括特定位置的时变的各污染指标浓度，这与现场记录数据 的方式相适应。所以，欧拉法被广泛应用在数值模型上。 而另一方面，大多数物理过程与随流运动的特定的局部水团相关。所以，对 特定的水团应用质量守恒定律是一个更自然的表达方式，这样建立起的模型被称 为拉格朗日模型，例如d i s c u s 模型 1 4 。拉格朗日模型的微分方程在数学上更 简单，更有利于透彻的理解概念本质。然而虽然拉格朗日形式的对流扩散方程的 数值解比欧拉形式的方程数值解更精确，但它的求解很不方便，因为它是建立在 位置连续变化的流体上。拉格朗日模型的其他优点：更易于解释水质计算数据， 即使这些数据是在固定位置上：用它进行参数估计和灵敏度分析在解法和解释上 更自然。 2 2 8 根据水质组分的分类 按模型的水质组分来分类，可以分为单组分、耦合组分、多组分和水生生态 模型等。应用得最多的是b o d d o 耦合模型，这是因为它既对水污染控制具有 第二章河流水质模型 普遍的重要性，而且它的模型已能较为真实地反映实际。在b o d - d o 耦合模型 中，应用最广泛的是s t r e e t e r p h e l p s 模型及其各种修正式”1 。 2 3 水质模型的空间层次和一些常用的水质模型软件介绍 本节从空间层次上对国外一些常用的水质模型软件进行简要介绍。水质模型 从空间层次上可以分为一维、二维、三维模型和水系( 流域) 模型、模型系统m 】。 2 3 1 一维模型 这是最常用的水质模型，包括q u a li i ，b l t m ，w a s p ，m i k e l l ， c e q u a l - r 1 ，c e q u a l r 1 v1 等。 n 、q u a li i 。对水质模型进行概述不能不提到q u a li i ，它是由美国 国家环保局( u s e p a ) 开发，经历了时间的考验。它是一维稳态模 型，用来模拟河网的营养氧化过程，研究的水质组分包括水温、细菌、 氮化合物、磷化合物、溶解氧、b o d 、藻类以及用户自定义的一种 可溶解物质和三种不溶解物质。这个模型现在已有w i n d o w s 界面， 并被纳入b a s i n s 模型系统，而且可以做灵敏度分析。这个模型在 模拟稳态流和稳定负荷输入的河流时相当成功。而且它是免费的i l ”。 r 2 1b l t m ( t h eb r a n c h e dl a g r a n g i a nt r a n s p o r tm o d e l ) 。即河网拉格朗日 输移模型，它由美国地质调查局( u s g s ) 开发，它没有模拟水动力 情况，水动力条件要由其他模型提供。这个模型包括q u a li i 所含 有的水质反应变化过程，而且是时变的。这个模型被加入到m m s 模 型系统中去。m m s 为它提供很好的用户图形界面。它同样也是免费 的。 ( 3 )w a s p 。它是u s e p a 开发的另一个经历时间考验的模型。它能模拟 几个底泥层和两个水体层，所以它实际上是准二维模型，但它的水动 力模型是一维的。w a s p 能广泛模拟各种水质组分，如水温、盐度、 细菌、氮化合物、磷化台物、d o 、b o d 、藻类、硅土、底泥、示踪 剂、杀虫剂、有机物以及用户自定义的物质。w a s p 的程序源代码是 全部开放的，也是免费的。 f 4 1m i k e l l 。它由丹麦水动力研究所( d h i ，开发，是一维动态模型， 能用于模拟河网、河口、滩涂等各种地区，研究的变量包括水温、细 第二章河流水质模型 菌、氮、磷、d o 、b o d 、藻类、水生动物、岩屑、底泥、金属以及 用户自定义物质。它有很好的界面，能处理许多不同类型的水动力条 件。它研究的水质变化过程很多。被广泛应用于世界上很多地区，例 如用于研究长江中部地区的洪水预报。但它的价格很高 1 8 1 。 c e q u a l r 1 。它由美国陆军工程兵团开发。这个模型与其它的一维 模型有所不同，它模拟垂向水质变化。被应用于模拟湖泊、水库的水 质在深度方向变化。它包括水质变化过程很广。研究的水质组分包括 水温、氮、磷、d o 、藻类、水生动物、鱼类、硅土、硫、金属、悬 浮颗粒物、可溶固体颗粒、p h 值。它可采用m o n t e c a r l o 法计算可 靠度，有用户界面，免费。 c e q u a l r 1 v 1 。它是另一个由美国陆军工程兵团开发的模型。它 模拟分支河网的水流量与水质变化。用这个模型时要考虑处理变化大 的流量和不同水质组分的能力。它完全没有用户界面，研究的水质组 分包括水温、细菌、氮、磷、d o 、b o d 、藻类、金属。同样免费。 2 3 2 二维模型 包括f e s w m s ，m i k e 2 1 ，r m a 2 r m a 4 s e d 一2 d ，c e q u a l w 2 等。 ( 1 )f e s w m s ( t h ef i n i t ee l e m e n ts u r f a c ew a t e rm o d e l i n gs y s t m e ) 。即有 限元地表水模型系统。最初是为美国联邦高速公路管理局开发的，用 来模拟流经许多人工构筑物，如堤坝、桥梁的河口和河流的水动力情 况。现在由u s g s 支持和发布。免费。 f 2 )m i k e 2 1 。d h i 开发，m i k e l l 的姊妹模型。它是一个极优秀的模型， 用来模拟垂向变化在水质中能被忽略的湖泊、河口、河岸地区。它提 供的水质变化过程很广，与其它的m i k e 模型很象。当然它同样价 格很高。 ( 3 )r m a 2 r m a 4 s e d 2 d 。由资源管理协会开发。是被美国陆军工程兵 团使用的t a b s 模型系统的一部分，在s m s ( 地表水模型系统，后 面介绍) 中执行。r m a 2 是有限元水动力模型，r m a 4 是能模拟最 多6 个用户自定义组分传输的水质模型，s e d 2 d 是底泥传输模型。 象f e s w m s 一样，这些模型在垂向平均致。它能模拟的水质变化 过程种类不多。 ( 4 1c e q u a l w 2 。美国陆军工程兵团开发。与大部分二维模型不同， 第二章河流水质模型 c e q u a l w 2 模型是横向平均的，即它模拟纵向和垂向。该模型用 来模拟河流、河口、湖泊和水库，能模拟的水质变化过程很多，研究 的水质组分包括水温、盐度、细菌、氮化合物、磷化合物、d o 、b o d 、 藻类、底泥、示踪剂、杀虫剂、有机物、无机悬浮固体、金属以及用 户自定义的物质等。模型本身是免费的，但不包括前后处理。 2 3 3 三维模型 包括e f d c h e m 3 d ，m i k e 3 ，c e - q u a l - i c m 等。 ( 1 ) e f d c h e m 3 d 。e f d c ( e n v i r o n m e n t a lf l u i dd y n a m i c sc o d e ) ，即环 境流体动态代码。它由j o h n h a m r i c k 开发。该模型目前已由u s e p a 支持，作为e p a 模型进行升级。e f d c 的水动力部分类似于e c o m 3 d 和c h 3 d w e s 。大部分水质变化过程被包括在其姊妹模型h e m 3 d 中，那些变化过程是基于c g q u a l - i c m 的。e f d c 也是一个被广泛 使用的模型。 ( 2 )m i k e 3 。它是另一个由d h i 开发的模型。与m i k e 2 1 类似，但它能 处理三维空间。与m i k e l l 和m i k e 2 1 一样，它的水质变化过程很 多，界面很友好。但是价格昂贵。 f 3 ) c e q u a l i c m 。美国陆军工程兵团开发。它能模拟维、二维、三 维。i c m ( i n t e g r a t e dc o m p a r t m e n tm o d e l ) 代表集成网络模型。 c e q u a l - i c m 不模拟流量，所以必须从别的模型获取流量。在大部 分应用中，它与另一个陆军工程兵团的水动力模型c h 3 d ( 曲线水动 力三维模型) 合用。它是目前世界上发展程度最高的三维模型之一。 将要并入与s m s 系统中。 2 3 4 水系( 流域) 模型 叉被称为降雨一径流模型，是近年来人们越来越感兴趣的模型。它们包括了 许多不同尺度的变化过程。历史上，相比作为水系的水质模型，它们更多地被用 来模拟由于降雨形成的径流。 ( 1 )m i k e s h e 。将在后面的模型系统中讨论 ( 2 ) h s p f ( h y d r o l o g i cs i m u l a t i o np r o g r a m f o r t r a n ) 。即水文模拟 f o r t r o n 程序。这是一个很老的、经历时间考验的、一定程度是经 验型的水系模型。它是当今最常用的水系模型之一。h s p f 能模拟标 第二童河流水质模型 准的富营养化过程，也能模拟其他水质组分如杀虫剂的传输。h s p f 被集入至少三个系统模型：b a s i n s ，g e n s c n ，w m s 。它现在由 u s g s 和u s e p a 联合支持。 ( 3 ) p r a m s ( t h ep r e c i p i t a t i o nr u n o f fm o d e l i n gs y s t e m ) 。代表降雨一径流模 型系统。p r m s 不象h s p f 那么历史悠久和具有综合性。但它有被高 度优化的能量平衡和融雪历程。它仅能模拟底泥运动，所以有时使用 受限。已被集入m i v i s ( 下面将介绍的一个模型系统) 。 2 3 5 模型系统 ( 2 ) b a s i n s 。它是u s e p a 支持的基于g i s 环境的系统。最初它用h s p e 作为水动力和水质模型，后来q u a li i 和一些别的模型也被集入 b a s i n s 。它使用a r c v i e w 界面。集入了几个流量和水质数据库，使 用g i s 能从数据库抽取数据。b a s i n s 系统由六个相互关联的能对水 系和河流进行水质分析、评价的组件组成【”1 ，分别是：国家环境数 据库、评价模块、工具、水系特性报表、河流水质模型、非点源模型 和后处理模块。 g e n s c n 。由u s g s 开发，与b a s i n s 很类似。它也为水系尺度的 模型提供了g i s 界面。它的模型除h s p f 外，还集入了动态一维流量 模型f e q 。然而f e q 没有水质历程。g e n s c n 的优势在于能模拟水 质变化情节，产生一系列快照。使用免费的g i s ，这一点比使用 a r c v i e w 好。 m m s ( t h em o d u l a rm o d e l i n gs y s t e m ) 。即模块模型系统，由u s g s 开发。使用m m s ，用户能从几个不同的程序中挑选自己需要的水系 模型。这些模型中现在包括分支河网水动力模型d a f l