跨流域调水工程水质模型

水质模型是指用于描述水体的水质要素在各种因素作用下随时间和空间的变化关系的数学模型,是水环境污染治理规划决策分析的重要工具。当发生突发性水污染事故后,污染物进入水体后,在迁移扩散过程中受到水流、水温、物理、化学、生物、气候等因素的影响,产生物理、化学、生物等方面的变化,从而引起污染物的稀释和降解。需要使用水质模型来描述水体的水质要素在各种因素作用下随时间和空间的变化关系,从而预测污染物时空变化过程和危害程度。从1925年出现的Streeter Phelps模型算起,到现在的90余年中,水质模型的研究内容与方法不断深化与完善,已出现了包括地表水地下水、非点源、饮用水、空气、多介质、生态等多种水质模型。

河渠中污染物的迁移转化是一种物理的、化学的和生物学的联合过程,相对湖泊水情形而言,维向要低。其中物理过程包括:污染物在水体中随水流的推移,与水体的混合,与悬浮颗粒如泥沙颗粒的吸附和解吸,随着颗粒的沉淀和再悬浮,随着底泥的输送及其传热、蒸发作用等。其中,重金属在水体中是以分子、离子、胶体和颗粒态存在,它随水—悬浮物—底泥而迁移到下游。

河流中水流特性与污染物迁移转化的研究随着人们对环境问题重视程度的增加发展迅速,从一维到三维、从简单到复杂。

Streeter Phelps于1925年首次建立水质模型,此后对水质模型的发展大致分为4个阶段。首先是1925—1965年间开发了较为简单的BOD-DO的双线性系统模型,将河流、河口问题视为一维问题解决。其次是1965—1970年间,计算机开始用在水质模型研究中,同时科学家也加深了对生化耗氧过程的认识,使得水质模型向6个线性系统发展,计算方法从一维到二维。接着在1970—1975年间,相互作用的非线性模型系统得到发展,研究涉及营养物质磷、氮循环系统,浮游动植物系统等。最后在1975年以后,研究涉及已经到有毒物质的相互作用,空间尺度发展到三维。

一维水质模型包括S-P模型,其修正型Thomas模型、Dobbins-Camp模型、O’Connor模型,串联反应器模型,BOD多河段矩阵模型,BOD-DO耦合矩阵模型等等。(www.xing528.com)

实际上污染物在水中的迁移转化是一种物理的、化学的和生物学的综合复杂过程,目前为止已发展出很多综合水质模型:QUAL-Ⅰ模型和QUAL-Ⅱ模型,建立于20世纪70年代,是最早的综合水质模型之一。后经多次修改和增强,相继推出了QUAL2E模型、QUAL2EUNCAS模型及QUAL2K模型。QUAL2E模型适合于混合的枝状河流系统;QUAL2K模型则把系统分为不相等的河段。WASP模型,由USEPA开发,可以模拟一维不稳定流等,用途广泛。自20世纪80年代该模型被提出以来,在国内外已经得到广泛应用。在国内,逄勇等曾进行了太湖藻类的动态模拟研究;廖振良等对WASP模型进行了二次开发,建立了苏州河水质模型;杨家宽等运用WASP6模型预测南水北调后襄樊段的水质。CEQUALRIV1一维水流与水质模拟模型,由美国陆军工程师水道试验站开发。该模型能够分析非恒定性严重的河川条件,如电站峰荷变化的尾水,还能够模拟分支河流系统。MIKE SHE模型是由DHI开发的一个模型系统,作为多个模型的系统,它包括降雨-径流变化过程、一个集成的地下水流量模型和与MIKEII以及其他MIKE模型的联系。此模型系统提供了极好的界面和一个综合的水质变化过程系列。SMS模型为地表水系统模型,由美国Brigham Young大学图形工程计算机图形实验室开发。与其他模型不同在于它不模拟降雨—径流过程,它在二维方向模拟河流、河口、海岸。在该系统中的主要包括水动力和泥沙模型(RMA2、RMA4、SED2D、HIVEL、FEWWMS、WSPRO等),仅含有限的水质变化过程。其他还有如MMS、HEC5Q、GENSCN、OTIS、QUASAR、BLTM、AQUATOX2、FESWMS、SNTEMP、SIMUCIV等国内外较长使用的水质模型。水质模型今后的发展将以GIS为平台,模拟结果趋于动态化、可视化,污染机理、模型的不确定性研究加强,参数估值准确度提高。

Demuren和Rodi,Jian Ye和McCorquodale应用有限体积法建立了二维水质模型,模拟了污染物在连续弯道中的扩散规律;Sladkvich采用有限差分法对Haifa湾的污染物排放进行了数值模拟计算,成功建立了污染物扩散输移模型;美国密西西比大学Zhu Tingting建立了基于水深平均的二维水动力及水质模型,对浅水牛辄湖进行了模拟。

在我国,水动力学水质模型的研究起步较晚,但在学习、吸收国际先进经验的基础上发展较快,近年来国内学者叶守权等将确定性BOD-DO模型中的参数取为概率分布参数、灰色参数和模糊化后,建立了河流水质不确定性数学模型。雒文生等以确定性水质模型为基础,与随机过程模拟方法结合,建立了确定与随机耦合的水质不确定性预测方法,他们还将湍流、温度、生态相互耦合,建立了垂向二维水动力学生态综合模型,并在实际应用中获得比较满意的效果。庄魏对长江预警预报系统进行了研发,根据长江水体二维水流水质模拟的不同需求,针对连续排放点源模型、瞬时排放点源模型、非稳态数值解模型这三种水动力学水质模型,提出了在GIS平台下的集成方法,将水质模拟与地理信息系统集成。