《水环境模拟》课程设计报告河南城建水文.docx
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《水环境模拟》课程设计报告河南城建水文
《水环境模拟》课程设计报告
班级0254111
专业水文与水资源工程
姓名
学号
指导教师梁峰；吴俊峰
市政与环境工程学院
2014年6月20日
目录
1、地表水质模型概述3
1.1、地表水质模型的定义3
1.2、地表水质模型的发展历程3
1.3、地表水质模型的分类4
1、地表水质模型的应用5
2.1、几种主要地表水质模型5
2.1.1、WASP模型5
2.1.2、QUASAR模型5
2.1.3、QUAL模型6
2.2、水质模型在环境规划与管理中的应用7
2.2.1、污染物在水环境中行为的模拟和预测7
2.2.2、水质管理规划与评价8
3、水质模型研究的发展方向9
4、结论10
地表水质模型的研究综述
【摘要】：
分析地表水质模型的定义。
分析了地表水质模型的研究发展历程和地表水质模型的分类和简单的分析。
阐述了当前3种主要的综合地表水质模型,以及在水质预测、水质规划评价、水质预警预报中的基本应用研究现状。
讨论了地表水质模型的今后的发展方向。
【关键词】：
地表水质模型研究综述
近年来，水污染事件日益增多，人们对水污染也越来越重视。
而且，日益加剧的水污染对我们的生存环境造成了巨大的影响，加剧了地区缺水程度，甚至导致了安全用水危机。
所以，水质模型作为水环境污染治理规划决策分析的有效工具越来越受到重视，同时，也在实际应用中取得了重大作用。
1、地表水质模型概述
1.1、地表水质模型的定义
地表水质模型是描述污染物在水体中随时间和空间迁移转化规律及影响因素相互关系的数学方法[1]，是水环境污染治理规划决策分析的重要工具[2]。
研究地表水质模型的目的，主要是为了描述污染物在地表水中迁移转化规律，为水环境保护服务。
他可以用于水质模拟和水质评价，进行水质预报和预警预测，制定污染物排放标准和水质规划，是水污染防治和水环境管理的重要工具[3]。
1.2、地表水质模型的发展历程
其发展历程可以分为三个阶段[4]:
第一阶段（20世纪20年代中期~70年代初期）,是地表水质模型发展的初级阶段,该阶段模型是简单的氧平衡模型,主要集中于对氧平衡的研究,也涉及一些非耗氧物质,属于一维稳态模型。
第二阶段（20世纪70年代初期~80年代中期）,是地表水质模型的迅速发展阶段。
随着对污染物水环境行为的深入研究,传统的氧平衡模型已不能满足实际工作的需要,描述同一个污染物由于在水体中存在状态和化学行为的不同而表现出完全不同的环境行为和生态效应的形态模型出现。
由于复杂的物理、化学和生物过程的结果,释放到环境中的污染物在大气、水、土壤和植被等许多环境介质中进行分配,由污染物引起的可能的环境影响与他们在各种环境单元中的浓度水平和停留时间密切相关,为了综合描述它们之间的相互关系,产生了多介质环境综合生态模型,同时由一维稳态模型发展到多维动态模型,水质模型更接近于实际。
第三阶段（20世纪80年代中期至今）,是水质模型研究的深化、完善与广泛应用阶段,科学家的注意力主要集中在改善模型的可靠性和评价能力的研究。
该阶段模型的主要特点是考虑水质模型与面源模型的对接,并采用多种新技术方法,如:
随机数学、模糊数学、人工神经网络、专家系统等。
本文主要对地表水质模型的研究进行综述。
1.3、地表水质模型的分类
地表水质模型根据不同的分类标准可归纳为[4]：
根据使用管理可分为：
江河模型、河口模型、湖泊与水库模型、海洋模。
一般河流模型比较能反映实际，湖、海模型比较复杂，可靠性小。
根据水质组分可分为：
单组分、耦合组分、多组分。
其中BOD-DO耦合模型应用的最广泛。
根据时间可分为：
稳态模型、动态模型。
数学表达式和输入条件等不随时间变化的是稳态模型,相反是动态模型。
根据空间可分为：
零维模型、一维模型、二维模型、三维模型。
零维模型是将整个环境单元看作处于完全均匀的混合状态,模型中不存在空间环境质量上的差异,主要用于湖泊和水库水质模拟;一维模型横向和垂向混合均匀,仅考虑纵向变化,适用于中小河流二维模型垂向混合均匀,考虑纵向和横向变化,适用于宽而浅型江河湖库水域;三维模型考虑三维空间的变化,适用于排污口附近的水域水质计算。
根据模型的性质可分为：
黑箱模型、白箱模型、灰箱模型。
黑箱模型由系统的输入直接计算出输出,对污染物在水体中的变化一无所知;白箱模型对系统的过程和变化机制有完全透彻的了解;灰箱模型界于黑箱与白箱之间,目前所建立的水质数学模型基本上都属于灰箱模型。
根据反应动力学可分为：
纯输移模型、纯反应模型、生化模型、输移和反应模型、生态模型。
纯输移模型模拟排污口附近不随时间衰减的保守性污染物在水体中的迁移转化规律;纯反应模型只考虑发生化学和生物化学反应;生化模型描述有限空间中生物有机质与化学环境之间的关系;输移和反应模型模拟随时间衰减变化的非保守型污染物运动规律,不仅考虑输移,还要考虑衰减;生态模型不仅描述生物过程,还描述输移和水质要素的变化。
根据变量的特点可分为：
确定性、随机性。
确定性模型对一组给定的输入条件,只有一个确定的解,是用的最广泛的一种数学模型;随机性模型输入条件和变量具有随机性,其解不稳定且不唯一。
1、地表水质模型的应用
2.1、几种主要地表水质模型
2.1.1、WASP模型
WASP（Thewaterqualityanalysissimulationprogram,水质分析模拟程序）是美国环境保护局提出的水质模型系统,能够用于不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况,可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不稳定流、常规污染物和有毒污染物在水中的迁移和转化规律,被称为万能水质模型[3]。
目前的最新版本是WASP7,它具有2个独立的计算机子程序:
DYNHYD（水力学计算程序）和WASP（水质分析模拟程序）。
WASP提供了两类水质模拟子程序:
EUTRO（富营养化模型）和TOXI（有毒化学物模型）。
WASP模型的基本方程反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边界的交换等随时间变化的工程,经简化WASP常用模型如下:
式中,
为点源和面源负荷;
为边界负荷;
为总动力转化系数,正值为源,负值为汇。
目前,WASP水质模型已被广泛应用于水质模拟。
逄勇等[4]曾进行了太湖藻类的动态模拟研究,探讨了太湖藻类的动态变化机制,对治理太湖藻类“水华”有一定的现实意义;杨家宽、肖波等将WINDOWS版的WASP5运用于汉江襄樊段的水质模拟,也取得了较满意的结果[5]。
2.1.2、QUASAR模型
QUASAR（QualitySimulationAlongRiverSystem）模型是由英国Whitehead建立的贝德福乌斯河水质模型发展起来的[6,7],是一维动态水质模型,它包括3个部分:
PCQUASAR、HERMES和QUESTOR。
QUASAR模型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输过程。
PCQUASAR和QUESTOR（QualityEvaluationSimulationToolforRiverSystem）可随机模拟大的枝状河流体系,这种河流受污水排放口、取水口和水工建筑物等多种因素影响。
QUASAR可同时模拟水质组分:
BOD、DO、硝氮、氨氮、pH值、温度和一种守恒物质的任意组合。
QUASAR模型首先将模拟河道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。
河道数据以河流段组织,统一河段内具有相同的水力、水质特性和参数,各河段的水力、水质特性则各不相同。
QUASAR模型忽略了弥散作用对水质的影响,并假定每个计算单元是理想的完全混合反应器,在此假定的基础之上,得到模型的基本方程为:
式中:
C为组分浓度;C’为组分流入浓度;Q’为组分流入量;V为单元水的体积;
C为组分的内部转化[7]。
QUASAR模型具有综合性、实用性和计算简便的特点,在河流水环境规划、水质评价、治理等方面具有较为广泛的应用前景,非常适合于大型河流的溶解氧模拟,已成功地应用于英国LOIS工程[7],值得在我国河流水质工作中借鉴。
2.1.3、QUAL模型
QUAL模型是由美国环保局研究开发的,最早在1970年推出QUAL水质综合模型,1973年开发出QUAL模型,后经多次修订和增强,相继推出了QUAL2E、QUAL2EUNCAS,直到目前的最新版本QUAL2K。
郭永彬、王焰新等人将QUAL2K模型用于汉江中下游的水质模拟与预测[9],并将QUAL2E和QUAL2K都应用研究河流的同一河段并比较模拟结果发现,QUAL2K比QUAL2E能更好的模拟野外观测数据,验证了QUAL2K的先进性。
QUAL模型现在已有WINDOWS界面。
QUAL模型建立在如下假定的基础之上:
将研究河段分成一系列等长的计算单元水体,在每一个单元水体中污染物是混合均匀的;污染物沿水流轴向迁移,对流、扩散等作用在纵轴方向。
流量和旁侧入流不随时间变化,可认为是一个常数;各单元水体的水力几何特征,如坡底、断面面积、河床糙率、生化反应速率、污染物沉降和藻类沉淀速率等方面各小段均相同。
在以上假定的基础上,导出QUAL模型的基本微分方程:
式中:
Ax为x位置的河流横截面积（m2）;U为断面平均流速（m/s）;Ex为纵向分散系数（m2/s）;
为小河段的间距（km）;Sc为源和汇的物质负荷（mg/Ld）。
QUAL模型可按用户希望的任意组合方式模拟15种水质组分,包括:
BOD、DO、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、溶解氧、大肠杆菌、任意一种非保守物质和3种保守物质[10,11]。
QUAL模型可研究入流污水负荷（包括数量、质量和位置）对受纳水体水质的影响,也可用它来研究非点源问题。
它既可以用作为稳态模型,也可以用作为时变的动态模型。
QUAL模型适用于枝状河流,它假设河流中的平流和弥散作用只在主流方向上是主要的,是一个一维的综合河流水质模型,它允许沿河有多个排污口、取水口、支流,也允许入流量有缓慢的变化,它可被用来计算靠增加河流流量来满足预订溶解氧水平时所需要的稀释流量[8,12]。
2.2、水质模型在环境规划与管理中的应用
2.2.1、污染物在水环境中行为的模拟和预测
水质模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的行为。
污染物在迁移的过程中行为非常复杂,用模型方法有助于了解污染物的运动规律,而且省时,经济。
对于求解水质方程,传统方法采用有限差分和有限元法。
差分法对于曲线边界拟合不够理想,而有限元求解对流扩散方程会产生数值振荡,有限体积法结合了差分法和有限元的优点,是目前较为理想的数值求解方法。
国外学者对水质模型的研究较早,也较成熟。
Chau等[12]建立了三维污染物传输数学模型和水流模型方程耦合求解,水平方向采用正交曲线坐标,竖向采用σ坐标,考虑侧向边界的影响,模拟了Pearl河的COD水质变化。
由于我国本身的环境污染问题,国内学者也做了大量的工作,近年来在数值模拟方面的研究工作也开展较多,赵棣华等[13]根据长江江苏感潮河段水流水质及地形特点,应用有限体积法及黎曼近似解建立了平面二维水流—水质模型。
应用浓度输移精确解验证模型算法的正确性,利用长江江苏感潮河段的水流、水质监测资料进行模型率定检验,并通过对卫星遥感资料的分析检验模型计算污染带的合理性。
模型在长江江苏段主要地区区域供水规划及实施决策支持系统中得到应用,为该江段水质规划提供了依据。
2.2.2、水质管理规划与评价
河流水质规划的基本课题是根据河流预定的基本功能所要求的水质及河流的自净能力来确定允许排入河流的污染物量[14]。
在实践中,环境容量是环境目标管理的基本依据,是环境规划的主要环境约束条件,也是污染物总量控制的关键参数。
对于已经污染的河流来说,则是如何削减各污染源的污染物排入量,以最低费用且在规定时间内使河流水质达到预定目标。
它是水质模型与系统工程结合,寻求最优解的过程。
20世纪70年代,由于非点源污染问题突出,水质管理模型由单一的水质数学模型发展为一个包含流域水文模型、非点源模型和水质模型的复合模型系统。
80年代后期,地理信息系统开始与上述的数学模型有机耦合在一起,构成一个比较完整的流域水质管理系统[15,16]。
实践表明,利用系统方法进行水质规划,可以节省10%以上的基本建设投资和运行费用。
3、水质模型研究的发展方向
水质模型发展至今已取得了丰硕的成果,但还有一些局限性,主要体现在[17,18]:
水质污染机理还有许多不清楚之处,很多过程难以用数学方法表达、模拟,建模时必须经过一定程度的概化,失真在所难免;建模的基础是大量的水质资料,资料数据的真实性、系统性、完整性直接影响模型精度,海量数据的收集分析、计算、查询与显示功能欠缺,模拟结果的可视性差;现有研究多是针对某一研究对象特点建立模型,模型拓展性差;模型比较复杂,导致许多参数难以较准确地度量和估值,参数的随机性也会引起结果的不确定性。
随着人们对水质变化机理的不断深入认识和研究范围的不断扩大,水质模型研究的参数和状态变量必然越来越多,精确程度越来越高,但是也必然因此增加模型的复杂度,水质模拟过程也随之变得更艰难。
今后地表水质模型研究方向大致可归纳为以下几个方面:
（1）利用神经网络的建模技术研究。
人工神经网络是一种模仿生物神经系统而发展起来的,是用来描述和刻画一组非线性因果关系的强有力的工具,具有通过学习获取知识来解决问题的能力,将其嵌入到水质模型模拟中,会使模型参数更准确,使水质模型更接近于实际,对水质的分析和模拟过程更趋于合理化、智能化,同时增强处理非线性问题的能力。
（2）利用专家系统的建模技术研究。
在地表水环境分析和应用中,经验工人和技术人员往往可根据监测的实时环境数据进行污染物的扩散预测,通过对这些专家知识的学习,设计地表水污染专家系统,并利用专家系统的有关理论进行地表水模型研究,这也是一个重要的研究方向。
（3）结合地理信息系统（GIS）的应用。
GIS一个最显著的功能就是对海量空间数据的存储和管理,此外还能对水质计算结果进行空间分析和动态显示,模拟结果一目了然,使对复杂模型的理解变得容易,并得到很多有价值的信息,从而辅助决策。
4、结论
自1925年第1个水质模型问世以来,随着对污染物污染机理的深入研究,国内外很多科研机构已相继研究开发出众多综合水质模型。
根据发展趋势来分析,计算机和信息技术与水质模型将会结合得更紧密,对水环境预测数据处理的精确性研究方面将会更加深入。
对水质模型的研究可以为计算机及信息技术在水质的模拟预测及水质模型的设计等方面中的应用提供良好依据。
环境工作者在对环境污染进行治理规划的同时,也应加强对国内外水质模型的研究,并结合现代的高科技计算机及信息技术,设计出适合我国特殊要求的效的水质模型程序,争取达到水质模型研究开发的世界领先水平,加速我国环境事业的发展。
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