水质模型研究的历史与发展.docx

水质模型研究的历史与发展 1 水体环境模型 水质模型是计算水循环水体中各水质因子发生的物理、化学、生物和生态变化的数学方法。研究水质模型的目的,主要是为了描述污染物在水体中的迁移转化规律,为水环境保护服务。它可用于水质模拟和水质评价,进行水质预报和预警预测,制订污染物排放标准和水质规划,是水污染防治的重要工具。 2 从大气污染物控制到城市河流水环境模型的建立 自1925年以来,水质模型不断研究与发展,大致分为以下3个阶段。 第一阶段是1925~1980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。 第二阶段是1980~1995年。这个阶段可以作为水质模型研究快速发展的第二阶段,这一阶段模型有如下的发展:(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)将底泥等作用纳入了模型内部;(4)与流域模型进行连接以使面污染源能被连入初始输入。 第三阶段是1995年至今。随着发达国家对面污染源控制的增强,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,再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,增加这个过程需要建立大气污染模型,即对一个给定的大气流域(控制区),能将动态或静态的大气沉降连接到一个给定的水流域。所以,在模型发展的第三阶段,增加了大气污染模型,能够对沉降到水体中的大气污染负荷直接进行评估。 3 美国主要的水质和水动力学模型 3.1 quile2e和quile2k 3.1.1 qula2e和q智能化 最初的模型是F. D. Masch及其同事和德州水利发展部分别于1970和1971年发展的河流水质模型QUAL-Ⅰ,1972年 美国水资源工程公司(WRE)和美国环保局(EPA)合作发展成了第一个版本的QUAL-Ⅱ。1976年3月,SEMCOG和美国水资源工程公司合作进一步对此模型进行了修改,并将已经存在的各版本优秀特性合并到新的QUAL-Ⅱ模型中。 QUAL2E(3.0版)是在Tufts大学土木工程系和EPA水质模型中心(CWQM)环境研究实验室合作协议支持下发展起来的。文中包括了对以前版本的QUAL2E(2.2版,Brown and Barnwell,1985)的修改和对定常仿真输出的不确定性分析(UNCAS)的扩充能力。本版本的QUAL2E和与它成套的不确定性分析程序即QUAL2E-UNCAS,是用来取代所有以前版本的QUAL2E和QUAL-Ⅱ模型的。 QUAL2K是美国环境保护局(USEPA)推出的一个综合性、多样化的河流水质模型,其前身是20世纪80年代出现的QUAL2E,经过多次修订和增强,最新版本于2003年推出。经过几十年的发展和完善,该模型已日趋成熟和稳定。由于QUAL2E和QUAL2K之间具有依赖关系,以下主要介绍这两种模型。 3.1.2 q智能化的在线定常模型 QUAL2E是一个通用的河流水质模型。可依用户的需求组合模拟15种水质成份,包括:溶解氧(DO)、生化需氧量、温度、作为叶绿素a的藻类、有机氮、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、任意非守恒物质和3种守恒物质。 这个模型适用于混和的枝状河流系统,它假设主要的传输机制,平流和离散作用,只是沿主要流向的变化是显著的(河流或运河的纵轴)。它允许多种废物的排放、回收,支流,递增的流入量和流出量。它的另外一个功能是,可以计算为了达到预先定义的溶解氧水平所需要的稀释流的流量。 从水力学上来讲,QUAL2E被限制于进行时间周期的模拟,在此时间周期内流域的流量和输入的废物排放量基本上是常数。QUAL2E既可以作为一个定常的模型也可以作为动态的模型使用,这使它成为一个非常有用的水质规划工具。当QUAL2E作为定常模型使用时,它可以用来研究废水排放对河流水质的影响(定量、定性和定位),也可以和现场采样程序联合使用来确定非点源废水排放的定量和定性的特征。当QUAL2E作为动态模型使用时,用户可以研究气象数据每天的变化对水质(主要是溶解氧和温度)的影响,也可以研究由于藻类生长和呼吸的影响,溶解氧每天的变化量。 QUAL2E-UNCAS是对QUAL2E的增订,它允许建模者对定常的水质模拟进行不确定性分析。模型中包含了3个不确定性选项:敏感性分析、一阶误差分析和Monte Carlo仿真。使用这些功能,用户可以估计模型敏感性和不确定的输入数据对模型预测结果的影响。模型预测中的不