于 寒，楊 靜，劉桂梅

海洋水質(zhì)模型研究進展及發(fā)展趨勢

于 寒，楊 靜，劉桂梅

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京100081）

介紹了水質(zhì)模型的發(fā)展階段，從一維、二維、三維的角度分析了海洋水質(zhì)模型應(yīng)用情況，展望了海洋水質(zhì)模型未來的發(fā)展趨勢，可為控制污染物排放、海洋水質(zhì)監(jiān)測及水資源管理提供系統(tǒng)參考。

海洋水質(zhì)模型；研究進展；發(fā)展趨勢

1 引言

沿岸多為人口密集區(qū)，人為活動產(chǎn)生的污染物加劇了沿岸海域水污染程度，生態(tài)環(huán)境也受到一定程度的影響，加劇了人類可利用水資源的流失，因此水污染的治理與水資源科學(xué)管理規(guī)劃，對人類水資源的可持續(xù)利用顯得尤為關(guān)鍵。水質(zhì)模型著重研究的是水環(huán)境中水質(zhì)狀態(tài)變量（溶解氧、營養(yǎng)鹽等）的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及影響因素之間的相互關(guān)系，可用于預(yù)測該海域水質(zhì)的發(fā)展趨勢，所以水質(zhì)模型不僅是水環(huán)境科學(xué)研究的主要內(nèi)容，同時也是水環(huán)境研究中必不可少的工具[1]。水質(zhì)模擬可分為定性模擬與定量模擬，在實際水質(zhì)問題的研究中，定量模擬更能反應(yīng)水質(zhì)在空間和時間上的發(fā)展變化，還可以利用定量模擬評價、預(yù)測、選擇合適的污染控制方案，為水質(zhì)管理規(guī)定的制定以及污染物排放標準的確定提供依據(jù)[2]。

建立可靠的水質(zhì)模型，對水質(zhì)狀態(tài)變量進行準確模擬及預(yù)測，是科研工作者多年來致力研究的重點，伴隨著實際應(yīng)用的多樣化需求，水質(zhì)模型的應(yīng)用從最初河水自凈化研究到水質(zhì)評價、污染物行為預(yù)測及過程模擬、水環(huán)境綜合管理等方面的研究，理論從最初的氧平衡模型到現(xiàn)在的模糊理論、灰色理論、隨機理論，研究范圍從河流擴展到湖泊、河口、水庫、海岸，這些都極大的推動了水質(zhì)模型的發(fā)展[3]。本文綜述了水質(zhì)模型研究進展，分析了不同維數(shù)海洋水質(zhì)模型及其應(yīng)用，并展望了海洋水質(zhì)模型的發(fā)展趨勢。對海洋水質(zhì)模型的研究應(yīng)用，可以為海洋水質(zhì)模擬、污染物排放計算、水質(zhì)監(jiān)測、水資源管理提供系統(tǒng)的參考，使用戶對模型有初步大概的認識，能夠根據(jù)需要選擇適合的海洋水質(zhì)模型研究區(qū)域海洋的具體問題。

2 水質(zhì)模型研究進展

氧平衡模型是第一個水質(zhì)模型，早在1925年，Streeter等[4]在對Ohio河污染及其自凈化的綜合研究中，提出了最初的氧平衡模型形式，該模型假定河流自凈化過程中，存在兩個維持水中溶解態(tài)氧平衡的相反過程，即消耗水中溶解氧的氧化反應(yīng)，以及補充水中溶解氧的復(fù)氧過程，模式方程如下：

式中：L為河水中有機物需氧量，D為河水中的氧虧值，K1河水脫氧速率系數(shù)，K2河水復(fù)氧速度系數(shù)，t為反應(yīng)時間。

基于最初單變量的S-P（Streeter-Phelps）水質(zhì)模型，水質(zhì)模型在后續(xù)的發(fā)展中考慮了更多的相關(guān)過程，引入了新的變量，研究對象多樣化，數(shù)學(xué)工具的選擇更為多樣，針對水質(zhì)模型的發(fā)展階段，不同學(xué)者做出了不同的歸納[5-13]，徐祖信等[6]按時間將水質(zhì)模型的發(fā)展大致分為3個階段（見表1）：1925—1980年為發(fā)展的第一階段，水質(zhì)本身為研究主體，研究中注重水體內(nèi)部水質(zhì)各組分之間的發(fā)展規(guī)律，污染負荷輸入停留在點源層面上，經(jīng)歷了水質(zhì)模型空間維數(shù)（一維、二維至三維）、研究范圍以及應(yīng)用領(lǐng)域上的發(fā)展，考慮影響生化需氧量-溶解氧（Biological Oxidation-Dissolved Oxygen，BOD-DO）的因素對SP模型進行改進；1980—1995年為發(fā)展的第二階段，狀態(tài)變量增多的同時，水動力模型、底泥等作用被納入到多維模型系統(tǒng)內(nèi)部，并且連接流域模型，使面污染源可以作為初始輸入，由于增加了水質(zhì)組分的約束，可以大大減少模擬的主觀性，如美國國家環(huán)保局開發(fā)的WASP（The Water Quality Analysis Simulation Program）系列模型，多介質(zhì)模型[14-15]；1995年至今為水質(zhì)模型發(fā)展的第三階段，考慮到大氣中沉降污染物（如有機化合物、金屬以及氮化合物）的輸入對河流水質(zhì)的影響愈加顯著，所以建立了大氣污染模型將大氣沉降（動態(tài)或靜態(tài)）連接到給定水域。

海洋水質(zhì)模型是水質(zhì)模型在河口、海岸、海灣等區(qū)域數(shù)值計算中的應(yīng)用，針對海灣、海岸等區(qū)域的重金屬污染以及富營養(yǎng)化、水質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境容量計算的需求，以基本水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，用以解決海水有關(guān)水質(zhì)的問題。海洋水質(zhì)模型嚴格意義上講，是水質(zhì)模型的一個應(yīng)用領(lǐng)域，在水質(zhì)模型發(fā)展的第二階段逐漸得到應(yīng)用，伴隨實際需求的不斷增加，從最初對河流問題的研究發(fā)展到對海灣、近岸等水體的研究[5]。

從海洋水質(zhì)模型的研究來看，美國、丹麥對海洋水質(zhì)模型的研究走在世界前列，美國環(huán)保局開發(fā)了WASP系列、丹麥水動力研究所研究開發(fā)了MIKE系列模型，并且不斷對模型修訂、增強，推動了海洋水質(zhì)模型的發(fā)展。以WASP模型為例，自最原始的版本在1983年發(fā)布以來，經(jīng)過不斷的修訂完善，用戶界面更加友好，操作系統(tǒng)適用性逐步增強，運算速度顯著提高，廣泛應(yīng)用于海灣、近岸的重金屬污染、富營養(yǎng)化過程[16]。國內(nèi)對海洋水質(zhì)模型的研究起步較晚，也取得一些成果：江毓武等[17]基于三維變邊界σ坐標下的污染擴散模型建立了廈門水質(zhì)模型；倪晉仁等[18]建立基于沿深度平均的二維平流-擴散模型的水質(zhì)模型；王昆等[19]建立非保守型水質(zhì)預(yù)測預(yù)報模型，考慮化學(xué)分解和生物的制約作用；沈永明等[20]將污染物擴散輸移的湍流模型與多組分污染物生化轉(zhuǎn)化模型結(jié)合，建立了綜合考慮物理、生物、化學(xué)過程的近岸海域多組分三維水質(zhì)動力學(xué)模型。在實際需求的推動下，國內(nèi)學(xué)者不僅基于基本方程建立適用于海域的水質(zhì)模型，同時也引進國外廣泛應(yīng)用的海洋水質(zhì)模型，為區(qū)域海洋污染控制方案的制定提供了一定的參考。林衛(wèi)青等[21]利用丹麥水動力研究所開發(fā)的MIKE21水質(zhì)模型在流場、溫鹽場、泥沙場的基礎(chǔ)上，以高錳酸鹽、氨氮等變量為模擬指標，建立該區(qū)域的二維水質(zhì)模型，為環(huán)境容量的計算與分配提供了理論依據(jù)。

水質(zhì)狀態(tài)變量的計算需要依托水動力模型提供基本的物理場，近年來應(yīng)用較多的海洋水質(zhì)模型大致可以分為兩類：一類僅模擬水質(zhì)的狀態(tài)變量，需要耦合其它的水動力模型進行實際的數(shù)值模擬，這類模型比較典型的為WASP、CE-QUAL-ICM（Corps of Engineers Integrated Compartment Water Quality Model）等；另一類可同時模擬水動力和水質(zhì)，應(yīng)用于海洋區(qū)域比較典型的模型為地表水模型系統(tǒng)（Surface-Water Modeling System，SMS）。國內(nèi)外學(xué)者利用海洋水質(zhì)模型針對不同區(qū)域的海洋水質(zhì)模擬做了大量研究，對該海域水質(zhì)狀態(tài)變量變化趨勢的了解、預(yù)測，污染物的控制、環(huán)境容量的計算等方面都提供了一定的參考。例如針對膠州灣海域：Li等[22]將三維水動力模型與從膠州灣圍隔實驗的氮磷動力學(xué)模型改編得到的水質(zhì)模型耦合，利用三維水質(zhì)模型對膠州灣的氮、磷容量進行評估；Zhang等[23]利用三維物理和水質(zhì)模型耦合，其中物理模型采用的ECOM-si（Estuarine，Coastal and Ocean Model（semi-implicit））的修改版本，包括潮間帶的干濕過程，水質(zhì)模型采用WASP5水質(zhì)模型，研究了營養(yǎng)鹽、生化需氧量、溶解氧、浮游植物等狀態(tài)變量的時空變化情況。Khangaonkar等[24]為了解普及特海灣營養(yǎng)負荷對水質(zhì)以及生態(tài)健康的影響，采用非結(jié)構(gòu)有限體積海岸模型（An Unstructured Grid,Finite-Volume Coastal Ocean Model，F(xiàn)VCOM）提供水動力條件，用CE-QUAL-ICM水質(zhì)模型模擬生化過程，通過模擬19個狀態(tài)變量來計算藻類生產(chǎn)、消亡及對溶解氧的影響。

表1 水質(zhì)模型發(fā)展的3個階段

3 水質(zhì)模型分類及常用的海洋水質(zhì)模型

3.1 水質(zhì)模型的分類

根據(jù)不同的分類標準，可將水質(zhì)模型分為不同的種類：水質(zhì)模型在空間維數(shù)上可以分為零維、一維、二維、三維，在變量數(shù)量上可以分為單變量、多變量模型，按照水質(zhì)組分時間變化特征可以分為動態(tài)模型、穩(wěn)態(tài)模型，按照數(shù)學(xué)方法可以分為隨機性模型、確定模型、線性模型、非線性模型，根據(jù)描述水體的不同可以分為河流、湖泊、河口、海灣、地下水模型，根據(jù)對象的不同可以分為溶解氧、溫度、重金屬、有毒有機物、放射性模型等不同的分類[12]。

3.2 海洋水質(zhì)模型

3.2.1 一維海洋水質(zhì)模型

一維水質(zhì)模型多適用于狹長的河流、渠道，考慮狀態(tài)變量在一個方向上的變化，忽略另外兩個方向上的變化，一般常用的類型為水平一維和垂向一維水質(zhì)模型，適用于沿河道變化顯著和在垂直方向上變化顯著的情況。

基于質(zhì)量守恒原理推導(dǎo)得到的一維水質(zhì)模型的數(shù)學(xué)表達式如下[25]：

式中：C1為水質(zhì)濃度，A為過水面積，Q為流量，Ex為縱向分散系數(shù)，Sc為動力學(xué)反應(yīng)源匯項，Wc是外源輸入項。

一維水質(zhì)模型在狹長河道得到較好應(yīng)用[26-27]，在近岸、海灣等海域用一維水質(zhì)模型可以模擬簡化的物理和生化過程。楊紅等[28]在WASP模型基礎(chǔ)上，運用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Stella9.0.2建立了適用于海洋圍隔生態(tài)系統(tǒng)的一維箱式水質(zhì)動力學(xué)模型，利用象山港圍隔生態(tài)實驗數(shù)據(jù)進行了模型驗證和參數(shù)率定工作，成功模擬了不同水溫條件下圍隔水質(zhì)情況。建立海洋圍欄研究水質(zhì)的變化情況，為一維海洋水質(zhì)模型在近岸、海灣的應(yīng)用提供了參考。

3.2.2 二維海洋水質(zhì)模型

二維海洋水質(zhì)模型多為水平方向的二維模型，在海岸、海灣等區(qū)域水深較淺，表層和底層的物理、生物化學(xué)性質(zhì)差別較小，在外部強迫下，較易達到均一狀態(tài)，在相對于變量的水平變化，垂直變化可以忽略的情況下，水平二維水質(zhì)變量是較為合理的選擇。

MIKE21模型由丹麥水動力研究所（Danish Hydraulic Institude，DHI）研究開發(fā)，在海域、河口地區(qū)的污染物輸運、擴散研究等方面得到廣泛應(yīng)用。林衛(wèi)青等選用了MIKE21建立了長江口及毗鄰海域的二維水質(zhì)模型，其基本的對流擴散方程如下：

式中：C為物質(zhì)濃度，u、v為x、y方向流速，Dx、Dy為x、y方向紊動擴散系數(shù)，s為源匯項，K為綜合降解系數(shù)。針對該海域的氮磷超標問題，利用二維水質(zhì)模型計算得到該海區(qū)排污口排放總量的控制方案，并利用三維生態(tài)模型進行校驗，結(jié)果顯示全海域?qū)嵤┛刂品桨钢螅喑北┌l(fā)的概率和面積都大大減少[21]。Babu等[29]利用MIKE21計算了Kochi的離岸排水口在3種不同排放速率的情況下的吸收能力，基于距排水口8 km一橢圓區(qū)域?qū)Ω連OD（生化需氧量）值的限制，來確定BOD的每天合適的排放量。以上國內(nèi)外學(xué)者利用MIKE21水質(zhì)模型計算污染物的濃度，考慮了點源負荷對研究區(qū)域的影響，根據(jù)具體的排放限制，確定了合理的排放方案，體現(xiàn)了MIKE21海洋水質(zhì)模型在水質(zhì)管理規(guī)劃的應(yīng)用，具有較好的效果。實際研究中，由于實時的水質(zhì)數(shù)據(jù)難以獲得，利用海洋水質(zhì)模型來掌握水質(zhì)變量的變化情況是必要的，可以根據(jù)預(yù)定基本功能所要求的水質(zhì)及水域自凈能力，確定總排放量、日排放量、排放分布情況，以較小的人為代價獲得較好的水質(zhì)效果[5,30-31]。

RM4模型是美國陸軍工程兵團開發(fā)的基于有限元法的二維污染物輸移水質(zhì)模型，主要應(yīng)用于河口、河流、湖泊、海岸等地區(qū)的污染物輸移擴散、排污口排放量等方面的計算[32-34]。馮媛媛利用水動力數(shù)學(xué)模型RM2與水質(zhì)模型RM4，對甌江河口工程前后的水動力及水質(zhì)變化情況作了研究，RM4的基本方程如下：

式中：h為水深，C為污染物濃度，t為時間，u、v為x、y方向流速，Dx、Dy為x、y方向紊動擴散系數(shù)，k為衰減系數(shù)，σ為污染物源匯項，R(C)為降雨蒸發(fā)。以化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）作為污染物進行擴散研究，結(jié)果顯示圍墾工程對甌江河口的水質(zhì)不會產(chǎn)生影響[34]。利用海洋水質(zhì)模型考慮污染物在水體中的行為，應(yīng)考慮該海域的主要生物化學(xué)過程以及點源、非點源污染物的輸入，對甌江河口水質(zhì)的模擬未考慮到COD的降解，所以可能引起與實際情況的差異。海洋水質(zhì)模型最主要的功能即是對污染物在水體中行為進行模擬和預(yù)測，由于污染物進入水體之后，隨水體遷移過程中會受到水文、理化、水力等因素的影響，會發(fā)生降解、混合等復(fù)雜的行為，在借助模型來了解污染物的遷移運動規(guī)律時，應(yīng)注意考慮影響該區(qū)域水質(zhì)狀態(tài)變量的主要過程[5]。

3.2.3 三維海洋水質(zhì)模型

三維海洋水質(zhì)模型適用于流場環(huán)境復(fù)雜，水質(zhì)狀態(tài)變量在水平方向和垂直方向均有顯著變化的情況。水質(zhì)狀態(tài)變量的模擬需要基本的水動力場信息（水位、流等），根據(jù)關(guān)注區(qū)域的基本水文情況選擇海洋水質(zhì)模型的水動力模塊，對于只模擬水質(zhì)狀態(tài)變量的海洋水質(zhì)模式而言，需要耦合其他水動力模塊。

Cerco和Cole開發(fā)的CE-QUAL-ICM，最初是應(yīng)用于美國切薩皮克灣（Chesapeake Bay）的富營養(yǎng)化模型，能夠模擬一維、二維、三維水體結(jié)構(gòu)，可以模擬多種水質(zhì)狀態(tài)變量（多種藻類、浮游動物、溶解氧等），由于CE-QUAL-ICM模型只模擬水質(zhì)，所以需要物理模型提供相應(yīng)的流、水位、擴散系數(shù)等水動力信息[35]。

該模型在國內(nèi)外河口、海灣都得到應(yīng)用，Taeyun等將FVCOM與CE-QUAL-ICM耦合，方程如下：

式中：Vj是第j個控制體的體積，Cj是第j個控制體的濃度，Qk是流過第j個控制體的k流面的體積流量，Ck是流經(jīng)k流面的流體濃度，Ak是k流面的面積，Dk是k流面的擴散系數(shù)，n是與第j個控制體相連的流面的數(shù)量，S是第j個控制體中的外部壓力和動力源匯，t是時間坐標，x是空間坐標。對比4個試驗的模式結(jié)果與解析解，結(jié)果顯示二者耦合可進一步考慮用于評估人為引起的該海域營養(yǎng)富集，也推動了水動力模型與水質(zhì)模型耦合的研究應(yīng)用[36]。Khangaonkar等[24]采用FVCOM與CE-QUAL-ICM耦合，由FVCOM提供水動力輸出，包括：溫度、鹽度、自由表面高度、水位、速度分量及邊界通量等，通過對19個狀態(tài)變量的模擬，研究了普及特海灣營養(yǎng)負荷對水質(zhì)以及生態(tài)健康的影響。Kim等[37]將ROMS與CE-QUAL-ICM模型耦合，考慮河流以及水閘的營養(yǎng)鹽點源負荷，研究了新萬金（Saemangeum）潮汐湖及毗鄰的韓國海域水質(zhì)狀態(tài)變量的季節(jié)變化。CE-QUAL-ICM模型可以耦合不同的水動力模型，可以輸入點源、非點源負荷，靈活性較強，也可以與基于個體的魚類生物能學(xué)模型耦合[38]，應(yīng)用前景廣泛。

WASP由美國環(huán)保局開發(fā)，可模擬一維、二維、三維水質(zhì)問題的水質(zhì)模型，由水動力模型程序（Hydrodynamic Model，DYNHYD）與水質(zhì)模型程序WASP組成，水動力模型程序DYNHYD適用于一維水動力情況，水質(zhì)模型程序WASP可以與其連接計算，也可以耦合其他水動力模型[18]。其中水質(zhì)模型程序WASP由兩個子程序組成：有毒化學(xué)物模型（The Toxic Chemical Model，TOXI）和富營養(yǎng)化模型（Eutrophication Model，EUTRO），EUTRO可以用于模擬傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（如DO、BOD和富營養(yǎng)化），TOXI用于有毒物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（有機化學(xué)物、金屬、沉積物等）[39-44]。

Zheng等利用修訂的ECOM-si與WASP5耦合，研究了薩蒂拉（Satilla）河口的低溶解氧濃度的原因[45]，水質(zhì)成分濃度的質(zhì)量平衡式為：

式中：C為水質(zhì)成分的濃度，u、v、w笛卡爾坐標系下x、y、z方向的流速分量，Ah、Kh分別為水平粘性擴散系數(shù)和垂直渦動擴散系數(shù)，S為水質(zhì)變量的內(nèi)部源匯項，W0是點源和非點源的外部輸入，t表示時間。通過模式結(jié)果分析得到結(jié)論為：河口的溶解氧值低，原因是潮間帶的沉積需氧量高，是主要的DO（溶解氧）消耗者，而與人類活動無關(guān)[45]。

WASP模型靈活性較強，可以輸入點源、非點源營養(yǎng)鹽負荷，與其他模型的耦合能力較強，可以與環(huán)境流體動態(tài)模型地表水模擬系統(tǒng)（Environmental Fluid Dynamics Code，EFDC）耦合，兼具了EFDC極強的問題適應(yīng)能力、主流的數(shù)值方法和系統(tǒng)開發(fā)方法、多種水動力過程、多種模擬計算方案等優(yōu)點[33]。李林子等[46]耦合WASP和EFDC模型研究了突發(fā)水污染事故影響的預(yù)測預(yù)警，取得了較好的結(jié)果。Xiong[47]選取EFDC和WASP作為水動力和水質(zhì)模型，將水動力、水質(zhì)、沉積模塊耦合，在Mobile海灣的水動力、水質(zhì)以及沉積過程的研究中驗證了三者耦合的可行性。

MIKE3是由丹麥水動力研究所（DHI）研究開發(fā)的一款用于模擬水動力、水質(zhì)、泥沙的專業(yè)工程軟件，主要應(yīng)用于水庫、港口、河流、湖泊、河口、海岸，具有先進的前后處理功能和友好的用戶界面，在大流域、長時間的數(shù)值模擬方面有著突出優(yōu)點[48]。

MIKE3模型應(yīng)用廣泛，王勇智等[49]利用MIKE3水動力模型耦合粒子追蹤模塊，計算了渤海灣環(huán)流系統(tǒng)及其驅(qū)動下的水質(zhì)點運移規(guī)律和變化特征，為污染物輸運的研究提供了基礎(chǔ)。黃少彬等[50]利用MIKE3模型建立珠江口河口附近的三維水動力模型，計算出珠江口水體交換時間，并分析河流流量、外海潮汐與珠江口水體交換的相關(guān)性，對水體交換的定量計算，有利于水質(zhì)環(huán)境治理和污染物擴散研究。陳瑤泓伶等[51]利用MIKE3的三維水動力模型和對流擴散模塊（Advection-Dispersion Model，AD）對天津南港污水排海進行污染物輸移擴散數(shù)值模擬，排污口放置水下9 m左右，結(jié)果表明深海排放利于控制表層水體污染物含量的增量，為短期污染物排放控制提供了一定的參考。

地表水模型系統(tǒng)——SMS，由美國Brigham Young大學(xué)環(huán)境模型研究實驗室開發(fā)，可用于一維、二維、三維水文建模、設(shè)計，可以模擬和分析地表水運動規(guī)律，包括預(yù)處理及后處理平臺[6,11]。SMS軟件界面高度可視化，其中程序以及代碼都是美國政府公開的，包含來自美國陸軍工程兵水道實驗站（U. S.Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station）與美國聯(lián)邦公路管理局的計算模塊[52-53]。

SMS模型系統(tǒng)主要包含水動力和泥沙模型，水質(zhì)變化過程有限，但可通過耦合其他水質(zhì)模型模擬水質(zhì)狀態(tài)變量。SMS模型系統(tǒng)有較為廣泛的應(yīng)用，吳志易等[54]利用SMS建立杭州灣海域模型，實現(xiàn)海域流場的可視化，并結(jié)合水動力學(xué)模型進行潮流場模擬，結(jié)合波浪動力學(xué)模型進行波浪場模擬，得到不同條件下的水質(zhì)擴散模型，對于分析不同假設(shè)條件下的海域水流場變化有一定的參考價值。陳志娟等[55]通過SMS模擬了黃河口周邊大范圍海域的流場分布情況，分析了該海域的泥沙擴散輸運情況。魯海燕[56]利用SMS在杭州灣建立大范圍平面二維水流模型,通過實測資料和水下地形的驗證該模型滿足預(yù)測要求。SMS模型具有較強的計算功能，對復(fù)雜流場、岸線的模擬都較好，且精度也較高。

4 海洋水質(zhì)模型發(fā)展趨勢

4.1 水質(zhì)模型內(nèi)部發(fā)展趨勢

水質(zhì)模型在建立之初注重的是流域水體本身的發(fā)展，隨著現(xiàn)實應(yīng)用的需求，經(jīng)歷由點源向面源的過渡，逐漸加入了底泥模塊、水動力模塊、大氣污染模塊[6]。最初的水質(zhì)模型只包含DO、BOD在內(nèi)的少數(shù)水質(zhì)指標，隨著不同機構(gòu)對水質(zhì)模型的不斷開發(fā)、修正、增強，狀態(tài)變量明顯增加。例如MIKE模型系統(tǒng)的變量包括DO、BOD、水溫、細菌、氮、磷、水生動物、底泥、巖屑、藻類、金屬以及用戶自定義物質(zhì)[9]，CE-QUAL-ICM中的狀態(tài)變量也增加到36個。水質(zhì)模型中水質(zhì)組分的增加，在模擬不同區(qū)域的不同水質(zhì)狀況時，用戶可以通過選擇合適的水質(zhì)組分達到較好的模擬效果。

海洋水質(zhì)模型在內(nèi)部組分、數(shù)學(xué)方法、前后期處理等方面不斷發(fā)展，并且更多的生化過程考慮進來，能夠更客觀的反映實際情況，也增加了模型的復(fù)雜性，其復(fù)雜性體現(xiàn)在以下幾個方面：水質(zhì)模型污染源負荷從點源、面源，到大氣污染源的加入，體現(xiàn)了不同發(fā)展階段污染源輸入的主要特征，增加了模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；基本的水動力模型與水質(zhì)模型耦合的基礎(chǔ)上，更多可能影響水質(zhì)狀態(tài)變量的過程被考慮進來，比如泥沙模塊、沉積模塊[47]、底泥模塊，增強了模型對生態(tài)系統(tǒng)的客觀描述，使模型本身也更加復(fù)雜；河口地區(qū)一維與多維模型的耦合[25]，建立可以適用于不同特征的相鄰區(qū)域的耦合模型，有利于計算效率和計算精度的提高。

海洋水質(zhì)模型的應(yīng)用日益廣泛，最主要應(yīng)用于水體中污染物行為的預(yù)測，隨著實際需求的增加，模型功能更加細化。海洋水質(zhì)模型應(yīng)用于水質(zhì)管理規(guī)劃與預(yù)測，可以合理規(guī)劃分配削減各污染源的排放量，力求在規(guī)定期限內(nèi)使水質(zhì)達標，林衛(wèi)青等[21]在長江口以及鄰近海域建立了二維水質(zhì)模型，計算得出總量分配方案，同時建立三維生態(tài)動力學(xué)模型校驗水質(zhì)模型計算出的總量控制方案；海洋水質(zhì)模型也應(yīng)用于計算水環(huán)境容量，是在確定的水質(zhì)目標條件下，計算可以允許的最大排放量，喻良等[57]采用SMS模擬水質(zhì)，采用影響系數(shù)法計算環(huán)境容量，得出目標污染負荷，計算方便易于理解；海洋水質(zhì)模型在水質(zhì)預(yù)警方面也廣泛應(yīng)用，曹立杰等[58]研發(fā)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)，通過建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲取實時監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用水質(zhì)模型預(yù)測、預(yù)報富營養(yǎng)化趨勢，為國內(nèi)近海富營養(yǎng)化的監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)提供了參考。

4.2 水質(zhì)模型與新技術(shù)（新方法）結(jié)合

4.2.1 不確定性分析

水環(huán)境充滿很多不確定性因素,這種不確定性包括對水環(huán)境理化性質(zhì)的未知，也包括數(shù)據(jù)的不確定性，Takyi等[59]分析了優(yōu)化水質(zhì)模擬模型中不確定性的來源，可以概括為3個方面:（1）來自污染物排放量和河流背景值的隨機性；（2）河流與水質(zhì)資料的不充分對參數(shù)估計的影響；（3）對污染物輸移認識不足，對簡化水質(zhì)管理系統(tǒng)仍然缺乏理論支持。

不確定性水質(zhì)模型主要有3種[60]：基于概率論與數(shù)理統(tǒng)計的隨機方法（概率表述）、模糊數(shù)學(xué)（模糊度）、灰色系統(tǒng)理論（灰色度）。張榮祥等[61]從數(shù)據(jù)輸入輸出、參數(shù)識別、構(gòu)建模型等方面說明了整個水質(zhì)模型構(gòu)建中不確定性的來源，其中分析了水質(zhì)模型構(gòu)建過程中采用的黑箱水質(zhì)模型和隨機理論水質(zhì)模型。扈華等[62]采用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對烏梁素海水質(zhì)進行合理的量化評價，該模型兼并模糊系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，一定程度上解決了隨機性、模糊性的問題，結(jié)果合理且與實際環(huán)境狀況相符，可為監(jiān)管烏梁素海水域的提供理論依據(jù)。田一梅等[63]建立一維不確定性水質(zhì)模型（內(nèi)嵌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），采用遺傳算法（改進適應(yīng)度函數(shù)）優(yōu)化水質(zhì)模型的參數(shù)解，結(jié)果驗證不確定性水質(zhì)模型具有很強的優(yōu)勢，體現(xiàn)在擬合精度更高、對污染物波動更敏感，預(yù)測河流水質(zhì)的平均準確度普遍高于確定性水質(zhì)模型。不確定性水質(zhì)模型比確定性水質(zhì)模型更能體現(xiàn)水質(zhì)的實際變化的情況，減少模式的主觀性，是將來發(fā)展一個大趨勢。

4.2.2 基于GIS的水質(zhì)模型

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）應(yīng)用于水質(zhì)模型，可以在一定程度上彌補數(shù)學(xué)模型在管理維護數(shù)據(jù)、表現(xiàn)模擬結(jié)果以及空間分析上能力有限的缺點，不僅可以存儲管理大量的數(shù)據(jù)，還能對水質(zhì)模擬的結(jié)果進行空間分析，為水質(zhì)模擬提供了預(yù)處理、后處理，使輸出輸出更加便捷[8]。江毓武等將GIS的地圖處理、數(shù)據(jù)分析功能應(yīng)用于海洋水質(zhì)模型的前期建立以及后期數(shù)據(jù)輸出中，縮短了建模周期，同時也提高了模型精度，并且使在地圖上查詢模擬結(jié)果成為現(xiàn)實[17]。Hartnett等[64]將DIVAST（DepthIntegratedVelocityandSoluteTransport）與GIS框架耦合，力求實現(xiàn)在特定領(lǐng)域中非專家人員對水質(zhì)模型的建立、執(zhí)行和水質(zhì)數(shù)據(jù)分析?；贕IS的水質(zhì)模型不僅在數(shù)據(jù)的管理上更加便利省時，還可以強化模型概念。

應(yīng)用GIS對模式數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理，對結(jié)果進行空間分析，是水質(zhì)模型發(fā)展的一個大方向，現(xiàn)階段將GIS與河流、水庫集成較多，結(jié)果相對于單獨的水質(zhì)模型結(jié)果要更優(yōu)，證實了水質(zhì)模型與GIS集成具有很好的應(yīng)用前景，為GIS在河口、海岸、海灣等海洋區(qū)域的應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。利用實時數(shù)據(jù)建立海洋監(jiān)測預(yù)警體系也是海洋水質(zhì)模型發(fā)展的一個重要方面，在沿海地區(qū)建立水質(zhì)監(jiān)測自動化平臺，對海洋漁業(yè)、污染物治理、環(huán)境監(jiān)測有重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

海洋水質(zhì)模型為水質(zhì)模擬、污染物治理、水資源規(guī)劃等方面提供了有力的工具，也為水質(zhì)預(yù)警工作提供了有力的技術(shù)支撐，隨著新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，水質(zhì)模型在原有的基礎(chǔ)上推陳出新，適用性和模型的模擬能力也都有新的提高。海洋水質(zhì)模型在應(yīng)用中得到發(fā)展，使水質(zhì)模型有了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，建立綜合性更強、包含多種生物化學(xué)模塊的模式，有利于更加精確的描述海洋區(qū)域的生化過程，使模擬結(jié)果有更高的參考價值。

在應(yīng)用水質(zhì)模型的同時，也應(yīng)該注意水質(zhì)模型的發(fā)展的中面臨的問題：

（1）實時觀測數(shù)據(jù)缺乏。海洋水質(zhì)模型需要完整、連續(xù)、系統(tǒng)的水文、水質(zhì)資料，這是建立模型的基礎(chǔ)，觀測數(shù)據(jù)可以為模式提供初始場、邊界條件、強迫場，也可以用于驗證模式的計算結(jié)果的準確性，而現(xiàn)在走航式觀測和浮標觀測，在時間上的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的質(zhì)量方面還有待提高。建議不針對某個項目建立觀測點，在沿海選取代表性的位置布放浮標，觀測變量包括基本物理變量和水質(zhì)狀態(tài)變量，數(shù)據(jù)自動化傳輸處理，同時實行數(shù)據(jù)共享；

（2）水質(zhì)污染機理還不完全清楚，難以用數(shù)學(xué)公式詳盡的表達，且模式中存在諸多假設(shè)，難免與實際有差異。建議注重基本理論的研究，必要時進行實驗驗證假設(shè)是否合理，與觀測數(shù)據(jù)結(jié)合，確認假設(shè)成立的條件；

（3）近岸水體的水質(zhì)變化受眾多因素的影響，涵蓋了生物、物理、化學(xué)等不同學(xué)科，如何提高學(xué)科間的交叉、協(xié)作，以及基于水質(zhì)模型建立一個考慮多學(xué)科多介質(zhì)的海洋生態(tài)系統(tǒng)模型，更有利于海洋水質(zhì)的客觀模擬。

海洋水質(zhì)模型自產(chǎn)生以來得到廣泛應(yīng)用，通用性不斷增強，逐漸成為決策者的得力工具，基于海洋水質(zhì)模型，建立完善、系統(tǒng)的沿海水質(zhì)預(yù)警體系，預(yù)測、預(yù)報富營養(yǎng)化的趨勢，同時提高海洋水質(zhì)模型模擬能力，是海洋水質(zhì)模型應(yīng)用的熱點。

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Review on the marine water quality model

YU Han，LIU Gui-mei，YANG Jing

（National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China）

In this paper,the development stages and modeling steps of the water quality model,are reviewed. The applications of the marine water quality model are introduced from one-dimensional,two-dimensional and three-dimensional perspectives and the future development trend of marine water quality model is prospected.It is concluded that the marine water quality model can provide the systematic reference for the emission of pollutant,monitoring the water quality and managing the water resources.

marine water quality model;research progress;development

X834

A

1003-0239（2017）02-0088-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.02.012

2016-08-19；

2016-11-28。

國家自然科學(xué)基金（41222038，41206023）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA11020104)；國家海洋局海洋公益性行業(yè)專項（01205018）。

于寒（1991-），女，碩士在讀，從事海洋生態(tài)動力學(xué)模型研究。E-mail:yuhan3297@163.com