張 維
(水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)
水質(zhì)模型是描述水質(zhì)因子受時(shí)間和空間影響與其他因子(物理、化學(xué)、生物等)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方法。經(jīng)過(guò)幾百年的發(fā)展,水質(zhì)模型已經(jīng)相當(dāng)成熟。污染物在遷移過(guò)程中會(huì)受到各種因素的影響,進(jìn)而導(dǎo)致污染物的遷移擴(kuò)散。而建立水質(zhì)模型的最終目的也是為了確定污染物在河流流經(jīng)或擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的影響區(qū)域以及確定該過(guò)程中這些因素之間的定量關(guān)系,進(jìn)而預(yù)測(cè)水質(zhì)變化和水質(zhì)污染控制及管理。根據(jù)水質(zhì)模型的基礎(chǔ),通過(guò)建模方法和求解特征可將其分為確定性數(shù)學(xué)模型和隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型;根據(jù)所描述的水質(zhì)模型系統(tǒng)是否在時(shí)間上具有穩(wěn)定性,可以將其分為穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型和動(dòng)態(tài)數(shù)值模型;根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的空間跨度分布特征,可以將其劃分為一維、二維、三維模型,如果參數(shù)在三個(gè)方向上均勻分布并且完全混合,則該模型稱(chēng)為零維模型。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和環(huán)境科學(xué)的深入發(fā)展,為水環(huán)境管理者提供了科學(xué)的理論和數(shù)學(xué)依據(jù),并為指導(dǎo)我們做出科學(xué)的決策。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和成熟,環(huán)境水力學(xué)理論得到實(shí)際的應(yīng)用。如,附近地區(qū)的水流理論、偏遠(yuǎn)地區(qū)的水質(zhì)模型、河網(wǎng)和湖泊水污染控制理論等。在此期間,環(huán)境水力學(xué)與天文學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其他學(xué)科之間的聯(lián)系也越來(lái)越緊密。其中,現(xiàn)代技術(shù)的研究和應(yīng)用控制理論、系統(tǒng)理論和反問(wèn)題理論在環(huán)境水力學(xué)取得了深遠(yuǎn)的發(fā)展,并對(duì)傳統(tǒng)水力學(xué)理論產(chǎn)生了巨大的沖擊,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖形可視化技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了水質(zhì)模擬在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展給流域水環(huán)境帶來(lái)了前所未有的壓力和挑戰(zhàn),威脅著生態(tài)環(huán)境的安全,因此,流域水環(huán)境管理已成為發(fā)展我國(guó)水利產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
目前對(duì)于河流水質(zhì)模型研究的體系較復(fù)雜、所涉的學(xué)科較多、成果分散,尚缺少系統(tǒng)性的梳理和總結(jié)。本文通過(guò)梳理河流水質(zhì)模型的發(fā)展特征和模擬應(yīng)用,為河流水質(zhì)模型的推廣和發(fā)展奠定理論基礎(chǔ),針對(duì)復(fù)雜河流水質(zhì)問(wèn)題,提出未來(lái)的研究建議。
水質(zhì)模擬是環(huán)境水力學(xué)的一個(gè)重要分支。該模擬的方法是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,用于污染物在河流和湖泊中的遷移和擴(kuò)散。根據(jù)模擬的類(lèi)型不同,水質(zhì)模擬方法可分為物理模擬,電氣模擬和數(shù)學(xué)模擬。水質(zhì)的物理和電氣模擬與數(shù)學(xué)模擬是分不開(kāi)的,它涉及數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用和參與。評(píng)估和識(shí)別通常依賴(lài)于物理模擬、電子模擬或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果,因此,現(xiàn)代水質(zhì)模型是多手段多學(xué)科多領(lǐng)域多專(zhuān)業(yè)相互交叉的綜合技術(shù)。
1925年Streeter-Phelps首次在Ohio河上以有機(jī)污染物質(zhì)為基礎(chǔ)建立水質(zhì)模型[1]。自此,國(guó)際上對(duì)水質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)與研究進(jìn)入了萌芽期,隨之發(fā)展可分為幾個(gè)階段:
階段1:1962—1964年開(kāi)發(fā)出一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的雙線(xiàn)性系統(tǒng)模型,如Dobbins模型、Camnps模型和Lis模型[2]。結(jié)果,經(jīng)過(guò)多方面的研究和演練,河流和河口問(wèn)題的一維計(jì)算方法才更加方便。
階段2:從時(shí)空的一維跨越到二維計(jì)算,如OConner模型和Loucks-Lynns模型[3],從本質(zhì)上講,該模型可以粗略地分為氧平衡模型。1978年Grenney[4]基于非線(xiàn)性氧平衡系統(tǒng)建立了一個(gè)全面的有機(jī)物水質(zhì)模型,并同時(shí)研究了綜合水質(zhì)因子影響因素。
階段3:由于氧氣平衡系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)保要求,因而在1980年產(chǎn)生了以重金屬污染的模型。在這一階段,以魚(yú)類(lèi)和其他水生生態(tài)學(xué)及人類(lèi)毒性暴露源為契機(jī),建立基于水質(zhì)分析模擬程序的暴露分析系統(tǒng)模型和食物鏈模型,但發(fā)展尚不成熟。
階段4:為深入了解水環(huán)境的變化與相關(guān)學(xué)科的交叉滲透,將水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究納入多媒體環(huán)境綜合生態(tài)系統(tǒng)模型。該模型目的在于將處在不同環(huán)境單位中污染物質(zhì)的變化過(guò)程與引起污染物質(zhì)跨越介質(zhì)邊界的過(guò)程聯(lián)系起來(lái),形成一種數(shù)學(xué)表達(dá)式,用此模型描述多媒體環(huán)境中污染物的轉(zhuǎn)化以及污染物在介質(zhì)之間的遷移。如,Cohen在1985年提出了多媒體環(huán)境的綜合生態(tài)系統(tǒng)模型。
水質(zhì)模型是描述水中污染物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程,其旨在為水的環(huán)境保護(hù)而服務(wù)。河流水質(zhì)模型可用于水質(zhì)模擬和水質(zhì)評(píng)估、水質(zhì)預(yù)測(cè)和預(yù)警。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算,污染物在整個(gè)深度均勻混合。對(duì)于大多數(shù)河流大部分的寬度和深度,這一點(diǎn)只指向下游流速,這意味著橫向速度二次循環(huán)造成的污染物被忽略,不與河床表面交換,也就是說(shuō),暫不考慮河床沉積的問(wèn)題。這一假設(shè)在大多數(shù)污染問(wèn)題中都得到了滿(mǎn)足,其中毒物排放的時(shí)間尺度通常遠(yuǎn)小于年排放量的時(shí)間尺度。由于縱向速度的橫向分布是已知的,所以可以用阻力公式來(lái)求得。
水體在流經(jīng)的每一區(qū)域段都得到充分混合,而污水排放在時(shí)空中并不改變河流水力的特性變化。在選擇使用水質(zhì)模型時(shí),應(yīng)遵循以下基本原則:(1)合理選擇河段,并系統(tǒng)概述污染水體流經(jīng)區(qū)域問(wèn)題。(2)選擇主要因素和變量,并突出河流污水產(chǎn)生的主要矛盾,分析變量之間的邏輯關(guān)系,建立水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)。(3)選擇合適的模型,確定污染物介質(zhì)的空間尺寸,即空間方向,考慮物質(zhì)隨時(shí)間的一維變化。(4)對(duì)于湖泊和水庫(kù),即濃度在垂直方向上的變化。(5)對(duì)于不同維數(shù)的模型,有兩種穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型。在具體問(wèn)題中,應(yīng)根據(jù)仿真目標(biāo)要求選擇模型的尺寸。
當(dāng)污染物從非點(diǎn)源排放或在污染區(qū)下游的均勻混合段中排放時(shí),通常在水資源保護(hù)和水污染控制實(shí)踐中使用一維水質(zhì)模型。早在1925年,Streeter和Phelps就通過(guò)研究美國(guó)俄亥俄州河的自然凈化過(guò)程,建立了世界上第一個(gè)河流污染的水質(zhì)模型[1]。在1990年,鄭英銘等[5]針對(duì)我國(guó)河流水域普遍存在的水質(zhì)發(fā)臭、發(fā)黑、土質(zhì)缺氧和有機(jī)物氧化難降解等影響因素做了討論,并將該過(guò)程分解為好氧、厭氧和虧氧,同時(shí)提出以方程組不同氧擴(kuò)散機(jī)制的附和狀態(tài)進(jìn)行水質(zhì)模擬。1991年,李軍[6]采用軟件動(dòng)態(tài)掃描-濃度梯度搜索法以浮沱河流的水質(zhì)為參數(shù)而建立的模型,并準(zhǔn)確模擬浮沱河的自?xún)暨^(guò)程。蔣忠錦等[7]以河流排放角為過(guò)渡源的過(guò)渡性面源污染控制為出發(fā)點(diǎn),通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)踐,推導(dǎo)污染物濃度疊加原理,建立一維水質(zhì)模型。
進(jìn)入21世紀(jì),對(duì)一維水質(zhì)模型的研究更加深入,其中,翟敏婷等[8]基于QUAL2K水質(zhì)模型模擬污染物在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律;同一年,曹芳平[9]通過(guò)惠州段的水質(zhì)情況及其污染源的分析,確定以高錳酸鹽與氨氮為該流域的主要污染物質(zhì),基于環(huán)境動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)建立一維水動(dòng)力模型,實(shí)現(xiàn)一維水質(zhì)的動(dòng)態(tài)可視化和控制。2005年,劉圣勇[10]利用一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型模擬污染物擴(kuò)散分布,以此作為河流污染物快速擴(kuò)散應(yīng)急的主要參考依據(jù),借助Matlab軟件進(jìn)行了區(qū)域擴(kuò)散模擬,揭示了由擴(kuò)散引起的污染物的影響范圍。2007年,孫曉艷[11]通過(guò)對(duì)淮河水質(zhì)及污染源的擴(kuò)散束流,建立了以高錳酸鹽指數(shù)和氨氮指數(shù)為主要污染指數(shù)的水質(zhì)模型。2009年,常建中[12]利用一維水質(zhì)模型LW-Lim進(jìn)行離散和模擬污染物擴(kuò)散,以此作為污染物擴(kuò)散的區(qū)域預(yù)警和預(yù)報(bào)。2010年,許淑娜等[13]提出了一種可視化的一維河流水質(zhì)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的方法,并采用WASP水質(zhì)模型模擬了多條河段水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。WASP水質(zhì)模型在ArcGIS的跟蹤分析模塊中與空間數(shù)據(jù)相連接,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)等級(jí)時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)顯示,可以為河流水質(zhì)管理者提供決策支持;同年,馮民權(quán)等[14]利用一維均勻流水質(zhì)模型和一維穩(wěn)態(tài)流水質(zhì)模型來(lái)模擬邯鄲盆地(陜西段)干流的水質(zhì)。2012年,孫彥梅等[15]借助模糊技術(shù)進(jìn)行了定量模擬,并建立了一個(gè)基于地下水補(bǔ)給的模糊模擬模型,通過(guò)描述和表征河流水文水質(zhì)、地質(zhì)來(lái)探討對(duì)一維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)的影響。2013年,王志剛[16]借以冰封河流的污染來(lái)源和水質(zhì)特征為研究對(duì)象,解析冰封河流水質(zhì)污染各項(xiàng)指標(biāo)影響的層次分層結(jié)構(gòu),建立了以冰封河流的水質(zhì)污染適應(yīng)性高精度水流-水質(zhì)模型;同年,陳友嵐等[17]對(duì)湖北省府河隨州區(qū)段河流污染水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)取樣和水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)控監(jiān)測(cè),應(yīng)用數(shù)值統(tǒng)計(jì)將河流進(jìn)行區(qū)域概化并建立該河段的一維數(shù)學(xué)水質(zhì)模型。2017年,徐斌等[18]以生態(tài)工程為改善河流水質(zhì)的主要目的,利用一維數(shù)學(xué)模型有效的模擬和預(yù)測(cè)生態(tài)修復(fù)工程的變化趨勢(shì)。2019年,程銘等[19]以碳化生化需氧量和氨氮為水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo),通過(guò)利用WASP水質(zhì)模型驗(yàn)證和模擬實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,并運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論建立模型模擬河流流域水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊評(píng)估。
對(duì)于二維水質(zhì)模型的研究起步較晚。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與新型工藝的相結(jié)合,利用水質(zhì)模型模擬并計(jì)算評(píng)估污染水體的擴(kuò)散范圍和污染物質(zhì)可能導(dǎo)致水體微生物死亡的可接受區(qū)間范圍。2000年,曾光明[20]以湘江某航運(yùn)渡口大型樞紐工程過(guò)渡段為研究,對(duì)湘江區(qū)域水質(zhì)可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行模擬演示,利用有限單元法和單元網(wǎng)絡(luò)劃分法與該河道水下地形圖進(jìn)行二維河流水質(zhì)模擬,通過(guò)計(jì)算得出該河段可能產(chǎn)生的濃度場(chǎng)分布。2004年,趙萬(wàn)星等[21]借用流管微單元計(jì)算河流流場(chǎng)的污染物遷移和擴(kuò)散對(duì)區(qū)域的水質(zhì)影響,并通過(guò)FORTRAN方法對(duì)重慶城區(qū)某段污染物的擴(kuò)散進(jìn)行二維水質(zhì)模擬,并取得了較好的效果;同年,袁興中等[22]基于二維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型探討了污染水源對(duì)該河岸鏡像所產(chǎn)生的問(wèn)題,通過(guò)采用數(shù)學(xué)數(shù)值模擬河流水質(zhì)污染帶的影響區(qū)域發(fā)現(xiàn),采用兩側(cè)鏡像的二維水質(zhì)模型其在污染帶影響的準(zhǔn)確率更高。2007年,朱長(zhǎng)軍等[23]基于環(huán)境水力學(xué)的灰色理論體系,建立河道二維河流水質(zhì)模型,獲得了污染源對(duì)控制點(diǎn)和下游污染物濃度影響的分布范圍。2009年,吳其彰[24]根據(jù)天然河道河段內(nèi)的水動(dòng)力學(xué)特征以及污染物水體的輸送位移特性,建立河流的二維水動(dòng)力學(xué)模型和二維污染物擴(kuò)散水質(zhì)模型。2012年,任杰等[25]借以SMS程序建立以南四湖為研究對(duì)象,通過(guò)二維水體水流數(shù)學(xué)模型,分別確定了各方案中環(huán)境水力學(xué)計(jì)算水體和河流水質(zhì)邊界條件,模擬并計(jì)算南四湖調(diào)水期的二維流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布。2019年,彭亮等[26]在對(duì)臨沂市區(qū)河流分布的二維水流數(shù)學(xué)模型模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,確定了河流二維流場(chǎng)的分布范圍和氮磷濃度場(chǎng)。
河流水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是擁有大量的水文,水質(zhì),工程概況,位置評(píng)價(jià)等內(nèi)容,而通過(guò)同步監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)更具真實(shí)性。而對(duì)于某些區(qū)域的部分監(jiān)測(cè)取斷面進(jìn)行測(cè)量,有時(shí)因人為的誤差以及通過(guò)河段區(qū)域的等高線(xiàn)憑經(jīng)驗(yàn)估算河底高程來(lái)確定該河段的斷面形狀未免有些不足,最終影響河流水質(zhì)動(dòng)力模型以及水質(zhì)數(shù)學(xué)模型中的水力要素。由于缺少部分人為認(rèn)為的非緊要因素而導(dǎo)致數(shù)據(jù)模擬出的水質(zhì)模型偏于理想化,因而在實(shí)際中要以理論為基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)際綜合模擬水質(zhì)。
河流的面源污染是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,污染物投放到污染區(qū)域水體的匯集過(guò)程多是用水文水質(zhì)的相關(guān)概念進(jìn)行模擬,并通過(guò)長(zhǎng)期的水質(zhì)考察,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)M污染水體的大致影響時(shí)空范圍而形成河流水質(zhì)模型。有時(shí),由于枯水期水量減弱而不具備污染源的相關(guān)流經(jīng)區(qū)域,所以在今后需要多加的參考和考慮。水質(zhì)模型在時(shí)間和空間上與污染水體對(duì)徑流流向與泥沙和水體泥沙與泥沙相互之間的作用上認(rèn)識(shí)還不夠深入,所以在此基礎(chǔ)上,非常有必要與水文水資源相結(jié)合進(jìn)行模擬。
隨著研究工作的進(jìn)一步深入,以及在實(shí)際生活中應(yīng)用的范圍不斷地?cái)U(kuò)大,在此過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)一系列新的水質(zhì)問(wèn)題,如何找到一種即簡(jiǎn)便又較準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式定量地表示污染水源。在研究改進(jìn)環(huán)境動(dòng)力學(xué)、河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,探究在河段中存在的堰、堤、泄流、匯等的主要影響因素,以及污染源入流時(shí)對(duì)環(huán)境水力學(xué)各要素的影響,并建立相應(yīng)的水質(zhì)模型,用以適應(yīng)更為復(fù)雜的河段計(jì)算,并嘗試著以一維模型為基礎(chǔ)跨越到二維三維的水質(zhì)模型中來(lái),利用可視化的功能需求,全面直觀的再現(xiàn)污染水體的變化過(guò)程和演變機(jī)理。