水利工程水环境效益量化模型及应用研究论文_王艾艾 陈业芹 侍宇

摘要：现代社会快速发展，工业和生活污水的排放日益增多，河湖水质状况恶化，水体污染问题愈发严重。水体富营养化是水体中生物所需的无机营养物质氮、磷等含量过剩的水质污染现象。目前，欧洲、非洲、北美洲和南美洲分别有53%、28%、48%和41%的湖泊存在不同程度的污染现象，而亚太地区有54%的湖泊处于污染状态。因此，对河湖水质状况进行有效分析和评价，可为防治水体污染提供科学依据。

关键词:水利工程；水环境；模型；研究

1 引言

近期习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”生态环境保护理念的深入贯彻实施，全国范围内水体污染防治工作向纵深发展。反映污染物变化规律和水环境水质成分关系的水质模型在水环境保护规划中发挥着越来越重要的作用。模拟和预测水质参数的变化趋势对环境污染的预防和治理十分重要，水质模型是利用物质和能量守恒原理预测水质变化的有效工具。本文论述了水质模型的发展趋势和重要性，依据不同标准对水质模型进行分类，详细分析目前国际上应用比较广泛的水质模型系列和发展现状，展望未来水质模型和信息及与卫星技术结合的发展趋势。

2 水质模型的种类阐述

自第一次发现水污染开始，人类就试图用简单的模型预测和模拟水质变化情况，所以水质模型发展历史悠久，种类也很多。按照不同的分类标准，把水质模型进行分类。如按照变量的确定性来分类，可分为确定性模型、混合性模型、随机性模型；按照模拟空间性质来分，可分为零维模型、一维模型、二维模型、三维模型；按照评估水域来分，可分为河流模型、湖泊模型、海洋模型、河口模型；按照对水质变化的了解程度可分为，黑箱模型、白箱模型、灰箱模型；按照模型参数的性质来分可分为物理模型、化学模型等。

3 水质污染评估原理分析

水质污染评估原理可以反在相应的水质指标上，水质机理模型可表征水质指标的动态变化，而对于不同水体，模型参数得重新调整，需采用参数优化方法进行率定，因此，具体河湖水质污染评估步骤如下:

首先，根据河湖的水质资料，建立水质模型，选取合适的方法进行模型参数率定，以得到精度较高的水质指标仿真值;其次，采用一定技术选择水质污染评价指标及相应的污染等级标准值，利用评估算法进行水质污染评价，得到水质污染等级;最后，结合具体的水体进行水质模型和评价算法的有效性和准确性验证。在对水质模型参数率定时，传统的方法是试算法，此法相对简单，但通常耗时多，且对于不同水体水质模型都需要重新试算，使得模型参数值率定结果不精确，进而影响模型输出的有效性和适用性，从而导致评估的不准确。为了避免上述问题，提出了基于非线性最小二乘的模型参数优化，得到水质指标仿真值的基础上，利用改进的模糊综合评价法进行水质污染评价，具体对水质污染评价指标的选取及相应权重的确定进行了改进。

4 QUAL2K模型的特点、数学模型及仿真因素研究

QUAL2K模型作为综合水质模型，其基本方程是一维平流－扩散物质输运和反应方程，它考虑了水质组分的响应，如水平流分散，稀释和外源输入或变化。它具有以下设置:(1)一维，通道中的水垂直和水平完全混合。(2)河水流量稳定。(3)热量、温度、湿度、风力等外部因素均以d为单位进行测量，并在日常时间轴上模拟内部气象方程。(4)点源的日输入输出和非点源都是模拟的。

QUAL2K模型的新功能如下:(1)碳质BOD形态。Q2K使用两种形式的碳质BOD来代表有机碳。这些形式是缓慢氧化形式和快速氧化形式。(2)纠正藻类，营养物和光之间的关系，并添加到藻类BOD等新因子的模拟中硝化作用和各种病原体。(3)pH值。模拟了碱度和总无机碳。然后根据这两个量计算河流的pH值。(4)围堰和瀑布。围堰的水力学以及围堰和瀑布对气体转移的影响明确包括在内［10］。水质成分的反应方程式如下:

式(1)中，ρ为组分的质量浓度，mg/L;x为长度，m;t是时间，s;U为流速，m/s;S为质量浓度的输入和输出，mg/L;V为体积，L;Ex是河流纵向扩散系数，m2/s。

由于dρdt是水质指数ρ的质量浓度函数，也可以设置dρdt=kρ，用有限差分法求其数值解，得到有限差分方程分解如下:x=iΔx，t=jΔt，k=kΔt，ρ(x，t)=ρi，i=(0，1，2，…，n)，n是计算单位数。河流断面综合后，j=(1，2，…，m)，m为抽水时间，d。

模拟因子方面，QUAL2K扩展了计算功能，用户可以模拟15种根据需要组合的水质成分种类，包括:BOD、溶解氧、温度、藻类———叶绿素a、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、可选的衰减放射性复合物。图1显示了模型动力学和质量转移过程。

图1模型动力学和传质过程

5 结语

虽然QUAL－II系列模型具有广阔的应用前景，但根据我国的实际情况，模型的应用和改进应着重于以下三个方面:

(1)模型应用和合理的模型评价指标体系有待进一步深化。在QUAL2K模型的水质模拟基础上，水环境优化首先要结合经济社会发展，从社会经济、资源环境、技术管理等领域选择评价指标，建立指标结构清晰的分层系统。然后确定各指标的权重，建立流域水环境容量综合评价模型。再建立水环境承载力综合评价模型，为减少和分配污染负荷提供思路。

(2)水质和水力学参数的选择和确定需要进一步研究。我国不同水体的水质和水力学参数不同，一些经验参数，可能与中国特定河流的实际情况有很大不同，导致模拟的准确性较低。鉴于数据量模型的过度需求，QUAL2Kw在参考文献中采用的影响系数法和遗传算法(POMIG)也是一种新的改进方法。

(3)进一步发展与其他水质模型和软件相结合。以俄克拉荷马州盆地和西湖盆地为例，将QUAL2E模型集成到SWAT模型中以修改模型的每小时时间步动态框架，然后采用SCE算法与水质目标进行对齐和整合。最后，采用统计方法将聚合目标函数作为个体变量，避免了权重问题，从而提高了SWAT模型的水质模拟函数。相关的研究刚刚在中国开始，并将成为未来的趋势之一。

参考文献:

[1]张亚丽，王艺铭，史淑娟，等．基于QUAL2K模型的鹤壁卫河水质模拟预警研究[J]．中国环境监测，2018，34(5):138－143．

论文作者:王艾艾 陈业芹 侍宇

论文发表刊物:《城镇建设》2019年17期

论文发表时间:2020/4/13

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