黄维;方俊华
【摘 要】从数学特性角度分类，河流污染物的迁移转化模型可分为确定与非确定性模型，并正经历着由确定性模型向非确定性模型发展的转变。从确定与非确定性两个方面对国内外河流水质模型进行了总结和分析，并着重介绍了WASP、QUAL、RMA4等确定性模型和随机模型、灰箱模型、神经网络算法等非确定性模型的原理及其在国内的应用。针对河流中某个特定污染体系(如底泥、潜流带)或某类污染物(如重金属、石油类、营养物质等)的迁移转化模型也有大量研究成果。河流污染物迁移转化模型的未来发展趋势将是模糊数学和不确定性分析技术的应用，与人工神经网络和GIS的结合，状态变量和组分数量的增加，以及三维数学模型的发展。%10.3724/SP.J.1201.2012.06142 地板线槽【期刊名称】《南水北调与水利科技》
【年(卷),期】2012(000)006
胸片数据库【总页数】6页(P142-146,158)
【关键词】污染物;迁移转化;河流;水质模型;模拟
【作 者】黄维;方俊华
【作者单位】重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045;重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045
【正文语种】中 文
【中图分类】TV21;X522
河流中污染物的进入及迁移转化在很大程度上影响着河流水质，而河流水质与人类生产生活息息相关，因此清楚河流中污染物迁移转化规律及预测河流水质变化规律至关重要。数学模型在河流水质预测中发挥着显著的作用。它可以模拟河流中污染物迁移转化的过程，预测污染物分布状况及河流水质。描述河流中污染物迁移转化的数学模型，多为水质模型。因此，笔者主要从国内外河流水质模型和几种特殊污染物的迁移转化模型两个方面阐述了河流污染物迁移转化模型的研究进展。
1 河流污染物迁移转化模型的发展及其类型
1925年，美国工程师Streeter和Phelps在研究Ohio河污染时建立了第一个氧平衡模型［1］，简称S－P模型，由此打开了水环境数学模型之门。之后水环境数学模型经历了初级发展、快速发展和深入发展3个阶段，从一维介质的静态模拟到后来的多维多介质的动态模拟。现在人们更是把随机数学、模糊数学、计算机图像学及可视化技术、人工神经网络、地理信息系统（GIS）等引入到水环境模型的研究中。河流污染物的迁移转化模型作为水环境模型的核心，在基础研究和实际应用中都取得了很大的进展［2］。另外还有学者对某些特殊污染物如重金属、石油、营养物质等在河流中的迁移转化模型进行了研究。
根据不同的分类方法，河流污染物迁移转化模型有多种不同的分类［3］，如：确定与非确定模型；稳态与动态模型；一维、二维、三维模型；移流模型、扩散模型及移流扩散模型；纯输移模型、纯反应模型、输移反应模型及生态模型；根据水体研究内容可分为水质模型与水动力学模型。本文谈到的确定性模型主要指水质模型。
在河流污染物迁移转化模拟研究中，以确定性水质模型应用最为普遍、发展最为成熟。但由于水环境系统内在的不确定性和水文、水质资料等的不完全性，仅根据确定性水质模型进行的水质预测存在着明显的局限性；因此，近年来不确定性水质模型的研究也取得了一
些进展，但尚不成熟［4］。随着研究者对不确定性分析方法的逐渐重视，不确定水质模型已成为当今水环境模型的发展趋势之一。因此，笔者选择从确定与不确定模型两大类来分别介绍水质模型的研究进展。
2 确定性水质模型
确定性水质模型是一个由完全肯定的函数关系所决定的模型。它是依据质量守恒和能量守恒原理，建立已简化系统的流体力学连续性方程、运动方程及能量方程而推导得出的，其模型中不包括任何随机性变量。对于一个确定性模型，只要设定了输入和各输入之间的关系，其输出也是确定的。确定性水质模型研究了各类点源、非点源污染物进入河流后的运移转化过程及其对水体质量的影响。几种常用河流水质模型的主要技术指标见表1［5］。
表1 几种地表水模型的主要技术指标［5］Table1 The major technology indexes of several surface water models模型名称水体类型水文模型水质模型沉积物污染物类型有机污染物的物化变化CEQICM河／河口一维静态三维沉降易／难降解有机物－DYNHYD5河／河口一维静态均质－难降解有机物－EXAMS河／湖／河口一维动态三维吸附难降解有机物降解／挥发／转化HSPF河／湖二维动态一维吸附／沉降／迁移易／难降解有机物降解／挥发／
转化MINTEQA2河／湖／河口一维静态均质吸附重金属转化QUAL2E河一维静态一维吸附易／难降解有机物－RMA4［8］水库／河／海湾二维动态二维吸附／沉降／迁移易／难降解有机物降解／挥发／转化WASP5河／湖／河口一维静态三维吸附／沉降／迁移易／难降解有机物降解／挥发／转化WQAM河／湖／河口一维静态一维吸附易／难降解有机物－
2.1 WASP模型
WASP（Water Quality Analysis Simulation Program，水质分析模拟程序）是由美国环保局（EPA）开发的地表水水质模型程序，包括两个独立计算程序：水动力学程序DYNHYD和水质程序WASP。它是一种动态多箱式模型，用于分析预测自然和人为污染的各种水质状况，可模拟水文动力学、一维／二维／三维的水质模拟及常规污染和有毒污染物的迁移转化，适用水体为湖泊、水库、河流、河口和沿海水域，被称为万能水质模型［5］。经简化的WASP常用模型如下［2］：
式中：C－污染物浓度（mg／L）；t－时间（s）；A－横截面积（m2）；Ux－纵向速度（m／s）；Ex－纵向弥散系数（m2／s）；Sl、Sb、Sk－弥散负荷率、边界负荷率、总动力输移率（mg／（L·s））。
WASP研究对象多、应用范围广、水质模型反应机理较成熟，WASP6还实现了Windows操作界面可视化，运行速度和计算效率也大幅提高。但WASP内嵌的一维水动力模型DYNHYD5采用显式差分求解，时间步长、空间网络不宜过大，不一定适用于低流速河流；且DYNHYD5模块不具模拟水力工程运行的功能，不适用于闸控平原河网水动力模拟；WASP还存在调用外部数据量大、对沉积通量的计算过于简单等局限［6］。
2.2 QUAL模型体系
QUAL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QUALI，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［7］。该模型体系后来又发展了QUAL2E、QUAL2E－UNCAS、QUAL2K等版本。
QUAL模型假设河流中污染物的主要迁移方式是平移和弥散，且只考虑发生在河道或水道的纵轴方向上的迁移，因此是一维模型。它还考虑了水质组分间的相互作用以及组分外部源和汇对组分浓度的影响。对任意水质变量C，方程可写为如下形式：
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式中：方程右边的4项分别代表扩散、平流、组分反应和组分外部源汇项；M－污染物质量（mg）；t－时间（s）；C－组分浓度（mg／L）；x－距离（m）；Ax－距离x处的河流断面面积（m2）；DL－纵向弥散系数（m2／s）；u－平均流速（m／s）；S－组分的外部源和汇项（mg／s）。
QUAL2E适用于模拟混合良好的枝状河流，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。但未考虑死亡藻类与BOD之间的关系。而QUAL2K是在QUAL2E基础上经过多次修订和增强的一个综合性、多样化的河流水质模型。它克服了QUAL2E的一些缺点，考虑了沉积物与水的相互反应、河底藻类、削光、pH值、病原体等因素［8］，并用两种碳化BOD的形式（slow／fast CBOD）来表示有机碳。
QUAL通用性好、准确可靠、操作方便；由于包含了一个进行不确定性分析的QUAL－UNCAS模块，可进行3种不确定性分析；允许多个排污口取水口的存在以及支流的汇入和流出；相较于WASP，QUAL可模拟河道中水工建筑物对河流水质的影响。目前该模型的发展已较为成熟，主要用于分析河流水质问题。
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2.3 RMA4模型
RMA4模型是被美国陆军工程兵团使用的TABS模型系统的一部分，在模型SMS（the Surface Water Modeling System）中执行。SMS模型执行前必须由SMS中另一模块TABS－RMA2模块提供水动力学支持。RMA4模型是平面二维有限元法的污染物输移水质模型，主要应用于水库、河流、河口、海湾和滨海地区污染物质的输移扩散计算，以及排污口优化、石油泄漏评价等［9］。将RMA4模型应用于天然河道的数值模拟计算，可以满足水质预测、计算精度等多方面的需求，但计算量大，计算速度慢。
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