謝飛 李冰 王向華

摘要：本文論述了河網(wǎng)地區(qū)水動力、水質(zhì)模擬方法的發(fā)展過程及其在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用狀況，提出了潮汐河網(wǎng)水質(zhì)模擬存在的問題，并從理論與應(yīng)用角度分析了潮汐河網(wǎng)水質(zhì)模擬的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：潮汐河網(wǎng)；水流；水質(zhì)；數(shù)值模擬

中圖分類號：X12 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）03-0204-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.121

Abstract： This paper discusses the development process of hydrodynamics and water quality in the river network and its application in production practice. The existing problems in the simulation of water quality in tidal river network are put forward. The water quality of tidal river network is analyzed from the view of theory and application Simulation of the development trend.

Key words： Tidal river network； Water flow； Water quality； Numerical simulation

人類得以生息繁衍非常重要的一個場所就是河網(wǎng)，這也是我國社會經(jīng)濟及文化都比較發(fā)達的區(qū)域。但是，對水質(zhì)造成的污染也是最為嚴(yán)重的地區(qū)。隨著水環(huán)境質(zhì)量的惡化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，對河網(wǎng)地區(qū)的環(huán)境以及經(jīng)濟的持續(xù)性發(fā)展都造成了非常大的阻礙。

為了使平原河網(wǎng)的水污染得到有效的治理及改善，就一定要對平原河網(wǎng)水污染的控制理論以及技術(shù)深入進行研究，其中研究水質(zhì)模擬的方法就是非常關(guān)鍵的一部分。

潮汐平原河網(wǎng)最顯著特點就是受潮汐的影響，水位和流量隨時間變化明顯，潮汐平原河網(wǎng)的水質(zhì)不但會受到上游河段的污染，并且潮汐的影響也會產(chǎn)生非常大的后果，從而影響到水流流向順逆不定，可能出現(xiàn)水流同向或異向（相向或相背）等多種流態(tài)，各種污染物在河網(wǎng)內(nèi)部來回震蕩，水質(zhì)呈復(fù)雜的動態(tài)變化。

因為我國的理論以及技術(shù)等很多方面都存在不完善的地方，實際模擬潮汐平原河網(wǎng)的水質(zhì)還不是特別滿意。所以，對潮汐平原河網(wǎng)問題的研究一直是國內(nèi)外環(huán)保工作者傾心研究的重要課題。

1 潮汐河網(wǎng)數(shù)值模擬的研究進展

1.1 河網(wǎng)水動力計算的研究進展

水質(zhì)模擬就是對水質(zhì)要素在水環(huán)境中，所產(chǎn)生的不同物理、化學(xué)以及生物，實際的變化情況進行分析。相比較水環(huán)境當(dāng)中的動力學(xué)因素來說，比如水的體積、流量還有水深有非常緊密的關(guān)系。所以，水質(zhì)模擬最為基礎(chǔ)的部分就是計算水動力學(xué)。

對河網(wǎng)地區(qū)的河道水流運動進行描述的方程組是Saint- Venant，河網(wǎng)水力計算可歸結(jié)為一維Saint- Venant方程組的求解問題。在1953年的時候，Stoker就已經(jīng)把完整的Saint- Venant方程組計算出來河流洪水，從此就慢慢制作了完整的Saint- Venant方程組的數(shù)學(xué)模型。對于方程組求解，在1971年由Fread提出關(guān)于五對角元的壓縮存貯消元法。在1975年的時候，Cunge提出了雙追趕方法。到了1977年，我國的李岳生專家就提出了河網(wǎng)非恒定流隱式方程組稀疏矩陣解法。但是，采用該方法計算方程組的規(guī)模還是比較大，實際的應(yīng)用效果也不是特別滿意。這也慢慢研發(fā)出了組合單元解法還有分級解法。

其中“組合單元解法” 就是在1975年的時候，法國的水力學(xué)專家Jean A. Cunge首次提出。由于此方法對河道進行了簡單概化，對精度受損進行模擬。所以，這一方法只能在大尺度的水環(huán)境規(guī)劃中進行應(yīng)用?，F(xiàn)階段在生產(chǎn)實踐過程中還沒有得到廣泛應(yīng)用。

在1976年的時候，由荷蘭水力學(xué)的專家Dronkers首次提出了分級解法的思想，之后經(jīng)過很多學(xué)者專家的深入研究優(yōu)化，也逐漸提出了河網(wǎng)非恒定流的二級解法[1]、三級解法[2]、以及四級解法[3]。為了進一步對圣維南方程組進行優(yōu)化求解，國內(nèi)外學(xué)者又提出了汊點分組解法[4]，矩陣標(biāo)識法[5]，松弛迭代法[6]等。

由于分級解法能夠?qū)γ恳粭l河道的水流狀況精準(zhǔn)的進行計算，并且理論方面相對較為完善。已經(jīng)成了現(xiàn)階段模擬河網(wǎng)水力最為常用的一種方法[7]。因為三級解法能夠模擬單一的河道，并且可以對降雨等外界因素充分考慮，有非常高的計算精度，能夠有效滿足航運以及環(huán)境保護的需要。

1.2 河網(wǎng)水質(zhì)計算的研究進展

水質(zhì)模型是根據(jù)質(zhì)量守恒原理，用數(shù)學(xué)的語言和方法描述參加水體中水質(zhì)組分所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物等方面的變化、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。對水質(zhì)模型的研究，能夠?qū)λw污染物遷移轉(zhuǎn)化的機理有充分的了解，從而對廢水排入天然水域的水質(zhì)濃度場進行準(zhǔn)確的分析，進而對河流的納污能力進行確定。充分考慮上述的因素，對污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)定，對水域污染控制規(guī)劃以及對環(huán)境管理與水資源管理政策的制定有非常重要的作用。所以，模擬河流水質(zhì)是近些年研究最為深入的話題之一。現(xiàn)階段們已經(jīng)有很多的研究成果，應(yīng)用到了流域的水質(zhì)規(guī)劃及管理工作中。

Streeter和Phelps于1925年在Ohio河上第一次建立水質(zhì)模型，模擬河流或者是河口生物化學(xué)需氧量以及溶解氧BOD-DO。在1979年的時候，Singh. H就研發(fā)除了一種穩(wěn)態(tài)的、確定性的一維河網(wǎng)水質(zhì)模型。到了1980年，Couillard. D與Cluis. DA等人搭建了污染負荷的河網(wǎng)水質(zhì)模型，而且把這一模型也在Saint-Francois流域中進行了應(yīng)用，從而獲取了流域中的最大氮、磷的濃度。

1983年，美國環(huán)境保護局發(fā)布WASP最原始的版本，之后WASP模型又經(jīng)過幾次修訂發(fā)展到如今的WASP8。WASP水質(zhì)模型系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確模擬河流、湖泊、水庫以及海岸的實際水質(zhì)情況。WASP能夠搭建模擬系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確反映出彌散、對流、點雜質(zhì)負荷及邊界的交換等隨時間變化的實際過程?，F(xiàn)階段，應(yīng)用范圍比較大的還有丹麥水動力研究所（DHI）開發(fā)的MIKE系列模型，美國Brigham Young大學(xué)計算機圖形實驗室開發(fā)的SMS地表水模型系統(tǒng)。

國內(nèi)水質(zhì)模型的研究雖然起步較晚，但是對這方面的研究也取得了非常大的成果。在1996年的時候，河南大學(xué)就已經(jīng)研發(fā)出了Hwqnow模型[8]，在上海浦東新區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境進行的調(diào)水方案中進行了應(yīng)用，而且也取得了非常好的實踐效果。

1998年，丁訓(xùn)靜等人[9]，就把荷蘭Delft水力研究研發(fā)的Delwaq水質(zhì)模型在太湖流域進行了應(yīng)用，分析了模型參數(shù)的率定以及靈敏度，從而最終確定了符合太湖流域平原河網(wǎng)的水質(zhì)模型以及具體的參數(shù)，為太湖流域的水污染控制、管理及水質(zhì)規(guī)劃提供了重要的決策依據(jù)。2002年，上海市的科委組織就針對上海蘇州河的綜合整治工程開發(fā)了數(shù)學(xué)模型，使我國的水動力水質(zhì)模型研究有了一定的深度[10]。

2 潮汐河網(wǎng)水質(zhì)模擬存在的問題

2.1 水化學(xué)動力特性

目前，仍未完全清楚污染物在介質(zhì)中的降解、遷移、轉(zhuǎn)化過程，導(dǎo)致許多參數(shù)難以較為準(zhǔn)確的度量和估值，參數(shù)的隨機性和近似假設(shè)仍可能導(dǎo)致模擬較大地偏離實際情況。

2.2 水動力模擬

水環(huán)境中的動力學(xué)因素與模擬的河流水質(zhì)有非常緊密的關(guān)系。所以，也可以說計算水動力學(xué)是模擬水質(zhì)的基礎(chǔ)條件。水流數(shù)值模擬過程中所引入的誤差（如方程離散、參數(shù)估值等），導(dǎo)致水質(zhì)模擬結(jié)果也有所偏差。另外，在概化河道的過程中，沒有充分考慮到水流條件對概化的實際需求，而且也沒有全方面的考慮水質(zhì)的實際要求。進而致使被概化的河道水環(huán)境質(zhì)量、納污量有非常大的差異。

2.3 污染源強模擬

在對水質(zhì)進行模擬的過程中，污染源源強是非常重要的一項輸入條件。點源因為明確了排放口位置，就比較容易計算源強。但是，因為面源污染物的產(chǎn)生量以及實際進入水體的過程非常復(fù)雜，進行定量計算的方法還存在一定的偏差。目前采用的水質(zhì)模擬方法，就是對面源進入污染河段的負荷量還有時間分配過程進行了簡化，沒有對面源空間分布的不均勻性充分考慮。

2.4 子河道復(fù)雜流態(tài)水質(zhì)模擬

因為平原河網(wǎng)的地區(qū)地勢相對較低，分布的河道非常復(fù)雜，受到潮汐及閘、壩等水利工程設(shè)施產(chǎn)生的影響，從而對水流流向順逆不定造成一定程度的影響。污染物就會在河網(wǎng)內(nèi)部出現(xiàn)反復(fù)震蕩，導(dǎo)致水質(zhì)的動態(tài)變化非常復(fù)雜。當(dāng)模擬河道距離較長時，子河道內(nèi)會出現(xiàn)順流、逆流、相向流、相背流等多種流態(tài)。但目前，學(xué)術(shù)界少有關(guān)于考慮子河道相向流、相背流等多種水流流態(tài)的水質(zhì)模擬方法的研究文獻。

3 河網(wǎng)水質(zhì)模擬的發(fā)展趨勢

3.1 模型不確定性的分析

因為水環(huán)境非常的復(fù)雜性，在建立水質(zhì)模型的時候如果采用非線性規(guī)劃方法進行實施，就無法將全部的影響因素充分考慮進去，只能夠考慮主要的因素。所以，這就會使得模型的最終結(jié)果有很大的不確定性。而模型的不確定性的類型包括兩大類：模型參數(shù)的不確定性以及模型解析的不確定性。想要使這些不確定性得以解決，就必須要對模型預(yù)測的精度以及可靠性深入進行研究，這也是未來研究水質(zhì)模型非常重要的一項工作。

3.2 河流水動力模擬的完善

水動力學(xué)計算是水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)，部分比較完善的離散方法以及高性能的離散格式已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了工程中。把上述的這些應(yīng)用到淺水動力學(xué)的計算過程中，對復(fù)雜河網(wǎng)的數(shù)值求解有非常好的效果。合理的反應(yīng)從而更準(zhǔn)確的模擬水動力、水質(zhì)要素，也依然是今后發(fā)展中的一個重要方向。

3.3 基于地理信息系統(tǒng)的研究

隨著近幾年GIS的快速發(fā)展，在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。尤其是在水質(zhì)模擬以及管理規(guī)劃上起到了非常大的作用。因為江河流域的水環(huán)境信息特點之一就是空間信息，而采用GIS技術(shù)就能夠使流域水環(huán)境信息，從單純的數(shù)據(jù)表格形式轉(zhuǎn)化成更加具有立體感、更加形象的圖像方式。而且能夠利用這些信息準(zhǔn)確預(yù)測、規(guī)劃相關(guān)流域的水環(huán)境，進而有效預(yù)防重大水環(huán)境的問題。在對水環(huán)境污染進行模擬、控制以及決策的過程中，應(yīng)用GIS技術(shù)也是未來水質(zhì)模型主要的研究內(nèi)容。

3.4 基于可視化技術(shù)和VR技術(shù)的研究

在計算圖形學(xué)中可視化技術(shù)屬于比較新的一門學(xué)科，主要涵蓋的內(nèi)容有：計算機圖形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)以及交互技術(shù)等。因為可視化技術(shù)有非常突出的優(yōu)勢，在現(xiàn)階段國內(nèi)外都有非常廣泛的應(yīng)用。隨著近些年科技的快速發(fā)展，VR技術(shù)已經(jīng)成了目前非常重要的一種探索工具。通過VR技術(shù)能夠把現(xiàn)實中無法制作的模型，通過可視化、動態(tài)化的方式展現(xiàn)出來，為人們提供真實的視覺感受。隨著VR技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)在環(huán)境領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。而怎么才能夠把可視化技術(shù)與VR技術(shù)在水質(zhì)模型中有效進行應(yīng)用，是未來主要的研究內(nèi)容。

參考文獻

[1]正凡.明渠非恒定流[M].武漢：武漢水利電力學(xué)院，1983.12.

[2]二駿.河網(wǎng)非恒定流的三級聯(lián)合解法[J].華東水利學(xué)院學(xué)報.1982，（1）：1-12.

[3]吳壽紅.河網(wǎng)非恒定流四級解算法[J].水利學(xué)報，1985，（8），42-50.

[4]李義天.河網(wǎng)非恒定流隱式方程組的汊點分組解法[J].水利學(xué)報，1997，（3）：49-57.

[5]李光熾，王船海.大型河網(wǎng)水流模擬的矩陣標(biāo)識法[J].河海大學(xué)學(xué)報，1995，（1）：37-42.

[6]徐小明，張靜怡，丁健.河網(wǎng)水力數(shù)值模擬的松弛迭代法及水位可視化顯示[J].水文，2000，（6），1-3.

[7]韓龍喜，朱黨生.河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境規(guī)劃中的污染源控制方法[J].水利學(xué)報，2001，（10）：28-31.

[8]徐貴泉.感潮河網(wǎng)水量水質(zhì)模型及其數(shù)值模擬[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，1996，4（1）：94-105.

[9]丁訓(xùn)靜.姚琪等.太湖流域水質(zhì)模擬研究[J].水資源保護，1998，（4）：10-62.

[10]廖振良.徐祖信等.蘇州河干流水質(zhì)模型的開發(fā)研究[J].上海環(huán)境科學(xué)，2002，21（3）：136-140.

收稿日期：2018-01-10

作者簡介：謝飛（1982-），男，碩士，高級工程師，研究方向為環(huán)境規(guī)劃與數(shù)值模擬研究。