陳麗娜 吳俊鋒 凌虹 黃夏銀 談俊益 劉子鑫 樊雨波

摘 要：潮汐水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)值模擬是定量分析該區(qū)域污染物排放與水環(huán)境質(zhì)量改善之間關(guān)系的重要技術(shù)手段。該文從面源污染負(fù)荷模型、河網(wǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)模型3個(gè)方面分析了潮汐水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)值模擬的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，從而為潮汐水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)值模擬的研究提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：潮汐水網(wǎng)；水環(huán)境數(shù)值模擬；面源；進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào) X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）12-0067-5

Research Progress on Numerical Simulation of Water Environment in Tidal Water Area

Chen Lina1，2，3，4 et al.

（1Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science， Nanjing 210036， China ；2College of Environment， Hohai University， Nanjing 210098， China；3Province Key Laboratory of Environmental Engineering，Nanjing 210036， China；4Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes， Ministry of Education， Nanjing 210098， China）

Abstract：The numerical simulation of the water environment in the tidal water network area is an important technical measure to quantitatively analyze the relationship between the discharge of pollutants in the region and the improvement of water environment quality. This paper systematically analyzes the research progress of the numerical simulation of the water environment in the tidal water network area from three aspects： the non-point source pollution load model， the hydrodynamics of the river network and the water quality model， and summarizes its development trend， to provide a useful reference for the study of numerical simulation of water environment in tidal water network area.

Key words： Tidal water network；Numerical simulation of water environment；Non-point source；Progress

潮汐水網(wǎng)區(qū)作為具有獨(dú)特地形條件的區(qū)域，地勢(shì)低平，水動(dòng)力條件復(fù)雜，各污染源交叉影響顯著。作為定量分析污染物排放與水環(huán)境質(zhì)量改善之間關(guān)系的重要技術(shù)手段，數(shù)學(xué)模型法得到了充分的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。本文從面源污染負(fù)荷模型、河網(wǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)模型3個(gè)方面分析了潮汐水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)值模擬的研究進(jìn)展，為潮汐水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)值模擬的研究提供有益的參考。

1 面源污染負(fù)荷模型研究進(jìn)展

面源（非點(diǎn)源）污染是指在降雨徑流的沖刷與淋溶影響下，地面和土壤中的溶解性或污染性固體物質(zhì)進(jìn)入海洋、江河、湖泊和水庫(kù)等水體而引發(fā)的水環(huán)境污染。其主要污染源包括水土流失、農(nóng)業(yè)化學(xué)品大量使用、城市徑流、畜禽養(yǎng)殖等[1]。

與點(diǎn)源污染相比，面源污染具有顯著的特點(diǎn)。由于土壤結(jié)構(gòu)、農(nóng)作物類(lèi)型、氣候等因素的影響，面源的源強(qiáng)不固定，以農(nóng)業(yè)面源污染為例，當(dāng)農(nóng)業(yè)化學(xué)品施用量、農(nóng)作物種類(lèi)、耕種方式、土壤質(zhì)量和降水條件不同時(shí)，農(nóng)業(yè)化學(xué)品和養(yǎng)分的流失將存在巨大的差異；面源污染沒(méi)有固定的排放口，在隨降雨徑流遷移的過(guò)程中，地形地貌對(duì)其入河路徑具有決定性的影響；面源污染分布廣泛，影響面源污染的因素復(fù)雜多樣，很難判斷污染物的具體來(lái)源。因此，面源污染的特點(diǎn)可以概括為隨機(jī)性、廣泛性、模糊性以及時(shí)空變化幅度大4個(gè)特點(diǎn)[2]。

面源污染自身的特點(diǎn)決定了對(duì)它的監(jiān)測(cè)、控制和處理具有很大難度。我國(guó)已將面源污染納入污染總量控制之中，由于缺少連續(xù)的面源分布、降水、水文、水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料，導(dǎo)致其研究還處于起步階段。現(xiàn)有的面源污染負(fù)荷計(jì)算方法可以分為經(jīng)驗(yàn)方法和機(jī)制性負(fù)荷模型（Detailed Loading Models）方法。

1.1 經(jīng)驗(yàn)方法 經(jīng)驗(yàn)方法忽略了面源污染源強(qiáng)在年內(nèi)的變化，只能用于長(zhǎng)序列的年均污染負(fù)荷估算，常用于研究湖泊和水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。常用的面源污染負(fù)荷估算的經(jīng)驗(yàn)方法有污染負(fù)荷當(dāng)量法、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式法和輸出系數(shù)法。

污染負(fù)荷當(dāng)量法根據(jù)區(qū)域污染源數(shù)量，利用污染源單位污染負(fù)荷當(dāng)量計(jì)算區(qū)域的面源污染負(fù)荷。該方法通過(guò)統(tǒng)計(jì)獲取污染源數(shù)據(jù)，采用小區(qū)實(shí)測(cè)方法獲得污染負(fù)荷當(dāng)量，忽略了面源復(fù)雜的形成和遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，充分利用資料建立污染源與受納水體面源污染負(fù)荷的關(guān)系，在面源年均污染負(fù)荷的估算方面具有一定的精度[]。

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式法又稱(chēng)為經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系法，該方法直接建立水體污染負(fù)荷量與某斷面徑流量或降雨量、土地利用類(lèi)型等的相關(guān)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式法依靠大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系，其計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。該方法的缺點(diǎn)如下：建立的模型只適用于特定區(qū)域，無(wú)法推廣使用；當(dāng)流域下墊面發(fā)生變化時(shí)，模擬精度下降；需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，成本較高，在缺少數(shù)據(jù)的地區(qū)無(wú)法使用。

輸出系數(shù)法利用不同土地利用類(lèi)型的輸出系數(shù)估算流域的面源污染負(fù)荷，是一種集總式的面源污染負(fù)荷估算方法[9]。污染物的輸出系數(shù)定義為單位面積土地利用類(lèi)型在單位時(shí)間內(nèi)輸出的污染物總負(fù)荷，一般是通過(guò)單一土地利用方式下的小流域或田間小區(qū)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)獲得[10]。依靠輸出系數(shù)法建立的輸出系數(shù)模型，是一種半分布式模型，通過(guò)多元線性相關(guān)分析，建立土地利用類(lèi)型與面源污染負(fù)荷輸出量之間的關(guān)系，通過(guò)不同土地利用類(lèi)型污染負(fù)荷輸出量求和，得到流域的面源污染負(fù)荷總量。

輸出系數(shù)模型在國(guó)外經(jīng)過(guò)了一系列的發(fā)展。早期的輸出系數(shù)模型認(rèn)為輸出系數(shù)固定不變，Johnes等[11]對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了人口、牲畜等對(duì)輸出系數(shù)的影響，加入了不同種類(lèi)、不同分布方式牲畜的輸出系數(shù)和處于不同生活污水排放處理方式下的人口的輸出系數(shù)。此外，改進(jìn)的輸出系數(shù)模型對(duì)總氮的輸出系數(shù)還考慮了植物固氮和氮的大氣沉降等因素。Soranno等[12]考慮污染源與受納水體之間的距離，建立了改進(jìn)的磷輸出系數(shù)模型。Worrall和Burt[13]提出了流域氮流失模型以及草地的氮非平衡模型和有機(jī)氮非平衡動(dòng)態(tài)模型，據(jù)此建立了考慮土地利用變化的輸出系數(shù)模型。Khadam和Kaluarachchi[14]則在輸出系數(shù)模型中引入了沉積排放參數(shù)。輸出系數(shù)模型在國(guó)內(nèi)也被廣泛用于估算面源污染負(fù)荷[15-17]。在對(duì)輸出系數(shù)的研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者也取得了大量成果[18-23]。

國(guó)外在經(jīng)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了功能性負(fù)荷模型（Mid-range Loading Models），在水質(zhì)參數(shù)和水文參數(shù)、景觀參數(shù)間建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。雖然作為“黑箱”模型忽略了面源污染的中間過(guò)程和內(nèi)在機(jī)制，但功能性負(fù)荷模型考慮了面源污染負(fù)荷的年內(nèi)變化，可以對(duì)水質(zhì)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，有些模型能夠?qū)ξ廴疚锏倪w移過(guò)程進(jìn)行描述。功能性模型仍不適合短期計(jì)算。主要的功能性模型有SITEMAP[24]、GWLF[25]、AGNPS[26]、P8-UCM和AUTO-QI[27]等。上述模型均能在大范圍流域內(nèi)確定面源污染物的來(lái)源并評(píng)價(jià)其對(duì)水質(zhì)造成的影響，為識(shí)別污染物消減的目標(biāo)區(qū)域提供支持。AGNPS模型在我國(guó)也得到了廣泛應(yīng)用[28-30]。

1.2 機(jī)制性負(fù)荷模型方法 與經(jīng)驗(yàn)方法和功能性負(fù)荷模型相比，機(jī)制性負(fù)荷模型的精度較高，可以模擬連續(xù)暴雨事件。該類(lèi)模型以對(duì)面源污染內(nèi)在機(jī)理的數(shù)學(xué)模擬為基礎(chǔ)，研究面源污染產(chǎn)生、遷移轉(zhuǎn)化、對(duì)水質(zhì)造成影響的具體過(guò)程。作為“白箱”模型，機(jī)制性負(fù)荷模型一般包括污染物遷移轉(zhuǎn)化模型、降雨徑流模型、受納水體水質(zhì)模型、土壤侵蝕和泥沙輸移模型?？梢哉f(shuō)，機(jī)制性負(fù)荷模型集成了描述面源污染從產(chǎn)生到對(duì)受納水體產(chǎn)生影響整個(gè)過(guò)程的一系列模型。然而，機(jī)制性負(fù)荷模型對(duì)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)的精度要求較高，其建立、率定和運(yùn)行需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，難以用于缺少長(zhǎng)期同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地區(qū)。目前比較著名的機(jī)制性負(fù)荷模型有SWAT、STORM[31]，

ANSWERS[32]，SWRRBWQ[33]，SWMM[34]和HSPF[35]等。

2 潮汐水網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力模型研究進(jìn)展

潮汐水網(wǎng)地區(qū)的水動(dòng)力模擬可以分為產(chǎn)匯流模擬和河網(wǎng)水動(dòng)力模擬2個(gè)部分。前者是對(duì)降雨到流域產(chǎn)流及坡面匯流的水文子過(guò)程進(jìn)行模擬，后者則是對(duì)河網(wǎng)匯流水文子過(guò)程進(jìn)行模擬。

2.1 產(chǎn)匯流模擬 流域產(chǎn)流研究降雨轉(zhuǎn)化為徑流的過(guò)程。產(chǎn)流過(guò)程的實(shí)質(zhì)是水分在下墊面垂向運(yùn)動(dòng)中，降雨的再分配過(guò)程，其主要受非飽和帶地下水運(yùn)動(dòng)機(jī)理、特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響[36]。20世紀(jì)30年代已經(jīng)出現(xiàn)早期[Horton]產(chǎn)流理論，其給出了超滲地面徑流的形成條件即降雨強(qiáng)度是否大于地面下滲能力和地下徑流的形成條件即包氣帶土壤含水量是否達(dá)到田間持水量。然而自然界中徑流的形成過(guò)程極為復(fù)雜，該理論過(guò)于精簡(jiǎn)的判斷條件使其與實(shí)際的產(chǎn)流過(guò)程存在矛盾。20世紀(jì)70年代，Dune和Kirkby等發(fā)現(xiàn)表層透水性極強(qiáng)的包氣帶可形成飽和地面徑流，非均質(zhì)包氣帶可形成壤中徑流，并在Horton產(chǎn)流理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了飽和地面徑流和壤中流[37]。我國(guó)于20世紀(jì)60年代引入Horton產(chǎn)流理論，提出干旱地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主，濕潤(rùn)地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主。目前已有的研究理論指出，由于降雨的季節(jié)特性，同一地區(qū)可能在超滲產(chǎn)流區(qū)和蓄滿產(chǎn)流區(qū)間相互轉(zhuǎn)化，甚至在同一降雨事件中，一個(gè)地區(qū)可能同時(shí)存在超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流的情況。

流域坡面匯流計(jì)算將凈雨過(guò)程轉(zhuǎn)化為出口斷面的流量過(guò)程。坡面匯流計(jì)算的傳統(tǒng)方法是單位線法。L.K.Sherman于1932年提出單位線的概念，并根據(jù)實(shí)測(cè)降雨徑流資料得到流域的經(jīng)驗(yàn)匯流曲線。雖然單位線法現(xiàn)在仍作為匯流計(jì)算的有效方法被廣泛應(yīng)用，但其存在固有的缺陷：沒(méi)有考慮坡面匯流所具備的非線性和時(shí)變性特征，不能反映出流域植被變化后流量過(guò)程所受的影響，需要詳實(shí)的水文資料[38]。Horton于1938年提出水面線的概念，通過(guò)簡(jiǎn)化圣維南方程來(lái)描述坡面匯流過(guò)程，認(rèn)為坡面上的平均水深、對(duì)應(yīng)出口斷面處的水深具有斜率為1的線性關(guān)系。近年來(lái)，圣維南方程簡(jiǎn)化后所得到的非線性運(yùn)動(dòng)波方程在坡面匯流方面有廣泛的應(yīng)用，簡(jiǎn)化后所得方程為水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程[39]。隨著GIS系統(tǒng)和遙感技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)提取流域下墊面特征、水系數(shù)據(jù)、河網(wǎng)信息等，按照河網(wǎng)等級(jí)任意劃分流域網(wǎng)格已經(jīng)成為可能，為具有物理意義的分布式產(chǎn)匯流模型發(fā)展提供了平臺(tái)，使分布式水文模型的應(yīng)用逐漸普及[40-42]。

潮汐水網(wǎng)區(qū)產(chǎn)匯流模擬與山區(qū)相比有很大的不同。相對(duì)于山區(qū)的單一下墊面類(lèi)型，潮汐水網(wǎng)區(qū)下墊面類(lèi)型復(fù)雜多樣，研究者往往將其分為旱地、水田、非耕地、水面、城鎮(zhèn)建設(shè)用地等類(lèi)型，分別使用不同的產(chǎn)流模式計(jì)算各單元凈雨[43-44]。河網(wǎng)匯流模擬研究?jī)粲耆绾闻湃牒泳W(wǎng)。潮汐水網(wǎng)區(qū)地勢(shì)低平，無(wú)法依據(jù)高程識(shí)別陸域產(chǎn)污單元與納污河段之間的關(guān)系。為此，根據(jù)河網(wǎng)多邊形的幾何特征和河道的過(guò)水能力，將河網(wǎng)多邊形內(nèi)各單元的凈雨量按照一定的系數(shù)分配到周邊河道成為常用的做法[45-46]，由于尚無(wú)成熟的理論和計(jì)算方法，多采用經(jīng)驗(yàn)匯流曲線對(duì)當(dāng)天的凈雨量進(jìn)行時(shí)間分配[47-49]。

2.2 河網(wǎng)水動(dòng)力模擬 河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值模擬方法可分為一維圣維南方程組的數(shù)值解法和組合單元解法。一維圣維南方程組的數(shù)值解法是潮汐水網(wǎng)地區(qū)水動(dòng)力模擬的常用方法。該方法的基本思想是：河網(wǎng)中每一單一河道的控制方程為一維圣維南方程組，河道連接處稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)（匯流節(jié)點(diǎn)），節(jié)點(diǎn)上滿足水流連續(xù)及動(dòng)量守恒條件，求解由邊界條件、河道圣維南方程組和節(jié)點(diǎn)方程聯(lián)立閉合方程組，即可得到各河段內(nèi)部斷面的未知水力要素[]。按照所選擇的差分格式，有顯式格式和隱式格式兩種方法。因?yàn)轱@式格式是有條件穩(wěn)定的，工程上傾向于利用隱式格式求解。河網(wǎng)方程組的求解方法分為直接解法和間接解法（分級(jí)解法），前者就是直接對(duì)邊界方程及各微小河段構(gòu)成的河網(wǎng)方程組進(jìn)行求解，后者首先將未知數(shù)匯集于匯流節(jié)點(diǎn)，求出匯流節(jié)點(diǎn)未知數(shù)后，再將各河段作為單一河道進(jìn)行求解[51]。直接解法用于處理規(guī)模較大的河網(wǎng)時(shí)，會(huì)生成不規(guī)則、不對(duì)稱(chēng)的大型稀疏矩陣。為提高計(jì)算效率，李岳生等[52]提出河網(wǎng)非恒定流隱式方程組稀疏矩陣解法，不過(guò)其生成的矩陣中包含所有斷面的未知數(shù)，導(dǎo)致方程規(guī)模較大，實(shí)用性較低。間接解法由荷蘭水力學(xué)家Dronkers于1976年提出后，經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的完善[53-55]，更加實(shí)用，應(yīng)用廣泛。

間接解法可分為二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)解法以及匯流節(jié)點(diǎn)分級(jí)解法[56]等。二級(jí)解法將河道首末斷面水利要素設(shè)為基本未知量，將河道中間斷面表達(dá)為基本未知量函數(shù)，消除中間斷面未知量，降階方程組系數(shù)矩陣，簡(jiǎn)化方程計(jì)算。為了進(jìn)一步降低方程組的階數(shù)，有效求解大型河網(wǎng)，對(duì)二級(jí)解法的基本未知量再進(jìn)一步消元，形成以節(jié)點(diǎn)水位為基本未知量的三級(jí)解法，這就是目前最常用的方法。在三級(jí)解法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從三級(jí)連接方程組分離出外邊界方程和匯流節(jié)點(diǎn)能量方程，可得到以河網(wǎng)內(nèi)部匯流節(jié)點(diǎn)水力要素為基本未知量的四級(jí)連接方程組。匯流節(jié)點(diǎn)分組解法以分級(jí)解法為基礎(chǔ)，根據(jù)需要將匯流節(jié)點(diǎn)分為任意數(shù)量的組，計(jì)算中，連接本組匯流節(jié)點(diǎn)的河段和一端連接本組匯流節(jié)點(diǎn)、另一端連接相鄰組匯流節(jié)點(diǎn)的河段的水利要素變化，均對(duì)該組匯流節(jié)點(diǎn)的水位造成影響[57]。

組合單元解法于1975年由法國(guó)水力學(xué)專(zhuān)家Jean提出，國(guó)內(nèi)也有研究者采用此方法進(jìn)行河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值模擬[58]。組合單元解法的基本理念是，對(duì)河網(wǎng)水體進(jìn)行單元概化，同一單元的水體具有相似的水力特性和相近的水位變化，單元間通過(guò)連接河道進(jìn)行流量交換。將單元幾何中心的水位作為單元代表水位，建立水位與水面面積之間的關(guān)系。將河網(wǎng)分解為若干單元，明確不同單元間的連接類(lèi)型，分為河形連接和堰型連接。通過(guò)謝才公式對(duì)單元間流量交換進(jìn)行模擬，建立各單元的微分形式水量守恒方程，采用有限差分法進(jìn)行離散，得到以單元水位為基本未知量的方程組，根據(jù)邊界條件計(jì)算單元水位值及單元間流量值。

組合單元解法對(duì)河網(wǎng)水體進(jìn)行概化，以單元為計(jì)算單位，運(yùn)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但精度較低，適用于大尺度流域的水動(dòng)力數(shù)值模擬。一維圣維南方程組的數(shù)值解法可對(duì)各單一河道水流狀況進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，已成為河網(wǎng)水動(dòng)力模擬的主流方法，其中三級(jí)聯(lián)解法最為常用[59-60]。此外，在采用三級(jí)解法模擬潮汐水網(wǎng)時(shí)，考慮降雨因素對(duì)河流水動(dòng)力特征的影響，可將河道包圍的陸域單元進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，并按一定權(quán)重分配至周邊河道，提高水動(dòng)力模型計(jì)算精度。

3 一維水質(zhì)模型研究進(jìn)展

水質(zhì)模型是定量描述水環(huán)境中污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和影響因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[63]。水流是水質(zhì)運(yùn)動(dòng)的載體，隨著河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的日漸完善，河網(wǎng)水質(zhì)模型也逐步發(fā)展起來(lái)。

根據(jù)河道概化方式及水質(zhì)控制方程，河網(wǎng)水質(zhì)模擬方法可分為一維縱向分散方程求解法及組合單元法兩類(lèi)[64]。

采用三級(jí)解法求解一維縱向分散方程，模擬河網(wǎng)水系中污染物的輸運(yùn)，是河網(wǎng)水質(zhì)模擬的主流方法[65]。其求解思路與水動(dòng)力模型相同，即首先對(duì)單一河道一維縱向分散方程進(jìn)行離散，得到各河道出、入流斷面水質(zhì)濃度線性關(guān)系；其次通過(guò)交叉口連接條件（即交叉口出流斷面水質(zhì)濃度為入流各斷面水質(zhì)濃度的平均值）建立以各交叉口節(jié)點(diǎn)水質(zhì)濃度為變量的方程組，求解方程組后回代至單一河道即可求得所有斷面的水質(zhì)濃度。褚君達(dá)等[66-67]構(gòu)建河網(wǎng)三級(jí)聯(lián)合解法水質(zhì)模型，并應(yīng)用于無(wú)錫市河網(wǎng)水污染防治規(guī)劃中。江濤等[68]采用河網(wǎng)三級(jí)聯(lián)合解法水質(zhì)模型，評(píng)估西北江三角洲枯水期沙口、石啃的閘泵站聯(lián)合調(diào)度引水對(duì)佛山水道的水質(zhì)改善效果。徐貴泉等[69]隨后將三級(jí)聯(lián)合解法水質(zhì)模型集成到感潮河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型——Hwqnow模型中，并應(yīng)用于上海浦東新區(qū)河網(wǎng)調(diào)水方案研究及水利一期工程的水環(huán)境改善效果研究，取得了良好的效果。王道增和林衛(wèi)青[70]采用河網(wǎng)三級(jí)聯(lián)合解法水質(zhì)模型評(píng)估蘇州河水環(huán)境綜合整治方案實(shí)施對(duì)流域水環(huán)境質(zhì)量的改善效果。

水質(zhì)模擬的組合單元法求解與水流模擬組合單元求解相似，將水流、水質(zhì)特征相似河道做為一個(gè)單元，構(gòu)建反映單元間污染物輸運(yùn)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到各單元水質(zhì)濃度。金忠青和韓龍喜等[71-73]提出水質(zhì)模擬的組合單元解法，并將其應(yīng)用于江蘇某河網(wǎng)的水質(zhì)計(jì)算。

與水流模擬類(lèi)似，水質(zhì)模擬的組合單元解法由于單元概化的影響，精度相對(duì)較低，適用于大尺度流域的水質(zhì)數(shù)值模擬。三級(jí)解法模擬河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)狀況是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算方法，由于其以單一河道為計(jì)算對(duì)象，可綜合考慮陸域單元降雨產(chǎn)流產(chǎn)污的影響，將產(chǎn)污量按一定權(quán)重分配至周邊河道，提高水質(zhì)模型計(jì)算精度。

4 發(fā)展趨勢(shì)

目前，我國(guó)潮汐水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)值模擬研究尚在探索發(fā)展階段，迫切需要理論和計(jì)算方法的進(jìn)一步完善。仍需要努力的方面主要體現(xiàn)在：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)水環(huán)境數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，如何合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和選擇監(jiān)測(cè)時(shí)間是各地方環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)需要改進(jìn)的工作。

（2）由于缺少連續(xù)的面源分布、降水及地表產(chǎn)匯流同步監(jiān)測(cè)資料，且潮汐水網(wǎng)區(qū)陸域地勢(shì)一般均較為平坦，無(wú)法依據(jù)地形識(shí)別陸域產(chǎn)流產(chǎn)污與納污河道的空間歸屬關(guān)系，以高程判別流向的SWAT、SWMM、STORM，ANSWERS和HSPF等商業(yè)模型的運(yùn)用也受到限制，目前對(duì)于潮汐水網(wǎng)區(qū)陸域面源污染負(fù)荷的核算通常忽略其產(chǎn)流產(chǎn)污過(guò)程，一般采用污染負(fù)荷當(dāng)量法、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式法和輸出系數(shù)法等經(jīng)驗(yàn)方法核算潮汐水網(wǎng)區(qū)陸域面源污染負(fù)荷，現(xiàn)有面源污染負(fù)荷測(cè)算方法的精準(zhǔn)度有待進(jìn)一步提高。

（3）潮汐水網(wǎng)區(qū)水質(zhì)模擬主要考慮水動(dòng)力輸運(yùn)的物理自凈過(guò)程、污染物的衰減，但較少考慮底泥釋放，空氣干濕沉降等因素的影響。因此，科學(xué)地評(píng)價(jià)環(huán)境負(fù)荷對(duì)潮汐水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境的影響，是實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量改善目標(biāo)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]李懷恩，沈晉.非點(diǎn)源污染數(shù)學(xué)模型[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1996.

[2]阮曉紅，宋世霞，張瑛.非點(diǎn)源污染模型化方法的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J].人民黃河，2002，11（24）：25-29.

[3]趙磊.非點(diǎn)源污染負(fù)荷核算方法研究[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2008，27（4）：9-13.

[4]REINELT L E，GRIMVALL A.Estimation of nonpoint sourceloadings with data obtained from limited sampling programs[J].Environmental Monitoring and Assessment，1992（21）：173-192.

[5]BASNYAT P，TEETER L D，F(xiàn)LYNN K M，et al.Relationships between landscape characteristics and nonpoint sourcepollution inputs to coastal estuaries[J].EnvironmentalManagement，1999，23（4）：539-549.

[6]洪小康，李懷恩.水質(zhì)水量相關(guān)法在非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算中的應(yīng)用[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，16（4）：384-386.

[7]李懷恩，蔡明.非點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷——泥沙關(guān)系的建立及其應(yīng)用[J].地理科學(xué)，2003，23（4）：460-463.

[8]李國(guó)斌，王焰新，程勝高.基于暴雨徑流過(guò)程監(jiān)測(cè)的非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量研究[J].環(huán)境保護(hù)，2002（5）：46-48.

[9]Johnes PJ. Evaluation and management of the impact ofland use change on the nitrogen and phosphorus load delivered to surfacewaters： The export coefficientmodeling approach[J].Journal ofHydrology，1996，183：323-349.

[10]薛利紅，楊林章.面源污染物輸出系數(shù)模型的研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（4）：755-761.

[11]Johnes PJ， Heathwaite AL. Modeling the impact of landuse change on water quality in agricultural catchments[J].HydrologicalProcesses，1997，11： 269-286.

[12]Soranno PA， Hubler SL， Carpenter SR. Phosphorusloads to surfacewaters： Asimplemodel to account for spatial pattern of land use[J].Ecological Applications，1996，6：865-878.

[13] WorrallF， BurtTP. The impact of land use change onwater quality at the catchment scale： The use of export coefficient and structuralmodels[J].Journal of Hydrology，1999，221：75-90.

[14]Khadam IM， Kaluarachchi JJ. Water quality modelingunder hydrologic variability and parameteruncertainty usingerosion-scaled export coefficients[J].Journal of Hydrology，2006，330：354-367.

[15]李懷恩，莊永濤.預(yù)測(cè)非點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的輸出系數(shù)法研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（4）：755-761.

[16]蔡明，李懷恩，莊永濤，王清華.改進(jìn)的輸出系數(shù)法在流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，2004（7），40-45.

[17]丁曉雯，沈珍瑤，劉瑞民.長(zhǎng)江上游非點(diǎn)源氮素負(fù)荷時(shí)空變化特征研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（3）：836-841.

[18]李恒鵬，黃文鈺，楊桂山，等.太湖上游典型城鎮(zhèn)地表徑流面源污染特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（6）：1598-1602.

[19]李恒鵬，劉曉玫，黃文鈺.太湖流域浙西區(qū)不同土地類(lèi)型的面源污染產(chǎn)出[J].地理學(xué)報(bào)，2004，59（3）：401-408.

[20]李兆富，楊桂山，李恒鵬.西笤溪流域不同土地利用類(lèi)型營(yíng)養(yǎng)鹽輸出系數(shù)估算[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（1）：1-4.

[21]丁曉雯，劉瑞民，沈珍瑤.基于水文水質(zhì)資料的非點(diǎn)源輸出系數(shù)模型參數(shù)確定方法及其應(yīng)用[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，42（5）：534-538.

[22]梁濤，王紅萍，張秀梅，等.官?gòu)d水庫(kù)周邊不同土地利用方式下氮、磷非點(diǎn)源污染模擬研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：483-489.

[23]李慶召，王定勇，朱波.自然降雨條件下紫色土區(qū)磷素的非點(diǎn)源輸出規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（6）：1050-1052.

[24]Omicron Associates.Nonpoint Pollution Source Model for Analysis and Planning（NPSMAP）-user mannul.Omicron Associates，Porland，OR，1990.

[25]Haith D.A.，L.L. Shoemaker.Generalized watershed loading functions for stream flow nutrients.Water Resources Bulletin 107（EEI），1987：121-137.

[26]YoungR.A.，C.A.Onstad，D.D.Bosch，W.P.Anderson.AGNPS：Anonpoint-source pollution Model for evaluate-ngagriculture water sheds[J].Journal of Soiland Water Conservation，1989，44：168-173.

[27]阮曉紅.非點(diǎn)源污染負(fù)荷的水環(huán)境影響及其定量化方法研究[D].南京：河海大學(xué)，2002.

[28]陳欣，郭新波.采用AGNPS模型預(yù)測(cè)小流域磷素流失的分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16：（5）：44-47.

[29]趙剛，張?zhí)熘?，陳吉?用AGNPS模型對(duì)農(nóng)田侵蝕控制方案的模擬[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，42（5）：705-707.

[30]曹文志，洪華生，張玉珍，等.AGNPS在我國(guó)東南亞熱帶地區(qū)的檢驗(yàn)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（4）：537-540.

[31]Nix，J.S.1991.Applyingurbanrunoffmodels.Water environment and

technology，1991.

[32]Beasley，D.B.DistributedParameterhydrologicandwaterqualitymodeling.Agricullural Non Point SourcePollution：ModelSelection and Application.ed[J].Glorgini and F.Zingales，1986：345-362.

[33]Arnold，J.G.J.R.Williams，A.D.Nicks，N.B.Sammons.SWRRB，abasinscalesimulation modelfor soil and waterresources managemenr.Texas A&M; Press，1989.

[34]任伯志，鄧仁健，李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港區(qū)的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2006（4）：41-44.

[35]邢可霞，郭懷成，孫延楓，等.基于HSPF模型的滇池流域非點(diǎn)源污染模擬[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2004（2）：229-232.

[36]王船海，王娟，程文輝，等.平原區(qū)產(chǎn)匯流模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（6）：627-632.

[37]黃新會(huì)，王占禮，牛振華.水文過(guò)程及模型研究主要進(jìn)展[J].水土保持研究，2004，11（4）：105-108.

[38]安禹，竇孝鵬.單元坡面匯流過(guò)程研究[J].吉林水利，2007（9），16-19.

[39]楊建英，趙廷寧，孫保平，等.運(yùn)動(dòng)波理論及其在黃土坡面徑流過(guò)程模擬中的應(yīng)用[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，15（1）：1-11.

[40]Zhang Wanehang，Katsuro Ogawa，YeBe sheng，et al.A monthly sream flow ModelforestimatingthePotentialchanges of river runoff on the Projected global Warming[J].Hydrological Processes，2000，14：1851-1868.

[41]MarksS.W，LanceW.V.，DennisP.L.Adistributedhydrologyvegetationmodelfor complexterrain[J].Water Resources Res.1994，30（6）：1665-1679.

[42]PuttyM.R.Y.，PrasadR.UnderstandingrunoffProcessesusingawatershedmodel-acasestudyintheWestern GhatsinSouthIndia[J].J.of Hydrology，2000，228：215-227.

[43]王船海，王娟，程文輝，等.平原區(qū)產(chǎn)匯流模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35（6）：627-632.

[44]梁瑞駒，程文輝，蔡文祥，等.太湖流域水文數(shù)學(xué)模型[J].湖泊科學(xué)，1993（6），5（2），99-107.

[45]王娟.平原區(qū)產(chǎn)匯流模擬[D].南京：河海大學(xué)，2007.

[46]王鵬.基于數(shù)字流域系統(tǒng)的平原河網(wǎng)區(qū)非點(diǎn)源污染模型研究與應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[47]張榮保.典型平原河網(wǎng)地區(qū)污染負(fù)荷模型研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

[48]高建峰，于玲.五道溝地區(qū)“三水”轉(zhuǎn)化水文模型[J].地下水，1996（4）：168-171.

[49]王發(fā)信，宋家常.五道溝水文模型[J].水利水電技術(shù)，2001（10）：60-63.

[50]盧士強(qiáng)，徐祖信.平原河網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力模型及求解方法探討[J].水資源保護(hù)，2003（3）：5-9.

[51]張明亮.河流水動(dòng)力及水質(zhì)模型研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[52]李岳生.河網(wǎng)不恒定流隱式方程組稀疏矩陣解法[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1979（1）：21-26.

[53]張二駿，張東生，李挺.河網(wǎng)非恒定流的三級(jí)聯(lián)合解法[J].華東水利學(xué)院學(xué)報(bào)，1982，10（1）：1-13.

[54]吳壽紅.河網(wǎng)非恒定流四級(jí)解法[J].水利學(xué)報(bào)，1985（8）：42-50.

[55]Wu W M，Dalmo A.Vieira，Sam S，et al.One-dimensional numerical model for nonuniform sediment transport under unsteadyflows in channel networks[J].Journal of Hydraulic Engineering，2004，130（9）：914-923.

[56]侯玉，卓建民，鄭國(guó)權(quán).河網(wǎng)非恒定流汊點(diǎn)分組解法[J].水科學(xué)進(jìn)展，1999（3）：49-52.

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

[58]AKANAO， YEN B C. Diffusion wave flood routing in channel networks[J].J Hydr Div，ASCE，1981，107（7）：719-732.

[59]CHOI G W， MOLINAS A.Simultaneous solution algorithm for channel network modeling[J].Water Resour Res，1993，29（2）：321-328.

[60]JEFFCOATHH，JENNINGS M E.Computation of unsteady flows in the Alabama River[J].Water Resources Bulletin， 1987，23（2）：313-315.

[61]NQUYENQK，KAWANO H.Simultaneous solution for flood routing in channel networks[J].J Hydr Engrg，ASCE，1995，121（10）：744-750.

[62]計(jì)紅，韓龍喜.基于汊口分類(lèi)處理的平原河網(wǎng)水質(zhì)模擬方法[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2015，30（3）：344-348.

[63]謝永明.環(huán)境水質(zhì)模型概論[M].合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，1996.

[64]韓龍喜，陸冬.平原河網(wǎng)水流水質(zhì)數(shù)值模擬研究展望[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，3（2）：127-130.

[65]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(bào)，2001（10）：28-31.

[66]褚君達(dá)，徐惠慈.河網(wǎng)水質(zhì)模型及其數(shù)值模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1992（01）：16-22.

[67]褚君達(dá).河網(wǎng)對(duì)流輸移問(wèn)題的求解及應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，1994（10）：14-23.

[68]江濤，朱淑蘭，張強(qiáng)，等.潮汐河網(wǎng)閘泵聯(lián)合調(diào)度的水環(huán)境效應(yīng)數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2011（04）：388-395.

[69]徐貴泉，宋德蕃，黃士力，等.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(bào)，1996（01）：94-105.

[70]王道增，林衛(wèi)青.蘇州河綜合調(diào)水與水環(huán)境治理研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2005（05）：1-12.

[71]韓龍喜，蔣莉華，朱黨生.組合單元水質(zhì)模型中的邊界條件及污染源項(xiàng)反問(wèn)題[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，29（5）：23-26.

[72]韓龍喜.河網(wǎng)地區(qū)水力水質(zhì)特性的組合單元解法及反問(wèn)題研究[D].南京：河海大學(xué)，1998.

[73]金忠青，韓龍喜.一種新的河網(wǎng)水質(zhì)模型——組合單元水質(zhì)模型[J].水科學(xué)進(jìn)展，1998，9（1）：35-40.

（責(zé)編：張宏民）