二维水质模型及应用研究进展

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二维水质模型及应用研究进展

彭 琴，牟新利，张丽莹，李 军，李仁婷

（重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆 万州 404100）

摘 要：本文综述了二维水质模型及其应用，以及二维水质模拟研究进展，可看出它为评价、预测和选择污染控制方案及制定水质标准提供依据,是河流规划、管理、研究过程中的重要工具。 关键词：二维；水质模型；环境

基金资助：重庆市教委科学技术研究项目（编号：KJ091106）和重庆三峡学院大学生创新实验项目（编号：2008-10）

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，水环境问题越来越受到人们的关注和重视，水质模拟是预测评价水环境问题的重要手段之一。近几十年来，国内外许多学者已开展了大量的研究工作，针对所研究的问题的不同，提出许多水质模型。水质数学模型(简称水质模型)是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法，是水环境污染治理规划决策分析中不可缺少的重要工具。

1 二维水质模型 1.1 FESWMS

有限元表面水模型系统，模型最初是为美国联邦高速公路管理局开发的，用来模拟流经许多人工构筑物如堤坝、桥梁的河口和河流的水动力情况。现在由国地质调查局(USGS)支持和发布。王远航等应用FESWMS 二维水动力学数值模型，对温榆河机场南线高速公路段拟建桥墩壅水情况进行了模拟，探讨了高速公路桥对河道行洪安全的影响[1]。 1.2 MIKE21

本模型由丹麦水动力研究所(DHI)开发，是MIKE11的姐模型，属于平面二维自由表面流模型。丹麦水力研究所不断采用MIKE21作为研究手段，在应用中发展和改进该软件。20多年来，MIKE21在世界范围内大量工程应用经验的基础上持续发展起来，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能。模型可以提供多种水质变化过程，在全世界得到了广泛应用。Patrick Poulin 等运用MIKE21-NHD 模型预测了潮汐通量，通过不同时期盐沼出口截面评估了养分通量的变化[2]。王哲等应用Mike21软件对金仓湖七种不同设计方案的湖泊流场进行了模拟计算，选择合理设计方案对调水时金仓湖的水质变化规律进行预测和分析[3]。 1.3 RMA2/RMA4/SED-2D

本模型由美国资源管理协会开发，是被美国陆军工程兵团使用的TASB 模型系统的一部分，在SMS (the Surface water Modeling System)中执行。RMA2是有限元水动力模型，RMA4是能模拟最多6个用户定义组分传输的水质模型，SED-2D 是底泥传输模型。张伟等为了将合流制排放的污水中颗粒污染物沉积在特定区域，利用RMA2模型分析排放沟渠形态改造前后的流场变化，模拟结果看出通过修整和改造后沟渠内流速降低，有利于颗粒物沉降，改造方案切实可行[4]。 1.4 CE-QUAL-W2

本模型由美国陆军工程兵团开发。与大部分二维模型不同，该模型是横向平均的，即它只模拟纵向和垂向。模型可用来模拟湖泊和水库，尤其是相对狭长的湖泊和分层水库，模型的水质模拟效果极佳，该模型同时也适合模拟一些具有湖泊特性的河流。Liu 等应用CE-QUAL-W2模型模拟了水面高程和水温以及在水体的水质状况，得出减少20％和80％的磷负荷将分别提高富营养化的营养状态和减弱富营养化的水质，从而为减少水质富营养化提供

2010年 第3期 2010年3月

化学工程与装备

Chemical Engineering & Equipment

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了有利条件[5]。Gregory E.Norton等利用CE-QUAL-W2模型对速度河的河水温进行研究，为减少人为对水温的不利影响，应从上游着手，适当允许河岸植被的生长以提供遮荫，减少流宽度在低流量期，从而达到对速度河水温的有效管理[6]。

2 二维水质模拟研究

水环境数学模型是流域、区域水环境综合治理的重要技术工具。相对国外的水质模拟研究工作，国内起步较晚，主要针对水系、海湾、湖泊以及重点水利工程，国内在二维水质模拟研究方面已做了很多工作，研究也渐趋成熟，这些研究所取得的成就主要现在以下几个方面。

2.1 地理信息系统的融入和可视化研究

地理信息系统(GIS)支持下的水环境数学模型，能使数学模型的预测结果通过可视化形成较逼真地展示在水环境保护决策者和管理者的眼前，为环境标准和污染物排放标准的确定、不同治理方案的经济性和有效性进行比较等方面提供辅助决策依据。李宏伟[7]等以黄河某河段的硫化物污染为例展开研究，基于GIS技术和水环境数值模拟方程，研究污染物在水环境中的运移扩散规律，实现污染物扩散的可视化表达，探讨水环境污染监测的新方法和新途径，对于有效地进行污染治理具有重要实践意义。张俐[8]等以数字西江水质预警预报系统为研究背景，对西江干道进行了数字化、河道贴体网格生成，并以GIS数据为基础，进行一维恒定流方程组和二维水质模型计算，实现浓度场在GIS平台上的可视化。为水质的时空模拟和预测提供了一条新的途径，同时，也可以为水环境保护者在管理和决策时提供有利的支持。

2.2 污染物水环境行为的模拟和预测

何超兵[9]采用二维解析解对某河段25km长区域的COD浓度进行现状模拟。根据计算结果，能够明了的划出横向和纵向污染带，这对环境管理工作更有实际意义。Baolin Wang[10]等分别用一维和二维模型模拟各种不同覆盖面下沙滩表面的渗透情况，确定地下水的水位和渗漏量，并进行瞬态分析，以评估地下水位受建筑活动和气候条件的改变情况。为设计土壤覆盖系统以提高矿山尾矿的饱和度提供了有利的依据。

2.3 水质管理规划

赵艳艳[11]等运用二维水流水质数学模型，以流速分布均匀性、滞水区面积和置换率为判别标准对即将开挖的金山湖引水方案进行了优化，从水动力条件、引水效果和经济方面考虑，确定了金山湖最

终的引水方案，对金山湖的建设和水环境保护有着

十分重要的意义。V.Phogat[12]等运用二维水平衡模

型进行了实验测试渗流流量及土堤高的瞬态性和

稳态性，实验发现渗流流量和土堆高度随运河式床

的增加而增加。从而得出敞开的水渠应用于一个地

下含水层略显碱性的透水性地区的灌溉。

3 我国河流二维水质应用状况

我国水资源丰富，境内河流众多，很多学者应

用二维水质做出了相应的研究。如任照阳[13考虑到

三峡水库175m蓄水以后，水流速度减缓，水体的稀

释能力将显著下降，运用二维水质模型对污染带长

度的计算及预测，得出这是一种很好的保护水环境

的重要工具。吴其彰[14]利用二维水质模型，基于交

替方向法对模型进行离散求解，结合面向对象的MATLAB高级编程语言，编制了水质模型计算程

序，对淮河干流淮南段的污染物浓度场进行了数值

模拟；并利用MATLAB的图形可视化技术，对水质

模型数值模拟结果进行了图形化处理。经模型验

证，模拟结果与该段河流的实际水质监测结果基本

吻合。

因此，在河流等水体应加大二维水质的运用，

为我国水环境保护提供支持。

参考文献

[1] 王远航，杨淑慧，来海亮．温榆河机场南线高

速公路段桥墩壅水数值模型计算[J]．北京水

务，2007；(3)：37-39

[2] Patrick

Poulin，Émilien Pelletier，Vladimir G．Koutitonski and Urs Neumeier．Seasonal nutrient fluxes

variability of northern salt marshes：examples

from the lower St．Lawrence

Estuary[J]．Wetlands Ecology and Management，

2009；17(6)：655-673

[3] 王哲，刘凌，宋兰兰．Mike21在人工湖生态设

计中的应用[J]．水电能源科学，2008； 26(5)：

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[4] 张伟，李羊林．基于RMA2模型雨污排放沟渠

的水动力特性分析[J]．泰州职业技术学院学

报，2007；7(3)：6-8

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