水质数学模型

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国内外水质数学模型的发展历程
水质模型的发展阶段
目前国内水质模型的研究由于起步比较晚,下面简单介绍一下国外的一些模 型在我国的应用以及根据模拟对象的特点我国研究人员开发的一些模型。 1.基于 HSPF模型的滇池流域非点源污染模拟模型系统 邢可霞，等人利用
HSPF模型并且通过对该模型参数的灵敏度分析和参数调整，利用滇池流域各入湖河流 1988，1989年的水质监测数据及相关统计资料，分别对该流域的水文、水质过程进行 了模拟。结果表明，SS是滇池流域非点源污染的首要污染物. 2.温瑞塘河河网水质模型邢可霞温瑞塘河是典型的江南河网，位于瓯江与飞云江之 间的温瑞平原，具有防洪、排涝、航运、工农业供水及景观等多种功能，并且曾经长期 作为温州市市区及诸多城镇的主要供水水源，通过水位、水质的数值模拟和 验证 表明， 由 MIKE11 所建立的数学模型基本能复演温瑞塘河河网水流及水质的运动情况，可以用 于设计条件下的河网水流水质预测与污水处理厂的设置、污水处理程度、截污工程的部 署、截污区域、截污量以及水体置换等工程措施改善河网水质的效果预测。 3.滇池生态系统动力学模型 最早是由刘玉生等建立的，将生态动力学模型与一维箱 模型以及二维水动力学模型结合。在考虑了滇池生态系统物种组成的变化的 基础之上 ，郑丙辉根据湖泊中优势藻种的构成比，加权出浮游植物总的生长率，对刘玉生等的模 型进行了改进，克服了以往模拟计算中把参数取为常数的缺陷，模拟的效果相对较好。 4.巢湖生态系统动力学模型开展得相对较早，屠清瑛对巢湖的富营养化进行了研究， 并建立了简单的生态模型。在评价巢湖的生态系统健康时，建立了包含营养物子模型、 浮游植物子模型、浮游动物子模型、鱼类子模型、碎屑子模型及沉积物子模型在内的生 态模型，共１１个状态变量，但子模型设计简单.
1.研究河段概化
2.一体化调配模型建立
2. 1 水量模型：以河段节点水力
联系和河道水流、转换、平衡为基 础，建立以网络技术为核心的水量 调配模型，模拟不同水资源分配策 略下的河流水资源系统响应。 2. 2 水质模型：以河道污染物迁 移、转化模拟为基础，以水功能区 水质达标为控制目标，建立以数值 模拟为核心的水质模型，模拟不同 水资源分配、污染物排放情景下的 河流环境效应。 2. 3 模型耦合与控制:采用分解、 协调、耦合和控制方法，将模型分 解为水量模型 M1 和水质模型 M2， 两模型间以数据传递方式建立实时 联系，实现过程的同步耦合。
1960-1965年 （发展阶段）
1970-1975年 （发展阶段）
最近30年中 （发展阶段）
随着改进的二维、三维河流、河口和湖泊（水库）模型的发展，水 力学和水质间的藕合越来越引起科学研究工作者的重视。目前，包 括各种变量的更综合的水质模型正在研究中，三维的和二维的水质 模型仍处于发展阶段。
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水量水质一体化调配模型框架与控制流程
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国内外水质数学模型的热点问题
黄河典型河段水质数学模型研究 结论
本研究针对黄河兰州至河口镇河段引( 退) 水点多、量大和过程复杂等特征，采用 概化手段将河段实体抽象简化为参数表达的概念性元素，并通过数学语言描述各类元素 之间水力联系，建立了河段水系统网络。采用分解、协调、耦合和控制方法，建立水量 水质一体化调配模型，通过水量模型与水质模型的数据实时传递实现水量水质的同步耦 合，通过断面下泄水量、河段分配水量以及水功能区水质的在线辨识控制实现过程反馈 、协调控制。 黄河水资源系统复杂，本案例仅对黄河兰州至河口镇河段进行了一体化调配研究 ，今后还需要将黄河干支流纳入调配系统。另外，本水质数学模型主要考虑河段缺水量 、断面生态环境需水满足程度、水质控制指标与目标水质指标的偏差 3 个目标，没有考 虑发电和泥沙控制，模型还需要进一步完善。
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水质数学模型的前景发展方向
背景介绍
纵观国内外水质模型的研究,不论是模型的空间维数,还是可以模拟的水质组分都达 到了一个很高的发展阶段。
多维模型软件应用成熟,水质模拟组分最多可达二三十个,不仅能对“非生命物质层”， 如:有机污染指标BOD、DO、泥沙、重金属、油类、悬浮颗粒物、有机有毒物质进行模拟, 还可以对诸如藻类、浮游生物、底栖动物等水生生物进行模拟;模型的应用范围也由单一 的湖泊、水库、河流向流域性综合水域发展;地理信息系统在模型中得到了广泛应用,但 综合性以及不确定性水质模型研究不足等诸多问题还有待进一步解决。综合考虑地表径 流、地下水流以及水生生态系统的水动力与水质模型系统以及水质模型不确定性的研究 在现在以及将来都将是国内外水质模型研究的重要方向。
1. 1 河段概况：黄河流域具有水
土资源分布不均衡的特征。兰州至 河口镇河段污染严重水量水质问题 突出。黄河上游建成龙羊峡、刘家 峡等大型水库，具备开展水量水质 一体化调度的基础条件。
1. 2 河段概化：将河段计算分、
主要工程节点、控制节点以及供用 耗排水等系统元素，采用概化的 “ 点”、 “线”元素表达，绘制描述流 域水力联系的系统网络节点图，并 以此作为模拟计算的基础。
将其用于比较复杂的系统。引进了空间变量、物理的、动力学系数。温度作为 状态变量也引入到一维河流和水库模型，水库（湖泊）模型同时考虑了空气河 水表面的热交换。水力学方程、平流扩散方程作为水质迁移过程的基本描述而 被用于水质模型。第一个简单的模型（一维的稳态模型）开始在水质管理中应 用。 生态水质模型的研究处于初级阶段，特别是初级生产率的动力学研究被发展了 ,其他较高水平的模型亦相继地被应用了。有限元模型用于两维体系，有限差 分技术亦应用于水质模型的计算，更高维数的模型不断地被发展，关键问题是 在进行水质模型研究中需要足够的数据。
国内外水质数学模型的发展历程
水质模型的发展阶段
1.WORRS模型系统（water Quality for River--Reservovir Systems）是 动 态 水
质 与 动 力 学 模 型 软 件 包。 包 括 模 型 HSP，WORRSQ和WORRSQ彼此相互连接 。HSP(河流水力学软件包在计算河川系统中不同时间和地点处的流量、流速和水深时 ，提供了包括利用输入水位流量关系、水文演进法等方法)和WORRSQ(模拟河网的水 流与水质状况的河流水质程序)和WQRRSR(用来评估水库中的物理参数、化学参数和 生物参数的垂向分层现象的水库水质程序)。
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水质数学模型(mathematical model of water
quality)
水质模型的发展历程
1925-1960年 （基础阶段）
水质模型的研究处于最初时期，Streeers和Phelps共同研究并提 出了第一个水质模型，后来科学家在其基础上成功地运用BOD-DO 模型于水质预测等方面。
应用
水质数学模型反映污染物排放与水体质量的定量关系，主要用于水体污染特性、水 体纳污容量的研究和水质预测。
分类 A
按研究的水 体，水质数学模 型分为:地表水(河 流、湖泊等百度文库水 质数学模型、地 下水水质数学模 型和海水水质数 学模型。
按选用的数学 工具，分为：确定性 模型（以数学物理方 程为主）、随机模型 （包括统计模型、规 划模型（以运筹学为 主要工具）、灰色模 型（以灰色系统理论 为主要工具）、模糊 模型（以模糊数学为 主要工具）等不同类 型。
国内 水模 型发 展概 括
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国内外水质数学模型的发展历程
世界上有代表性的水质模型软件汇总表
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国内外水质数学模型的热点问题
背景
我国的水质模型发展在1972年由官厅水库事件才引起了对水污染问题的重视.经过30 多年的努力,针对主要水系、海湾、湖泊以及重点水利工程，在①水动力与水质模型相接 合,模型空间维数与状态变量不断增加 ②数值计算方法的多样化③地理信息系统的融入 （GIS用于资源管理、环境监测、环境评价、灾害评估、区域流域环境规划等众多领域 .） ④对国外水质模型进行二次开发方面取得巨大进步。 然而经过80余年的努力,水质数学模型在基础研究和应用研究两个方面获得了极大 进展,但其发展和应用过程中还存在不少问题。
国外 水模 型发 展概 括
2.QUAL模型系统 美国环保局 (USEPA)于1970年推 出 ＱＵＡＬ－Ⅰ水质综合 模
型用于流入污水负荷对受纳河流的水质影响研究，也可用于非点源问题的研究。它既 可作为稳态模型也可作为时变的动态模型。 3.WMS模型系统 是一个综合的环境 水 力分析模 型，由美国国陆军工程兵团水道 实验站开发的可以用来：①使一个流域中子流域形象的绘出，计算每一个子流域的水 力和几何参数；②规定不能由计算机自动算出的水力参数；③运行其他的水力模型和 国家洪水频率方法；④查看水力模型的结果；⑤输入和输出地理信息系统（ＧＩＳ） 的数据。 4.CE-QUAL-RI模型系统 是美国陆军工程兵团水道实验站的模型.（这种模型主 要适用于湖泊和水库的水质预测）可以用来预测已知密度的水库取水时的垂向范围与 分布，以及给定流量时的水质分布。
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国内外水质数学模型的热点问题
黄河典型河段水质数学模型研究
补充：
以黄河兰州至河口镇河段 2020 水平年 为算例，开展典型河段水量水质的一体化调配 ，结果表明: 模型通过对河段取水量与断面下 泄流量的辨识，控制兰州至河口镇河段地表取 水量 166. 5 亿 m3、地表耗水量125. 2 亿 m3，较黄河 “87 方案”分配的地表水耗水指 标减少 6. 720 亿 m3，实现河段水量的优化 调配目标，满足河流断面下泄水量和控制流量 要求; 通过对水功能区水质的辨识，优化 COD 和氨氮入河量控减率分别为 50. 6% 和 65. 7% ，有效改善河段水功能区水质，满足水功 能区水质目标。
B
C
根据模型表达式 对应的空间结构 ，可以分为零维 （不含空间变量 ）、一维、二维 、三维及高维模 型。
D
根据模型表达 式是否含有时间变量 ，可以分为稳定模型 （不含时间变量）和 动态模型（含时间变 量，多用于描述水质 随时间变化的规律） 。按模型所考虑因素 的广泛性，可以分为 单因素（单变量）模 型和多因素（多变量 ）模型。
The mathematical model of water quality at home and abroad
环境工程 研1616班 叶菲 2160420139
目录Contents
1. 水质数学模型的简单介绍 2. 水质数学模型的发展历程 3. 水质数学模型的热点问题
4. 水质数学模型的发展前景
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水质数学模型(mathematical model of water
quality)
定义
描述水体中水质变化规律的数学表达式。它主要以物质守恒原理为基础，模拟污染 物质排入水体以后，水体的水质在物理、化学和生物化学等过程中的变化。
3.模型率定和验证
3. 1 模型参数:包括（1）水
量参数 （流量传播时间和流量 比重因子，由河段流量、流速 关系以及上下）（2）水质参数 其中方程式 表示为河段 污染物衰减系数由基础系数和影 响系数两部分组成:后者为q 因子 在 t 时刻对污染物 p 衰减的影响 系数及其变动量。 3. 2 率定和验证：1) 参数率定 以 2001—2007 年时段开展模型 主要参数的率定。( 2) 模型验证 以 2008—2010 年为验证时段， 对模型的可靠性进行验证。
水质污染图
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国内外水质数学模型的热点问题
定水质数学模型现存的问题
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国内外水质数学模型的热点问题
热点问题
当前环境问题已成为科学热点的问题,而21世纪面临的前瞻迫切性环境水质化学难题 已成为全球热点问题。现以黄河典型河段水量水质为对象开展水质数学模型研究进行调 配方案。