河流水质模型和水质评价

河流水质模型和水质评价方法

摘要：水资源开发利用与保护的重要任务是在对水资源质量全面合理评价的基础上根据不同供水目的，提供满足其用水水质要求的，具有一定水量保证的水源。水资源的合理开发与有效利用的前提就是对供水资源数量与质量建立合理模型和进行正确评价。

关键词：水质模型水质评价

水是一种特殊的资源，支撑着所有的生命。从当前和未来的社会经济发展趋势来看，我国水资源形势不容乐观，我们在过去的快速发展中对水资源的破坏相当严重。水资源短缺和污染等问题已经成为我国可持续发展的瓶颈，更是未来我国实现全面建设小康社会和实现现代化目标所面临的重大挑战之一。

水质型缺水问题突出，水资源、水环境的承载能力已不堪重负，多地出现了很突出的水资源污染导致的严重的环境问题。像太湖的富营养化导致的藻类大量繁殖破坏水体等都是水资源严重破坏，水质得不到有效保障，大自然给予我们的警告。为着力解决新时期水资源的开发、利用、保护和治理等重大问题，加强水资源科学管理，2002年3月国家发改委和水利部联合部署开展全国水资源综合规划编制工作。

下面提出几种水质模型和相关理论为基础，结合水资源规划的具体要求及相关标准，来阐述对河流水质评价的方法，为不同水域环境规划以及相关工程措施提供科学依据。

水质评价内容及指标

水质指标项目繁多，有上百种。可以分为物理的、化学的和生物学的三大类。

1.物理性水质指标有：

（1）感官物理形状指标，如温度、色度、臭和味、浑浊度、透明度等。

（2）其他物理性水质指标，如总固体、悬浮固体、可沉固体、电导率（电阻率）等、

2.化学性水质指标有：

（1）一般的化学性水质指标，如PH、监督、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总含盐量、一般有机物等。

（2）有毒的化学性水质指标，如各种重金属、氰化物、多环芳烃、卤代烃、各种农药等。（3）氧平衡指标，如溶解氧（DO）化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总需氧量（TOD）等。

3.生物学水质指标有：

一般包括细菌总数、总大肠菌数、各种病原细菌、病毒等。

水体水质现状评价指标的选择因评价对象不同而不同，主要原则是应根据水质监测情况以及水体所处地理条件等确定，具有代表性，能反映水体污染特性。对大中型河流，由于接纳污染物复杂，污染物负荷较高，易造成指标超标，因此可多选一些指标作为评价指标，对小河可适当减少一些评价指标，当然有足够监测资料，也可多选一些指标。在数据统计时，应该是经过统计检验且删除了离群值后的K个监测数据的平均值或考虑其均方差。

水环境质量评价方法现有主要为污染指数法、模糊评价法、灰色评价法、物元分析法、单因子评价法，水质综合评分法等。要综合各种方法的优劣做合适的评价方法。

水质模型特点与内容

水质模型：是一种数学模型，指水体含有物（包括化学物质、热、放射性物质、生物体）因

水动力和生物化学作用而发生物理的、化学的和生物的各种反应，形成错综复杂的迁移转化过程所做的数学描述和模拟。可以对污染物进入天然河流所产生的稀释、扩散、自净过程与规律进行评价、预测等。

以下各模型方案中主要分析水质模型及其建立而不详细阐述各组合模型的具体设计和实施。

1.基于GIS 的水质模型

传统的水质评价，通常只是通过一些诸如污染指数、超标倍数或指标等数字来表达水质状况，不能让人直接明了的了解水质污染现状。利用GIS 的图形化显示功能及水质站的空间特性，将水质评价结果与水质站的空间分布建立联系，进行空间统计分析，可以比较直观的表示水体水质污染情况。既描述有关地理特征，又反映不同时间水资源质与量的属性数据。

以往的水环境信息系统大都是环境管理系统（MIS ），没有和地理信息系统（GIS ）相结合，而利用GIS 建立水环境信息管理模型能很好的将空间地理数据进行信息化管理，从而快速、有效地处理大量复杂的水环境信息。对其进行空间跟踪、模拟、动态分析等，使人们能及时掌握水质现状，为改善环境提供保障，并且满足水资源保护与管理的需要。

主要内容：水质模型的建立 - GIS 的二次开发 - GIS 与水质分析模型的集成 - 建立数据库 - 建立系统管理模块 - 结果显示 - 水环境水质评价

水质模型的建立：

一维稳态模型：一种相对简单的模型，是河流、河口和湖泊遭受污染时，实际的断面浓度分布与断面浓度的平均值偏差不大时常采用的水污染预测模型，适用流速较小的小型河流，岸边排放的污染物能在较短时间到达对岸且与河水均匀混合。建立微分方程∂C ∂t +U ∂C ∂X =E ∂2C ∂X 2−KC

对其解析可得C =Q p C p +Q E C E

Q P +Q E exp⁡(−KX (t )86400U ) 二维稳态水质模型：当水利条件复杂多变、排污范围大的水体（如大型的河流、河口、海湾、浅湖等)，当排放到河流中的污染物在完成横向混合前这段过程，污染物在纵向和横向都存在浓度梯度，这时就需要采用二维水质模型对其进行描述。在河床形状较为规则、水量稳定的条件下，可采用二维稳态水质模型对其进行模拟，这样既可以满足计算精度的要求，又可大大简化计算过程。其具体形式

D x ∂2C ∂x 2+D y ∂2C ∂y 2−u x ∂C ∂x −u y ∂y ∂x

−KC =0 水质模型解为C (x,y )=u x h √4πD y x u x ⁄∑exp⁡[−u x (2nB−y )24D y x +∞n=−∞]}exp⁡[−K x

u x ] 水质模型的概化：对于一维模型，选择污染评价的河流，并显示河流上节点；根据河流流向确定起始点坐标，然后搜索下个节点记录坐标，依步长划分河段，依次遍历河流上的节点，直至最后一个节点，在河流分叉时，设置奇异点记录坐标重复上述步骤，依此概化另一支流。 对于二维模型，采用网格剖分，将空间离散化或将离散数据重新采样和内插，将水质模型与GIS 在空间坐标系统一起来。

在建立了水质模型后对GIS 进行二次开发，融合水质分析模型，建立GIS-水质评价模型。

2.河流综合水质模型-QUAL2E 模型

QUAL2E 综合水质模型是在QUAL-II 水质模型基础上，由美国环保局水质模型中心环境研究室开发的，用于河流的水质规划与管理。

QUAL2E 模型的基本方程是一个平流-弥散质量迁移和反应的偏微分方程，考虑了平流扩散、