城市环境水质模型综述

城市环境水质模型综述

蔡华钦，李光炽，刘铁锤（河海大学水文水资源学院，南京 210098）

摘要：在城市环境中，由于人类的生产生活的扩大化，导致城市水污染的来源变得多样化，污染性质也更为复杂化。在不同的城市地区、不同的季节，水质问题往往表现出不同的形式。针对城市水污染的特点，本文介绍了几种常用的水质模型，说明各类模型的主要原理以及应用范围和条件。同时，还引见了几类新技术新理论在水质模型中的应用，带给水质模型新的发展和前景。

关键词：水环境；城市；水质模型

中图分类号：X522

Summary of water quality model in urban environment

Cai Huaqin, Li Guangchi, Liu Tiechui

(College of Hydrology and Water Resources,Hohai University, NanJing 210098)

Abstract: In urban environment, due to the expansion of human production and life, the sources of water pollution are variety, and pollution nature is more complex. In different urban areas and different seasons, water quality problems often performance in different forms.For urban water pollution, this paper describes several common water quality models, and elaborates their main principles and the application conditions. At the same time,the paper also introductions several kinds of new technologies and new theories be used in water quality model,which bring new developments and prospects to water quality models.

Keywords:water environment; city; water quality model

0 引言

随着我国城市化进程不断地加快，环境已经成为制约城市建设和经济发展的一个重要因素[1]。尤其是城市水环境作为城市环境系统中的绿色生命线，已经遭到严重的破坏。城市水体的景观价值和水资源价值[2]都在严重下降，其生态环境效益和社会经济效益正在逐步降低。在城市的缺水问题中，除了资源性缺水外，很重要的一部分是水质性缺水[3]。对于南方丰水地区，基本不存在资源性缺水，但由于水环境的恶化，水质性缺水显得尤为突出。水质模型[4]就是针对城市的水污染问题，对其污染性质和污染程度进行观测、分析、研究和模拟而建立的，是描述污染物在水体中随时间和空间迁移和转化规律及影响因素相互关系的数学方程。因此水质模型不仅是河流水质预报、水污染负荷计算的基础，也是水污染治理工程设计、排放标准和水质管理规划制定的重要依据。

1 城市水质问题的特点

城市水体由于人类活动的影响，与天然水体不论是污染的性质、浓度，还是水体的自净能力，往往有很大的差异。因此根据城市水污染的特点，对城市水体的污染来源[5]进行归类显得尤为重要：一、由工厂或企业排放的工业废水，其主要特点是排放集中、浓度大，而且成分较为复杂，甚至带有毒性和放射性；二、由城市居民日常生活排放的生活污水，其主要特点是有机含量高、生化耗氧量低、易腐败，尤其是医院排放的污水，带有细菌和病毒，对水体危害极大；三、城市非点源污染，主要是指城市降雨将工业及机动车废气、大气粉尘、作者简介：蔡华钦，（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向：城市水务规划与管理

通信联系人：李光炽，（1957-），男，教授，主要研究方向：流域洪水模拟、工程水流模拟、水流传质输运模拟. E-mail: [email protected]

生活垃圾、建筑废料、地表的石油、杀虫剂等污染物淋洗、冲刷，汇入河道，这种径流污染成分复杂，含有重金属、有机物、无机物、细菌、腐烂食物等等，而且污染浓度和成分随季节、降雨的不同而变化。这些人工污染源有时还与自然污染源，如水土流失，河床冲淤等，共同作用，加剧了城市水环境质量的恶化。

各个城市由于所处地理位置、水体特性、工业发展程度和形式、生活水平和方式等各个方面都不同，城市水体的水质问题往往表现各异，污染的形式、浓度、组分都有差异，而且随季节和时间变化。因此，要有针对性的选择水质模型来解决不同城市的水质问题。 2 水质模型的应用

水质模型从1925年Streeter 和Phelps 共同提出第一个水质模型起，已经经历了近一百年。水质模型也从最初简单的研究氧平衡、一维、稳态模型，发展到了多介质环境、多维、动态的综合模型。随后水质模型还不断深化和完善，被广泛应用于水质模拟和预报，可靠性和评价能力也随之不断的提高[6-7]。

2.1 Streeter-Phelps模型及其修正式

Streeter-Phelps 模型[8]是由美国的两位工程师Streeter 和Phelps 在研究美国亥俄河的天然净化过程中建立的第一个河流污染的数学模式。其基本假定是：1、BOD 的降解符合一级动力学反应规律，即反应速率与剩余有机物的数量成正比；2、水体中溶解氧的减少只是由微生物的作用使BOD 衰减引起的，BOD 的反应速率与水体中溶解氧减少速率相应；3、复氧速率与水体中的氧亏量成正比。但是在实际应用中，Streeter-Phelps 模型暴露出某些局限性，为了弥补其不足，在其基础上又出现许多修正模型：

（1）Thomas 修正式：在Streeter-Phelps 模型的基础上，Thomas 修正式增加因沉淀、悬浮、吸附及再悬浮等过程引起的BOD 速率变化，并引入沉浮系数K3。

（2）Dobbins-Camp 修正式：考虑底泥释放作用和地表径流引起的BOD 变化以及底泥有机物降解、水生植物光合作用和呼吸作用等综合作用，在Thomas 修正式上增加一个常数项P-R 。

（3）O’Connor修正式：假定总的BOD 由碳化需氧和硝化需氧两部分组成，增加的LN 表示含氮BOD 降解速度常数。

在城市水体中，由于生活污水的排入使其有机物的含量往往很高。Streeter-Phelps 模型可以分析由于有机物污染导致的城市河流溶解氧的变化，推求其自净能力和环境容量，从而确定可排入河流的有机物最大限量以及最大氧亏点位置及时间，进而制定防护措施。但是当Streeter-Phelps 模型应用于重污染河流时，由于起始BOD 浓度大，计算溶解氧会出现负值，这是不合理的，这主要由于模型中BOD 的降解与溶解氧的浓度无关引起的[9]。针对这个问题，蔡建安等[10]利用复氧判别数（自净系数*氧亏值/BOD浓度）求解Streeter-Phelps 模型，完成BOD 衰减及DO 复氧过程的求解，有效弥补Streeter-Phelps 模型的不足。总体而言，Streeter-Phelps 模型在氧平衡一维模拟方面的应用已十分成熟，但是较难应用于复杂水环境下多种水质参数的模拟。

2.2 QUAL模型系列

QUAL 模型系列[11]最初完整模型是美国德克萨斯州水利发展部于1971年开发完成的QUAL-I 模型，随后不断发展完善推出QUAL-Ⅱ、QUAL2E 、QUAL2K 。其中QUAL-Ⅱ模型假设河流中物质的迁移方式主要是平移和弥散，并且只发生在河道的纵轴方向上。其基本

方程是平移弥散质量迁移方程，同时考虑水质组分间的相互作用以及组分外源对组分浓度的影响。它可以模拟13种水质成分，包括：BOD 、DO 、温度、藻类、叶绿素a 、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解磷、大肠杆菌、任选一种可降解物质、三种不可降解物质。模型可以稳态运行，也可以动态运行。动态运行可以研究河流因藻类的生长和呼吸作用所引起的溶解氧昼夜变化和污染事故或季节性与周期性排污对河流水质的影响。由于该模型实用性强、功能全、提供参数多、使用效果好，因此在国内被广泛应用于水质的模拟和预测： 吴燕华等[12]将QUAL2E 模型应用于北京排水河道通惠河中，模拟全程的BOD5和DO 的变化。张婷婷等[13]采用QUAL2Kw 模型对岷江流域乐山市中区段的NH3-N 进行模拟和预测，得出汇流后岷江NH3-N 的变化趋势，并与实测值进行比对。结果表明，该河段NH3-N 预测值与实测值具有很好的相关性，同时也证实了QUAL 模型系列的实用性及有效性。 QUAL 系列模型较Streeter-Phelps 模型，提供的水质参数较多，尤其是QUAL2E 、QUAL2K 中增加的PH 值、病原体等，能够更全面的模拟城市各类的水质问题，而且可以用来研究面源污染，适用于沿河有多条支流和多个排污口的情况，可用于计算为满足预定溶解氧水平所需要增加的稀释流量。但是QUAL 模型在水力学方面只限于描述流量不随时间变化时或者变化足够缓慢的情况下的水质情况。

2.3 WASP模型

WASP 模型是美国环保局提出的一个动态模型模拟体系，它基于质量守恒原理，在时空上追踪某种水质组分在水体中存在形态的变化。该模型包括两个独立的子程序：水动力学程序DYNHYD 和水质程序WASP 。模型的基本程序中反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边界的交换等随时间变化的过程。其中富营养化模型（EUTRO 采用POTOMAC 富营养模型的动力学结构）和有毒化学模型（TOXI 采用EXAMS 的动力学结构）分别模拟传统污染物和有毒物质的迁移转化规律。

WASP 模型能够用于城市环境污染决策系统中的分析和预测因自然以及人为污染造成的各种水质状况。它不仅可以用于城市中河流、湖泊、河口、海岸的水质模拟，也可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊河口三维不稳定流、常规污染物和有毒污染物在水中的迁移和转换规律。如WASP 在北京市内长河水质模拟、辽河干流水质改善和减排模拟、白洋淀水域富营养化问题、三峡水库香溪河库湾水环境容量计算 [14-17]等各方面的应用都取得了很好的效果，有效解决各类水质问题。而且WASP 模型具有良好的灵活性，能很好的与GIS 等其他技术耦合，进行二次开发使水质模拟达到更加完善的效果。

2.4 MIKE模型

MIKE 模型[18]由丹麦水动力研究所（DHI ）开发，能用于模拟河网、河口、湖泊、海湾等多种情况，它所包含的变量包括水温、细菌、氮、磷、DO 、BOD 、藻类、岩屑、底泥、金属以及用户自定义物质。MIKE 模型可以模拟研究多种水质变化过程，能处理各种不同类型的水动力条件，被广泛应用于世界多个地区。

MIKE 模型是一个很好的解决城市水资源、水环境的综合系统软件[19]。其中MIKE BASIN 可用于流域大范围水资源评估和管理，如在深圳市供水水源布局规划、江门市水资源配置、东江流域水资源配置模拟；MIKE NET用于地表水与地下水的联合情况；MIKE MOUSE 用于城市的排水系统；MIKE11可用于从陡峭的山区河流到平原感潮河口的各种垂向均匀流条件的一维动态模型，如在新广州站河槽改造及桥梁工程防洪影响、东莞市万江区

内河涌水动力改善规划、东江三角洲水环境综合模拟；MIKE21应用于二维河口和地表水体，在珠江河口二维潮流模拟、钦州某工业园热电厂温排水数值模拟、长江口的综合治理，杭州湾海流数值模拟、重庆市城市排污评价及上海太湖富营养化模型等。MIKE 模型能够比较全面的解决城市水环境各方面的问题，尤其是关于地表水和地下水联合方面。过去人们往往把地表水和地下水分开研究，没有考虑两者的相互影响关系，MIKE 模型这方面对于传统水质模型有所突破，可惜并没有被广泛的应用。

3 新技术的应用

3.1 人工神经网络在水质模型中的应用

人工神经网络（Artificial Neura Network简称ANN ）是20世纪80年代中后期发展起来的一个前沿领域。目前广泛应用的以多层感知为基础的误差反向传播前馈模型（BP 神经网络模型），具有并行处理、非线性、容错性、自适应和自学习的特点，在数据拟合与模拟中有很好的效果。由于人类活动的干预，城市水环境系统的产汇流特性、自净能力等都多少产生了一定的变化。因此在水质模型应用于城市水环境的模拟预测时，必须考虑这种人类影响而导致的不确定性变化。宋华兵等[20]在Streeter-Phelps 模型的基础上，将神经网络内嵌到水质模型中，构成一个具有学习功能的不确定性水质模型，可以从内部感知各种不确定性因素的变化。并将此模型应用于珠江的水质研究中，取得较好的结果。赵莹等[21]将BP 神经网络结合MATLAB 的GUI （Graphical User Interface）功能应用在于桥水库的水质预报，通过LM （Levenberg-Marquardt ）算法达到更快的收敛速度和更高的预测精度，模型能够高效的预报水库的水质变化。

3.2 水质模型与3S 技术结合

3S 技术（RS 、GPS 、GIS ）应用于水质模型时，能快速及时的得到各种对地观测的整体性动态资料，并进行分析和处理，因此可以获得实时、动态模拟水环境的效果。针对城市由降雨径流产生的非点源污染问题，GIS 对资料的获取和整理方面有很大的优势，利用其空间分析能力，把复杂多变的自然、社会变化及其过程以图像、图形的方式进行数字化处理。然后在空间和属性库中输入河道基本数据、污染源数据等信息，利用其空间数据库采集、管理、操作和分析的能力，可以得到以逼真的图像显示的水流水质变化的空间特征、统计特性和外来趋势等。张行南等[22]在地理信息系统平台上，研制了水质模拟软件系统，包括水质模型输入数据的处理，实时模型计算，及模拟结果的可视化输出。该系统缩短了建模周期，提高了模型运行的效率，界面及模拟结果表达美观，操作方便，在江苏省水环境容量信息管理系统中取得了较好的效果。

3.3 不确定性水质模型

传统的水质模型一般为确定性的，对于一组输入值模型只产生一组对应的输出。但是水环境充满着不确定性，变化情况十分复杂：水流变化本身就受气候、人类等各种因素的影响，污染物成分和数量也随之不断变化，而且人为建立的水质模型、输入的参数以及作为已知条件的数据都具有不确定性，不仅如此，在城市水环境中，人类活动对水环境的影响更甚于其他地区，城市排污的性质和排污量也更为复杂化和多样化，所以不确定性水质模型在城市方面的研究与应用也变得极为重要。不确定性的研究主要是随机性、模糊性和灰色性。其中随机数学在水质的模拟预报方面已取得很好的发展，但是在水质综合评价和水质规划方面模糊

数学较好，而灰色系统在各个方面都有应用[23-25]。有人就对几种不确定数学分析方法，如：模糊综合评价法、灰关联法和物元分析法等，从它们的适用范围、数学模型的建立、权重确定方式、评价结果可信度等各个方面进行了比较分析[26]。结果表明物元分析法在适用范围和评价结果可信度上均优于模糊综合评价法和灰关联法，而在水质评价上后两者有一定的可行性。吕辉等[27]应用不确定模糊线性规划模型，对合肥市南淝河进行水污染控制的不确定模糊规划的研究，得出各排放口治污系数和污水处理费用的区间优化解。

3.4 基于混沌理论的研究

混沌理论是20世纪80年代发展起来的科学，它主要的研究对象是一些确定性的非线性动态系统。混沌是指在确定性系统中由于内凛随机性而产生的一种外在的、复杂的、貌似无规则的运动，它介于确定性关系和随机关系之间，是对现有随机模式的推广。变尺度混沌-遗传算法[28]（MSCGA ）的收敛具有明显的分级特征，并且收敛的速度高于GA ，克服了GA 早熟收敛的问题。该算法可以应用于复杂河流水质模型参数的优化。混沌优化算法[29]可以有效地应用于求解估计河流水质参数的函数优化问题，而且具有较宽的应用范围。国内许多学者已经在致力于混沌理论的研究，并应用于城市水质问题。徐敏等[30-31]应用混沌理论、相空间重构思想和嵌入理论分析涟水流域溶解氧的时间序列，从总体上把握河流水质系统的复杂特征，把复杂的具有多重耦合关系的多变量的系统转变为简单的单变量系统，预测河流水质的短期发展变化趋势，对河流可持续利用和保护具有一定的参考价值。陆仁强[32]等针对我国近海水质呈现的复杂非线性特征，利用相空间的重构算法，提出一种新的完全基于环境监测数据的近海水质分析方法。同时也说明相空间重构技术能很好的揭示近海水质系统的混沌特性，避免机理性研究对基础条件的苛求。

4 总结与展望

水质模型能够对具体的城市水污染问题做出很好的模拟和预报，并且自身的理论不断完善，同时结合新技术和新理论使水质模型在解决实际问题时更为全面、方便。不同的水质模型自身原理和应用条件都不同，所以选择模型需要因地制宜，具体问题具体分析。相信在不久的将来，水质模型在水质超标风险评、地表水与地下水的耦合、污染物相互作用方面也将取得进一步的发展，更好的解决城市环境中的各种水质问题。

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