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地表水水质模型概述

冯启申;朱琰;李彦伟

【摘要】近些年来,我国水环境问题日益凸显,借助水质模型对水污染问题进行研究,

并为相关管理和规划提供技术支持已经成为水环境研究的热点.本文阐述了地表水

水质模型的概念、发展以及分类,介绍了几种当前比较成熟的地表水水质模型,并对

地表水水质模型的未来发展做了展望.

【期刊名称】《安全与环境工程》

【年(卷),期】2010(017)002

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】地表水;水质模型;S-P模型

【作者】冯启申;朱琰;李彦伟

【作者单位】河海大学水文水资源学院,南京,210098;河海大学水文水资源学院,南

京,210098;河海大学水文水资源学院,南京,210098

【正文语种】中文

【中图分类】X143;P333

地表水水质模型［1］是描述各种污染物质在地表水体中混合和输运、在时间和空

间上的迁移转化规律以及各影响因素相互关系的数学方程，它是地表水环境污染治

理规划决策分析的重要工具和有效手段，在地表水质预测、水环境容量研究中起着

重要作用。地表水水质模型是一种数学描述，在其对地表水水质进行研究分析的过

程中涉及到许多物理、化学和生物过程，因而比较复杂，研究过程中需要根据需求

选择因子与研究方法，建立不同的模型。最近几十年来，各种地表水水质模型不断

涌现，发展日臻成熟，为地表水水质的研究工作提供了基础。随着人工神经网络技

术、3S技术以及虚拟技术等的不断发展以及与地表水水质模型的进一步结合，极

大地促进了地表水水质研究技术和水环境管理技术的发展，为水环境规划与管理工

作提供了强有力的技术保障和支持。

1.1地表水水质模型的发展

1925年，Streeter和Phelps建立了S-P模型，从此人们对地表水水质的研究开

始借助和发展地表水水质模型，到现在的80余年中，地表水水质模型的研究内容

与方法已经不断深化与完善。地表水水质模型的发展大体可分为如下3个阶段

［2］：

（1）第一阶段（20世纪20年代中期到70年代初期），是地表水水质模型发展

的初级阶段。此阶段开发并发展了比较简单的生物化学需氧（BOD）和溶解氧

（DO）的BOD-DO模型，对河流和河口的水质进行一维模拟。该阶段模型为简

单的氧平衡模型，主要集中于对氧平衡的研究，也涉及一些非耗氧物质，属于一维

稳态模型。

（2）第二阶段（20世纪70年代初期到80年代中期），是地表水水质模型的迅

速发展阶段。此阶段出现了对多维模拟、多介质模拟、动态模拟等的多种模型研究，

继续发展了BOD-DO模型的多维参数估值问题，还研究并发展了相互作用的非线

性系统水质模型，涉及到氮、磷等营养物质的循环系统以及浮游动植物系统等，在

空间上采用一维及二维方法进行模拟计算。

（3）第三阶段（20世纪80年代中期以后），是地表水水质模型研究的深化、完

善与广泛应用阶段。此阶段模型的可靠性和精确性有极大提高，研究的空间尺度发

展到了三维。该阶段模型主要呈现以下特点：考虑水质模型与面源模型的对接；模

型比较复杂，其中状态变量及组分数量大大增加，特别是针对重金属、有毒化合物

的研究；考虑了大气污染的影响，与地下水的水质水量有机结合，建立了综合水质

模型；人工神经网络、3S技术等多种新技术方法引入到地表水水质模型研究中。

1.2地表水水质模型的分类

地表水水质模型的分类标准比较多，大致如下［3，4］：

（1）按照水质组分的空间分布特性，可分为零维、一维、二维、三维水质模型。

零维水质模型又称均匀混合水质模型，它将整个计算单元看作是一个反应容器，处

于完全均匀的混合状态，此类模型主要用于对湖泊、水库等水体的水质模拟计算；

沿河流流动方向横向尺度远小于纵向尺度，只考虑纵向，此类模型是一维水质模型，

主要适用于中小河流的水质模拟计算；二维水质模型考虑纵向和横向尺度，主要应

用于宽浅河流的水质模拟计算；三维水质模型则考虑了横向、纵向、垂向三维空间

的变化，主要应用于排污口附近的水质模拟计算。但在应用水质模型时，应综合考

虑各种因素并着重考虑主要因素选取合适维数的水质模型，而并非一味的追求维数

的多寡。

（2）按照模型变量的多少，可分为单变量水质模型和多变量水质模型。简单的水

质模拟一般采用单一变量或是少数变量，随着变量的增加，模拟难度也会相应增加。

模型变量及其数目的选择，主要取决于模型应用的目的以及对于实际资料和实测数

据的拥有程度等。

（3）按照水质