水环境数学模型与人工湿地模拟

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1、水环境数学模型与人工湿地模拟摘要：水环境数学模型这种高效、经济、简便的模拟工具有了长足的发展，欧美国家开发出QUAL，MIKE，，FEFLOentp-Dobbins（1963、1964）在该模型基础上进行了改进[4-5]。水环境数学模型发展可分为三个阶段[6-8]，第一阶段（1925年-1980年），初级发展阶段，以受点源污染的河流水体本身为主要研究对象，将底泥作为外部输入，面源污染作为背景负荷，其核心是Streeter-Phelps模型，该阶段经历了从最初的一维BOD-DO双线性模型发展到三维多参数多线性及非线性的复杂模型。第二阶段（1980年-1995年），快速发展阶段，本阶段水

2、质参数数量增加，底泥进入模型内部，水动力模型被纳入多维模型系统，面源污染由流域模型进入初始输入。随着计算机技术的发展，数值计算在模型应用中发挥越来越重要的作用。第三阶段（1995年至今），深入发展阶段，模型考虑多介质因素，增加了大气污染模型，有毒污染物和营养物质成为重要负荷要素。人机交互、计算机图像学与可视化技术的运用为模型发展提供了更大的发展空间。水环境模型的发展趋势[6-7]主要呈现为：①从单一介质向多介质模型的发展，研究对象扩展到大气、土壤等多介质；②加入生态因子的多环境变量模型，水生食物链对水质作用的深入研究；③应用随机方法、模糊数学、灰色系统理论等方法的不确定性水质模型；④

3、地表水与地下水相互作用的综合模型；⑤更易于应用的水机交互功能强的工具模型；⑥水质模型与地理信息系统（GIS）结合以及与遗传算法、模拟退火算法、神经X络方法等人工智能的结合。1.2几种常用的水环境模拟程序1.2.1QUAL2K河流水质综合模型你可能会感兴趣：影响山东省海河流域水环境演变的成因分析水环境问题与城市可持续发展试论水环境治理基于ArcSDE的太湖流域水环境空间数据库构建研究对几类电厂取（排）水影响水环境问题的探讨探索与思考运用生态措施提升水环境质量免费(.mFFanwEN.)：环保论文收集或原创QUAL2K是由美国环保局（USEPA）开发并不断修订和增强的河流综合水质模型。是

4、一种一维稳态模型，适用于枝状河流模拟，沿程可有多个支流汇入和多个排污口，还可模拟河道水工建筑物对水质的影响。可同时模拟组合15种水质变量：BOD、DO、温度、叶绿素a、有机氮、氨氮、亚硝酸氮、硝氮、有机磷、溶解性磷、大肠杆菌、任意1种非常守恒物质、任意3种守恒物质[8-9]。国内戴凌全、李华等以新安江大坝附近河段为例讨论了该模型主要参数在实际应用中的确定方法[10]。1.2.2MIKE水动力与水质模型MIKE是丹麦DHI公司开发的水动力学与水质模型，MIKE11用于一维水动力、水质、富营养化和泥沙输移计算及洪水预报等，适用于河流湖库及灌溉渠等。MIKE21用于二维水动力学、水质、富营

5、养化、石油泄漏等计算，适用于河流、湖库、河口及海湾等。MIKE31用于三维水动力和水质模拟，适用于河流、湖库、河口、海洋等[11]。国内有用该模型进行汉江、太湖等水体富营养化的研究[12]。1.2.3S综合性模型SMS（SurfaceodelingSystem）是由美国BrighamYoung大学环境模型研究实验室开发的一个综合性模型。它包含一、二维有限单元模型、有限差分模型以及三维水动力学模型。可用来进行河流、河口、湖泊、海岸水动力和水质模拟。该软件集成了美国陆军工程兵团水道试验站和美国联邦公路管理局开发的多个计算模块，其中RMA2为二维水动力学模块；RAM4为二维水质模块；RMA

6、10为三维水动力和水质模块。在美国RMA2、RMA4和RMA10主要用于河口和河流的水动力和水质模拟。国内将该模型用于工程实践的有五里湖调水模拟[11]、黄河口水流数值模拟等。1.2.5FEFLOFFanwEN.)：环保论文收集或原创人工湿地是利用自然湿地生态过程的技术，是一种高度复杂的生态系统，其处理污水反应机理复杂多样，多种物理、化学、生物过程一并发生且相互作用，吸附、沉淀、絮凝、生物吸收、转化、移流、扩散等多种作用使污染物降解、转化。由于人工湿地系统的高度复杂性，使量化处理工艺形成数学模型变得非常困难，污水的各成分特性和变化过程很难精确描述；通过经验的方法建立的模型又存在缺乏长

7、期实验数据和重复使用效力不高等问题。因此，目前还未开发出较为精确的人工湿地污水处理模型[2,21-22]。长时间内，人工湿地数学模型处于不明确反应机理的黑箱和简单输移衰减模型阶段，主要是基于统计学原理、一级反应动力学及生态动力学理论来进行模拟[23]。几种典型的人工湿地去污模型包括衰减模型、一级动力学模型、零级动力学模型、Monod模型和生态动力学模型等[24-26]。孔令裕等分析比较了各种模型之间的关系，给出了各模型微分议程的统一表达形式[26]。由于人