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1、第24卷第2期重庆建筑大学学报Vol.24No.22002年4月JournalofChongqingJianzhuUniversityApr.2002·综述·文章编号:1006-7329(2002)02-0109-07水质模型及其应用研究进展X郭劲松,李胜海,龙腾锐(重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045)摘要:运用系统分析技术进行水污染控制系统的规划是现代水质管理的基础和依据,水质模型对整个规划过程起着至关重要的作用。较详细地综合评述了近年来国内外水质模型及其应用的研究进展,并评价了水质模型研究的发展
2、趋势,旨在促进相关研究的发展。关键词:水质模型;研究进展中图分类号:X321文献标识码:A水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述,它既是水环[1]境科学研究的内容之一,又是水环境研究的重要工具。它的研究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题。它的发展在很大程度上取决于污染物在水环境中的迁[2]移、转化和归宿研究的不断深入,以及数学手段在水环境研究中应用程度的不断提高。水质模型在理论上从最初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理论;在实际应用上,从最
3、初的城市排水工程设计发展到现在的污染物水环境过程模拟、水环境质量评价,污染物水环境行为预测,水生物污染暴露程度分析和水资源科学管理规划等水环境保护的各个方面;在研究方法上,从最初的解析解和浓度表达发展到现在的以人工神经网络模拟辅助解析、及与地理信息系统(GIS)相结合的数值解和逸度表达法。这些成果都极大地推动了水环境管理技术的现代化。1水质模型研究进展最早发展的水质模型是简单的氧平衡模型。1925年,美国的两位工程师Streeter和Phelps在对Ohio河流污染源及其对生活污水造成的可度量影响的研究中,提出了
4、氧平衡模型的最初形式。在该模型中,他们假定河流的自净过程中存在两个相反的过程,即有机污染物在水体中发生生物氧化反应,消耗水中溶解氧,其速率与水中有机污染物浓度成正比;同时大气中的氧不断地进入水体,其速率与水中的氧亏值成正比。在这两个相反过程的作用下,水中溶解态氧达到平衡。该模型最初被应用于城市排水工程的设计和简单水体自净作用的研究。[3]自水质模型在20世纪初诞生以来,其发展阶段有许多不同的分类方法。叶常明把水质模型的发展分成3个阶段,即简单的氧平衡模型阶段、形态模型阶段和多介质环境综合生态模型阶段。[2]而谢永
5、明把水质模型的发展分成5个阶段:1925～1960年为水质模型发展的第一阶段,这一阶段以Streeter—Phelps水质模型(S-P模型)为代表,后来科学家在其基础上成功地发展了BOD-DO耦合模型,并应用于水质预测等方面;1960～1965年,在S-P模型的基础上又有了新的发展,引进了空间变量、物理的、动力学系数,温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库(湖泊)模型,X收稿日期:2002-02-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(59778021);国家自然科学基金重点项目(59838300)作者简介:郭
6、劲松(1963-),男,四川射洪人,教授,主要从事水污染控制的理论与技术研究。110重庆建筑大学学报第24卷水库(湖泊)模型,同时考虑了空气和水表面的热交换,并将其用于比较复杂的系统;不连续的一维模型扩展到其他输入源和漏源是水质模型的第三阶段,1965～1970期间进行的研究,其他输入源和漏源包括氮化合物好氧(NOD)、光合作用、藻类的呼吸以及沉降、再悬浮等等,计算机的成功应用使水质数学模型的研究取得了突破性的进展;在1970～1975年期间,水质模型已发展成相互作用的线性化体系、生态水质模型的研究初见端倪,有限
7、元模型用于两维体系,有限差分技术应用于水质模型的计算;在最近的20多年中,科学家的注意力已逐渐地转移到改善模型的可靠性和评价能力的研究上。50年代开始,由于电子计算机技术的应用和水环境科学的发展,氧平衡数学模型有了较大发展,尤以O’connor和Dobbins的工作最为重要。他们在模型中考虑了氧化物和底泥的作用,从而在包括模型的参数和模型的求解技术方面都有了较大的发展。在此基础上,Grenney开发了美国环保局推荐使用的QUAL—Ⅱ水质模型,这是一种较为复杂的氧平衡生态模型,该模型已经被成功地广泛应用于河流水质预
8、测和水质管理规划中。形态模型是指表征污染物在不同状态和不同形态下水环境行为的模型。随着污染物水环境行为和水质标准制定工作研究的不断深入,传统的氧平衡数学模型已不能满足实际工作的需要,因此需要另一种模型———即形态模型来描述同一个污染物由于它在水环境中存在的状态和化学形态的不同而表现出的完全不同的环境行为和生态效应。80年代初,随着形态分析的发展,一些研究者开始了形态模型的
