（水力学及河流动力学专业论文）引滦入津工程黎河段水质模拟预测研究.pdf

中文摘要 水质模拟和预测是顺利实现水环境规划管理、水污染治理等任务不可缺少的 基础工作。机理性水质模型考虑了影响水质变化的机理，模拟预测效果较理想， 但往往较复杂并需要大量基础资料与数据：非机理性水质模型因其针对某一特定 的水质系统，通过数学统计或其他数学方法建立模型，也常可以取得较好的模拟 预测效果。 本文针对引滦入津工程中的黎河段河道水流水质和地形特点，分别建立了机 理性水质模型和非机理性水质模型，即从隧洞出口处到果河桥的垂向二维机理性 水质模型和前毛庄断面氨氮与氯化物的b p 网络非线性时间序列水质模型，并且 利用这两个模型分别进行了水质的模拟和预测。 垂向二维机理性水质模型的建立是以连续性方程、动量方程、自由表面方程、 状态方程和水质输运方程等微分方程为基础，采用有限差分法方程进行求解，从 而使模型达到水质模拟和预测的目的。模型建立之后应利用模型对建模区域内水 体的水动力参数和水质指标模拟，进行模型的验证和模型参数的识别，从而使模 型精度达到期望值。最后将模型的计算值与实测值比较，可以看出该模型能达到 水质的模拟和预测要求。 b p 网络非线性时间序列水质模型是一个黑箱模型。模型的建立是以神经网 络理论为基础，利用非线性时间序列神经网络建模法，采用b p 神经网络、l m 优化算法以及交互检验法对模型进行训练、检验和测试。当模型的期望精度满足 要求时，模型就可以对水质进行模拟和预测了。 通过对两个模型的计算值与实测值的比较，可以看出，在本研究区域内并利 用的研究资料相同的情况下，b p 网络非线性时间序列水质模型的精度优于垂向 。二维机理性水质模型。 关键词：水质模拟和预测；引滦入津工程黎河段；机理性水质模型：非机理 性水质模型；垂向二维机理性水质模型；b p 网络非线性时间序列水质模型 a bs t r a c t w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o ni st h ek e yf o u n d a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t a l m a n a g e m e n ta n dw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n g t h em e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e l st a k ea c c o u n to f t h ef a c t o r st h a th a v ei m p a c to nt h ec h a n g eo fw a t e rq u a l i t y , s ot h er e s u l t sa r eu s u a l l ys a t i s f a c t o r y b u tt h e yo f t e nr e q u i r eag r e a td e a lo fb a c k g r o u n di n f o r m a t i o na n da l w a y sc o m p l e x h o w e v e r , w a t e r q u a l i t ym o d e l sw i t h o u tc o n s i d e r i n gm e c h a n i s mo f t e na c q u i r es a t i s f a c t o r yr e s u l t sb e c a u s ei tw a s b u i l to na i m i n ga ts p e c i f i cw a t e rq u a l i t ys y s t e mb yu s i n gs t a t i s t i c a lm e t h o do ro t h e rm a t h e m a t i c a l m e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o no fl i l a cr i v e rs e c t i o ni nl u a n h e - x i a n j i nw a t e rd i v e r s i o n p r o j e c t ，t h i st h e s i sb u i l d su pam e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e la n dan o n m e c h a n i s mw a t e rq u a l i t y m o d e l ，i e t h et w o - d i m e n s i o n a lv e r t i c a lm e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e lf r o mt h eo u t l e to ft u n n e lt o g u oh e - q i a oa n dt h en o n l i n e rt i m es e r i e so fb pn e u r a ln e t w o r kw a t e rq u a l i t ym o d e la tq i a n m a o - z h u a u gc r o s ss e c t i o n t h et w o - d i m e n s i o n a lv e r t i c a lm e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e li sb u i l tb yu s i n gt h ec o n t i n u i t y e q u a t i o n ，t h em o m e n t u me q u a t i o n ，t h ef r e ew a t e rs u r f a c ee q u a t i o n ，t h ee q u a t i o no fs t a t ea n dw a t e r q u a l i t yt r a n s p o r te q u a t i o n t h e s ee q u a t i o n sa r es o l v e db yt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d t h i sm o d e l c a ns i m u l a t et h eh y d r o d y n a m i ce f f e c ta n dt h ea c t u a ls t a t eo fw a t e rq u a l i t y t h em o d e lm u s tn e e dt o b ev e r i f i e da n di t sp a r a m e t e r sm u s tn e e dt ob ei d e n t i f i e d , w h e nt h em o d e l sp r e d i c t i o ne x p e c t e d e r r o ri sa c c e p t e de v e n t u a l l y t h ec o m p a r i s o no ft h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sw i t hf i e l dd a t ao f h y d r o d y n a m i ca n dw a t e rq u a l i t ys h o w st h a tt h i sm o d e l c a l ls i m u l a t ea n dp r e d i c tt h ew a t e rq u a l i t yo f t h es t u d ya r e aw e l l t h en o n l i n e rt i m es e r i e so fb pn e u r a ln e t w o r kw a t e rq u a l i t ym o d e li sab l a c k - b o xm o d e l i ti s b a s e do nt h et h e o r yo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h em o d e li se s t a b l i s h e db yt h en o n l i n e rt i m e s e r i e sn e u r a ln e t w o r kf o r e c a s t i n gm e t h o d b pn e u r a ln e t w o r km o d e l ，t h el - ma l g o r i t h ma n dt h e t r i a la n de r r o rm e t h o di su s e dt ot r a i na n dt e s tt h en e t w o r k w h e nt h em o d e l sp r e d i c t i o ne x p e c t e d e r r o ri sa c c e p t e d ，t h em o d e lc a l ls i m u l a t ea n dp r e d i c tt h ew a t e rq u a l i t y c o m p a r e dt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so ft h e s et w om o d e l s ，w ec a i ls e et h a tt h en o n l i n e rt i m e s e r i e so fb pn e u r a ln e t w o r kw a t e rq u a l i t ym o d e li sm o r ea c c u r a t et h a nt h et w o - d i m e n s i o n a l v e r t i c a lm e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e la tt h i sr e s e a r c ha r e a ，w h e nt h es a m e r e a s e r c hd a t ai su s e d k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o n ，l i h er i v e rs e c t i o ni nl u a n h e t i a n j i n w a t e rd i v e r s i o np r o j c o t ，m e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e l ，n o n m e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e l ， t w o - d i m e n s i o n a lv e r t i c a lm e c h a n i s mw a t e rq u a l i t ym o d e l ，n o n l i n e rt i m es e r i e so fb pn e u r a l n e t w o r kw a t e rq u a l i t ym o d e l ： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：銮静怡 签字日期加p 年2 月2t ) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鎏垃可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毽搿i 台 签字目期：加年t 2 月沙e l 导师签名：烹 章 签字日期：h 碡年h 月日 1 1 研究背景 第一章绪论 水是人类和一切生物赖以生存的物质基础，也是人类文明发展不可缺少的自 然资源，虽然地球表面7 0 以上被水所覆盖，但真正可以开采利用的淡水资源不 到地球总储量的1 【i 】。随着经济的发展以及人1 2 1 的不断增长，全球可供人类利 用的水资源已日渐匾乏，然而每年排入水中的污水约有4 2 0 0 亿吨，这些污水可 以污染数倍乃至几十倍的水体从而使得水质不断恶化。现在水资源短缺和水环境 污染已成为一个世界性的问题。 虽然我国水资源总量居世界第六位，但人均水资源量只有2 5 0 0 m 3 ，仅为世 界人均占有量的1 4 ，列世界第8 8 位1 2 3 1 ，现已经被列为淡水资源严重短缺的国 家之一。位于渤海之滨的天津，人均水资源占有量仅为1 6 0 m 3 ，加上引滦水和入 境水，人均仅3 8 0 m 3 。2 0 0 0 年全市水资源总量为1 5 2 6 x 1 0 9 m 3 ，总用水量为 2 2 9 4 x 1 0 9 m 3 ( 含工业利用海水替代淡水) ，其中地表水水资源工程供水 1 4 4 1 x 1 0 9 m 3 ，( 引滦水6 1 2 x 1 0 8 m 3 ) ，开采地下水8 2 3 x 1 0 8 m 3 ，海水替代淡水 0 3 x 1 0 8 m 3 。城市工业用水5 3 4 x 1 0 8 1 3 3 3 ，城市生活用水5 2 2 x 1 0 8 m 3 ，城市总用水 为1 0 5 6 x 1 0 9 m 3 ；农村用水为1 2 0 8 x 1 0 9 m 3 。在城镇生活用水中，居民生活用水占 5 2 ，公共生活用水占4 8 。供用水缺1 2 1 达到7 7 2 x 1 0 8 m 3 ，扣除引滦水后缺1 2 1 更 是高达1 3 8 4 x1 0 9 m 3 【4 】。 在引滦入津工程通水后，1 9 8 3 年至2 0 0 5 年期间共向天津市供水1 6 9 x 1 0 9 m 3 ， 有的枯水年份供水甚至达到了1 0 3 1 0 9 m 3 ，引滦水已经成为天津市城市生活和工 业、港口用水的主要水源，被誉为天津市的“生命线”。但是由于引滦工程修建 时受时间和资金所限，采取了“先通后畅、逐步完善”的方针，如今随着工程运 行条件及周边环境的变化，引滦水质受到于桥水库周边环境及输水沿线的污染日 趋严重。因此天津市于2 0 0 2 年正式启动饮用水保护工程，旨在解决引滦通水后 日益严重的水污染问题。 在水质的保护和管理过程中，需要知道水质未来可能的变化趋势，特别是在 环境影响评价中，往往需要根据目前的水质状况、污染物的迁移特性以及今后可 能的污染源发生情况来预测水质的变化情况，以便采取必要措施，防患于未然。 因此，预测引滦沿线( 特别是于桥水库上游) 水质的变化趋势，对于引滦水的可 持续利用并且保护及保障天津市的淡水供应质量，都是非常重要的。 第一章绪论 本文针对引滦入津工程的实际情况，以于桥水库上游污染较为严重的黎河段 为例，分别建立了机理性水质模型和非机理性水质模型，力求能在已有的有限的 资料基础上获得一种对水质模拟和预测较为准确的方法，从而能在引滦全线建立 一个合理的水质模型，为引滦水质的管理提供支持。 1 2 水质模型研究现状综述 水质模拟可以分为定性模拟和定量模拟两种，目前主要采用数学模型、物理 模型与电模拟3 种方法进行水质定量模拟。对于流域面积较大的水体而言，采用 缩小比例的物理模型以及电模拟往往耗费较多的人力、物力、财力，同时因为方 法本身的局限性模拟效果并不理想。随着计算机技术的发展，数学模型可以被不 断完善从而达到较高的模拟精度并且不需要专业的实验仪器，因此被广泛采用。 水质数学模型主要分为机理性水质模型和非机理性水质模型。机理性水质模 型需要考虑物理、化学和生物过程对河道水体中污染物随时空迁移转化规律的影 响，往往能够较全面地描述水质变化。机理性水质模型是依据质量守恒和能量守 恒原理，通过流体力学中的连续性方程、运动方程、能量方程推导得出；如考虑 水质组分间的相互作用及其自身化学和生物作用的影响，可以得出更加全面、综 合的模型。非机理性水质模型是一种黑箱式方法，是针对某一特定的水质系统， 通过数学统计或其他数学方法建立模型，模拟预测效果也比较好。由于影响水 质的因素繁杂，机理性水质模型很难将这些因素都考虑进去，所以现在非机理性 水质模型也被广泛采用。现在常用的非机理性水质模型有数理统计模型、灰色模 型、人工神经网络模型、混沌理论法模型和自组织法模型等。 下面将对非机理性水质模型和机理性水质模型使用的理论方法进行一些分 析和介绍。 1 2 1 非机理性水质模型 1 2 1 1 数理统计法 数理统计预测方法可以分为两类：( 1 ) 单因素预测，它是根据已有水质数据 资料预测水质的变化趋势。因此水质资料信息的丰富、准确程度直接影响预测结 果的可靠性，预测方法主要有指数平滑法1 5 1 、时间序列分析法【6 】等。( 2 ) 多因素 综合性预测，它是从影响水质状况的诸多影响因子出发，通过建立水质与影响因 子之间的关系表达式，借助影响因子的变化来间接反映水质的变化趋势，如多元 线性回归【7 】- 【9 1 、逐步聚类分析、逐步回归分析等。 总的来说，回归分析技术预测效果相对较好，但也存在如计算量大、对“古 第一章绪论 老 数据与“新鲜”数据同等对待和只重视过去数据的拟合不注重外推性等缺陷。 由于涉及的因素多，所需的资料信息量大以及建模困难等原因，对水质多因素综 合预测难度较大。 1 2 1 2 灰色理论法 灰色理论预测实际上就是一种单因素趋势外推的预测方法【l l 】。其基本思想是 把己知现在和过去的、无明显规律的时间数据列( 原始数据列) 进行一系列加工， 得到有规律的时间数据列( 生成数据列) ，然后再用微分方程对生成数据序列进 行拟和，得到g m ( n ，h ) 灰色系统动态模型来进行中、长期预测。 , f 专统g m ( 1 ，1 ) 灰色模型构建如下：设原始数据x ( 0 ) = x ( ( 1 ) ，x ( o ( 2 ) ，x ( 0 ( n ) ) ， 对其进行一次累加求和得到新序列x ( 1 ) - x ( 1 ( 1 ) ，x 0 ( 2 ) ，x ( 1 ( ，其中 x ( 1 ( f ) = 石叩f ，则g m ( 1 ，1 ) 灰色模型结构见式( 1 1 ) 。 i f f i i d x ( 1 ) + 似( 1 ) ：b ( 1 1 ) 成 g m ( 1 ，1 ) 模型的灰微分方程见式( 1 2 ) 。 x o ( f ) + 舷1 ( f ) = 6 ，f = 2 , 3 ，n ( 1 2 ) 式( 1 - 2 ) 可以写成矩阵形式见( 1 - 3 ) 。 y n = b a ( 1 - 3 ) 其中：y l f 【x ( 2 ) ，x ( o ( 3 ) ，x ( o ( 】t ，a = 【a b t ，a 被称为辨识参数向量，a 和 b 分别为待辨别的常数。 b = 一z 1 ( 2 ) 一z 1 ( 3 ) 一z 1 ( ) ，且有z ( 1 1 产1 2 ( x ( 1 ( t ) + x ( 1 ( t + 1 ) ) ，t - = - i ，2 ，n 1 。 为了求得g m ( 1 ，1 ) 的离散响应方程， , b - 乘法进行处理，见式( 1 4 ) 。 a = ( b t b ) 1 b t y n 需对a 和b 进行参数识别，通常采用最 通过以上计算，可得g m ( 1 ，1 ) 的离散响应方程，见式( 1 5 ) 。 1 o + 1 ) = ( 曼o ( 1 ) 一b a ) e 一甜+ b a 最后可得对原始数据模拟的微分方程，见式( 1 6 ) 。 圣o ( f + 1 ) = 量1 ( f + 1 ) 一曼1 o ) ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) 第一章绪论 灰色动态模型g m ( n , h ) 就是对含n 个数据的序列建立h 个g m ( 1 ，1 ) 模型，然 后对每个g m ( 1 ，1 ) 模型求解预测值( f + 1 ) ，最后把h 个g m ( 1 ，1 ) 模型预测值的 算术平均值即为灰色动态模型g m ( n , h ) 的预测值。同时要不断考虑随时间相继进 入系统的扰动或驱动因素，随时将每一个新得到的数据加入已有数据序列，建立 新的g m ( 1 ，1 ) 模型，这样才能反映系统的当前特征。 目前，在水质预测方面，使用较多的是g m ( 1 ，1 ) 灰色模型【1 2 】【1 3 】。但理论和实 践都显示，只有在原始数据呈指数规律变化的情况下，灰色预测模型的预测精度 才是较高的；对于序列变化不呈指数规律的情形，预测可能会出现较大偏差。甚 至还有人对时序数列累加生成可以增强数列规律性的论点提出疑问。 尽管g m ( 1 ，1 ) 灰色模型还存在上述缺陷，但它对资料数据要求较少的优点， 驱使着人们不断改进和完善灰色建模理论和方澍1 4 1 ，以提高预测结果的可靠性。 文献 1 5 】基于灰色系统理论，提出了水质预测灰色幂级数曲线模型g p s m ( 1 ) ，并 对地表水c o d m 。指数进行了预测。结果表明，g p s m ( 1 ) 模型较g m ( 1 ，1 ) 模型具 有较好的拟合、预测精度。文献1 1 6 根据g m ( 1 ，1 ) 模型建模过程中，原始序列第 一个数据信息未被有效利用这一情况，又提出了灰色建模置零法则，以充分利用 样本信息。事实上，对于水质数据波动较大的情况，上述预测结果往往仍不够理 想。马尔科夫链理论适用于随机波动性较大的动态过程预测，这恰好可以弥补灰 色预测的不足，文献 1 7 】就将灰色系统理论与马尔科夫链原理相结合，建立河流 水质灰色马尔科夫预测模型。文献 1 8 贝j j 在构建g m ( 1 ，1 ) 模型前，先采用格拉布 斯方法对可能影响预测精度的异常数据进行判别和剔除。尽管灰色系统预测还存 在一定局限性，但它对实测资料信息要求较少的优点仍为人们所喜爱。 1 2 1 3 混沌理论法 河流水质系统是一个开放的、复杂的、非线性的巨大系统，同时也是一个动 态的和非平衡的复合系统【l9 1 。 影响水质的因素主要有物理、化学、水力学、生物学、气象学以及人类活动 等多方面的因素，在时间和空间上存在相当多的影响变量，是一个涉及多种影响 因子的复杂体系。 近年来，分形学、混沌理论的发展及其在环境领域的不断扩展和应用【2 0 1 1 2 1 1 ， 从总体上把握了系统的行为，为河流水质预测提供了新方法【2 2 】【2 3 】。文献 2 4 】基于 混沌理论和相空间重构思想，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系统转变为研究简单的单变量系统，研究复杂系统的 内在演化规律( 系统吸引子) ，并以混沌相空间模线性回归模型预测河流水质系 统的短期发展变化趋势。当然，这需要水质资料信息比较丰富才可能实现。虽然 第一章绪论 混沌理论在环境系统定量研究方面还处于起步、发展阶段，但可以预料，对于具 有混沌特性的水质时间序列预测，混沌理论将有着很好的应用前景。 1 2 1 4 人工神经网络法 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是对人脑神经网络构 建的理论化数学模型，是以模拟大脑神经网络结构和功能为基础而构建的信息处 理网络。人工神经网络是由大量简单元件相互连接而成的复杂网络系统，具有高 度的非线性，因而可以进行复杂的逻辑操作和非线性关系的实现等功能。当前， 利用人工神经网络对水质进行模拟是一个热点的研究问题。本文也利用了这种方 法建立非机理性水质模型，相关原理将在下文详细叙述。 1 2 2 机理性水质模型 机理性水质模型是描述水体( 河流和湖泊等) 的水质指标( b o d 和d o 等) ， 在其它因素( 物理、化学、生物等) 作用下随时间和空间变化关系的数学表达式。 污染物进入水体后，随水流迁移，在迁移过程中受到水力学、水文、物理、化学、 生物、生态、气候等因素影响。引起污染物的输移、混合、分解、稀释和降解。 机理性水质模型能够将这些互相制约因素的定量关系确定下来，对水质进行预 报。本文也建立了机理性水质模型，相关原理将在下文介绍。 此外，利用投影寻踪回归技术和自组织预测模型等进行水质预测的研究也有 报道。下面对上述两类水质模型所采用的5 种理论方法进行比较，见表1 1 。 表1 1 水质模型常用方法 第一章绪论 1 3 水质模型的应用 1 污染物在水环境中迁移的模拟和预测 水质模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的迁移。污染物在迁 移的过程中行为非常复杂，用模型的方法有助于了解污染物的运动规律，而且省 时，经济。国内外的学者在这方面做了很多工作，研究也较为成熟，目前较通用 的思路为：首先求解连续性方程和动量方程，得到流速场：然后求解水质方程， 得到污染物浓度场。对于求解水质方程，传统方法采用有限差分法和有限元法， 有限差分法对于曲线边界拟合不够理想，而有限元求解对流扩散方程会产生数值 振荡。目前较为理想的数值求解方法是有限体积法，它结合了差分法和有限元的 优点。 2 水质管理规划与评价 河流水质规划的基本课题是根据河流预定的基本功能所要求的水质及河流 的自净能力来确定允许排入河流的污染物量【2 5 1 。对于已经污染的河流来说，则 是如何削减各污染源的污染物排入量，以最低费用且在规定时间内使河流水质达 到预定目标。它是水质模型与系统工程结合，寻求最优解的过程。 在水质评价中，水质模型多用于对地表水质等级【2 6 】和温排水对水体环境富 营养化【2 7 】的环境评价。结合环境监测技术规范，以水质( 地面水) 监测的主要 项目为基础，对地表水的等级进行评价方法，主要方法有单项因子法和综合评价 法。温排水对于水体富营养化的评价主要分为两个阶段：首先根据动量方程、连 续性方程和温度方程求解流场和温度场，其次通过物质输运方程及各生化反应函 数，计算出叶绿素a 、总磷和总氮的浓度分布。 3 水环境容量计算 水环境容量为一定水体在规定的水环境目标下所能容纳的污染物最大负荷 或纳污能力，研究对象是水体的自净能力。实践中，环境容量是环境目标管理的 基本依据，是环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总量控制的关键参数； 河流的污染物总量控制，也是以河流的水环境容量为依据，把动态水质模型和线 性规划结合进行水环境容量计算，具有自动化程度高、精度高等特点。 4 水质预警预报 水质预警是指在一定范围内，对一定时期的水质状况进行分析、评价，对水 环境发生的影响变化进行监测、分析，并对其容量进行评价，通过生态环境状况 和人为行为的分析，对水质变化的发生和发展进行预测。确定水质的状况和水质 变化的趋势、速度以及达到某一变化限度的时间等，预报不正常状况的时空范围 和危害程度，按需要适时地给出变化或恶化的各种警戒信息及相应的综合性对 第一章绪论 策，即对已出现的问题提出解决措施，对未出现或即将出现的问题给出防范措施 及相应级别的警戒信剧2 引。 1 4 水质模型的局限性和前景 1 4 1 现有研究的局限性 局限性表现在：水质污染机理还有许多不清楚之处，很多过程还难以用数学 方法表达、模拟；建模时必须经过一定程度的概化，失真在所难免；建模的基础 是水质指标监测资料，资料数据的真实性、系统性、完整性直接影响模型精度， 尤其是外延预报精度；数学模型求解时方程的离散及边界条件的处理等问题；现 有研究多是针对某一研究对象特点建立模型，其模型的应用拓展性较差；海量数 据的分析、计算、查询与显示能力欠缺；模拟结果的可视化程度较差，缺乏交互 性等。 1 4 2 水质模拟的研究趋势 1 新模型的开发 应用新技术，加深对污染物扩散输移机理的认识，不断改进和完善已有模型， 并开发具有通用型式的、理论依据坚实可靠的、操作性较强的新型水质模型，同 时还要有友好的用户界面、易操作性及可灵活扩展的程序接口等特征。 目前国内与国外的研发差距，主要不在建立模型的方法上，而是在模型开发 的通用性和全面性，模型的界面、开发工具和操作平台以及建立模型所需要的资 料等方面。 2 非机理性水质模型的研究 在湖泊富营养化研究领域，人们对富营养化机理的认识还比较肤浅，致使富 营养化数学模拟还远未达到令人满意的程度。此外，由于外界因素随机变化，因 此用机理性水质模型的微分方程模拟会产生较大的误差，而非机理水质模型则克 服了机理性水质模型的缺点，取得了较满意的效果。目前非机理性水质模型主要 有：基于概率论及数理统计的随机方法、灰色理论法、模糊数学等等。 3 水质模型与“3 s ”和“v r ”的结合 “3 s ”指地理信息系统g i s 、遥感系统r s 、全球定位系统g p s ：“v r 指 虚拟现实。2 0 世纪8 0 年代以来，国内外学者已应用“3 s ”技术为水资源与水质 保护做了大量的工作，如应用彩红外投影、热红外及多光谱技术研究河湖水污染； 用多波段遥感影像研究一定水深的悬浮物和泥沙分布；用微波遥感进行河口近海 第一章绪论 水域盐度与温度研究；用卫星遥感技术估算水体叶绿素浓度；应用多谱段扫描仪 研究近海及河口初级生长率及赤潮等。“v r ”特有的沉浸、交互、想象( 简称“3 i ”) 可为研究者创造一个四维动态真实再现，人能沉浸其中，达到人机交互、反馈、 和谐的效果。同时由于互联网的发展，流域级水流水质生态模型将会朝着 w e b v r - 3 s 的方向发展。 4 多介质环境生态综合模型 多介质环境是指与大气、水体、土壤、生物等组成的总环境体系，其中水体 是核心。多介质环境模型可将不同环境单元内部的污染物变化过程与导致污染物 跨过介质边界的过程相联系，构成一个能描述在多介质环境中污染物转化和介质 间物质迁移的表达式。这将是今后水质研究的重要方向。 5 人工智能和水质模型的结合 目前，人工智能和水质模型的结合存在于两个方面：( 1 ) 利用遗传算法、模 拟退火算法进行参数识别；( 2 ) 利用神经网络进行水流水质预测。 遗传算法、模拟退火算法等新型随机非数值优化方法以及神经网络方法将为 水质模型参数识别提供了新途径。 6 地下水与地表水转换的水质模型 地下水与地表水的相互作用是自然界中普遍存在的一种自然现象。目前的水 质模拟中地下水与地表水基本上是独立的，彼此间的影响只作为一种边界条件来 体现。其实无论是从水量还是水质来说，地下水与地表水之间都存在着转化关系。 如何计算地下水与河水两者之间转化量是数值模拟模型的难点，如何更好地表示 两者之间的转化量、确定河流的边界条件以及考虑河流以线状或面状补给将是今 后研究的重点。 1 5 建立水质模型的一般方法 建立水质模型的一般方法如下： 环境现状调查( 水质、水文、污染源) 筛选需要模拟和预测的水质指标 建立水质模型模型参数识别和模型验证。 环境现状调查中包括水文、水质和污染源的调查，其中污染源的调查又分为 点污染源和面污染源的调查。 水质指标的选择包括常规水质指标和特征水质指标，前者能反映水域水质的 一般状况，后者能代表区域水质特点。 建立水质模型一般是根据所获得的水质研究区域的资料、所选择水质指标的 来源、水质组分随水体流动的输移和扩散以及相互之间影响等等来建立水质模 第一章绪论 型。选择模型的原则有：( 1 ) 所选模型能够模拟关心的水质指标；( 2 ) 所选模型 的输出满足研究问题的需要；( 3 ) 模型的参数和需要的输入数据能够获得。 参数识别和模型验证是一个多次循环反复的过程，只有经过多次率定和验 证，才能最终建立满足模拟和预测精度要求的模型。模型的参数识别是确定模型 中的各个参数，一些参数可以从参考资料中得到，一些参数可以通过采样和实验 测出，但还有相当一些参数需要靠经验去选择；模型验证是应用已经确定的模型 及其参数，对流域内的水体环境进行模拟，并与实际监测情况进行比较，检验模 型是否达到研究的精度要求。 1 6 研究内容和目标 1 研究内容 ( 1 ) 针对引滦入津工程黎河段水体污染物的特殊性，选取水质指标中的氨 氮和氯化物为研究对象，建立从隧洞出口处至果河桥的垂向二维机理性水质模 型。模型以连续性方程、动量方程、自由表面方程、状态方程和水质输运方程为 基础，采用有限差分法求解，并对该河道进行水动力和水质的模拟、验证和预测。 ( 2 ) 针对引滦入津工程黎河段前毛庄水质监测点丰水期、平水期、枯水期 水质指标中的氨氮和氯化物，利用非线性时间序列法和人工神经网络理论建立非 机理水质模型，即b p 网络非线性时间序列水质模型。模型采用b p 人工神经网 络、l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法及交互检验训练法对神经网络进行训练、检验和 测试，从而使模型满足预测精度的需求，实现水质预测。 2 目标 ( 1 ) 在相同资料和研究区域中，基于两种不同的方法建立机理性水质模型 和非机理性水质模型，对这两种模型的模拟和预测精度作比较，选择一种在现有 研究资料下较为理想的水质模型。 ( 2 ) 确定一个能够在引滦入津工程全线进行水质模拟预测且精度较高的模 型，从而为整个引滦入津工程的水质预测、评价、预警和管理提供支持。 1 7 本章小结 本章概述了水质模型的研究背景、研究现状和应用范围；分析了当前水质模 型的局限性和未来的发展趋势；介绍了建立水质模型的一般方法和本文的主要研 究内容和目标。 第二章机理性水质模型原理 2 1 机理性水质模型概述 机理性水质模型是描述水体中污染物随时空迁移转化规律的数学模型的总 称。它通过计算可以模拟水质在时空上的变化，为水资源管理和决策提供依据。 机理性水质是在分析水环境中所发生的物理、化学和生物现象的基础上，依据物 质质量、能量、动量守恒的基本原理，借助一些物理、生物和化学的实测资料确 定参数，利用数学方程建立的计算模型。机理性水质模型既模拟水动力状况也模 拟水质状况。水动力模拟考虑水体的流量、流速和水深；水质模拟考虑水体的质 量守恒方程和水中杂质的输移和变换方程。水动力模拟和水质模拟往往呈独立而 又相互联系的子模型。机理性水质模型的正确建立取决于对污染物在河流中迁移 转化机理过程的认识以及对这些过程的定量表达能力【2 9 】【3 0 1 。 自s t r e e t e r - p h e l p s 模型问世以来，人们已对河流、河1 3 、水库以及湖泊等水 体进行研究，建立了各种类型的水质模型3 1 】- 【3 4 】。但在2 0 世纪6 0 年代以前，有 关水质问题的研究多是从确定性角度出发的，所建立的水质模型也多为确定性模 型。6 0 年代后，人们开始着手研究水环境系统中的不确定性，并在污染物运移、 扩散规律的研究方面取得了丰硕成果，建立了各种类型的随机水质模型。如 t h a n d a r a m a n 和e w i n g 在河流水质模拟预测中，通过把d o b b i n s 方程的流速项处 理为随机变量，提出了随机水质微分方程【3 5 1 。该方程较为真实地反映了水质变化 是外在水文因素不确定性随机变化和水质自身确定性固有变化的统一。研究表 明，如果在微分方程中将水质指标处理成服从截头尾正态分布的随机变量，也能 够模拟实测水质的随机变化p 6 1 。l o u c k s 等【3 ，t a b i o s 等从水质指标、水动力参 数不确定性或水文因素不确定性角度，运用随机理论建立了随机水质模型。事实 上，后来的研究基本上都采用了类似的处理方式【3 8 】- 【加1 。 2 2 机理性水质模型的发展 从1 9 2 5 年开始，水质模型的形成和发展已经历了8 0 余年，大致可将其划分 以下几个阶段： 第一阶段( 1 9 2 5 年1 9 6 0 年) ：水质模型发展的基础阶段。在这一阶段中， 水质模型的研究处于最初时期，s t r e e t e r 和p h e l p s 共同研究并提出了第一个水质 第二章机理性水质模型原理 模型，随后发展了b o d d o 模型，并成功地运用到水质预测等方面。 第二阶段( 1 9 6 1 年- 1 9 6 5 年) ：随着计算机的应用以及对生物化学耗氧过程 认识的深入，除继续研究发展b o d d o 模型的多维参数估值问题外，水质模型 发展为六个线性系统，计算方法从一维发展到二维，除河流、河口问题外，开始 计算湖泊及海湾问题。 第三阶段( 1 9 7 0 年1 9 7 5 年) ：研究发展了互相作用的非线性系统。涉及到 营养物质磷、氮的循环系统，浮游植物和浮游动物系统，以及生物生长率同这些 营养物质、阳光、温度的关系，浮游植物和浮游动物生长率之间的关系。其相互 关系都是非线性的，一般只能用数值法求解，空间上用一维和二维的方法进行计 算。 第四阶段( 1 9 7 5 年以后) ：除继续研究第三阶段的食物链问题外，还发展 了多种相互作用的系统，涉及到与有毒物质的相互作用。空间尺度已经发展到三 维。随着模型的复杂化，要准确描述模型的性质是很困难的。某些模型中状态变 量的数目已大大增加，有2 0 个或更多状态变量的水质模型已不少见。目前对环 境的污染问题，已发展到将地面水、地下水的水质水量与大气污染相互结合，建 立综合模型的研究阶斟2 9 1 。 2 3 机理性水质模型的分类 面临为数众多的各种机理性水质模型，在进行水质模拟预测时，需要从模型 的内容和形式做出恰当的选择。一般说来，较复杂的模型可以较全面的反映客观 实际，但为了确定模型及其参数需要较多信息量。各种模型都有其推导的条件和 使用的要求。我们应当根据实际的需要，就模型的复杂程度、可能提供的信息和 人力、物力等几个方面的选择或建立。 1 根据水体类型分类 从水体类型来说，水质模型可分为：河流、河口( 受潮汐影响) 模型，湖泊、 水库模型，海湾模型等。一般河流和河口模型比较成熟而湖泊和海域的模型比较 复杂。 2 根据水质组分分类 根据水质组分来分，水质模型可以分为耗氧有机物耦合模型( b o d d o 模 型) ，无机盐和悬浮物等单一组分水质模型，难降解有机物水质模型，重金属迁 移转化水质模型，营养物质在水体中( 尤其是在湖泊中) 的非线性时变反映模型， 水温的相关模型和多重组分水质模型等。其中b o d d o 耦合水质模型能够较成 功地描述被有机物污染的河流水质变化。 第二章机理性水质模型原理 3 根据水质系统的状态分类 从水质系统的状态来说，水质模型可区分为稳态的和非稳态的，确定性的和 随机性的。 当水流运动要素和系统的输入都不随时间变化时，系统内物质也不随时间变 化，这种模型叫稳态模型；当水流为非恒定流动，不管输入是否随时间变化，系 统内物质随时间变化，这种模型叫动态模型。介于这两种模型之间的是当水流为 恒定流动，而输入随时间变化，从而系统内物质的量也随时间而变化，这种模型 则称准动态模型。 根据模型中的变量是否为随机变量可分为确定性水质模型和随机水质模型。 对于一组给定的输入条件( 如水力、水文、排污状况、河流水质现状等) ，由确 定性模型可以输出一组确定的对应值。而随机模型的输入是随机的，而且输入的 特性也是不可预计的，输入的随机性也导致解的不稳定和不唯一性。 目前绝大多数都采用确定性模型来模拟水质，此时对一组给定的输入条件， 模型的解仅有一个确定值。虽然有关数据本身均带有随机性，用概率水质模型来 表达更能反映实际，但由于随机模型的识别需要对各变量都以概率分布的数据来 定量，而不能用平均值，这是困难的。如果水质模型中的流量值采用频率统计值， 则该水质模型带有随机的特性。 4 根据污染物在水体中转化和迁移的过程分类 从污染物在水体中迁移和转化的过程来说，虽然在自然环境中平流和扩散都 起作用，但在某种条件下，其中一种过程可能起主导作用。从而可以区分为完全 混合型、平流型、平流扩散型三种水质模型类。从反应动力学来说，又可分为纯 迁移模型、迁移反应模型、纯反应模型及生态模型。当系统内的物质为不随时间 衰减的保守物质，它只随水流作机械运动，这种模型称为纯迁移模型；当系统内 物质为非保守物质，水体基本上静止，物质只有生化反应的模型称为纯反应模型； 当系统内的物质为非保守物质，水体处于运动状态，物质既有迁移又有生化反应 的模型称为迁移反应模型；生态模型则是包含有生物生长过程的模型，它不仅要 描述生物生长过程，还要描述水体的输移现象及其水质要素的变化。 5 根据水质模型空间维数分类 自然界的一切现象都是在三维空间里发生的，但在实际应用中，一维、二维 甚至零维的水质模型就己经足够，同时为了减少数学处理上的复杂性，通常在给 定的假设基础上对模型进行简化。例如在一般情况下，对一条中小河流的较长河 段，其横向和竖向的污染物浓度梯度可忽略，而采用只考虑纵向浓度变化的一维 模型来模拟河流水质。对大的水体( 如海湾、湖泊及大江) 以及水面之水底之间 的水质存在实际差别时，横向与竖向的污染物浓度梯度不可忽略，应采用二维或 第二章机理性水质模型原理 三维水质模型。对区域水质进行粗略估算，可采用零维水质模型。 2 4 常用机理性水质模型 2 4 1s t r e e t e r - p h e l p s ( b o d d o ) 模型体系 2 411s t r e e t e r - p h e l p s 模型 s t r e e t e r - p h e l p s 模型是最早的对一维稳态河流建立的水质模型，主