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潮汐河网水质模拟研究展望

[摘要]:本文论述了河网地区水动力、水质模拟方法的发展过程及其在生产实践中的应用状况,提出了潮汐河网水质模拟存在的问题,并从理论与应用角度分析了潮汐河网水质模拟的发展趋势。
[关键词]:潮汐河网;水流;水质;数值模拟
中图分类号:      文献标志码:      论文编号:

Forecast of water quality numerical simulation for tidal river network
Xiefei   Libing  Wangxianghua
(Jiangsu Provincial Environmental Science Consulting Co., Ltd ,Nanjing 210000 china)
[Abstract]: This paper This paper discusses the development process of simulation of hydrodynamic and water quality in river network area and its application in production practice. tidal river network simulation of the water quality issues are raised. the development trend of tidal river water quality simulation is analyzed in theory and application point of view.
[Key word]:Tidal river network; Water flow; Water quality; Numerical simulation.

1前言
二十一世纪的中国面临着洪涝灾害频繁、水资源短缺和生态环境恶化三大水问题,水污染则是中国面临的最主要的水环境问题之一,据水利部对全国700余条河流约10万公里河长开展的水资源质量评价结果,46.5%的河长受到污染(相当于N, V类);10.6%的河长严重污染(己超V类),水体己丧失使用价值。90%以上的城市水域污染严重。全国九大水系都已遭受到不同程度的污染,绝大多数己相当严重。面对水环境出现的种种问题,治理刻不容缓。研究潮汐地区河网水流的运动规律、水质变化规律是治理中的一个重要的组成部分[1]。
河网地区是人类生息繁衍的重要场所,是我国社会、经济、文化较发达的地区,同时又是河道众多、湖泊密布、地势较低,水流常受潮汐影响易于发生洪涝灾害及生态环境日益恶化、水质污染日益严重的地区。水环境质量严重恶化,已成为阻碍河网地区环境和经济可持续发展的一个重要问题。为了有效的控制和治理平原河网的水污染,必须加强平原河网水污染控制理论和技术的研究,而水质模拟方法的研究是其中的重要内容之一。水质模拟是定量描述污染物在水体中迁移转化规律的数值方法,是开展环境影响评价、环境规划、环境管理[]和水污染综合防治等各项工作的不可缺少的基础和前提。
潮汐河网与一般河流最显著的区别是受潮汐的影响,水位和流量随时间变化明显,河口一般是海水与淡水相互汇合和混合之处,它的水质不仅受来自上游河段污染物的影响,而且同时受到潮汐作用、风力作用和咸淡水密度差等作用影响,影响水流流向顺逆不定,可能出现水流同向或异向(相向或相背)等多种流态,各种污染物在河网内部来回震荡,水质呈复杂的动态变化。由于理论、技术及各种客观条件的制约,潮汐河网水质模拟尚未达到令人满意的精度。因此,对河网问题的研究一直是国内外环保工作者倾心研究的重要课题。
2潮汐河网数值模拟的研究进展
2.1河网水动力计算的研究进展
水质模拟是分析水质要素在水环境中所发生的各种物理、化学和生物的变化情况,它与水环境中的动力学因素如水的体积、流量、流速和水深密切相关。因此,水动力学计算是水质模拟的基础。
描述河网地区河道水流运动的基本方程组是Saint- Venant方程组,河网水力计算可归结为一维Saint- Venant方程组的求解问题。1953年Stoker[2]将完整的Saint- Venant方程组用于河流洪水计算以来,出现了大量的针对完整Saint- Venant方程组的数学模型。对于方程组求解,1971年Fread[3]提出关于五对角元的压缩存贮消元法,1975年,Cunge[4]提出了双追赶方法,1977年,我国学者李岳生等提出了河网非恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法[5]。但用这些方法计算,方程组规模仍然较大,其实际应用也受到限制,于是出现了组合单元解法和分级解法。“组合单元解法” [6]由法国水力学专家Jean A. Cunge于1975年首次提出。由于此方法对河道进行了简单概化,模拟精度受损,因此该方法仅适用于大尺度水环境规划,目前尚未被广泛应用于生产实践。分级解法的思想首先由荷兰水力学专家Dronkers于1976年提出,以后又有许多学者对此方法进行了进一步完善,相继提出了河网非恒定流的二级解法[7]、三级解法[8]、和四级解法[9]。为了进一步对圣维南方程组进行优化求解,国内外学者又提出了汊点分组解法[10],矩阵标识法[11],松弛迭代法[12]等。由于分级解法可以精确计算每一条河道的水流状况,理论也相对完善,所以成为目前河网水力模拟的主流方法,其中又以三级解法最为常用[13,14]。由于三级解法以单一河道为模拟对象,同时考虑了降雨等的影响,计算精度较高,可以满足水利、航运、环境保护等的需要。
2.2河网水质计算的研究进展
与河网水流模拟相似,按水质控制方程及河道概化方式,河网地区水质模拟方法可分为2类:第1类为常用的一维纵向分散方程求解法;第2类为组合单元法:(a)对每条河道的扩散质一维对流纵向分散方程进行有限差分离散,经消元计算得到各单一河道出流断面质量浓度与入流断面质量浓度间的线性关系;(b)在交叉口引入均匀混合假设——流出交叉口的断面质量浓度等于流入交叉口各断面质量浓度的平均值,导得以各交叉口节点质量浓度为未知变量的方程组,求解得各交叉口质量浓度;(c)返回单一河道计算各断面质量浓度。此方法被广泛应用于河网地区环境模拟和环境规划研究中,并已成为河网地区水质计算的主流方法。
研究水质模型有助于深入了解水体污染物迁移转化的机理,预测废水排入后天然水域的水质浓度场,确定河流的纳污能力,制定污染物的排放标准,编制水域污染控制规划与制定环境管理和水资源管理政策。因此,河流水质模型是近十几年来研究得比较广泛而且比较深入的课题,较多研究成果已成功的用于河流、流域的水质规划和管理。
Streeter和Phelps于1925年在Ohio河上第一次建立水质模型,对河流或河口生物化学需氧量和溶解氧BOD-DO进行一维水质模拟。Singh. H[15] 于1979年开发了一种稳态的、确定性的一维河网水质模型。1980年Couillard. D和Cluis. DA[16]建立了用于模拟污染负荷的河网水质模型,并将模型应用于Saint-Francois流域,得到流域内17个模拟点的最大氮、磷浓度。1983年,美国环境保护局发布WASP最原始的版本,之后WASP模型又经过几次修订发展到如今的WASP8。WASP水质模型系统,可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟。WASP提供了一个很灵活的模拟系统,在其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;目前,应用广泛的还有丹麦水动力研究所(DHI)开发的MIKE系列模型,美国Brigham Young大学计算机图形实验室开发的SMS地表水模型系统。
国内水质模型的研究虽然起步较晚,但也做了不少研究工作。1996年,河海大学开发了河网水量、水质统一的Hwqnow模型[17],并用于为改善上海浦东新区河网水环境而进行的调水方案研究中,取得了良好的效果。1998年,丁训静、姚琪等[18]将荷兰Delft水力研究所研制的Delwaq水质模型应用于太湖流域,进行了模型参数的率定、验证和灵敏度分析,得到了适合太湖流域平原河网的水质模型及参数,为太湖流域的水污染控制、管理及水质规划提供了决策依据。2002年,上海市科委组织对上海苏州河综合整治工程的数学模型进行了开发,使苏州河水系水动力水质模型的研究达到了前所未有的理论深度[19,20]。清华大学结合确定性模型与不确定性分析的优点,以不确定性分析为框架,结合圣维南方程及CSTR(Continuously Stirred Tank Reactor)模型[21],开发了一维动态环状河网水质模型,有效解决了环状河网水文条件复杂和监测数据稀缺的问题,并应用于温州市温瑞塘河流域综合整治规划中。
3潮汐河网水质模拟存在的问题
自1925年第一个水质模型问世以来,虽然水质模型的研究已经从单一组分转向多组分相互作用的综合模型开发上,但目前河网水质模拟的精度仍然偏低,现将影响因素归纳如下:
3.1水化学动力特性
目前,仍未完全清楚污染物在介质中的降解、迁移、转化过程,导致许多参数难以较为准确的度量和估值,参数的随机性和近似假设仍可能导致模拟较大地偏离真实情况。
3.2水流模拟
水环境中的动力学因素如水的体积、流量、流速和水深等与河流水质模拟密切相关,因此,水动力学计算是水质模拟的基础。水流数值模拟过程中所引入的误差(如方程离散、参数估值等),导致水质模拟结果也有所偏差。
3.3河道概化
大型复杂河网的计算必须对规模较小的河道进行概化处理。概化处理总的原则是:概化后的河道在不同水位下的流量、河道调蓄量与概化前相等。目前,在对河道进行概化时主要考虑了水流条件对概化的要求,而对水质要求未能全面考虑。因为,被概化的若干河道水环境质量、纳污量可能存在较大差异,它们被概化成一条河道后,无论是纳污量还是客水水质,都被平均化处理了,这种处理忽略了不同河道的水质差异,当被概化河道水质特征、纳污量悬殊较大时,模拟结果难以反映具体河道的实际情况。而且,由于被概化河道水质模拟的偏差,还会造成概化河道下游的模拟偏差。为了有效地避免因概化河道产生的误差,一方面应尽量减小被概化河道的数量;另一方面,在选择概化河道组合时,不但应满足水力要求,而且应尽量使得被概化河道的水环境功能、水质类别、水质状况等水环境特征相近。
3.4污染源强模拟
污染源源强是水质模拟的重要输入条件。点源由于排放口位置明确,故源强便于监测。研究资料表明,面源是河网地区产生水体富营养化的重要因素。由于面源污染物产生量和进入水体的过程较为复杂,其定量计算方法还不十分成熟。有关文献[22]研究了小流域面源污染负荷随降雨的产生过程,取得了一系列成果。但对于河网地区,由于产流过程及下垫面因素十分复杂,现今的水质模拟方法对面源进入污染河段的负荷量及时间分配过程做了很多简化。河海大学环境水利研究所[23]根据河道所包围的陆域面积的大小、陆域下垫面特征及生物量大小,采用生物量产污量当量法估算年总产生量,然后在年内按时间均匀分配,再以子河段长度为权重,分配到每个子河段。显然,该方法既没有考虑面源空间分布的不均匀性,也没有考虑时间分布的不均匀性。实际上,面源主要产生于降水期,特别是初期雨水污染物质量浓度很高,而在数值模拟时采取时间均匀概化,坦化了降水期面源源强。有关文献[24]在计算包围陆域各子河段受纳污染源源强时,考虑了陆域形状及面源空间分布的不均匀性,但对面源的时间分配仍采用均匀化处理方法,没有从根本上解决问题。
3.5交叉口水质模拟
目前较为合理的是陈阳宇提出得“象处理单一河道一样,对交叉口也进行控制体积的划分,然后将对流扩散方程在交叉口控制体积上积分,变量间插值分布采用Patankar提出的幂函数,得到交叉口的离散方程”。这种方法无需任何其他假定,既可考虑对流、扩散效应,还可考虑交叉口处的污染源和污染物降解。此方法已应用于广州南部供水工程选取最佳水点的实践中,但其合理性、精确性、可行性还有待进一步研究和完善。
虽然对交叉口的处理研究虽然已取得了很大进展,但仍不成熟,有待进一步完善。
3.6子河道复杂流态水质模拟
平原河网地区地势较低,河道纵横交错,受潮汐及闸、坝等水利工程设施的影响水流流向顺逆不定,各种污染物在河网内部来回震荡,水质呈复杂的动态变化。当模拟河道距离较长时,子河道内会出现顺流、逆流、相向流、相背流等多种流态。但目前,学术界少有关于考虑子河道相向流、相背流等多种水流流态的水质模拟方法的研究报道。
4河网水质模拟的发展趋势
4.1 模型不确定性的分析
由于水环境的复杂性,在利用非线性规划方法来建立水质模型过程中,不可能把所有影响因素都考虑进去,一般只把那些主要因素考虑进去而忽略那些次要因素。因此,不可避免地会给模型的结果产生不确定性,模型不确定性有模型参数的不确定性和模型解析的不确定性。克服这些不确定性对模型预测精度和可靠性的负面影响的研究,是今后相当长时期内水质模型研究的重点。
4.2 河流综合水质模型的完善
加强污染物机理和源强研究、提高参数估值的准确度、研究模型的不确定性及子河道多流态下(顺流、逆流、相向流和相背流)水质的模拟,将成为河流综合水质模型在今后发展中的一个重要方向。
4.3 河流水动力模拟的完善
水动力学计算是水质模拟的基础,一些性能优良的离散方法和高性能离散格式(如FVS格式、TVD格式、二阶松弛格式[25]等)在理论和工程应用上逐渐成熟,将它们合理移植到计算浅水动力学中必将为复杂河网的数值求解提供有用的借鉴和更为广阔的发展方向。合理的反应从而更准确的模拟水动力、水质要素,也依然是今后发展中的一个重要方向。
4.4 基于人工神经网络(ANNs)的水质模型的研究
随着科学技术的不断发展,计算机硬件及软件技术的突飞猛进,计算机必将在计算能力方面,人工智能模拟能力方面取得巨大的进步。因此,以之为基础的人工神经网络(ANNs)在水质模型方面的应用研究必将随着人工智能模拟的进步而取得蓬勃发展,而对此方面的研究相信会成为环境科学工作者的研究热点。
4.5 基于地理信息系统的研究
地理信息系统(Geographic Information System,简称为GIS)的概念1963年由Rogerf.Tomlinson提出,在20世纪80年代开始走向成熟。它以具有地理位置的空间数据为研究对象,以空间数据库为核心,采用空间分析和建模的方法,适时提供多种空间的和动态的资源与环境信息。近年来GIS已广泛应用于各领域,特别在水质模拟与管理规划方面发挥了重要作用[26,27]。由于江河流域水环境信息是具有空间特征的信息,通过应用GIS技术可使流域水环境信息从单一的表格、数据形式逐步转变为具有生动形象的图形、图象方式,并且以这些信息为基础还可完成对相关流域水环境的预测、规划,以及对某些重大水环境问题进行预警和防范。将GIS技术结合于水环境污染模拟、控制和决策也是水质模型今后重要的研究课题。
4.6 基于可视化技术和VR技术的研究
“可视化是将一种抽象符号转换为几何图形的计算方法,以便研究者能够观察其模拟与计算的过程和结果[28]”。可视化技术是在计算图形学的基础上发展的一门新兴学科,它融合了计算机图形技术、网络技术、视频技术、计算机辅助设计与交互技术等。由于可视化技术的优越性,目前国内外都积极将其引入到水质模拟和环境管理中[29,30]。
虚拟现实技术(VR)[31,32]是对计算机仿真与视觉技术的延伸,它自20世纪80年代后期兴起,可利用计算机技术生成逼真的三维视觉、听觉、触觉等感觉形式的虚拟世界。从某种意义上可以认为VR技术是一种高级可视化技术,它可以实现人机真正的交互。近年来,VR技术已组建成为一种重要的科研探索工具,利用这项工具可以将许多现实中还未开发或很难用实体模型表现出来的新概念、新计划、新科学模型可视化、动态化,为人们提供更逼真的视觉效果和模拟效果。目前VR技术也已开始在环境领域中应用[33]。随着VR技术的进一步发展和其应用的深化,对河流水质进行模拟并最终实现模拟结果的可视化、动态化、虚拟调度水质已经成为一项很有意义和挑战性的课题。因此如何将可视化技术和VR技术与水质模型相结合,从而实现结果的动态可视交互性必将成为今后水质模型的又一重要研究方向。
4.7 数值计算模型软件化
由于河网数值模拟需要设定许多参数,输入大量的原始资料以及生成大量的计算结果,将河网数值模拟的全过程开发为用户界面友好、通用性好的模型软件包,无疑可以大大简化数据录入和结果整理等繁杂的工作。一些国际知名的工程顾问公司和科研机构自20世纪60年代以来,就应用传统算法开发研制了好几代一维水流模拟软件系统(如MIKE11[34]等),而在国内,至今尚未见到有中国特色的、成熟通用的河网模型软件面世,但已经有一些科研机构和院校在尝试这方面的工作。


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论文发表 | 论文范文 | 0 | 2017/12/4 9:21:01 | 小张
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