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关于地表径流水质模型的分析

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：杨旭颖

[导读] 摘要：地表径流水的污染控制是根据地表径流所流经地域的自然和社会的经济状况以及流经区域的国民经济发展的要求，按照国际标准、总量等地表流域污染控制的思路，实施“污水水质治理、污水资源化利用、径流流域生态保护，径流流域生态恢复”并重的策略。

        兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州７３００７０
        摘要：地表径流水的污染控制是根据地表径流所流经地域的自然和社会的经济状况以及流经区域的国民经济发展的要求，按照国际标准、总量等地表流域污染控制的思路，实施“污水水质治理、污水资源化利用、径流流域生态保护，径流流域生态恢复”并重的策略。本文以黄河流域为例分析地表径流水质模型，并着重研究兰州段黄河流域。
        关键词：水质模型；水质；黄河；地表径流
        Abstract：Surface runoff of water pollution control is based on surface runoff through the region's natural and social economic conditions and flows through the area on the development of the national economy，in accordance with international standards，such as total surface river pollution control，the implementation of "sewage water treatment，sewage recycle，runoff watershed ecological protection，runoff river ecological restoration" pay equal attention to strategy.This paper takes the Yellow River basin as an example to analyze the surface runoff water quality model and emphatically studies the Yellow River basin in Lanzhou section.
        Key words：water quality model；Water quality；The Yellow River；Surface runoff
        1.关于水质模型的简述
        1.1水质模型
        水质模型也可称作水质数学模型，是以数学描述来勘测水体水质的变化规律。水质模型可应用在预测水体的水质、对于水污染与自净的研究以及控制排污等方面，有多种类型[1-6]。
        水质模型建立的相关步骤：
        （1）整理和分析信息资料，为建模做准备。
        （2）根据准备的数据资料，选择其中恰当的模型变量，确认各变量之间的变化规律和变量之间的影响，列出反应关系的数学方程的最合适的结构形式来反映描述现象的基本特征。
        （3）在模型方程中包含一些需要用某些方式确定的参数值（室内实验、经验公式、数学方法等）。但确定参数时的数值带入模型后需能较好的重视观测数据。
        （4）水质模型生成后，需要对其结果进行验证，主要针对模型结构的有效性和语言能力。
        1.2水质模型的优点
        利用水质模型观察及评价水质的变化情况，有利于了解污染物在水中的扩散规律，掌握水环境中各类污染物的迁移规律，是水环境保护和治理的主要部分。天然水体都有一定程度的自净能力，但是这种能力是有一定限度的，当排污量超出了水体自净能力的范围就会使水质急剧恶化。为了将水体的自净能力发挥到最大，控制水体的污染，需要掌握水中污染物的变化规律。水环境模型就是对这一问题进行数值描述的方法。
        2.近几年地表径流的水质现状
        2.1流域污染日益严重
        近几年，随着我国的经济快速发展，含有化工等污染物的工业废水、生活污水等的排放以土壤渗透、大气的沉降以及地表径流等方式流入到水体中造成大量水环境的严重污染。
        环境的因素和质量是不断变化的，我们必须根据变化情况来选择治理办法和治理的重点方向来合理的安排控制污染的资源。技术是支撑水环境污染控制的基础，我国现在环境监管体系对于各个流域的管理需求考虑较少，缺乏整体流域的控制和综合管理，也缺少各流域之间协调互动。因此，我们急切需要来建立各流域之间的环境污染的管理和控制，建立完备的流域管理体系，协调各流域之间和流域内部的关系，提高整个水环境的管控能力。
        2.2黄河目前的状况
        一直以来，江河湖泊水不断受到各种污染事故的威胁。相对于突发性污染，人们对常规性污染的重视较多，对于突发性污染的研究、模拟及危害评价评估并未赋予足够的重视。突发性污染事故会带来巨大的经济损失，与此同时还给生态环境和水质安全造成严重的后果。
        黄河是中国的第二大河，从2011年中国环境的统计数据中得知，黄河流域的总供水量为392.3亿m³，地表供水约为262.6亿m³。随着我国的经济发展，黄河水的污染程度逐渐增高，导致工业成本也随之增高、农业生产造成损失最高33亿每年[7-10]。
        黄河水的污染使得黄河水的突发性事故时有发生。就黄河流域的突发性水污染事故进行风险评，对于黄河的水环境保护及治理有着理论和实践的支持。
        3.目前国内外水质模型的发展简述
        3.1水质模型的发展
        1925年，美国专家提出以河流中BOD和DO的增长降低的变化规律建立模型，是早期的水质模型。Phelps总结了模型并公布，即Streeter-Phelps（SP）水质模型。如今水质模型以在我们的实验中使用了80多年了。

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在中外专家的共同努力下形成了今天的水质模型体系，水质模型大致发展了三个阶段：
        （1）上世纪20年代-70年代，SP模型的问世，主要针对氧平衡的研究，并且只是关于DO和BOD的研究。在此之后的水质模型发展基本上是对SP的修正。如Thomas模型、Dobbins camp模型等。
        （2）上世纪70-80年代，水质模型研究快速进步，主要重心放在了非线性系模型。这个时期出现了一维、多为的动态模型；并加入考虑了N和P等营养物质的研究。对于温度等其他问题也有了研究。
        （3）上世纪80年代到现在，进入了模型的完善改良和应用阶段。出现了各类模型，如QUAL、MIKE、OTIS以及我们熟悉的WASP。并且有了水动力模型。
        3.2常见的河流水质模型简介
        （1）QUAL模型
        以QUAL-II模型为例，它是美国USEPA在1973年开发的河流水质模型。属于一维的为态模型，可以自由组合13种水质参数。
        （2）WASP模型
        WASP是美国USEPA开发的，适用于江河湖泊。使用一维水动力模型模拟多个底层和水体层。
        （3）MIKE模型
        MIKE是由DHI（丹麦）开发的，包括MIKE11、MIKE21、MIKE3以及MIKE SHE等，MIKE11为一维的动态模型，模拟滩涂、河口等。MIKE21是二维的动态模型，模拟海岸、湖泊等。MIKE3模拟三维。
        （4）OTIS模型
        OTIS是由USGS（美国）开发的（一维）。带有内部调蓄节点，痕迹金属是该模式的状态变量。不仅能模拟示踪剂，还能模拟河流相关的调蓄。
        （5）EFDC模型
        EFDC属于三维模型，可以模拟点源或非点源的污染物和有机物的变化等，适用于模拟藻类、COD、氨氮等22种水质浓度改变。
        3.3随机法水质模型
        随机法模拟不考虑水质变化的内在机理，但由于数据继续出的完善，并对特定的研究区域模拟效果相对较好，因此被大量运用。
        （1）灰色模型法
        灰色模型法在其关联和分析下对原始时间所存在的序列进行处理然后生成有相对较强规律性的数据序列。并通过确定微分方程模型预测发展趋势。有时会导致较大偏差。[11-12]
        （2）人工神经网络法
        它是近年来新型的技术。还有一些专家提出改进遗传算法、BP网络法以及模拟退火算法。国内有学者在预测水质时使用BP算法。
        （3）马尔科夫法
        它只需要近期的数据就可以预测未来的情况，不需要耗费大量时间精力来收集过多的历史数据资料。可以用与随机波动较大的过程预测，灰色预测则不可以。
        4.对未来水质模型发展的展望
        随着水质模型的进展以及地表径流河流流域的管理不断增加，将成为未来的研究方向之一。但由于水环境的复杂系统，用非线性的模型来建立水质模型是无法涉及到现实的一切不确定因素的，这就需要把握好研究的主次因素。克服研究的不确定性是提高准确精度的重要方面。并且在未来计算机数据模拟不断发展，将水质模型和地理信息情况结合也是未来的发展方向之一。
        参考文献：
        ［1］齐珺，孙长虹，史芫芫，et al.河流水质模型发展现状[C]// 中国环境科学学会学术年会.2011.齐珺
        ［2］曹芳芳.新安江流域水质污染负荷分析[D].2014.
        ［3］刘丹.环境污染责任保险条款研究——对境内保险公司相关条款的实证分析[D].北京大学，2010.
        ［4］吕垚.三峡水库香溪河上游流域污染物TMDL估算及分配研究[D].2015.
        ［5］吴秀丽.基于GIS的突发性环境污染事故应急监测方案自动生成系统研究[D].2010.
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        ［12］刘翔翔.基于水力模型的水质模拟研究[D].
        作者简介：
        杨旭颖女 1994年07月14日单位：兰州交通大学单位所在省市：甘肃省兰州市学历硕士。