潮汐平原河网水质模拟研究展望
谢飞 李冰 王向华
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：X12 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0204-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.121
Abstract： This paper discusses the development process of hydrodynamics and water quality in the river network and its application in production practice. The existing problems in the simulation of water quality in tidal river network are put forward. The water quality of tidal river network is analyzed from the view of theory and application Simulation of the development trend.
Key words： Tidal river network； Water flow； Water quality； Numerical simulation
人类得以生息繁衍非常重要的一个场所就是河网，这也是我国社会经济及文化都比较发达的区域。但是，对水质造成的污染也是最为严重的地区。随着水环境质量的恶化现象越来越严重，对河网地区的环境以及经济的持续性发展都造成了非常大的阻碍。
为了使平原河网的水污染得到有效的治理及改善，就一定要对平原河网水污染的控制理论以及技术深入进行研究，其中研究水质模拟的方法就是非常关键的一部分。
潮汐平原河网最显著特点就是受潮汐的影响，水位和流量随时间变化明显，潮汐平原河网的水质不但会受到上游河段的污染，并且潮汐的影响也会产生非常大的后果，从而影响到水流流向顺逆不定，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。
因为我国的理论以及技术等很多方面都存在不完善的地方，实际模拟潮汐平原河网的水质还不是特别满意。所以，对潮汐平原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。
1 潮汐河网数值模拟的研究进展
1.1 河网水动力计算的研究进展
水质模拟就是对水质要素在水环境中，所产生的不同物理、化学以及生物，实际的变化情况进行分析。相比较水环境当中的动力学因素来说，比如水的体积、流量还有水深有非常紧密的关系。所以，水质模拟最为基础的部分就是计算水动力学。
对河网地区的河道水流运动进行描述的方程组是Saint- Venant，河网水力计算可归结为一维Saint- Venant方程组的求解问题。在1953年的时候，Stoker就已经把完整的Saint- Venant方程组计算出来河流洪水，从此就慢慢制作了完整的Saint- Venant方程组的数学模型。对于方程组求解，在1971年由Fread提出关于五对角元的压缩存贮消元法。在1975年的时候，Cunge提出了双追赶方法。到了1977年，我国的李岳生专家就提出了河网非恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法。但是，采用该方法计算方程组的规模还是比较大，实际的应用效果也不是特别满意。这也慢慢研发出了组合单元解法还有分级解法。
其中“组合单元解法” 就是在1975年的时候，法国的水力学专家Jean A. Cunge首次提出。由于此方法对河道进行了简单概化，对精度受损进行模拟。所以，这一方法只能在大尺度的水环境规划中进行应用。现阶段在生产实践过程中还没有得到广泛应用。
在1976年的时候，由荷兰水力学的专家Dronkers首次提出了分级解法的思想，之后经过很多学者专家的深入研究优化，也逐渐提出了河网非恒定流的二级解法[1]、三级解法[2]、以及四级解法[3]。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[4]，矩阵标识法[5]，松弛迭代法[6]等。
由于分级解法能够对每一条河道的水流狀况精准的进行计算，并且理论方面相对较为完善。已经成了现阶段模拟河网水力最为常用的一种方法[7]。因为三级解法能够模拟单一的河道，并且可以对降雨等外界因素充分考虑，有非常高的计算精度，能够有效满足航运以及环境保护的需要。
1.2 河网水质计算的研究进展
水质模型是根据质量守恒原理，用数学的语言和方法描述参加水体中水质组分所发生的物理、化学、生物等方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型。对水质模型的研究，能够对水体污染物迁移转化的机理有充分的了解，从而对废水排入天然水域的水质浓度场进行准确的分析，进而对河流的纳污能力进行确定。充分考虑上述的因素，对污染物的排放标准进行设定，对水域污染控制规划以及对环境管理与水资源管理政策的制定有非常重要的作用。所以，模拟河流水质是近些年研究最为深入的话题之一。现阶段们已经有很多的研究成果，应用到了流域的水质规划及管理工作中。
Streeter和Phelps于1925年在Ohio河上第一次建立水质模型，模拟河流或者是河口生物化学需氧量以及溶解氧BOD-DO。在1979年的时候，Singh. H就研发除了一种稳态的、确定性的一维河网水质模型。到了1980年，Couillard. D与Cluis. DA等人搭建了污染负荷的河网水质模型，而且把这一模型也在Saint-Francois流域中进行了应用，从而获取了流域中的最大氮、磷的浓度。
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，能够准确模拟河流、湖泊、水库以及海岸的实际水质情况。WASP能够搭建模拟系统，从而准确反映出弥散、对流、点杂质负荷及边界的交换等随时间变化的实际过程。现阶段，应用范围比较大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，但是对这方面的研究也取得了非常大的成果。在1996年的时候，河南大学就已经研发出了Hwqnow模型[8]，在上海浦东新区河网水环境进行的调水方案中进行了应用，而且也取得了非常好的實践效果。
1998年，丁训静等人[9]，就把荷兰Delft水力研究研发的Delwaq水质模型在太湖流域进行了应用，分析了模型参数的率定以及灵敏度，从而最终确定了符合太湖流域平原河网的水质模型以及具体的参数，为太湖流域的水污染控制、管理及水质规划提供了重要的决策依据。2002年，上海市的科委组织就针对上海苏州河的综合整治工程开发了数学模型，使我国的水动力水质模型研究有了一定的深度[10]。
2 潮汐河网水质模拟存在的问题
2.1 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实际情况。
2.2 水动力模拟
水环境中的动力学因素与模拟的河流水质有非常紧密的关系。所以，也可以说计算水动力学是模拟水质的基础条件。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。另外，在概化河道的过程中，没有充分考虑到水流条件对概化的实际需求，而且也没有全方面的考虑水质的实际要求。进而致使被概化的河道水环境质量、纳污量有非常大的差异。
2.3 污染源强模拟
在对水质进行模拟的过程中，污染源源强是非常重要的一项输入条件。点源因为明确了排放口位置，就比较容易计算源强。但是，因为面源污染物的产生量以及实际进入水体的过程非常复杂，进行定量计算的方法还存在一定的偏差。目前采用的水质模拟方法，就是对面源进入污染河段的负荷量还有时间分配过程进行了简化，没有对面源空间分布的不均匀性充分考虑。
2.4 子河道复杂流态水质模拟
因为平原河网的地区地势相对较低，分布的河道非常复杂，受到潮汐及闸、坝等水利工程设施产生的影响，从而对水流流向顺逆不定造成一定程度的影响。污染物就会在河网内部出现反复震荡，导致水质的动态变化非常复杂。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文献。
3 河网水质模拟的发展趋势
3.1 模型不确定性的分析
因为水环境非常的复杂性，在建立水质模型的时候如果采用非线性规划方法进行实施，就无法将全部的影响因素充分考虑进去，只能够考虑主要的因素。所以，这就会使得模型的最终结果有很大的不确定性。而模型的不确定性的类型包括两大类：模型参数的不确定性以及模型解析的不确定性。想要使这些不确定性得以解决，就必须要对模型预测的精度以及可靠性深入进行研究，这也是未来研究水质模型非常重要的一项工作。
3.2 河流水动力模拟的完善
水动力学计算是水质模拟的基础，部分比较完善的离散方法以及高性能的离散格式已经广泛应用到了工程中。把上述的这些应用到浅水动力学的计算过程中，对复杂河网的数值求解有非常好的效果。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。
3.3 基于地理信息系统的研究
随着近几年GIS的快速发展，在很多领域都得到了应用。尤其是在水质模拟以及管理规划上起到了非常大的作用。因为江河流域的水环境信息特点之一就是空间信息，而采用GIS技术就能够使流域水环境信息，从单纯的数据表格形式转化成更加具有立体感、更加形象的图像方式。而且能够利用这些信息准确预测、规划相关流域的水环境，进而有效预防重大水环境的问题。在对水环境污染进行模拟、控制以及决策的过程中，应用GIS技术也是未来水质模型主要的研究内容。
3.4 基于可视化技术和VR技术的研究
在计算图形学中可视化技术属于比较新的一门学科，主要涵盖的内容有：计算机图形技术、网络技术、视频技术以及交互技术等。因为可视化技术有非常突出的优势，在现阶段国内外都有非常广泛的应用。随着近些年科技的快速发展，VR技术已经成了目前非常重要的一种探索工具。通过VR技术能够把现实中无法制作的模型，通过可视化、动态化的方式展现出来，为人们提供真实的视觉感受。随着VR技术的发展，目前已经在环境领域中得到了应用。而怎么才能够把可视化技术与VR技术在水质模型中有效进行应用，是未来主要的研究内容。
参考文献
[1]正凡.明渠非恒定流[M].武汉：武汉水利电力学院，1983.12.
[2]二骏.河网非恒定流的三级联合解法[J].华东水利学院学报.1982，（1）：1-12.
[3]吴寿红.河网非恒定流四级解算法[J].水利学报，1985，（8），42-50.
[4]李义天.河网非恒定流隐式方程组的汊点分组解法[J].水利学报，1997，（3）：49-57.
[5]李光炽，王船海.大型河网水流模拟的矩阵标识法[J].河海大学学报，1995，（1）：37-42.
[6]徐小明，张静怡，丁健.河网水力数值模拟的松弛迭代法及水位可视化显示[J].水文，2000，（6），1-3.
[7]韩龙喜，朱党生.河网地区水环境规划中的污染源控制方法[J].水利学报，2001，（10）：28-31.
[8]徐贵泉.感潮河网水量水质模型及其数值模拟[J].应用基础与工程科学学报，1996，4（1）：94-105.
[9]丁训静.姚琪等.太湖流域水质模拟研究[J].水资源保护，1998，（4）：10-62.
[10]廖振良.徐祖信等.苏州河干流水质模型的开发研究[J].上海环境科学，2002，21（3）：136-140.
收稿日期：2018-01-10
作者简介：谢飞（1982-），男，硕士，高级工程师，研究方向为环境规划与数值模拟研究。
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：X12 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0204-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.121
Abstract： This paper discusses the development process of hydrodynamics and water quality in the river network and its application in production practice. The existing problems in the simulation of water quality in tidal river network are put forward. The water quality of tidal river network is analyzed from the view of theory and application Simulation of the development trend.
Key words： Tidal river network； Water flow； Water quality； Numerical simulation
人类得以生息繁衍非常重要的一个场所就是河网，这也是我国社会经济及文化都比较发达的区域。但是，对水质造成的污染也是最为严重的地区。随着水环境质量的恶化现象越来越严重，对河网地区的环境以及经济的持续性发展都造成了非常大的阻碍。
为了使平原河网的水污染得到有效的治理及改善，就一定要对平原河网水污染的控制理论以及技术深入进行研究，其中研究水质模拟的方法就是非常关键的一部分。
潮汐平原河网最显著特点就是受潮汐的影响，水位和流量随时间变化明显，潮汐平原河网的水质不但会受到上游河段的污染，并且潮汐的影响也会产生非常大的后果，从而影响到水流流向顺逆不定，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。
因为我国的理论以及技术等很多方面都存在不完善的地方，实际模拟潮汐平原河网的水质还不是特别满意。所以，对潮汐平原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。
1 潮汐河网数值模拟的研究进展
1.1 河网水动力计算的研究进展
水质模拟就是对水质要素在水环境中，所产生的不同物理、化学以及生物，实际的变化情况进行分析。相比较水环境当中的动力学因素来说，比如水的体积、流量还有水深有非常紧密的关系。所以，水质模拟最为基础的部分就是计算水动力学。
对河网地区的河道水流运动进行描述的方程组是Saint- Venant，河网水力计算可归结为一维Saint- Venant方程组的求解问题。在1953年的时候，Stoker就已经把完整的Saint- Venant方程组计算出来河流洪水，从此就慢慢制作了完整的Saint- Venant方程组的数学模型。对于方程组求解，在1971年由Fread提出关于五对角元的压缩存贮消元法。在1975年的时候，Cunge提出了双追赶方法。到了1977年，我国的李岳生专家就提出了河网非恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法。但是，采用该方法计算方程组的规模还是比较大，实际的应用效果也不是特别满意。这也慢慢研发出了组合单元解法还有分级解法。
其中“组合单元解法” 就是在1975年的时候，法国的水力学专家Jean A. Cunge首次提出。由于此方法对河道进行了简单概化，对精度受损进行模拟。所以，这一方法只能在大尺度的水环境规划中进行应用。现阶段在生产实践过程中还没有得到广泛应用。
在1976年的时候，由荷兰水力学的专家Dronkers首次提出了分级解法的思想，之后经过很多学者专家的深入研究优化，也逐渐提出了河网非恒定流的二级解法[1]、三级解法[2]、以及四级解法[3]。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[4]，矩阵标识法[5]，松弛迭代法[6]等。
由于分级解法能够对每一条河道的水流狀况精准的进行计算，并且理论方面相对较为完善。已经成了现阶段模拟河网水力最为常用的一种方法[7]。因为三级解法能够模拟单一的河道，并且可以对降雨等外界因素充分考虑，有非常高的计算精度，能够有效满足航运以及环境保护的需要。
1.2 河网水质计算的研究进展
水质模型是根据质量守恒原理，用数学的语言和方法描述参加水体中水质组分所发生的物理、化学、生物等方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型。对水质模型的研究，能够对水体污染物迁移转化的机理有充分的了解，从而对废水排入天然水域的水质浓度场进行准确的分析，进而对河流的纳污能力进行确定。充分考虑上述的因素，对污染物的排放标准进行设定，对水域污染控制规划以及对环境管理与水资源管理政策的制定有非常重要的作用。所以，模拟河流水质是近些年研究最为深入的话题之一。现阶段们已经有很多的研究成果，应用到了流域的水质规划及管理工作中。
Streeter和Phelps于1925年在Ohio河上第一次建立水质模型，模拟河流或者是河口生物化学需氧量以及溶解氧BOD-DO。在1979年的时候，Singh. H就研发除了一种稳态的、确定性的一维河网水质模型。到了1980年，Couillard. D与Cluis. DA等人搭建了污染负荷的河网水质模型，而且把这一模型也在Saint-Francois流域中进行了应用，从而获取了流域中的最大氮、磷的浓度。
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，能够准确模拟河流、湖泊、水库以及海岸的实际水质情况。WASP能够搭建模拟系统，从而准确反映出弥散、对流、点杂质负荷及边界的交换等随时间变化的实际过程。现阶段，应用范围比较大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，但是对这方面的研究也取得了非常大的成果。在1996年的时候，河南大学就已经研发出了Hwqnow模型[8]，在上海浦东新区河网水环境进行的调水方案中进行了应用，而且也取得了非常好的實践效果。
1998年，丁训静等人[9]，就把荷兰Delft水力研究研发的Delwaq水质模型在太湖流域进行了应用，分析了模型参数的率定以及灵敏度，从而最终确定了符合太湖流域平原河网的水质模型以及具体的参数，为太湖流域的水污染控制、管理及水质规划提供了重要的决策依据。2002年，上海市的科委组织就针对上海苏州河的综合整治工程开发了数学模型，使我国的水动力水质模型研究有了一定的深度[10]。
2 潮汐河网水质模拟存在的问题
2.1 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实际情况。
2.2 水动力模拟
水环境中的动力学因素与模拟的河流水质有非常紧密的关系。所以，也可以说计算水动力学是模拟水质的基础条件。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。另外，在概化河道的过程中，没有充分考虑到水流条件对概化的实际需求，而且也没有全方面的考虑水质的实际要求。进而致使被概化的河道水环境质量、纳污量有非常大的差异。
2.3 污染源强模拟
在对水质进行模拟的过程中，污染源源强是非常重要的一项输入条件。点源因为明确了排放口位置，就比较容易计算源强。但是，因为面源污染物的产生量以及实际进入水体的过程非常复杂，进行定量计算的方法还存在一定的偏差。目前采用的水质模拟方法，就是对面源进入污染河段的负荷量还有时间分配过程进行了简化，没有对面源空间分布的不均匀性充分考虑。
2.4 子河道复杂流态水质模拟
因为平原河网的地区地势相对较低，分布的河道非常复杂，受到潮汐及闸、坝等水利工程设施产生的影响，从而对水流流向顺逆不定造成一定程度的影响。污染物就会在河网内部出现反复震荡，导致水质的动态变化非常复杂。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文献。
3 河网水质模拟的发展趋势
3.1 模型不确定性的分析
因为水环境非常的复杂性，在建立水质模型的时候如果采用非线性规划方法进行实施，就无法将全部的影响因素充分考虑进去，只能够考虑主要的因素。所以，这就会使得模型的最终结果有很大的不确定性。而模型的不确定性的类型包括两大类：模型参数的不确定性以及模型解析的不确定性。想要使这些不确定性得以解决，就必须要对模型预测的精度以及可靠性深入进行研究，这也是未来研究水质模型非常重要的一项工作。
3.2 河流水动力模拟的完善
水动力学计算是水质模拟的基础，部分比较完善的离散方法以及高性能的离散格式已经广泛应用到了工程中。把上述的这些应用到浅水动力学的计算过程中，对复杂河网的数值求解有非常好的效果。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。
3.3 基于地理信息系统的研究
随着近几年GIS的快速发展，在很多领域都得到了应用。尤其是在水质模拟以及管理规划上起到了非常大的作用。因为江河流域的水环境信息特点之一就是空间信息，而采用GIS技术就能够使流域水环境信息，从单纯的数据表格形式转化成更加具有立体感、更加形象的图像方式。而且能够利用这些信息准确预测、规划相关流域的水环境，进而有效预防重大水环境的问题。在对水环境污染进行模拟、控制以及决策的过程中，应用GIS技术也是未来水质模型主要的研究内容。
3.4 基于可视化技术和VR技术的研究
在计算图形学中可视化技术属于比较新的一门学科，主要涵盖的内容有：计算机图形技术、网络技术、视频技术以及交互技术等。因为可视化技术有非常突出的优势，在现阶段国内外都有非常广泛的应用。随着近些年科技的快速发展，VR技术已经成了目前非常重要的一种探索工具。通过VR技术能够把现实中无法制作的模型，通过可视化、动态化的方式展现出来，为人们提供真实的视觉感受。随着VR技术的发展，目前已经在环境领域中得到了应用。而怎么才能够把可视化技术与VR技术在水质模型中有效进行应用，是未来主要的研究内容。
参考文献
[1]正凡.明渠非恒定流[M].武汉：武汉水利电力学院，1983.12.
[2]二骏.河网非恒定流的三级联合解法[J].华东水利学院学报.1982，（1）：1-12.
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[4]李义天.河网非恒定流隐式方程组的汊点分组解法[J].水利学报，1997，（3）：49-57.
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[6]徐小明，张静怡，丁健.河网水力数值模拟的松弛迭代法及水位可视化显示[J].水文，2000，（6），1-3.
[7]韩龙喜，朱党生.河网地区水环境规划中的污染源控制方法[J].水利学报，2001，（10）：28-31.
[8]徐贵泉.感潮河网水量水质模型及其数值模拟[J].应用基础与工程科学学报，1996，4（1）：94-105.
[9]丁训静.姚琪等.太湖流域水质模拟研究[J].水资源保护，1998，（4）：10-62.
[10]廖振良.徐祖信等.苏州河干流水质模型的开发研究[J].上海环境科学，2002，21（3）：136-140.
收稿日期：2018-01-10
作者简介：谢飞（1982-），男，硕士，高级工程师，研究方向为环境规划与数值模拟研究。
