水环境重点

水体污染：当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后，其含量超过了水体的自然净化能力，使水体的水质和水体底质的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象，被称为水体污染。

地下水污染：主要是指由于人类活动引起的地下水化学成分、物理性质和生物学特性改变而使质量下降的现象。

污染治理；水环境系统：地下水污染< < －> > 地表水污染；地下水污染：滞后＋持久＋难以修复（一个污染场地平均3000 万美元）；地下水污染严重影响经济社会可持续发展。

中国水资源水环境研究与工程实践的中心问题：1. 水资源有效、安全利用2. 水环境、生态系统污染过程及其环境影响/ 风险评价3. 水污染优化控制/ 系统优化管理4. 水环境、生态系统修复===> 皆需定量评价===> 模拟方法( 尤其是对地下水环境系统)

9. 在环境保护中为什么必须全面系统地考虑整个水环境系统，包括地下水与地表水？

现有研究成果充分表明点源、非点源污染物完全可通过先污染地下水并在其中扩散、传递进而排泄到地表水体将其污染，从而导致环境生态破坏、降低地表水水质。在环境保护中为什么必须全面系统地考虑整个水环境系统，包括地下水与地表水？地表水与地下水是有着直接的联系，它们或者直接相通，由地下水补给地表水或地表水补给地下水，或地表水通过底层渗透或者裂隙进入地下水。在这些过程中，污染物以水为载体，在地下水与地表水之间进行迁移转化，地下水与地表水环境差异大，污染物在各自的迁移转化状况不同，但是它们同属于水环境系统，不应该被分割来分析。

7. 地下水污染的特征。

具有普遍性、时空可变性、系统性与影响的广泛性、复杂性（PCE/TCE/DDT）、滞后性（经过一定迁移）、持久性（消除影响需要时间长）、修复的艰难性(USA superfund sites: 平均3000 万美元)、定量评价的可行性与超前优化调控的必要性。{地下水污染对整个水环境及生态系统的影响至关重要。地下水污染的普遍性、系统性、复杂性、滞后性、持久性、修复的艰难性等特征决定其对经济社会可持续发展的影响极大。地下水污染环境风险定量评价可行、必要，超前优化调控意义重大（模拟手段）。地下水污染环境研究不是简单的几个学科交叉问题，而是许多学科复杂有机的整合。}

1.水环境科学与工程面临什么样的机遇与挑战？

中国水资源分布不均衡，水资源短缺；水环境污染严重；国策：走可持续发展之路，不走先污染后治理老路；水资源水环境问题严重影响社会经济可持续发展；法律法规不断健全与全面实施－－－谁污染谁负责治理；国家重视、严控，国家、地方、业主水环境保护投资力度不断加大－像８、９钟的太阳！；水资源可持续利用与水环境污染有效控制必需要“四化”；系统性强、问题复杂、多学科交叉技术、人才储备不足。

12.正确与全面理解水环境系统概念。

水环境：地球上分布的各种水体以及与其密切相连的诸环境要素，如河床、植被、土壤等；水环境主要由地表水环境与地下水环境两部分组成。

5. 简述水环境调查方法与研究内容。

1. Development of conceptual model:Geology, Hydrology, and Chemistry;发展概念模型:地质、水文、化学;

2. Unsaturated source zone characteristics不饱和源区域特征

3. Groundwater plum characteristics

4. Two-stage site investigation approach 两阶段现场调查方法

3说明达西公式在水环境定量评价中的应用意义。在达西定律中，渗透流速V 与水力梯度I 的一次方成正比，多次实验表明，只有雷诺数（Re）小于1 —10 之间某一数值的层流运动才服从达西定律，因此，只要确定公式中任意两个量就可以推导出第三个量。其工程意义：判断水库是否发生渗漏；库水位的极限高度；指导野外调查；

3. 从水环境评价与保护角度如何看待地下水渗透的滞缓性？

地下水渗透的缓滞性使得污染物在其中扩散缓慢，但是一旦地下水受到污染，那将很难修复。

4. 弱透水层的水环境意义是什么？

弱透水层对于其上层来说，意义不大，对其下层，承压水则时情况而定，在一般的供排水中它们所能提供的水量微不足道，似乎可以看作隔水层；但是，在发生越流时，由于驱动水流的水力梯度大且发生渗透的过水断面很大（等于弱透水层分布范围），因此，相邻含水层通过弱透水层交换的水量相当大，这时把它称作隔水层就不合适了。就是说，弱透水层对水及其污染物有一定的阻隔作用，其作用大小就要视水力梯度大小而定。

6. 阐述水环境模拟在环境、生态保护中的重要作用。

通过一定的方法，获得水环境系统中污染物时空变化的规律并进行量化，根据目前的水质状况，污染物迁移转化规律以及今后可能的污染源发生情况来预测今后水体质量的变化情况，为环境保护规划提供科学依据。另外，水环境模拟对地表水、地下水流量和流速进行定量预测，有利于水资源的利用与有效管理。

10.地下水污染物运移中的主要过程及其环境学意义？

地下水污染物迁移的主要过程包括平流、扩散、弥散、吸附、生物降解以及化学反应。平流、扩散和弥散过程使得污染物被稀释，同时扩大了受污染水体的区域。吸附过程使得污染物固定于介质中，加快或减缓污染物的迁移转化速率，有可能造成多年持续污染，生物降解以及化学反应减少污染物浓度，加快其转化。

12.简述地下水模型建立的几个主要环节。

一般数学模型；一般数值模型；实物调查与“系统”诊断及行为测试；野外到数学模型—系统参数、内外边界、初 ??野外到数学模型—系统参数、内外边界、初始条件；模型应用-计算—计算机实现、结果获得、结果展示，可靠性；模型应用-预报、优化调控；模型改进-再应用。

13.水文地质概念模型的正确性对建立可靠的水环境模型有何重要影响？

水文地质概念模型就是把所研究的地下水系统实际的边界性质、内部结构、水动力和水化学特征、相应参数的空间分布及补给排泄条件等概化为便于进行数值模拟或物理模拟的基本模式。而数值模拟的关键步骤之一便是野外到数学模型——系统参数、内外边界、初??野外到数学模型—系统参数、内外边界、初始条件；模型建立是以微分和/或偏微分方程为基础，若浓度、边界等初始条件都不正确，模型很可能就不准确。

14.为什么考虑应用综合（信息耦合/同化、方法集成等）的建模方法建立水环境模型？在不同时期，地下水流环境不同；如水量和水质的差异，以及地上地下水质水量的补给排泄差异。不同水流环境下进行模型校正和预测；这些不同条件下需要用一个模型解决，所以不同的信息源及条件需要进行耦合同化，模型建立涉及多学科多方法，如数据库、GIS、遥感、水文学、统计学等，需要将各学科方法进行集成，尽可能模拟真实环境。

15.通过数值模拟方法进行地下水环境系统定量评价时如何提高模拟结果的可靠性？

在允许的范围内，尽可能多的踩点取样获得尽可能多的实际数据，保证每个步骤中数据的准确性，在时间和空间的检测分布上要有代表性和科学性。对实际结果与模拟结果的差异进行校正，建立校正方程，使得模拟结果更接近实际结果。

16.通过灵敏度分析，我们可获得哪些有用信息？

a.检验改变模型输入参数时模拟结果的总体响应。在模型的识别与预测中，自变量的变化导致系统变量的变化程度；误差大小的影响

b.检验因模型输入参数不确定性可能引起的模拟结果的不确定性。C.指导野外调查。

18.水环境模拟在水环境评价及修复决策中的应用。

在水环境的评价及修复中，水环境模拟可以对当前水环境进行定性以及定量评价，模拟水中污染物的时间和空间的分布，根据实际需求，在不同距离范围实施有效措施，为谁换进虚浮提供方向和减少成修复本。

20.应用水环境模拟软件解决实际水环境评价与修复问题的基本步骤包括哪些？

数据搜集与数据库建立；概念模型；模型选取；模型识别；模型验证；灵敏度分析；模型预测不确定性分析；模型应用；模型改进。

8. 从可持续发展战略出发阐述水环境模拟预测的意义。

可持续发展是一种注重长远发展的经济增长模式，指既满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的能力，是科学发展观的基本要求之一。可持续发展还意味着维护、合理使用并且提高自然资源基础。我国水污染形势严峻，60 ％以上的大型湖泊已经不同程度地富营养化，90 ％流经城市的河流水质恶化，50 ％的城市地下水受到污染，60％的人正在使用不合格的饮用水。突发性水污染事故频发，工业废水处理标准过低、偷排严重，城市污水二级处理率不高；水体生态功能持续下降，饮用水安全问题对人民的身体健康构成严重威胁，水污染问题已经成为我国经济社会发展的最重要制约因素之一，已经引起国家和地方政府的高度重视。全国浅层地下水约有半数地区遭到一定程度污染。水土流失严重、水污染严重、水资源短缺。

1.地下水管理模型研究进展地下水管理模型的特点：大系统、多目标、多级优化。

根据模型研究程度和内容，将地下水管理模型的研究过程划分为两大阶段：模型理论探索到推广应用阶段、模型实用性研究阶段1.1 模型理论探索到推广应用阶段

?20 世纪70 ～80 年代?对地下水数值模拟模型与管理模型的耦合方法进行研究，目前常用的模型耦合方法为嵌入法和响应矩阵法。?建模考虑的因素多为水力要素，模型结构较简单，多归结为求解线性规划问题，大大限制了模型的实用性和可操作性。1.2模型实用性研究阶段?20 世纪90 年代后?研究焦点：? 地下水管理模型的结构。

如随机地下水管理、多目标地下水管理、大型区域地下水系统综合性模型等具有较高级结构的地下水管理模型? 地下水管理模型求解技术和方法。如几何规划方法、模糊规划、大系统递阶控制理论、排队理论、外部近似方法等。

2. 地下水管理模型发展趋势

?模型结构方面：多目标管理模型和动态规划管理模型在地下水领域的应用

研究将是未来地下水管理模型的主要研究方向

?优化算法方面：遗传算法、人工神经网络方法、模拟退火和禁忌搜索等

先进的优化算法将逐步深入广泛地应用于地下水管理模型

的建立和求解

?技术集成和实用性研究方面：GIS 技术与地下水管理模型的有效集成是未来地下水管理模型应用研究的重点方向。

数值模拟方法的应用步骤:

Data collection and database setup ( 数据搜集与数据库建立)Conceptual model ( 概念模型)Model selection ( 模型选取)Model calibration ( 模型识别)Model validation( 模型验证)Sensitivity analysis ( 灵敏度分析)Predictive uncertainty( 模型预测不确定性分析)Model application ( 模型应用)Model refinement ( 模型改进)

模型识别与验证：1.残差的平均值（M），定义为：

其中N为观测值总数；为模型因变量的计算值与观测值，他们可以是水头、降深、运移时间、浓度、流量、溶质质量通量或这些量的组合。

2.残差的方差（VAR），定义为：

其中M为上面公式所定义的残差的平均。在本公式中，给予从总体样本中估计一个样本方差的“无偏”方法，分母用N-1而不是N。

3残差绝对值的平均值（MA），定义为：

由于在计算中单个误差没有被抵消，残差绝对值的平均值比残差平均值能更可靠地反映拟合优度。然而，它不能反映计算值偏大或偏小的总体趋势

4.均方根差（RMS），定义为

当残差平均值（M）趋近于0，并且样本数（N）大时, RMS与标准偏差相似。

5.线性相关系数（r），定义为：

其中cal 上横线与obs 上横线分别为计算值与观测值的平均值。ｒ的值落在- １到１之间。敏感度是衡量改变一个因子时对其他因子影响的量。模型因变量对一个模型输入参数的敏感性，该因变量对该参数的偏微分。应用中，可用参数的变化量除以因变量的变化量：

敏感分析的应用 1. 检验改变模型输入参数时模拟结果的总体响应。2. 检验因模型输入参数不确定性可能引起的模拟结果的不确定性。3. 指导野外调查。

地下水环境与生态评价的数值建模方法：可调尺度逐渐细化数值建模方法、模型逐步识别法、近河地下水头变化特征识别法、降水入渗边界条件综合识别法

模型辨识就是在输入输出数据的基础上，从一组给定的模型类中，确定一个与所测系统等价的模型。模型辨识有三个要素——数据、模型和准则，辨识就是按照一个准则在一组模型类中选择一个与数据拟合得最好的模型。

水质模型灵敏度分析是对水质模型各参数间的响应关系作出灵敏程度的定量、定性分析。在灵敏度分析中，往往可以在固定其他参数一般条件下，就各参数数值改变时对某参数值得影响程度大小作出排序分析。水质模型灵敏度分析，可以指导水质模型应用中对各参数值影响作出判断。

系统化：指采用一定的方式，对已经制定颁布的规范性文件或者流程进行归类、整理或加工，使其集中起来作有系统的排列，以便于使用的活动。信息化是以现代通信、网络、数据库技术为基础，对所研究对象各要素汇总至数据库，供特定人群生活、工作、学习、辅助决策等和人类息息相关的各种行为相结合的一种技术，使用该技术后，可以极大的提高各种行为的效率，为推动人类社会进步提供极大的技术支持。所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散。