025412125陈玉超(水环境模拟)讲解

《水环境模拟》课程设计报告基于HSPF水文水质模型研究综述班级0254121专业水文与水资源工程姓名陈玉超学号025412125指导教师梁峰；吴俊峰市政与环境工程学院2014年6月20日河南城建学院本科课程设计摘要水环境作为一个开放的巨系统,充满着来自各方面的不确定因素,包括其内在的污染物在水中的扩散、迁移、沉淀、生物分解等物理、化学、生物与其综合作用的影响外,还包括种种来自于自然界、人类等外来条件的干扰。

这就给水质规律方面的研究带来了很大困难。

为了提高研宄者对水环境的认识并做出更加切合实际的决策,就需要借助水质模型来定量化水质变化过程，其在一定程度上能够定量反映水质变化规律。

本文简单介绍了水质模型的分类和国内外研究现状,重点以HSPF( Hydrological Simulation Program-Fortran)水质模型为研究对象，探讨了其国内外的发展历史，结构和功能，以及在非点源水环境污染中的应用。

最后，对HSPF水质模型研究方向进行了展望。

关键词：水质模型；HSPF模型；非点源；研究进展河南城建学院本科课程设计AbstractWater environment is a huge and open system, the uncertain factors from various aspects, including diffusion, the contaminants in the water migration, precipitation, biological decomposition, chemical, biological and physical interaction, including interference from all in nature, human and other external conditions. This has brought great difficulties to the research on water quality of. In order to improve the research on the knowledge of the water environment and make more realistic decision, we need the help of water quality model to quantify the variation process of water quality, which can quantitatively reflect the variation of water quality in a certain extent. This paper introduces the model of water quality classification and research status at home and abroad, focusing on HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) water quality model as the research object, discusses the domestic and international development history, structure and function, and the application in water environment pollution. Finally, the research orientation of HSPF water quality model is discussed.Keywords:water quality model; HSPF model; non-point source; research progress河南城建学院本科课程设计目录第一章绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 水质模型研究现状概述 (1)1.2.1 水质模型发展历史 (1)1.2.2 水质模型的国内外研究概况 (2)1.3 水质模型的发展 (3)第二章 HSPF模型 (4)2.1 HSPF模型的主要结构和功能 (4)2.2 HSPF在非点源中的应用研究 (5)2.2.1 水文模拟 (5)2.2.2 非点源污染与水质模拟 (5)2.3 HSPF模型存在的问题 (6)第三章 HSPF研究展望 (8)3.1 研究方向展望 (8)3.2 HSPF在我国的应用及展望 (8)结论 (9)参考文献 (10)河南城建学院本科课程设计第一章第一章绪论1.1 概述近年来，于我国人口的增加、对环境的需求不断扩大，及工、农业生产布局的不合理与管理的漏洞，水体环境的压力愈来愈大。

工业废水、生活污水以及农业非点源污染物等进入水体，得相当多的水体污染负荷已超过其承载力，污染已成为制约和困扰我国可持续发展的一大障碍。

为了在满足水质要求的情况下最大化利用水资源,需要对水体污染物中的迁移转化机制的进行定量描述,也即利用水质模型为管理决策提供理论依据。

近几十年来，水质模型作为水环境保护的有效工具，已经广泛应用于环境污染控制和水质规划理中。

水质模型是利用数学语言来阐述水体污染过程中的物理、化学、生物化学及生物生态各方面之内在规律和相互联系[1]。

它可用于水质模拟和预警预测，进行水质评价，制订污染物排放标准和水质规划，为水环境的综合整治和科学管理提供科学依据[2]。

最早的模型是由美国工程师Streeter和Phelps 在1925年首先提出的S-P模型。

自从S—P模型之后，又相继出现了W ASP、QUAL、BASINS、QUASAR、MIKE、OTIS、BLTM等模型，其中以WASP、QUAL模型应用最广、发展的最为完善。

水质规划的基本课题是根据水体预定的基本功能所要求的水体的自净能力来确定允许排入的污染物负荷[3]。

对于已经污染的水体，则是确定如何削减各污染源的污染负荷，以最低成本使水体水质恢复到预定目标。

水质模型的另一应用是进行水环境容量计算。

水环境容量为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。

环境容量是环境管理的基本依据，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[4]。

水质模型也可以应用于水质预警预报[5]。

1.2 水质模型研究现状概述1.2.1 水质模型发展历史自 1925 年以来，水质模型的研究与发展，大致分为以下几个阶段[2,6]第一阶段（1925－1980 年）：这一阶段水质模型的研究对象是水体水质本身，即只包括水体自身的各水质组分，将水体的污染源、底泥、大气等的作用都视为外部输入。

1925 年，Streeter和Phelps共同提出了第一个水质模型，即 S-P 模型。

后来科学家在其基础上成功地将 S-P 模型运用于水质预测等方面，并对 S-P 模型进行了改进[7]。

第二阶段（1980—1995 年）：在这一阶段，水质模型的研究得到快速发展。

将水质模型与流域模型进行连接以使面污染源能被连入初始输入[8]；将底泥的影响作为模型内部相互作用的过程处理。

计算机技术的应用使水质模型的研究有了突破性的进展。

第三阶段（1995 年至今）：大气中污染物质沉降的输入，如有机化合物、金属（如汞）和氮化合物等对水体水质的影响受到更多的重视，将其视为水体的重要污染负荷，将大气污染模型引入水质模型；水生生态系统模型开始出现，水质模型由反应模型向较综合的模型发展。

水库、湖泊的富营养化模型发展最为迅速[9]。

1.2.2 水质模型的国内外研究概况随着研究的不断发展与深入，水质模型在结构上经历了从简单到复杂的水质—水动力学—生态综合动力学模型；在理论上发展了如随机理论、灰色理论和模糊理论等；在研究工具上也运用了迅猛发展的计算机技术如地理信息系统等。

从水质模型的研究情况来看，世界各国都获得了一些先进的研究成果，特别是欧美发达国家，在该领域上占着绝对的主导地位。

自 1925 年率先提出第一个河流 DO 模型（S-P模型）以来，美国又相继成功开发了很多有效的水质模型[10]，如WASPSMS、CE-QUAL-W2、CE-QUAL-R1等，并得到广泛运用。

欧洲一些国家也研究并开发了较为成功的水质模型，如丹麦水动力研究所的MIKE模型[11]，荷兰的DELFT-3D模型和英国Wallingford 公司的InfoWorks CS模型等。

与国外相比，我国水质模型的研究起步较晚，但在 20 世纪 80 年代中期以后水质模型的研究迅速发展，取得了相当多的成果。

刘玉生等人在研究了滇池碳、氮、磷等营养元素的时空分布，藻类动力学以及浮游植物动力学的基础上，建立了生态动力学模型，并与箱模型耦合，建立了生态动力学箱模型，模拟了总磷、总氮和化学需氧量的水环境容量和削减量，为滇池的水污染控制打下了基础。

太湖是我国在水动力学、水质和生态系统动力学模型方面开展研究相对较多的湖泊，研究包括太湖的水动力学三维数值试验研究，太湖梅梁湾三维水动力模型和三维营养盐浓度扩散模型，凤眼莲对太湖生物-物理工程实验区水质影响的水质-生态模型，太湖藻类生长模拟，太湖地区的大气-水环境综合数值模拟等。

廖振良等以苏州河水系水环境综合整治项目为依托，开发了苏州河水质模型，并以河流水质及调水资料为基础完成了水质模型的校核与验证，对苏州河环境综合整治工程中有关工程和方案进行了模拟计算，对工程起到了重要的指导作用，使苏州河河道生态系统得到了明显的改善[12]。

1.3 水质模型的发展水质模型发展至今已取得了丰硕的成果，但还有一些局限性，主要体现在：水质污染机理还有许多不清楚之处，很多过程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；建模的基础是大量的水质资料，资料数据的真实性、系统性、完整性直接影响模型精度，海量数据的收集分析、计算、查询与显示功能欠缺，拟结果的可视性差；模型比较复杂，导致许多参数难以较准确地度量和估值，参数的随机性也会引起结果的不确定性。

随着人们对水质变化机理的不断深入认识和研究范围的不断扩大，水质模型研究的参数和状态变量必然越来越多，精确程度越来越高，但是也必然因此增加模型的复杂度，水质模拟过程也随之变得更艰难。

今后水质模型要重点从以下几个方面进行研究：(1)利用神经网络的建模技术研究。

人工神经网络是一种模仿生物神经系统用来描述和刻画一组非线性因果关系的工具，具有通过学习获取知识来解决问题的能力，将其嵌入到水质模型模拟中，会使模型参数更准确，使水质模型更接近于实际，对水质的分析和模拟过程更趋于合理化、智能化，同时增强处理非线性问题的能力。