潮汐平原河網(wǎng)水質(zhì)模擬研究展望

　　摘要：本文論述了河網(wǎng)地區(qū)水動(dòng)力、水質(zhì)模擬方法的發(fā)展過程及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用狀況，提出了潮汐河網(wǎng)水質(zhì)模擬存在的問題，并從理論與應(yīng)用角度分析了潮汐河網(wǎng)水質(zhì)模擬的發(fā)展趨勢(shì)。
　　關(guān)鍵詞：潮汐河網(wǎng)；水流；水質(zhì)；數(shù)值模擬
　　中圖分類號(hào)：X12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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
　　人類得以生息繁衍非常重要的一個(gè)場所就是河網(wǎng)，這也是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)及文化都比較發(fā)達(dá)的區(qū)域。但是，對(duì)水質(zhì)造成的污染也是最為嚴(yán)重的地區(qū)。隨著水環(huán)境質(zhì)量的惡化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，對(duì)河網(wǎng)地區(qū)的環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性發(fā)展都造成了非常大的阻礙。
　　為了使平原河網(wǎng)的水污染得到有效的治理及改善，就一定要對(duì)平原河網(wǎng)水污染的控制理論以及技術(shù)深入進(jìn)行研究，其中研究水質(zhì)模擬的方法就是非常關(guān)鍵的一部分。
　　潮汐平原河網(wǎng)最顯著特點(diǎn)就是受潮汐的影響，水位和流量隨時(shí)間變化明顯，潮汐平原河網(wǎng)的水質(zhì)不但會(huì)受到上游河段的污染，并且潮汐的影響也會(huì)產(chǎn)生非常大的后果，從而影響到水流流向順逆不定，可能出現(xiàn)水流同向或異向（相向或相背）等多種流態(tài)，各種污染物在河網(wǎng)內(nèi)部來回震蕩，水質(zhì)呈復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化。
　　因?yàn)槲覈�的理論以及技術(shù)等很多方面都存在不完善的地方，實(shí)際模擬潮汐平原河網(wǎng)的水質(zhì)還不是特別滿意。所以，對(duì)潮汐平原河網(wǎng)問題的研究一直是國內(nèi)外環(huán)保工作者傾心研究的重要課題。
　　1 潮汐河網(wǎng)數(shù)值模擬的研究進(jìn)展
　　1.1 河網(wǎng)水動(dòng)力計(jì)算的研究進(jìn)展
　　水質(zhì)模擬就是對(duì)水質(zhì)要素在水環(huán)境中，所產(chǎn)生的不同物理、化學(xué)以及生物，實(shí)際的變化情況進(jìn)行分析。相比較水環(huán)境當(dāng)中的動(dòng)力學(xué)因素來說，比如水的體積、流量還有水深有非常緊密的關(guān)系。所以，水質(zhì)模擬最為基礎(chǔ)的部分就是計(jì)算水動(dòng)力學(xué)。
　　對(duì)河網(wǎng)地區(qū)的河道水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述的方程組是Saint- Venant，河網(wǎng)水力計(jì)算可歸結(jié)為一維Saint- Venant方程組的求解問題。在1953年的時(shí)候，Stoker就已經(jīng)把完整的Saint- Venant方程組計(jì)算出來河流洪水，從此就慢慢制作了完整的Saint- Venant方程組的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于方程組求解，在1971年由Fread提出關(guān)于五對(duì)角元的壓縮存貯消元法。在1975年的時(shí)候，Cunge提出了雙追趕方法。到了1977年，我國的李岳生專家就提出了河網(wǎng)非恒定流隱式方程組稀疏矩陣解法。但是，采用該方法計(jì)算方程組的規(guī)模還是比較大，實(shí)際的應(yīng)用效果也不是特別滿意。這也慢慢研發(fā)出了組合單元解法還有分級(jí)解法。
　　其中“組合單元解法” 就是在1975年的時(shí)候，法國的水力學(xué)專家Jean A. Cunge首次提出。由于此方法對(duì)河道進(jìn)行了簡單概化，對(duì)精度受損進(jìn)行模擬。所以，這一方法只能在大尺度的水環(huán)境規(guī)劃中進(jìn)行應(yīng)用�，F(xiàn)階段在生產(chǎn)實(shí)踐過程中還沒有得到廣泛應(yīng)用。
　　在1976年的時(shí)候，由荷蘭水力學(xué)的專家Dronkers首次提出了分級(jí)解法的思想，之后經(jīng)過很多學(xué)者專家的深入研究優(yōu)化，也逐漸提出了河網(wǎng)非恒定流的二級(jí)解法[1]、三級(jí)解法[2]、以及四級(jí)解法[3]。為了進(jìn)一步對(duì)圣維南方程組進(jìn)行優(yōu)化求解，國內(nèi)外學(xué)者又提出了汊點(diǎn)分組解法[4]，矩陣標(biāo)識(shí)法[5]，松弛迭代法[6]等。
　　由于分級(jí)解法能夠?qū)γ恳粭l河道的水流狀況精準(zhǔn)的進(jìn)行計(jì)算，并且理論方面相對(duì)較為完善。已經(jīng)成了現(xiàn)階段模擬河網(wǎng)水力最為常用的一種方法[7]。因?yàn)槿��?jí)解法能夠模擬單一的河道，并且可以對(duì)降雨等外界因素充分考慮，有非常高的計(jì)算精度，能夠有效滿足航運(yùn)以及環(huán)境保護(hù)的需要。
　　1.2 河網(wǎng)水質(zhì)計(jì)算的研究進(jìn)展
　　水質(zhì)模型是根據(jù)質(zhì)量守恒原理，用數(shù)學(xué)的語言和方法描述參加水體中水質(zhì)組分所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物等方面的變化、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。對(duì)水質(zhì)模型的研究，能夠?qū)λ�體污染物遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)理有充分的了解，從而對(duì)廢水排入天然水域的水質(zhì)濃度場進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，進(jìn)而對(duì)河流的納污能力進(jìn)行確定。充分考慮上述的因素，對(duì)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)水域污染控制規(guī)劃以及對(duì)環(huán)境管理與水資源管理政策的制定有非常重要的作用。所以，模擬河流水質(zhì)是近些年研究最為深入的話題之一�，F(xiàn)階段們已經(jīng)有很多的研究成果，應(yīng)用到了流域的水質(zhì)規(guī)劃及管理工作中。
　　Streeter和Phelps于1925年在Ohio河上第一次建立水質(zhì)模型，模擬河流或者是河口生物化學(xué)需氧量以及溶解氧BOD-DO。在1979年的時(shí)候，Singh. H就研發(fā)除了一種穩(wěn)態(tài)的、確定性的一維河網(wǎng)水質(zhì)模型。到了1980年，Couillard. D與Cluis. DA等人搭建了污染負(fù)荷的河網(wǎng)水質(zhì)模型，而且把這一模型也在Saint-Francois流域中進(jìn)行了應(yīng)用，從而獲取了流域中的最大氮、磷的濃度。

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