水质模型在三峡库区中的应用研究进展概述

严萌

摘 要：三峡水库部分支流富营养化及水华现象备受关注，水质模型对于其水环境的模拟已成为研究热点。文章阐述了机理性水质模型在三峡水库中的具体研究现状，在模型空间分布上介绍了三类用于三峡水库干支流的水质模型。

关键词：水质模型；三峡库区；富营养化

三峡水库蓄水运行以来，其水库支流回水区的富营养化和水华已成为当前三峡库区备受关注的生态环境问题之一[1]，多数支流库湾每年均爆发不同水平的水华情势[2]。鉴于原型观测研究三峡水库水域水环境问题，国内外学者对其做了很多研究，但三峡水库区域面积之大，对于数据的的广泛收集（即空间的连续性和时间上的同步性）难度较大。为探究三峡水库干支流水环境的科学问题，水质模型作为污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述，能够模拟水体内部因子变化规律，对水体中的污染物进行定性定量的分析，可以有效地弥补原型观测的不足。水质模型可分为机理性和非机理性水质模型，文章将阐述机理性水质模型在三峡水库中水环境问题的模拟研究情况。

1 机理性水质模型的研究发展

自1925年，第一个一维氧平衡河流水质模型出现以来，经过几十年的发展，水质模型从初期的BOD-DO的双线性一维稳态系统模型，继续研究发展BOD-DO模型的多位参数估值问题至六个线性系统，到中期非线性系统模型，至现在发展到多种相互作用系统，并且有毒物质也加入相互作用中。

2 几类主要的水质模型

2.1 一维水质模型

一维水质模型只考虑河流参数沿纵向发生变化。李锦秀[3]将三峡库区整体作为研究对象，建立一维非恒定水质模型。该模型以BOD、DO为例，通过理论及实测资料，确定主要水质参数与水流条件的关系式，并通过四点隐格式有限差分法进行数值求解，最后与实测资料对比，具有较高的精度。

由于三峡水库主要环境问题多出现在其支流库湾，一维水质模型将不能满足库区干支流水环境的问题分析。

2.2 二维水质模型

二维水质模型考虑纵向和横向，或纵向和垂向尺度。许其功等[4]将二维水质模型和有限单元算法相结合，运用Monte Carlo法求解，构建复杂河道河流二维随机水质模型。模型以ρ（CODCr）、ρ（BOD5）为水质验证指标，与重庆段水质资料进行对比，误差在5%-10%左右。王祥三等[5]构建了二维随机水质模型，该模型水质方面耦合了随机降解模型与迁移扩散模型，通过该模型对香溪河库湾进行了水质模拟与预测。李玉兰等[6]采用等流量划分流管的方法，得到二维对流扩散水质方程，在分析三峡库区重庆段的水环境的基础上，建立二维模型，模拟了干流重庆段污染物的浓度分布，发现流速对污染物扩散较大。

上述对三峡水库的水质模拟只是简单的对三峡库区部分水质指标进行模拟，并没有从机理上对水库支流出现的环境问题进行解释，并且忽略了分层异重流特性及其对支流库湾环境过程作用中的驱动作用。

Jun Ma等[7]通过CE-QUAL-W2模型，模拟香溪河2008年的水动力情况，发现该模型能够很好的模拟流速，水温，异重流的潜入点，潜入速度，潜入距离等。谢涛[8]针对三峡库区干支流存在分层异重流情况，基于CE-QUAL-W2，建立了三峡水库干流及支流香溪河库湾的干支流立面二维水温水流模型。基于模型模拟的香溪河水温、水流特性，得到香溪河分层异重流的特性，并分析了长江干流分层异重流对香溪河库湾水温分层的影响规律。

2.3 三维水质模型

三维水质模型则从横、纵、垂三维尺度上。王征等[9]采用EFDC三维数值模型，以三峡库区长寿至涪陵段为对象，模拟其水动力特性及水体输移规律，并分析了干支流不同污染物的输移路径，发现支流区域有环流区域且干流对支流水体存在补给。赵鑫等[10]基于EFDC，建立大宁河口水质模型，通过与实测值对比，水温模拟最好，相对误差小于10%；叶绿素误差较大，但能反应变化趋势。

3 结束语

文章综述表明：通过水质模型对三峡水库干支流的水环境问题模拟研究能弥补了原型观测研究三峡库区环境问题的不足。今后随着数学与计算机的发展，水质模型应用会更加复杂与完善。对于不同的研究问题的具体情况及特性，需要根据模拟区域的特性及模拟指标选取合适的水质模型，才能更加高效与准确的模拟三峡库区水环境问题。

参考文献

[1]Stone R. Three Gorges Dam： Into the Unknown[J]. Science，2008，321（5889）：628-632.

[2]杨正健，刘德富，纪道斌，等.三峡水库172.5m蓄水过程对香溪河库湾水体富营养化的影响[J].中国科学：技术科学，2010，40（4）：358-369.

[3]李锦秀，廖文根，黄真理.三峡水库整体一维水质数学模拟研究[J].水利学报，2002（12）：7-10.

[4]许其功，刘鸿亮，曾光明，等.三峡水库二维随机水质模拟预测研究[J].环境科学研究，2004，17（5）：23-26.

[5]王祥三，陈小江.三峡库湾二维随机水质预测模型的研究[J].International Journal Hydroelectric Energy，2001（3）：55-58.

[6]李玉兰，赵万星.三峡库区重庆段水质模拟研究[J].重庆大学学报：自然科学版，2004，27（11）：34-38.

[7]Ma J， Liu D， Wells S A， et al. Modeling density currents in a typical tributary of the Three Gorges Reservoir， China[J].Ecological Modelling， 2015，296：113-125.

[8]谢涛.三峡水库调度对香溪河库湾水温特性的影响研究[D].三峡大学，2014.

[9]王征，郭秀锐，程水源，等.三峡库区支流河口水动力及水污染迁移特性[J].北京工业大学学报，2012（11）：1731-1737.

[10]赵鑫，冯璁，吴敏.三峡库区大宁河口水体富营养化三维精细化模拟[J].长江科学院院报，2015（6）：25-31.