水質模型在三峽庫區中的應用研究進展概述

嚴萌

摘 要：三峽水庫部分支流富營養化及水華現象備受關注，水質模型對于其水環境的模擬已成為研究熱點。文章闡述了機理性水質模型在三峽水庫中的具體研究現狀，在模型空間分布上介紹了三類用于三峽水庫干支流的水質模型。

關鍵詞：水質模型；三峽庫區；富營養化

三峽水庫蓄水運行以來，其水庫支流回水區的富營養化和水華已成為當前三峽庫區備受關注的生態環境問題之一[1]，多數支流庫灣每年均爆發不同水平的水華情勢[2]。鑒于原型觀測研究三峽水庫水域水環境問題，國內外學者對其做了很多研究，但三峽水庫區域面積之大，對于數據的的廣泛收集（即空間的連續性和時間上的同步性）難度較大。為探究三峽水庫干支流水環境的科學問題，水質模型作為污染物在水環境中變化規律及其影響因素之間相互關系的數學描述，能夠模擬水體內部因子變化規律，對水體中的污染物進行定性定量的分析，可以有效地彌補原型觀測的不足。水質模型可分為機理性和非機理性水質模型，文章將闡述機理性水質模型在三峽水庫中水環境問題的模擬研究情況。

1 機理性水質模型的研究發展

自1925年，第一個一維氧平衡河流水質模型出現以來，經過幾十年的發展，水質模型從初期的BOD-DO的雙線性一維穩態系統模型，繼續研究發展BOD-DO模型的多位參數估值問題至六個線性系統，到中期非線性系統模型，至現在發展到多種相互作用系統，并且有毒物質也加入相互作用中。

2 幾類主要的水質模型

2.1 一維水質模型

一維水質模型只考慮河流參數沿縱向發生變化。李錦秀[3]將三峽庫區整體作為研究對象，建立一維非恒定水質模型。該模型以BOD、DO為例，通過理論及實測資料，確定主要水質參數與水流條件的關系式，并通過四點隱格式有限差分法進行數值求解，最后與實測資料對比，具有較高的精度。

由于三峽水庫主要環境問題多出現在其支流庫灣，一維水質模型將不能滿足庫區干支流水環境的問題分析。

2.2 二維水質模型

二維水質模型考慮縱向和橫向，或縱向和垂向尺度。許其功等[4]將二維水質模型和有限單元算法相結合，運用Monte Carlo法求解，構建復雜河道河流二維隨機水質模型。模型以ρ（CODCr）、ρ（BOD5）為水質驗證指標，與重慶段水質資料進行對比，誤差在5%-10%左右。王祥三等[5]構建了二維隨機水質模型，該模型水質方面耦合了隨機降解模型與遷移擴散模型，通過該模型對香溪河庫灣進行了水質模擬與預測。李玉蘭等[6]采用等流量劃分流管的方法，得到二維對流擴散水質方程，在分析三峽庫區重慶段的水環境的基礎上，建立二維模型，模擬了干流重慶段污染物的濃度分布，發現流速對污染物擴散較大。

上述對三峽水庫的水質模擬只是簡單的對三峽庫區部分水質指標進行模擬，并沒有從機理上對水庫支流出現的環境問題進行解釋，并且忽略了分層異重流特性及其對支流庫灣環境過程作用中的驅動作用。

Jun Ma等[7]通過CE-QUAL-W2模型，模擬香溪河2008年的水動力情況，發現該模型能夠很好的模擬流速，水溫，異重流的潛入點，潛入速度，潛入距離等。謝濤[8]針對三峽庫區干支流存在分層異重流情況，基于CE-QUAL-W2，建立了三峽水庫干流及支流香溪河庫灣的干支流立面二維水溫水流模型。基于模型模擬的香溪河水溫、水流特性，得到香溪河分層異重流的特性，并分析了長江干流分層異重流對香溪河庫灣水溫分層的影響規律。

2.3 三維水質模型

三維水質模型則從橫、縱、垂三維尺度上。王征等[9]采用EFDC三維數值模型，以三峽庫區長壽至涪陵段為對象，模擬其水動力特性及水體輸移規律，并分析了干支流不同污染物的輸移路徑，發現支流區域有環流區域且干流對支流水體存在補給。趙鑫等[10]基于EFDC，建立大寧河口水質模型，通過與實測值對比，水溫模擬最好，相對誤差小于10%；葉綠素誤差較大，但能反應變化趨勢。

3 結束語

文章綜述表明：通過水質模型對三峽水庫干支流的水環境問題模擬研究能彌補了原型觀測研究三峽庫區環境問題的不足。今后隨著數學與計算機的發展，水質模型應用會更加復雜與完善。對于不同的研究問題的具體情況及特性，需要根據模擬區域的特性及模擬指標選取合適的水質模型，才能更加高效與準確的模擬三峽庫區水環境問題。

參考文獻

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

[2]楊正健，劉德富，紀道斌，等.三峽水庫172.5m蓄水過程對香溪河庫灣水體富營養化的影響[J].中國科學：技術科學，2010，40（4）：358-369.

[3]李錦秀，廖文根，黃真理.三峽水庫整體一維水質數學模擬研究[J].水利學報，2002（12）：7-10.

[4]許其功，劉鴻亮，曾光明，等.三峽水庫二維隨機水質模擬預測研究[J].環境科學研究，2004，17（5）：23-26.

[5]王祥三，陳小江.三峽庫灣二維隨機水質預測模型的研究[J].International Journal Hydroelectric Energy，2001（3）：55-58.

[6]李玉蘭，趙萬星.三峽庫區重慶段水質模擬研究[J].重慶大學學報：自然科學版，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]謝濤.三峽水庫調度對香溪河庫灣水溫特性的影響研究[D].三峽大學，2014.

[9]王征，郭秀銳，程水源，等.三峽庫區支流河口水動力及水污染遷移特性[J].北京工業大學學報，2012（11）：1731-1737.

[10]趙鑫，馮璁，吳敏.三峽庫區大寧河口水體富營養化三維精細化模擬[J].長江科學院院報，2015（6）：25-31.