水質(zhì)模型研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

1、Word 文檔 水質(zhì)模型研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì) 專業(yè)：環(huán)境工程類 指導(dǎo)教師： 日期：2012 / 6 / 3Word 文檔 水質(zhì)模型研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì) 摘要：運(yùn)用系統(tǒng)分析技術(shù)進(jìn)行水污染控制系統(tǒng)的規(guī)劃是現(xiàn)代水質(zhì)管理的基礎(chǔ)和依 據(jù)，水質(zhì)模型對(duì)整個(gè)規(guī)劃過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。 文章較詳細(xì)地綜合評(píng)述了近 年來(lái)國(guó)外水質(zhì)模型的研究進(jìn)展與應(yīng)用過(guò)程中普遍存在的一些問(wèn)題及其主要表現(xiàn)、 成因，并評(píng)價(jià)了水質(zhì)模型研究的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：水質(zhì)模型；研究進(jìn)展；存在問(wèn)題；發(fā)展趨勢(shì) 水質(zhì)模型是污染物在水環(huán)境中變化規(guī)律及其影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述， 它既是水環(huán)境科學(xué)研究的容之一， 又是水環(huán)境研究的重要工具。它的研究涉及到

2、水環(huán)境科學(xué)的許多基本理論問(wèn)題和水污染控制的許多實(shí)際問(wèn)題。 它的發(fā)展在很大 程度上取決于污染物在水環(huán)境中的遷移、 轉(zhuǎn)化和歸宿研究的不斷深入，以及數(shù)學(xué) 手段在水環(huán)境研究中應(yīng)用程度的不斷提高。 水質(zhì)模型在理論上從最初的質(zhì)量平衡 原理發(fā)展到現(xiàn)在的隨機(jī)理論、灰色理論和模糊理論；在實(shí)際應(yīng)用上，從最初的城 市排水工程設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)在的污染物水環(huán)境過(guò)程模擬、 水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，污染物 水環(huán)境行為預(yù)測(cè)，水生物污染暴露程度分析和水資源科學(xué)管理規(guī)劃等水環(huán)境保護(hù) 的各個(gè)方面；在研究方法上，從最初的解析解和濃度表達(dá)發(fā)展到現(xiàn)在的以人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬輔助解析、及與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合的數(shù)值解和逸度表達(dá)法。 這些成果都極

3、推動(dòng)了水環(huán)境管理技術(shù)的現(xiàn)代化。 水質(zhì)模型研究進(jìn)展 近年來(lái)，水質(zhì)模型的研究取得了很大進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ： Word 文檔 1、 包括水生食物鏈在的多介質(zhì)環(huán)境生態(tài)綜合模型 由于復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過(guò)程的結(jié)果，釋放到環(huán)境中的污染物在大氣、水、 土壤和植被等許多環(huán)境介質(zhì)中進(jìn)行分配，由污染物引起的可能的環(huán)境影響與它們 在各種環(huán)境單元中的濃度水平和停留時(shí)間密切相關(guān)。為了綜合描述它們之間的相 關(guān)關(guān)系，產(chǎn)生了多介質(zhì)環(huán)境綜合生態(tài)模型。多介質(zhì)環(huán)境是指大氣、水體、土壤、 生物等組成的總環(huán)境體系，其中水體是核心。多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型可將各種不同 的環(huán)境單元部的污染物變化過(guò)程與導(dǎo)致污染物跨過(guò)介質(zhì)邊界的過(guò)程相

4、聯(lián)系， 構(gòu) 成一個(gè)能描述在多介質(zhì)環(huán)境中污染物轉(zhuǎn)化和介質(zhì)間物質(zhì)遷移的表達(dá)式。 R. Tanner et al.對(duì)工業(yè)過(guò)飽和鹽水蒸發(fā)池中的生物群食物鏈進(jìn)行了研究， C. Fall et al.針對(duì) 五氯代苯酚在改良的地下水系統(tǒng)中的分布建立了模型， H. Y.Zhou et al.研究了沉 積物中所吸附的多氯聯(lián)苯（PCBs）量與羅非魚體多氯聯(lián)苯（PCBs）的富集量之間 的關(guān)系。由于還沒有對(duì)污染物在各種介質(zhì)之間的遷移過(guò)程有更充分的認(rèn)識(shí)， 現(xiàn)有 的多介質(zhì)環(huán)境模型在處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)不得不對(duì)污染物在介質(zhì)間的遷移過(guò)程作近 似假設(shè)，許多參數(shù)的隨機(jī)性給模型預(yù)測(cè)結(jié)果帶來(lái)不確定性。 所以，這類模型還只 能給出一種趨勢(shì)預(yù)

5、測(cè)，而不是狀態(tài)的精確預(yù)報(bào)。多介質(zhì)環(huán)境模型的主要目的是污 染物對(duì)人體或生物進(jìn)行暴露分析（Exposure Analysis），并對(duì)廢物處的危險(xiǎn)性進(jìn)行 評(píng)價(jià)。因此，只有將食物鏈模型與多介質(zhì)環(huán)境模型聯(lián)合起來(lái)， 構(gòu)成更為綜合的模 型，才能更好地適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要。 2、 模型不確定性的研究 由于環(huán)境的水文條件具有很大的隨機(jī)性，這就導(dǎo)致了水環(huán)境數(shù)學(xué)模型輸出的不確 定性。為了提高模型的精確度和結(jié)果的可靠性，有必要對(duì)模型不確定性進(jìn)行研究。 Word 文檔 Andrews k.Takyi 分析了模擬-優(yōu)化模型中不確定性的來(lái)源有：（1）污染物的排放 量和河流背景值的隨機(jī)性；（2）估計(jì)模型參數(shù)所需的河流和水質(zhì)資料

6、的不充分; （3）對(duì)污染物傳輸過(guò)程和水質(zhì)管理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化缺乏充分的認(rèn)識(shí)。 他還為水質(zhì)管理 建立了多重實(shí)現(xiàn)（Multiple Realization）模型，該模型在單個(gè)優(yōu)化模擬中同時(shí)融入 幾條可能的河流和背景污染排放量或?qū)崿F(xiàn)值。這一技術(shù)在水質(zhì)管理的經(jīng)濟(jì)性和可 靠性之間產(chǎn)生一條權(quán)衡曲線。為了產(chǎn)生權(quán)衡關(guān)系，在單個(gè)優(yōu)化模型中同時(shí)融入幾 種可能的設(shè)計(jì)條件背景值。這一模型既簡(jiǎn)單，且和那些傳統(tǒng)的隨機(jī)模型相比， 能 為復(fù)雜的和隨機(jī)的水質(zhì)管理系統(tǒng)提供更切實(shí)際的描述。此外，該模型通常能比傳 統(tǒng)的模擬）優(yōu)化模型產(chǎn)生更有效的費(fèi)用 ）可靠性關(guān)系曲線。Michael D. Sohn et al為了估計(jì)和減小地下水流量的不確

7、定性和預(yù)測(cè)污染物化學(xué)轉(zhuǎn)移的不確定性， 開發(fā)了貝葉斯#蒙特卡羅（Bayes Monte Carlo Methods）不確定性分析方法。該方 法采用工程推斷來(lái)估計(jì)和用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)更新污染源的特征參數(shù)、 化學(xué)轉(zhuǎn)移參 數(shù)，以及假定的水文結(jié)構(gòu)中的不確定性。 Alaa H. Aly.et al.在不確定性情況下，運(yùn) 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法（GA）來(lái)優(yōu)化地下水去污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這一方法包括： （1） 用遺傳算法來(lái)找到全局最優(yōu)解答；（2）并入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬遺傳算法的反應(yīng)表面 （response surface）。這一方法在實(shí)際樣本和不同優(yōu)化背景下的應(yīng)用表明，它需 要較少的水力傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)（hydraulic con

8、ductivity realizations），并且可在可靠性和 處理設(shè)施能力之間產(chǎn)生一條權(quán)衡曲線。 由于水環(huán)境條件具有很大的隨機(jī)性，為了 提高模型的精確度和輸出結(jié)果的可靠性，對(duì)模型的不確定性分析方法的研究， 目 前是、今后仍然是水質(zhì)模型的研究熱點(diǎn)之一。 3、模糊數(shù)學(xué)在水環(huán)境數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用 如前文所述，水文環(huán)境條件有很大的隨機(jī)性，要定量分析相關(guān)關(guān)系有很大的困難, Word 文檔 此外,水質(zhì)的變化是連續(xù)的，而我們的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的污染物濃度的表示卻是不連 續(xù)的。為了解決這一矛盾，很有必要應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的相關(guān)概念， 模糊數(shù)學(xué)在 水環(huán)境方面也有很多應(yīng)用。Y.Y.Yin etal 運(yùn)用模糊關(guān)系分析(FR

9、A)模型來(lái)分析大量 的不同的備選方案，同其它的在不確知情況下影響評(píng)價(jià)的多準(zhǔn)則方法相比， FRA 法在數(shù)據(jù)的可獲得性、需求的計(jì)算能力和結(jié)果說(shuō)明上有優(yōu)勢(shì)。 K.sasikumar et al. 成功地建立了污染負(fù)荷分配的模糊模型(the fuzzy waste load allocation model)。該模型在考慮污染控制部門和污染物排放單位之間的利益目標(biāo)沖突下， 能夠提供經(jīng)濟(jì)的和技術(shù)上可行的方案。當(dāng)然，如何合理地把水質(zhì)模型和模糊數(shù)學(xué) 相結(jié)合，還有待于環(huán)境科學(xué)工作者與計(jì)算數(shù)學(xué)工作者們進(jìn)一步的研究。 4、與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)相結(jié)合 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Netw

10、orks) 就是模仿人腦的工作方式而設(shè)計(jì)的一 種計(jì)算方法，它可用電子或光電元件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件在常規(guī)計(jì)算機(jī)上仿真 ；或 者說(shuō)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有大量連接的并行分布式處理器， 它具有通過(guò)學(xué)習(xí)獲 取知識(shí)并解決問(wèn)題的能力，且知識(shí)是分布存儲(chǔ)在連接權(quán)(對(duì)應(yīng)于生物神經(jīng)元的突 觸)中，而不是像常規(guī)計(jì)算機(jī)那樣按地址存在特定的存儲(chǔ)單元中。 近幾年來(lái)，人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)模型方面的應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展。 T. R. Neelaka ntan etal.用 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了水庫(kù)運(yùn)行的模擬 -優(yōu)化模型。Marina campolo et al 用 ANNs 來(lái)預(yù)測(cè)河流枯水期的流量并得出結(jié)論 ：當(dāng)它與水質(zhì)模型相結(jié)合

11、時(shí)對(duì)河流 的水質(zhì)管理非常有用。Binzhang et al.結(jié)合貝葉斯概念和(Bayesian Concepts)組 合的NN 來(lái)預(yù)測(cè)集水區(qū)的徑流量。V.chanramouli et al.用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和 ANN 來(lái)模 擬多水庫(kù)水系的運(yùn)行方案。Sharad kumar Jain 用 ANNs 開發(fā)了綜合的沉淀速率 Word 文檔 曲線。ANNs 被用作胡克和吉維斯非線性規(guī)劃 （Hooke and Jeeves non li near programming）模型的子模型，來(lái)尋求水庫(kù)運(yùn)行近似最優(yōu)方案。結(jié)果表明，該模 型比常規(guī)的模擬-優(yōu)化模型結(jié)果更精練。此外，ANNs 還可應(yīng)用于水系模型的誤 差更新

12、。隨著ANNs 的不斷發(fā)展和完善，在環(huán)境工作科學(xué)者們的努力之下，相 信 ANNs 在水質(zhì)模型方面的應(yīng)用將會(huì)更深入、更全面、 更系統(tǒng)，ANNs 在水 環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用仍將是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的熱點(diǎn)之一。 5、水質(zhì)模型與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合 地理信息系統(tǒng)（GIS）以具有地理位置的空間數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以空間數(shù)據(jù)庫(kù)為核 心，采用空間分析和建模的方法，適時(shí)提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的資源與環(huán)境信息。 它涉及人工智能、環(huán)境工程、規(guī)劃理論、地學(xué)、數(shù)學(xué)等多種學(xué)科和專業(yè)。地理信 息是有關(guān)地理實(shí)體的性質(zhì)、特征和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表征，它是對(duì)表征地理特征與地理 現(xiàn)象之間的地理數(shù)據(jù)的解釋。而地理數(shù)據(jù)包括空間位置、屬性特征及時(shí)域

13、特征三 部分。空間位置數(shù)據(jù)描述地物所在位置；屬性數(shù)據(jù)是屬于一定地物，且描述其特 征的定性或定量指標(biāo)；時(shí)域特征是指地理數(shù)據(jù)采集或地理現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)段 /時(shí)刻 （在水污染控制規(guī)劃中，如：污染源相關(guān)指標(biāo)、斷面監(jiān)測(cè)指標(biāo)、突發(fā)事件等發(fā)生 的時(shí)間等）?？臻g位置、屬性及時(shí)間是地理空間分析的三個(gè)基本要素， GIS 的 概念描述一般都包含這三層意思。 由于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)具有集水區(qū)空間 特征分析，因此，A. Goo netilleke et al.認(rèn)為它在城市水文中有相當(dāng)大的作用。因 為集水區(qū)的時(shí)空特征數(shù)據(jù)庫(kù)的可獲得性能夠消除由于采用假設(shè)簡(jiǎn)化而引起的研 究質(zhì)量的減弱，這也從另一方面說(shuō)明在城市集水區(qū)， 土

14、地用途的準(zhǔn)確的時(shí)空解釋 的重要性。由于地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間特性對(duì)水質(zhì)管理者很有幫助， William Dixon et al.在優(yōu)化選取河網(wǎng)取樣點(diǎn)時(shí)，首先就用地理信息系統(tǒng) （GIS）和成形理論 以矩陣形式形成河網(wǎng)的數(shù)學(xué)描述。隨著計(jì)算機(jī)在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面能力的提 Word 文檔 高，地理信息系統(tǒng)（GIS） 定會(huì)在水環(huán)境科學(xué)中取得越來(lái)越多的應(yīng)用， 水質(zhì)模 型和地理信息系統(tǒng)（GIS）的結(jié)合仍將是今后的研究重點(diǎn)之一。 二、水質(zhì)模型的應(yīng)用 水質(zhì)模型之所以受到科學(xué)工作者的高度重視， 除了其應(yīng)用圍廣外，還因?yàn)樵谀承?情況下它起著重要作用。例如，新建一個(gè)工業(yè)區(qū)，為了評(píng)估它產(chǎn)生的污水對(duì)受納 水體所產(chǎn)生

15、的影響，用水質(zhì)模型來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)就至關(guān)重要，以下將對(duì)水質(zhì)模型的應(yīng) 用進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述。 1、污染物水環(huán)境行為的模擬和預(yù)測(cè) 污染物進(jìn)入水環(huán)境后，由于物理、化學(xué)和生物作用的綜合效應(yīng)，其行為的變化是 十分復(fù)雜的，很難直接認(rèn)識(shí)它們。這就需要用水質(zhì)模型 （水環(huán)境數(shù)學(xué)模型）對(duì)污 染物水環(huán)境的行為進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，以便給出全面而清晰的變化規(guī)律及發(fā)展趨 勢(shì)。用模型的方法進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，既經(jīng)濟(jì)又省時(shí)，是水環(huán)境質(zhì)量管理科學(xué)決策 的有效手段。目前對(duì)這一方面的報(bào)導(dǎo)很多， T . Iwane et al.研究了處理過(guò)的污水 排入河流后，對(duì)河流中的對(duì)抗生素有免疫作用的細(xì)菌的可能影響， A.Baeza et al. 對(duì)塔霍河從西班牙

16、的 Caceres 到葡萄牙的 Alentejo 河道中氚（3H）濃度水平的 時(shí)空演變進(jìn)行了分析研究。Anbo Liu et al.在細(xì)菌的細(xì)胞組織聚合體存在的條件 下，對(duì)菲在土壤中的動(dòng)態(tài)解析行為進(jìn)行了觀察和模型預(yù)測(cè)。 但由于模型本身的局 限性，以及對(duì)污染物水環(huán)境的行為的認(rèn)識(shí)的不確定性 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量之間 往往有較大的誤差，所以模型的模擬和預(yù)測(cè)只是給出了相對(duì)變化值及其趨勢(shì)。對(duì) 于這一點(diǎn)，水質(zhì)管理決策者們應(yīng)特別注意。 Word 文檔 2、水質(zhì)管理規(guī)劃 水質(zhì)規(guī)劃是環(huán)境工程與系統(tǒng)工程相結(jié)合的產(chǎn)物，它的核心部分是水環(huán)境數(shù)學(xué)模 型。確定允許排放量這類水質(zhì)規(guī)劃，常用的是氧平衡類型的數(shù)學(xué)模型。 求解污染

17、 物去除率的最佳組合，關(guān)鍵是目標(biāo)函數(shù)的線性化。而流域的水質(zhì)規(guī)劃是區(qū)域圍的 水資源管理，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，必須考慮 3 個(gè)方面的問(wèn)題：（1）水資源利用利益 之間的矛盾；（2）水文隨機(jī)現(xiàn)象使天然系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為（生活、工業(yè)、灌溉、廢水處 置、自然保護(hù)）預(yù)測(cè)的復(fù)雜化；（3）技術(shù)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的約束。為了解決這些問(wèn) 題，可將一般水環(huán)境數(shù)學(xué)模型與最優(yōu)化模型相結(jié)合，形成所謂的水質(zhì)管理模型。 近幾年來(lái)開發(fā)了許多新的水質(zhì)管理模型，Muhammad Shafqat Ejaz et al.用模擬優(yōu) 化方法來(lái)求河流的農(nóng)業(yè)廢水和生活污水負(fù)荷的優(yōu)化管理， Sasikumar et al.用模 糊優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行河流系統(tǒng)的水質(zhì)管理

18、，Don aid H.Bur n 用模擬優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行 河流系統(tǒng)水質(zhì)管理，通過(guò)結(jié)合模擬）優(yōu)化方法來(lái)建立水質(zhì)管理模型，Amit K. Sinha et al.用行為分析算法來(lái)優(yōu)化確定非線性多目標(biāo)水庫(kù)體系 的規(guī)模。V.Chan -dramouli et al.結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法來(lái)建立水庫(kù)體系的水質(zhì)管理模型， S. Alireza eta I 用非線性規(guī)劃法進(jìn)行地下水質(zhì)管理。水質(zhì)管理模型已有很成功的應(yīng) 用。 3、水質(zhì)評(píng)價(jià) 水質(zhì)評(píng)價(jià)是水質(zhì)規(guī)劃的基本程序。 根據(jù)不同的目標(biāo)水質(zhì)模型可用來(lái)對(duì)河流、 湖泊 （水庫(kù)）、河口、海洋和地下水等水環(huán)境的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)?，F(xiàn)在的水質(zhì)評(píng)價(jià)不僅 給出水體對(duì)各種不同使用功

19、能的質(zhì)量，而且還會(huì)給出水環(huán)境對(duì)污染物的同化能力 以及污染物在水環(huán)境濃度和總量的時(shí)空分布。 水污染評(píng)價(jià)已由傳統(tǒng)的點(diǎn)源污染轉(zhuǎn) 向非點(diǎn)源污染，這就需要用農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)模型來(lái)評(píng)價(jià)水環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和 沉積物以及其它污染物。如利用貝葉斯概念 (Bayesian Concepts)和組合神經(jīng)網(wǎng) Word 文檔 絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)集水流域的徑流量。研究的對(duì)象也由過(guò)去的污染物擴(kuò)展到現(xiàn)在的有害物 質(zhì)在水環(huán)境的積累、遷移和歸宿 冋。 4、 污染物對(duì)水環(huán)境及人體的暴露分析(Exposure An alysis) 由于許多復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物歸宿以及遷移過(guò)程在多介質(zhì)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的污 染物會(huì)對(duì)人體或其它受體產(chǎn)生潛在的毒性暴露，

20、 因此，出現(xiàn)了用水質(zhì)模型進(jìn)行污 染物對(duì)水環(huán)境即人體的暴露分析 (Exposure Analysis)。Daniel J. Fisher et al 對(duì)水 生物有機(jī)體在有氨和無(wú)氨存在的條件下， 連續(xù)或間斷暴露于氯和溴下的相對(duì)準(zhǔn) 確的毒性進(jìn)行了研究。David A. Pillard et al.就苯并三唑和苯并三唑衍生物對(duì)三種 水生生物的毒性進(jìn)行了研究。 Jill A. Kostel et al 用一種新的實(shí)驗(yàn)室河流系統(tǒng)來(lái)研 究水生附著生物層中 PCBs(多氯聯(lián)苯)暴露的生態(tài)學(xué)影響。此外，污染物對(duì)人 體或生物的暴露分析的文獻(xiàn)報(bào)道還有很多，但許多研究都是在實(shí)驗(yàn)室條件下的模 擬，研究對(duì)象也比較單一，圍

21、也不廣泛，如何才能夠建立經(jīng)濟(jì)有效的對(duì)多種生物 體的綜合的暴露分析模型，還有待于環(huán)境科學(xué)工作者們?nèi)ヌ剿鳌?5、 水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行水環(huán)境研究和科學(xué)管理的基礎(chǔ)， 對(duì)于一條河流或一個(gè)水系， 準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)設(shè)置的原則應(yīng)當(dāng)是：在最低限量監(jiān)測(cè)斷面和采樣點(diǎn)的前提下獲得最 大限量的具有代表性的水環(huán)境質(zhì)量信息， 即既經(jīng)濟(jì)又合理、省時(shí)。對(duì)于河流或水 系的取樣點(diǎn)的最新研究采用地理信息系統(tǒng) (GIS)和模擬的退火算法等來(lái)優(yōu)化選 擇河流采樣點(diǎn)，Richard et al.曾經(jīng)使用修正的經(jīng)典容量技術(shù)來(lái)優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)， 通過(guò)引入修正的梯度搜索算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，該方法能夠適用于多種實(shí)際情 況，并且Wor

22、d 文檔 比由 Sharp 發(fā)表的河流取水點(diǎn)規(guī)劃的拓?fù)鋬?yōu)化方法更優(yōu)。Word 文檔 、現(xiàn)階段水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究存在的主要問(wèn)題 經(jīng)過(guò)多年的努力，水質(zhì)數(shù)學(xué)模型在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面獲得了極大進(jìn) 展，但其發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中還存在不少問(wèn)題。 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型現(xiàn)存問(wèn)題 圍 水質(zhì)模型現(xiàn)存問(wèn)題 主要表現(xiàn) 原因 空間維數(shù)有待提高、模擬圍不 未開發(fā)出在國(guó)外廣泛使用的模型軟件 經(jīng)濟(jì)原因使開發(fā)單位常依據(jù)具體研究對(duì)象特 全面, ,前后處理能力以及通 能夠模擬的水質(zhì)變量有限綜合考慮點(diǎn)源 點(diǎn)開發(fā)模型；對(duì)多種水質(zhì)變量的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律 用性不強(qiáng)水質(zhì)與水動(dòng)力模型 與非點(diǎn)源關(guān)系的模型鮮見數(shù)據(jù)的分析、 認(rèn)識(shí)不足；各學(xué)科之間交叉不夠；水

23、體流場(chǎng)常 國(guó) 的耦合不夠 計(jì)算、查詢與顯示能力欠缺，模擬結(jié)果缺 被作為已知值或忽略水體流速的空間分布差 乏交互性不能真實(shí)地反映水體對(duì)污染物 異 物理遷移過(guò)程的影響 缺乏必要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn) 實(shí)際應(yīng)用中常需大量簡(jiǎn)化，許多模型參數(shù) 經(jīng)濟(jì)實(shí)力不強(qiáng)，基礎(chǔ)條件薄弱環(huán)境保護(hù)工作 支持 只能被看作是常數(shù)或者被忽略 投人不足 國(guó) 對(duì)數(shù)據(jù)要求高，在缺乏充足水 前期工作量大、建設(shè)周期長(zhǎng)，許多參數(shù)難 模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多，模型應(yīng)用需完備的 外 質(zhì)資料的國(guó)家與地區(qū)使用率 以準(zhǔn)確度量與估計(jì) 監(jiān)測(cè)資料與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐 低, ,具體使用時(shí)常要簡(jiǎn)化 缺乏統(tǒng)一考慮地下水與地表 二者基本互相獨(dú)立，彼此間的影響只作為 表達(dá)二者之間

24、相互轉(zhuǎn)換量的數(shù)值模擬模型難 水之間相互轉(zhuǎn)換的綜合水質(zhì) 一種邊界條件來(lái)體現(xiàn) 于計(jì)算 模型 大多數(shù)模型的源代碼未公開 使用者難以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行 經(jīng)濟(jì)原因，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù) 或無(wú)法獲得技術(shù)支持，不利于 改進(jìn)或者二次開發(fā) 國(guó) 學(xué)習(xí)與交流 外 模擬結(jié)果不精確 模型參數(shù)需反復(fù)率定，模型的的模擬結(jié) 污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理未完全明確； 水 果只是對(duì)實(shí)際情況的近似體現(xiàn) 質(zhì)模型本身及求解過(guò)程中存在不確定性 事故預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)分析能力有 確定性的模型輸出結(jié)果，提供的水質(zhì)信息 由確定性模型的本質(zhì)決定 待加強(qiáng) 不夠豐富 不確定性研究不足，確定性與 研究多集中在假設(shè)河道均勻的一維、穩(wěn) 不確定性模型的研究還處于探索階段

25、對(duì)各種 Word 文檔 多種不確定性研究方法在水 態(tài)方面；各種不確定性方法的耦合多局 不確定性理論原理認(rèn)識(shí)不足，多學(xué)科之間的交 質(zhì)模型中的耦合還有待完善 限于水質(zhì)評(píng)價(jià)模型當(dāng)中 叉不夠 四、水質(zhì)模型研究的發(fā)展趨勢(shì) 綜觀水質(zhì)模型的研究歷史和應(yīng)用前景以及水環(huán)境科學(xué)今后的發(fā)展， 筆者認(rèn)為水質(zhì) 模型研究的發(fā)展趨勢(shì)為模型的非線性解析方法的研究， 這一領(lǐng)域的主流可能為 1、 模型不確定性的分析 由于水環(huán)境的復(fù)雜性，在利用非線性規(guī)劃方法來(lái)建立水質(zhì)模型過(guò)程中， 不可能把 所有影響因素都考慮進(jìn)去，一般只把那些主要因素考慮進(jìn)去而忽略那些次要因 素。因此，不可避免地會(huì)給模型的結(jié)果產(chǎn)生不確定性， 模型不確定性有模型參數(shù)

26、 的不確定性和模型解析的不確定性。克服這些不確定性對(duì)模型預(yù)測(cè)精度和可靠性 的負(fù)面影響的研究，是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期水質(zhì)模型研究的重點(diǎn)。 2、 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）的水質(zhì)模型的研究 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件及軟件技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計(jì)算機(jī)必將在計(jì) 算能力方面，人工智能模擬能力方面取得巨大的進(jìn)步。 因此，以之為基礎(chǔ)的人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）在水質(zhì)模型方面的應(yīng)用研究必將隨著人工智能模擬的進(jìn)步而 取得蓬勃發(fā)展，而對(duì)此方面的研究相信會(huì)成為環(huán)境科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。 3、 基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的水質(zhì)模型的研究 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)成像技術(shù)方面取得巨大的成 就，與之緊

27、密相連的地理信息系統(tǒng)（GIS）必將在水環(huán)境科學(xué)中有廣闊的應(yīng)用前 景。Word 文檔 目前，對(duì)這一方面的研究國(guó)際上已有眾多報(bào)道， 但在實(shí)踐中的應(yīng)用還沒有取 得滿意的結(jié)果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地理信息系統(tǒng) (GIS)在水污染控制方 面的實(shí)踐應(yīng)用將會(huì)更加完善，并取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。 五、總結(jié) 對(duì)比國(guó)外在水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的研究與應(yīng)用方面所取得的成就，國(guó)還存在著很大差 距。這種差距主要體現(xiàn)在模型開發(fā)的通用性、 全面性、界面以及模型建立所需的 資料等方面。當(dāng)然，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及民眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)， 通過(guò)我們的 努力，就能與發(fā)達(dá)國(guó)家縮小明顯差距?？v觀國(guó)外水質(zhì)模型的研究不論是模型的空 間維數(shù)，還是可以模擬的

28、水質(zhì)組分都達(dá)到了一個(gè)很高的發(fā)展階段，多維模型軟件 用成熟，水質(zhì)模擬組分最多可達(dá)二三十個(gè)，不僅能對(duì)“非生命物質(zhì)”，如有機(jī)污染 指標(biāo) BOD、DO、泥沙、重金屬、油、懸浮顆粒物、有機(jī)有毒物質(zhì)進(jìn)行模擬，還 可以對(duì)諸如藻類、浮游生物、底棲動(dòng)物等水生生物進(jìn)行模擬； 模型的應(yīng)用圍也由 單一的湖泊、水庫(kù)、河流向流域性綜合水域發(fā)展，地理信息系統(tǒng)在模型中得到了 廣泛應(yīng)用，但綜合性以及不確定性水質(zhì)模型研究不足等諸多問(wèn)題還有待進(jìn)一步解 決。綜合考慮地表徑流、地下水流以及水生生態(tài)系統(tǒng)的水動(dòng)力與水質(zhì)模型系統(tǒng)以 及水質(zhì)模型不確定性的研究在現(xiàn)在以及將來(lái)都將是國(guó)外水質(zhì)模型研究的重要方 向。 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型融合了許多學(xué)科的知識(shí)， 具有明顯的交叉學(xué)科性質(zhì)，因此將其 發(fā)展完善還需要一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程。 參考文獻(xiàn)： 【1】 傅國(guó)偉， 程聲通水污染控制規(guī)劃 1M2.:清華大學(xué)，1985。 【2】.環(huán)境水質(zhì)模型概論 1M2.中國(guó)科技大學(xué)，1996。 【3】葉常明.水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展 1J2.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，199