四种国际通用的河流水质模型详解

水质模型，是描述参加水循环的水体中个水质的变化规律和相互影响关系的数学方法。是基于水文、水动力学、水质变化规律等相关知识，通过建立数学方法和模拟算法来模拟水体中各种污染物扩散、转化和去除的过程。水质模型是评估水体的水质状况、预测水质变化趋势、辅助水环境管理决策和污染事件响应与应急管理的重要工具。

国际上主要的水质模型有QUA12E(Q2E）河流水质模型、QUA12K(Q2K）河流水质模型、CE-QUAL-W2 二维水质和水动力模型、CE-QUAL-RIV1一维动态模型。

• QUA12E(Q2E）河流水质模型

Q2E是一个通用的河流水质模型，可依据用户的需求，组合模拟15种水质成分，包括：溶解氧、生化需氧量、温度、叶绿素a、有机氮、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、有机磷、溶解磷、大肠杆菌等。

Q2E可以模拟包含任何支流的一维河流系统。第一步是把河流划分成7个不同的单元，分别是：

① 源头单元，主河道和各个支流的起始处；

② 标准单元，与其他6个单元不符合的一种计算单元；

③ 交汇处的上一个计算单元，主河道中直流和主河道交汇处的上一个计算单元；

④ 交汇处的计算单元，支流进入主河道的交汇处的计算单元

⑤ 系统的最后一个计算单元，一个河流系统时的最后一个计算单元

⑥ 输入单元，废物排放、未模拟的支流

⑦ 输出单元

该模型的局限：

① 河段最多25个

② 每个河段的计算单元不超过20个

③ 源头最多为7个

④ 汇合单元最多为6个

⑤输入和输出单元最多为25个

该模型的结构

由51个子程序和1个主程序组成，通过简单地添加1个适当的子程序，可以加入心的状态变量或通过对模型的最小重组修改已经存在的关系。

• QUA12K(Q2K）河流水质模型

Q2K是Q2E的最新版本，其主要组分包括：溶解氧、叶绿素a、浮游藻类、大肠杆菌、总悬浮物固体、底泥耗氧、生化需氧量、溶解磷、有机磷、有机氮、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等，交互如下：

• CE-QUAL-W2 二维水质和水动力模型

CE-QUAL-W2是二维水质和水动力模型，适用于地表水水域，如湖泊、水库、河口等，该模型预测了水面高程、流速和温度。

由于温度对水浓度的影响而被包含在水动力学计算中。除温度外，水质的算法还包含了21种组分。

CE-QUAL-W2的结构主要包括以下几个方面：

1. 水动力学模块，包括水体的流动、水位变化、湖底沉积物的悬移输运等。它基于有限元方法或有限差分方法，通过求解水力方程和动量方程来模拟水体的流动和湖底沉积物的运动。

2. 水质模块，包括溶解氧平衡、营养盐循环、有机物的降解、藻类生长和光合作用等。它基于质量守恒方程和动态物质平衡方程，通过考虑生物、化学和物理过程来模拟水质的变化。

3. 生态模块，包括藻类、浮游生物、底栖生物等的生长、死亡和迁移。它可以模拟生态系统的相互作用和生物群落的演变，对水体水质和生态环境的动态变化进行综合分析。

4. 边界条件和输入数据，如水体的初始状态、边界流量和水位、气象条件、底质特性等。这些数据对于模拟和预测水体的水质和水动力状况至关重要。

• CE-QUAL-RIV1一维动态模型

CE-QUAL-RIV1是动态、一维的模型，可以模拟河流和有水流运动的水库中的水质。沿水流方向上的变化很重要，垂直和横向的变化都可以被忽略。可以模拟支流和控制结构，尤其是高速非恒定流，主要模拟的水质组分包括温度、大肠杆菌、氮、生化需氧量、藻类、磷、溶解氧、金属。

CE-QUAL-RIV1的特点如下：

1. 一维模拟，更关注河流的纵向变化。在模拟过程中，垂直和横向的变化可以被忽略，这有助于简化模型的计算和应用。

2. 水动力模拟，考虑了河流中的水动力过程，包括流速、流量、水位、河床形态等。它能够模拟高速非恒定流动，并考虑支流和控制结构的影响。

3. 水质模拟多种水质组分，包括温度、大肠杆菌、氮、生化需氧量（BOD）、藻类、磷、溶解氧、金属等。它考虑了这些水质组分在河流中的输运、转化和影响因素。

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