潮汐平原河网水质模拟研究展望

　　摘要：本文论述了河网地区水动力、水质模拟方法的发展过程及其在生产实践中的应用状况，提出了潮汐河网水质模拟存在的问题，并从理论与应用角度分析了潮汐河网水质模拟的发展趋势。
　　关键词：潮汐河网；水流；水质；数值模拟
　　中图分类号：X12文献标识码：A文章编号：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
　　人类得以生息繁衍非常重要的一个场所就是河网，这也是我国社会经济及文化都比较发达的区域。但是，对水质造成的污染也是最为严重的地区。随着水环境质量的恶化现象越来越严重，对河网地区的环境以及经济的持续性发展都造成了非常大的阻碍。
　　为了使平原河网的水污染得到有效的治理及改善，就一定要对平原河网水污染的控制理论以及技术深入进行研究，其中研究水质模拟的方法就是非常关键的一部分。
　　潮汐平原河网最显著特点就是受潮汐的影响，水位和流量随时间变化明显，潮汐平原河网的水质不但会受到上游河段的污染，并且潮汐的影响也会产生非常大的后果，从而影响到水流流向顺逆不定，可能出现水流同向或异向（相向或相背）等多种流态，各种污染物在河网内部来回震荡，水质呈复杂的动态变化。
　　因为我国的理论以及技术等很多方面都存在不完善的地方，实际模拟潮汐平原河网的水质还不是特别满意。所以，对潮汐平原河网问题的研究一直是国内外环保工作者倾心研究的重要课题。
　　1 潮汐河网数值模拟的研究进展
　　1.1 河网水动力计算的研究进展
　　水质模拟就是对水质要素在水环境中，所产生的不同物理、化学以及生物，实际的变化情况进行分析。相比较水环境当中的动力学因素来说，比如水的体积、流量还有水深有非常紧密的关系。所以，水质模拟最为基础的部分就是计算水动力学。
　　对河网地区的河道水流运动进行描述的方程组是Saint- Venant，河网水力计算可归结为一维Saint- Venant方程组的求解问题。在1953年的时候，Stoker就已经把完整的Saint- Venant方程组计算出来河流洪水，从此就慢慢制作了完整的Saint- Venant方程组的数学模型。对于方程组求解，在1971年由Fread提出关于五对角元的压缩存贮消元法。在1975年的时候，Cunge提出了双追赶方法。到了1977年，我国的李岳生专家就提出了河网非恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法。但是，采用该方法计算方程组的规模还是比较大，实际的应用效果也不是特别满意。这也慢慢研发出了组合单元解法还有分级解法。
　　其中“组合单元解法” 就是在1975年的时候，法国的水力学专家Jean A. Cunge首次提出。由于此方法对河道进行了简单概化，对精度受损进行模拟。所以，这一方法只能在大尺度的水环境规划中进行应用。现阶段在生产实践过程中还没有得到广泛应用。
　　在1976年的时候，由荷兰水力学的专家Dronkers首次提出了分级解法的思想，之后经过很多学者专家的深入研究优化，也逐渐提出了河网非恒定流的二级解法[1]、三级解法[2]、以及四级解法[3]。为了进一步对圣维南方程组进行优化求解，国内外学者又提出了汊点分组解法[4]，矩阵标识法[5]，松弛迭代法[6]等。
　　由于分级解法能够对每一条河道的水流狀况精准的进行计算，并且理论方面相对较为完善。已经成了现阶段模拟河网水力最为常用的一种方法[7]。因为三级解法能够模拟单一的河道，并且可以对降雨等外界因素充分考虑，有非常高的计算精度，能够有效满足航运以及环境保护的需要。
　　1.2 河网水质计算的研究进展
　　水质模型是根据质量守恒原理，用数学的语言和方法描述参加水体中水质组分所发生的物理、化学、生物等方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型。对水质模型的研究，能够对水体污染物迁移转化的机理有充分的了解，从而对废水排入天然水域的水质浓度场进行准确的分析，进而对河流的纳污能力进行确定。充分考虑上述的因素，对污染物的排放标准进行设定，对水域污染控制规划以及对环境管理与水资源管理政策的制定有非常重要的作用。所以，模拟河流水质是近些年研究最为深入的话题之一。现阶段们已经有很多的研究成果，应用到了流域的水质规划及管理工作中。
　　Streeter和Phelps于1925年在Ohio河上第一次建立水质模型，模拟河流或者是河口生物化学需氧量以及溶解氧BOD-DO。在1979年的时候，Singh. H就研发除了一种稳态的、确定性的一维河网水质模型。到了1980年，Couillard. D与Cluis. DA等人搭建了污染负荷的河网水质模型，而且把这一模型也在Saint-Francois流域中进行了应用，从而获取了流域中的最大氮、磷的浓度。

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