三峽水庫(kù)的水質(zhì)模型隨著大型水利水電工程的建設(shè)，人類(lèi)能夠?qū)λY源進(jìn)行更加有效的管理和充分的利用，取得了巨大的防洪、發(fā)電、航運(yùn)等效益。但是工程建成后，不可避免的帶來(lái)了一些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題隨著時(shí)間的發(fā)展,在水庫(kù)的調(diào)度過(guò)程中將生態(tài)因子作為水庫(kù)調(diào)度的重要目標(biāo)之一。同時(shí)由于流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)己很難滿(mǎn)足研究的需要,數(shù)值模擬成為研究流體力學(xué)方便和強(qiáng)有力的手段。三峽水庫(kù)建成后,非汛期，三峽水庫(kù)蓄水至175m,電站采取調(diào)峰運(yùn)行模式。由于庫(kù)水位提高和調(diào)峰運(yùn)行，改變了天然河道的流態(tài)，引起水庫(kù)各種環(huán)境問(wèn)題。另一方面來(lái)講，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展,環(huán)境信息系統(tǒng)的各方面性能取得了很大進(jìn)步,其中數(shù)據(jù)傳輸、資料查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析等功能都有了明顯提高。與此同時(shí)，人們研究了各種環(huán)境模型，針對(duì)當(dāng)前的不同環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析和預(yù)測(cè),并取得了顯著的成果。所以，使用信息技術(shù)與環(huán)境模型的方法，來(lái)解決三峽水庫(kù)的各種環(huán)境問(wèn)題也是一個(gè)較好的選擇。利用水質(zhì)模型的知識(shí)，對(duì)于三峽水庫(kù)進(jìn)行一個(gè)大致研究。經(jīng)過(guò)調(diào)查可知，三峽水庫(kù)與一般的湖泊有著顯著區(qū)別。首先其流速分布不均，干流流速與支流流速,干流中心的流速與岸邊流速，一般情況下的流速與彎道、回流沱之間的流速之間都有很大差別;其次，流場(chǎng)不同位置間存在巨大的水深差異;另外，不同季節(jié)的氣溫對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)影響也有很大差別。在對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)模型進(jìn)行建立的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)上述建立的水深、流速、溫度以及營(yíng)養(yǎng)鹽與富營(yíng)養(yǎng)化的初步映射關(guān)系，在GIS系統(tǒng)的支持下，建立整個(gè)水庫(kù)干流、支流的水體總體富營(yíng)養(yǎng)化程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系，來(lái)相應(yīng)更好的建立模型。由于三峽水庫(kù)水環(huán)境管理信息系統(tǒng)針對(duì)庫(kù)區(qū)區(qū)域水環(huán)境問(wèn)題涉及因素多、信息量大變化復(fù)雜等特點(diǎn)，采用GIS和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)水污染資料的管理和相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)。另外，三峽水庫(kù)蓄水后,庫(kù)區(qū)江段水位抬高，水面變寬，流速減小，水庫(kù)的污染狀況將發(fā)生新的變化。為了預(yù)測(cè)水庫(kù)水質(zhì)的變化，提前作出預(yù)警預(yù)報(bào)，可以選擇建立了多個(gè)水流水質(zhì)模型,對(duì)水庫(kù)的水流水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬，然后在三峽水庫(kù)水環(huán)境管理信息系統(tǒng)中集成某些合適的水質(zhì)模型，提高系統(tǒng)的水質(zhì)預(yù)測(cè)能力，對(duì)于三峽水庫(kù)的水質(zhì)管理和污染事故的預(yù)警預(yù)報(bào)，防治水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)一步惡化,具有重要的實(shí)用價(jià)值?？傮w來(lái)說(shuō)，三峽水庫(kù)蓄水后可能面臨的主要水污染問(wèn)題是近岸水體質(zhì)量的惡化以及可能出現(xiàn)的庫(kù)首水體溫度分層和意外水污染事故。所以在此我們?cè)O(shè)想并大致計(jì)算了5個(gè)不同的水質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)它們與三峽水庫(kù)水環(huán)境管理信息系統(tǒng)的有效連接，用于預(yù)測(cè)和分析三峽水庫(kù)各種的水污染問(wèn)題。下面分別對(duì)這些模型的功能和應(yīng)用范圍進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：庫(kù)區(qū)一維模型。三峽水庫(kù)是一個(gè)河道型水庫(kù),具有典型的河道特性。采用一維水質(zhì)模型模擬600多km整個(gè)庫(kù)區(qū)水流及污染物的輸移擴(kuò)散便于人們把握三峽水庫(kù)的水質(zhì)整體狀況制定水庫(kù)水污染控制的整體規(guī)劃。另外，一維水質(zhì)模型還可以為二維、三維水質(zhì)模型提供必要的邊界條件。岸邊二維模型。三峽水庫(kù)當(dāng)前的污染主要表現(xiàn)為岸邊污水排放在一維水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)上,采用深度平均的二維水質(zhì)模型計(jì)算岸邊排放的污水口附近的水流及污染分布，有利于人們預(yù)測(cè)三峽水庫(kù)的岸邊污染情況和發(fā)展趨勢(shì),及時(shí)地提出相應(yīng)控制措施。⑶(分層三維模型。三峽水庫(kù)正常蓄水位達(dá)175m,很大水域的水深將超過(guò)100m,深度平均二維模型難以正確反映污染物濃度的垂向分布，采用分層三維水質(zhì)模型，可以大大提高水深較大區(qū)域岸邊污染混合區(qū)范圍的預(yù)測(cè)精度。垂向水溫模型。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷三峽水庫(kù)蓄水后將成為弱分層水庫(kù)，可能在夏季出現(xiàn)水溫分層，水庫(kù)分層對(duì)水庫(kù)水質(zhì)以及下游生態(tài)的影響很大。垂向水溫模型將用來(lái)預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫分層結(jié)構(gòu)和下泄水溫過(guò)程。污染事故預(yù)警模型。污染事故預(yù)警模型采用簡(jiǎn)單的解析解，實(shí)現(xiàn)對(duì)三峽水庫(kù)庫(kù)首污染事故的快速預(yù)警預(yù)報(bào),以便采取緊急的必要措施,防止污染事故的進(jìn)一步擴(kuò)散。而污染事故的精確預(yù)報(bào)可以由二維或三維模型完成。在此選擇第一種模型即庫(kù)區(qū)一維模型的大致介紹以及部分應(yīng)用，如下所示:基本原理:描述明渠一維漸變非恒定流的基本方程式為:dAdQ+二qdt dxdQ6(Q2、—+—a—dtdx(A丿式子中：x,t一距離和時(shí)間的坐標(biāo)；Q一流量(m3/s);Z一水位(m);q一旁側(cè)人流流量(ms/s);C一謝才系數(shù)(mo'/s);R一水力半徑(m);a一動(dòng)量校正系數(shù)；g一重力加速度(耐52);此基本方程組稱(chēng)為圣維南方程組。圣維南方程組可以有多種形式取決與變量形式的不同，據(jù)水力計(jì)算的不同要求和初始、邊界條件來(lái)選用不同變量的方程組，并用數(shù)值方程求解。圣維南方程組屬于一階擬線(xiàn)性雙曲線(xiàn)型偏微分方程組，一般情況下無(wú)法求得其解析解，目前只能采用數(shù)值解和簡(jiǎn)化方法求其近似解。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值解成為了求解該方程組的主要方法。對(duì)圣維南方程組的離散按時(shí)間離散方法分為顯格式和隱格式兩種。由于隱格式具有穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，在河網(wǎng)計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。隱格式解法又分為直接求解法和分級(jí)求解法兩類(lèi)。(1)直接解法是直接求解由關(guān)于河道內(nèi)斷面處未知量的方程和邊界條件所對(duì)應(yīng)的方程組成的方程組。常用的方法如下:用Preissmalm格式對(duì)圣維南方程組。常用的方法如下:用Preissmann格式對(duì)圣維南方程組進(jìn)行差分,用循環(huán)系數(shù)法，結(jié)合邊界條件根據(jù)線(xiàn)性關(guān)系式就可求出各斷面的流量以及污染物濃度。但由于直接解法是早期河網(wǎng)計(jì)算中的方法在求解方程組時(shí)存在存儲(chǔ)量大，計(jì)算量大的問(wèn)題,從而直接影響了計(jì)算速度的提高。(2)二級(jí)解法的基本思想是將所有的邊界方程和河段方程一起構(gòu)成一個(gè)封閉的方程組，即是級(jí)連接方程組，求解這樣的方程組，便可以求得河網(wǎng)各河段未知量，然后再利用微段方程,求出全部?jī)?nèi)部計(jì)算斷面的未知量。(3)三級(jí)解法是在二級(jí)解法的基礎(chǔ)之上提出來(lái)的，它的基本思想是在二級(jí)解法的基礎(chǔ)上，將各河段的圣維南方程組隱式差分得河段方程，然后依次消元求出首尾斷面的水位流量關(guān)系式，將上步求出的關(guān)系式代入漢點(diǎn)連接條件和邊界方程得到以各漢點(diǎn)水位為未知量的求解矩陣，求解此矩陣得各漢點(diǎn)的水位,將漢點(diǎn)水位代入方程得漢點(diǎn)各斷面的流量，回代河段方程得所有的斷面水位流量。根據(jù)水庫(kù)水力特征采用一維推流式模型，設(shè)水流為推流流動(dòng)，并存在彌散作用，根據(jù)質(zhì)量守衡原理，注水流體內(nèi)某污染物濃度變化的微分方程為：kc+RTOC\o"1-5"\h\zt—時(shí)間 d；U—水流平均速度 m/d；x—水體平均距離 m；E —流水流向的彌散系數(shù) m2/d；K —某污染物衰減速率系數(shù)d-1；R—系統(tǒng)內(nèi)部因素引起的某污染物變化率 mg/（L.d）。穩(wěn)態(tài)時(shí)，即在任一斷面x處，水質(zhì)不隨時(shí)間變化。在實(shí)際中，尤其當(dāng)考察水質(zhì)的平均濃度時(shí)，穩(wěn)態(tài)是相對(duì)存在的。此時(shí)，dc/dt=0，上述公式變?yōu)槌?shù)方程：-kc+Rdc d-kc+R卩=Edx 0X2許多科學(xué)工作者用水質(zhì)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述水體自?xún)暨^(guò)程，根據(jù)物質(zhì)平衡原理建立連續(xù)模型的基本方程為：0C0C 0C 0C 0Bt卩——+v0C0C 0C 0C 0Bt卩——+v——+w—=——qBy Bx Bz Bx(By(0C、By丿Bz(zBz丿+Es(c,x，y,z,t)式中 c—河中某點(diǎn)給水某成分的濃度；卩、v、w—分別為河中某點(diǎn)在x（縱向）、y（垂向）、z（橫向）方向的流速分量；￡x、 ￡y、￡z—分別為X、y、z方向的擴(kuò)散系數(shù);t—時(shí)間；s—由于污染物化學(xué)和生物作用引起的衰減、沉降、吸附或增加。這個(gè)方程很復(fù)雜。在1925年斯特里斯特-費(fèi)爾普斯在研究俄亥俄河水質(zhì)時(shí)，提出了反映生物需氧量溶解氧變化的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。其基本形式：BlV1卩=-klBxI、O—分別為距起始斷面距離x處的BOD5的溶解氧濃度（mg/L）；卩一斷面平均流速（m/L）；x—距離起始斷面的距離。這個(gè)公式簡(jiǎn)單明了，較好的反映了水體有機(jī)污染和規(guī)律，至今較廣泛的使用。后來(lái)許多水質(zhì)模型都是在這個(gè)基礎(chǔ)上補(bǔ)充和發(fā)展的。水質(zhì)模型是按照一定的程序建立起來(lái)的，雖然按照模型建立的目的、期限與考慮的因素不同，建立的過(guò)程也有所不同，但一般來(lái)說(shuō)建立模型的程序有以下幾個(gè)步驟：（1）模型的構(gòu)思；（2）數(shù)學(xué)表達(dá)；（3）修正（如由于計(jì)算的需要進(jìn)行差分或有限元分段等）；（4）標(biāo)定；（5）檢驗(yàn)；（6）定型；（7）應(yīng)用。在實(shí)際工作中，一般都應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)發(fā)的水質(zhì)模型。此時(shí)，只需要對(duì)所選用的水質(zhì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的識(shí)別和參數(shù)的估值。模型的標(biāo)定：是利用一組或幾組已觀測(cè)到的輸入和輸出數(shù)據(jù)，對(duì)所選用的模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、修改和定型。模型的檢驗(yàn)：是利用另外一組獨(dú)立的輸入和輸出的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)已標(biāo)定過(guò)的模型，驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是否符合要求。水質(zhì)模型的標(biāo)定與驗(yàn)證,也可統(tǒng)稱(chēng)為水質(zhì)系統(tǒng)的識(shí)別。其目的和任務(wù)就在于確定水質(zhì)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，后者也稱(chēng)為參數(shù)估值。水質(zhì)模型的識(shí)別與一般工程系統(tǒng)有所不同，一般工程系統(tǒng)可以較自由地選擇它的輸入函數(shù)，并借助于各種精密器對(duì)其輸出進(jìn)行測(cè)量以取得標(biāo)定和驗(yàn)證模型所必須的各種數(shù)據(jù)。水環(huán)境系統(tǒng)分析是指對(duì)水環(huán)境各個(gè)要素進(jìn)行單項(xiàng)及綜合分析。對(duì)于庫(kù)區(qū)污染源的調(diào)查與監(jiān)測(cè)主要包括以下幾個(gè)方面：1、富營(yíng)養(yǎng)化污染；2、金屬與非金屬毒物；3、病原微生物污染；4、需氧有機(jī)污染物。在水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀分析中，需要依據(jù)實(shí)際情況調(diào)查和了解各類(lèi)污染及其來(lái)源。除了上述四種類(lèi)別外，還可能有其他種類(lèi)，如放射性污染源等?？傊?，在可能的條件下，盡可能多地從環(huán)保部門(mén)、水資源環(huán)保部門(mén)、水利部門(mén)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站收集各方面的數(shù)據(jù)和資料，加以整理、歸納和分類(lèi)。水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家和地方水環(huán)境規(guī)劃的目標(biāo)和方向，是環(huán)境管理的基礎(chǔ)。迄今，國(guó)家頒布了一系列水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，他們是開(kāi)展水環(huán)境質(zhì)量底泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、水生物生態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)合到地面水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的選擇與分析問(wèn)題。本文討論了三峽水庫(kù)水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)該模型的具體應(yīng)用情況及其相關(guān)問(wèn)題都給予了介紹和詳細(xì)的分析。水質(zhì)模型是按照一定的程序建立起來(lái)的，雖然按照模型建立的目的、期限與考慮的因素不同，建立的過(guò)程也有所不同，但一般來(lái)說(shuō)建立模型的程序有以下幾個(gè)步驟：1、模型的構(gòu)思；2、數(shù)學(xué)表達(dá)；3、修正（如由于計(jì)算的需要進(jìn)行差分或有限元分段等）4、標(biāo)定；5、檢驗(yàn)；6、定型；7、應(yīng)用。水庫(kù)在建成以后，因改變河流天然狀況及水庫(kù)內(nèi)外水力條件而可