潘小保，蔡 斌，柳 杨，谢 忱，丁 瑞

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210000；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200000)

平原河网区通过调水引流引入优质水源，合理的调度运行，既可以增加引入清水量，有效增加河道水环境容量，也可以增大流速，提高河水的复氧、自净能力，是迅速有效改善水环境质量的综合治理措施之一。本文就国内外调水引流提升水环境及利用数学模型模拟改善效果的研究进行综述，以期为水资源高效利用、水环境改善提供参考。

1 调水引流

1.1 调水引流对河网水质的改善效果

引清调水的作用不只是增加水量、稀释污水、增加水环境容量，更重要的是激活水流，增加流速，使水体中氧的浓度增加，水体的自净系数k值增大，水体的自净能力增强，水生微生物、植物的数量和种类也相应增加，水生生物活性增强，通过多种生物的新陈代谢作用达到净化水质的目的。在感潮河网地区，充分利用充沛的过境清水和感潮河网的潮汐水动力特性，发挥己建水利工程的作用进行调度，促进水体良性循环，具有效果好、费用低、运行管理相对简单的特点。

日本最早通过水资源调度改善河道水质的工作，东京1964年从利根川和荒川引入清水改善隅田川水质从而开启了引清调水的先河[1]；此外，如美国引密西西比河入Pontchartrain湖的引水工程[2]、荷兰Veluwemeetr湖的引换水工程[3]，都获得了良好的水质改善效果。

国内自20世纪80年代末开始有引水冲污、引清调水改善水环境的试验尝试[4- 5]，当时已能根据引水工程运行现状，对河道水质的改善进行定性和定量评估。21世纪以来，常熟、昆山等地[6- 7]在引水试验现场监测水量、水质的基础上，结合MIKE11等水量水质数学模型，模拟不同工况下不同引水量的水质改善效果，以此指导引水方案的制定。上海市[8]制定了引清调水的常规方案和应对雨天市政泵站放江或突发性船舶污染事故的应急预案，确保了引清调水效果的长效性；无锡、常州等沿江地区[9- 10]在泵引基础上利用长江潮差引水改善平原河网水环境，改善效果明显，且减少了能源消耗；南通市[11]利用水量水质模型进行了不同分区的调水水量分配计算，分析了不同轮次调水对河网COD、NH3-N浓度的改善效果；南京市[12]分别对枯水期、汛期不同引水规模、闸控方式和引水方式的引调水方案进行了水量水质的数值模拟，很好地将水环境调度和防汛调度相结合，在稳步提升水环境的同时不影响防汛安全；浙江省杭嘉湖地区[13]运用水量水质数学模型模拟发现，阶段性引调水的效率优于连续性引调水，能在减少实际引调水历时与水量的同时，达到与连续性引调水相近的改善水质效果。

大量的调水引流试验，一方面验证了调水引流改善水环境的效果，也进一步探讨了引水规模、引水方式、闸泵堰等的联合调度对改善效果的影响、水环境调度与防汛调度的冲突解决、水环境调度在突发污染事件中的应用、平原感潮河网区利用大河潮差引水等等，为其他地区水环境改善提供了很好地借鉴意义。

1.2 综合施策

将截污控源、河道整治等水环境治理措施结合调水引流综合施策，能够更好地提升水环境。浙江省平湖市[14]运用水量水质数学模型，以主要污染物氨氮、COD、TP的实测数据为依据，计算出达到水质改善目标应削减的污染负荷；浙江温黄平原[15]运用数学模型，模拟不同污染物削减量和不同引水量组合下的水质状况。

综上，国内外学者在调水引流提升水环境方面做了大量的工作，但目前水动力指标对河网水质指标影响的定量关系仍然不够明确，需要进一步建立水动力与水质指标的定量关系，从而可以依据不同水量水质状况、污染物排放状况制定调水方案，并精确预测水质改善效果，实现水资源调度的数字化、科学化和精细化。

2 数学模型

2.1 水动力数学模型

河网水动力数学模型大体可以分为节点-河道模型、单元划分模型、混合模型以及人工神经网络模型4类。目前，河网水动力模型仍然以节点-河道模型为主，对Saint-Venant方程组离散求解。其基本思想是：将河网中的每一河道视为单一河道，其控制方程均为一维Saint-Venant方程组；河道连接处称为节点，每个节点处均应满足水流连续性方程和能量守恒方程。求解由边界条件、Saint-Venant方程组和节点衔接方程联立闭合方程组，即可得到各河段内部断面的未知水力要素。

20世纪20年代，Sterneck和Defant首次采用一维水动力模拟对河流进行模拟，并取得一定的研究进展。1953年Stocks初次将Saint-Venant方程成功应用于洪水的计算[16]。一维水动力的提出为二维的水动力奠定了有效的基础。1970—1980年，有限差分法的提出使得二维模型有了巨大的进展。1979年Van Leer根据单调插值将一阶格式推广到了二阶精度[17]。1980年至今，三维模型得到快速的发展和成熟的应用，其在水动力垂向结构变化较大时的适用性比一维和二维更强[18- 20]。

我国在水动力模型的研究上己有大量的研究成果。2013年，钱海平等人对平原地区的感潮河网进行研究分析，说明MIKE 11模型能够模拟出感潮河网的水动力特征[14]。2015年，黄轶康等人建立EFDC模型对长江溢油事故的风险进行了预测，准确地反映研究区域内的溢油扩展与油膜迁移运动的规律[21]。

利用水动力模型对调水引流后的河流流速、流量、水位等水动力要素进行模拟，可以更好地指导调水引流的设计方案，通过控导工程进行水资源配置，实现平原河网区河网按需配水、有序流动。

2.2 水质数学模型

水质数学模型是根据物质守恒的原理来描述不同污染物质在水中迁移转化过程和规律，可为预测未来水质及预防提供决策支持。按照水质类型的时空分布，水质模型主要由零维水质模型、一维水质模型、二维水质模型和三维水质模型组成。从1925年斯特里特(H.W.Streeter和费尔普斯(E. B.Phelps)建立了S-P模型开始至今[22]，水质数学模型经历了五个发展阶段[23- 24]。第一阶段(1925—1960年)以S-P模型为代表，后来科学家在其基础上成功地发展了BOD-DO耦合模型，并应用于水质预测等方面；第二阶段(1960—1965年)在S-P模型的基础上又有了新的发展，引进了空间变量、物理、动力学系数，温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库(湖泊)模型，同时考虑了空气和水表面的热交换，并将其用于比较复杂的系统；第三阶段(1965—1970年)其他输入源和漏源包括氮化合物好氧(NOD)、光合作用、藻类的呼吸以及沉降、再悬浮等等，计算机的成功应用使水质数学模型的研究取得了突破性的进展；第四阶段(1970—1975年)水质模型已发展成相互作用的线性化体系、生态水质模型的研究初见端倪，有限元模型用于两维体系，有限差分技术应用于水质模型的计算；第五阶段(近20多年)科学家的注意力己逐渐地转移到改善模型的可靠性和评价能力的研究上。

我国水质数学模型的起步较晚，但经过一段时间的完善后也日益发展成熟。2013年，朱茂森采用了MIKE 11模型对辽河流域的污染物在水体中迁移扩散进行模拟，模拟出污染物的迁移扩散和衰减过程[25]。2014年，张文时构建EFDC模型对重庆赵家溪的水动力水质进行模拟，模型的误差值均小于30%[26]。

利用水质模型对调水引流后的河流中高锰酸盐指数、氨氮、总磷、溶解氧、透明度、温度、pH等水质要素进行模拟，可以更好地预见调水引流后的水质改善效果，为水质预测、预防提供决策支持。

2.3 数学模型评价

从20世纪70年代开始，水环境数值模型得到了快速的发展。国内外常用的水动力-水质模型有EFDC、MIKE、Delft3D、WASP等，常见模型主要功能和适用水体及优点见表1[27]。

表1 常见模型主要功能、适用水体、主要优点

3 结论

国内外近年来对调水引流提升水环境、数学模型模拟水质改善效果等展开了广泛而深入的研究，但在以下方面仍然有待进一步研究。

(1)目前水动力对河网水质影响的定量关系仍不够不明确，需要进一步建立水动力与水质指标的定量关系，从而进一步提高水质模拟精度，为精准化调度提供依据；

(2)目前国内外已有的模型多为单一尺度，常用的MIKE、Delft3D、ICM等商用软件不具备多级耦合模拟功能，需要对河网进行分级建模，双向嵌套，依据用户需求，自由选择模拟尺度。