水质模型建立的一般步骤是(基于QUAL2K模型的水质模拟与水质风险评价)

随着社会经济的快速发展和人口基数的不断增加，水资源危机已经成为当今世界许多国家面临的严重问题。中国水资源总量相当丰富，但水资源时空分布不平衡，与人口和耕地分布不相适应。同时，随着城市化的加剧和工业化的快速发展，水资源短缺和资源短缺导致对水资源的社会经济约束日益突出，作为工业和生活用水的主要来源，河流的污染严重威胁着人们的生活环境，因此对河流水质风险进行定量评估的必要性尤为突出。

河流水质模型已广泛应用于水环环境管理，包括污染物模拟与预测、水环环境管理规划和水质评价。运用数学模型对对，河水污染进行控制是非常有效的，可以分析水环，各种污染物的状态和演变规律，为水环流域的优化管理提供决策依据[1-2]。本文遵循实用性、先进性、可行性、简明性和现实性的基本原则，考虑到模型数据的可用性和模型的广泛适用性，选择对数据需求较少的QUAL2K水质模型作为水质模拟和风险评估的模型工具。QUAL2K模型作为一种功能强大的水质计算模型，在可视化和结果显示方面稍显薄弱，因此尚未在水环环境管理决策支持等应用领域得到广泛应用。本研究针对对，在这方面研究的不足，建立了基于B/S结构的QUAL2K模型，并利用ArcGIS Server组件实现了一维河流水质模拟和风险分析。模型系统的具体设计框架见图1。1模型集成和方法

1.1 QUAL 2K模型简介QUAL模型由美国德克萨斯州水资源开发部于1971年开发完成，qual-I模型是其最早的形式[3]；随后，美国水利工程公司和美国环保局于1972年联合开发了第一版QUAL-型，并根据各版对型的优良特性进行了更新；1982年，美国环保局引入QUAL2E模型，用有限差分法，法求解一维平流弥散物的输运过程，用反应方程求解河网水质，用隐式逆差分法法求解稳态或非稳态水质，但QUAL2E模型仍存在一些不足[4-8]。在对对QUAL2E模型进行多次修改和功能扩展后，美国环保局于2003年推出了最新的QUAL2K版本。后来，Pelletier等人[10]在qual2k模型的基础上开发了QUAL2Kw模型。该模型可在Windows界面下操作，并可通过VBA程序对qual2k模型进行修改。QUAL系列模型可以模拟多点源和线源的污水排放、取水、支流流入和流出，也可以模拟简单的水工建筑物，如增加多个溢流堰。该模型能够模拟13个水质指标、3个常用组分等指标，通用性强，对对数据的需求小，在国内外得到了广泛应用[9-14]。

1.2 QUAL2K模型集成(1)转化水质模型

在本研究中，QUAL2K模型的EXCEL接口用于通过兴趣点的B/S模式转化。利用JAVA调用VBA计算程序，转化原有的EXCEL输入界面是一个基于建模过程指导的数据输入表单，帮助用户进行水质建模，其中数据输入界面包括基础信息、河道信息、初始水质信息、污染源信息和水质参数。河道信息界面应输入模拟河道的经纬度、河道长度、海拔高度、曼宁系数等基本信息。初始水质信息需要填充模拟的初始流量值和每个河道的初始水质信息。污染源信息通过河流距离进行搜索，根据河流距离输入排污口和河流取水口的相关信息。该模型通过查看底图的功能，可以检查相关信息输入是否正确，并根据相关信息进行修正。它可以简化模拟和预测的操作难度。通过地理信息系统二次开发，该模型有效提高了仿真结果的可视化显示效果。(2)水质模型封装和结果显示。

利用基础地形数据和河流矢量数据进行区域地形制图，结合河流分区的气象和模型参数数据建立水质模型系统。用户可以根据不同的模拟数据设置和参数选择，模拟和预测不同时期的水质(图2(a))。通过有指导的操作步骤和模型操作，系统获得水质模拟结果。仿真结果显示有两种形式：一是生成仿真结果的线性图；另一个是生成地理信息系统动态显示动画(图2(b))。1.3水质风险评估方法

风险是对对，自然或人类活动造成潜在损失的可能性和危害程度的衡量，其特点是随机性和不确定性，是典型的概率事件[15-16]。水环环境风险评价是评价水环环境系统质量状况超过水环某一环境质量标准控制限值的程度及其发生概率[17]，是预防污染事故和控制环境污染的有效手段之一[18-20]。本研究提出的水质风险评价对图像是监测断面水质类别的概率分布，即根据水质模型的时间步长计算一系列计算单元的水质模拟结果，并在水质评价后分析时间尺度上呈现的概率分布。例如，计算步骤被设置为5分钟，并且在30天的模拟之后获得每个计算单元的8640个模拟结果。根据《地表水环境质量标准》 GB 3838-2002，确定各时间节点的水质等级，并参照水质超标率的计算方法计算风险概率。当时间节点数为Na，时间节点总数为NT时，各模拟点的水质风险概率为P=Na/NT100%。根据水质风险评估结果，对不同的水质风险概率进行了分类，其中0 ~ 20%为低风险，20% ~ 40%为低风险，40% ~ 60%为中等风险，60% ~ 80%为高风险，80% ~ 100%为高风险。

2案例分析2.1 研究区概述

位于西， 河南省，南部的老灌河，是南水北调中线水源丹江口水库上游的重要支流。老灌河起源于伏牛山， 西， 栾川县，北麓的小庙岭， 冷水镇，位于东经111 01-111 46和北纬33 05-33 48之间.从马久口进入卢氏县，与西， 温口南部的五里川支流汇合，然后转向东南。经朱阳关，进入峡县， 西，流经西，峡县，桑坪，石界河，军马河，等8个乡镇老灌河干流长254公里，流域面积4 219平方公里，属南阳市，面积3 266平方公里，落差1 340米。老灌河上游位于深山区，长约116公里，两侧山峰陡峭，森林覆盖率达90%。2.2 QUAL2K模型建模

天然河流受外部环境影响很大。在计算水质模型时，有必要根据水动力学和水质特性对河流进行归纳，并建立合理的河流设置，以方便水质模型结果的计算。根据老灌河，降雨量与流量的相关分析，确定6-9月为雨季，1-3月为旱季，其余为正常季节。利用2012年1月至11月氨氮、化学需氧量和溶解氧的水质监测数据对模型进行了标定和验证，得到了3组标定参数，便于用户根据对2.3水质风险评估选择不同时期的参数，利用模型系统计算各水期的水质风险结果，并利用反距离插值法绘制出各水期溶解氧、氨氮和化学需氧量的风险评估分类图(图4)。根据水质指标分析，就高水位期溶解氧而言，对， 桑坪镇至米坪为高风险区，西峡水文站和张营地区为高风险区，正常水位期和枯水期溶解氧为低风险区；就氨氮而言，从桑坪镇到米坪市风险较高，其中雨季和正常季节风险较高，旱季风险降低到较高。正常蓄水期石门水库下游至许营，高水位期西峡水文站附近也存在不同程度的水质风险，张营段上下游全年风险较高；就化学需氧量而言，从桑坪镇到米坪，全年都是高风险，从西峡水文站到张营地全年都是高风险，而在许营， 杨河至正常时期是低风险到高风险。总的来说，化学需氧量的水质风险高于溶解氧和氨氮。

结合对流域调查的综合分析，发现老灌河区桑坪镇至杨河区地区生活污水和企业污染严重，有必要控制上游企业的污水排放，加快当地农村分散式污水处理设施的建设。西峡水文站至张营段受企业污水排放影响。 受对下游水环影响较大的城市河流污水排放和农业面源污染，有必要进一步分析和研究对下游各种污染物对水环的影响，并制定相应的管理措施，以避免水质风险对对三区丹江口水库水质的影响

系统将QUAL2K模型打包集成后，可以在B/S端进行水质建模和模拟计算，实现基于ArcGIS平台的水质模拟结果的可视化显示。该集成系统用于改进水质风险评估方法后，可以可视化各水质指标在不同时期超标的风险概率，为水环环境管理提供数据支持，为水环环境管理决策提供科学支持。QUAL2K模型封装集成后，该模型技术可以应用于环境管理业务系统平台，方便更多用户进行本地化操作和应用；简单的界面设置和系统本地化设置降低了对用户建模能力的要求。模型校准和调试是模型应用的关键。将校准和参数调整工具集成到系统平台中，将大大降低人工调试的成本，这将成为未来模型技术集成和业务运营的一个重要研究方向。