第四節(jié) 水質(zhì)模型

一、水質(zhì)模型的發(fā)展

水質(zhì)模型（water quality model）是根據(jù)物質(zhì)守恒原理，用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言和方法描述參加水循環(huán)的水體中水質(zhì)組分所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物化學(xué)和生態(tài)學(xué)諸方面的變化、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。它是水環(huán)境污染治理、規(guī)劃決策分析的重要工具。對(duì)現(xiàn)有模型的研究是改良其功效、設(shè)計(jì)新型模型所必須的，為水環(huán)境規(guī)劃治理提供更科學(xué)更有效決策的基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)出更完善更能適應(yīng)復(fù)雜水環(huán)境預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型的依據(jù)［10，11］。

自1925年建立的第一個(gè)研究水體BOD—DO變化規(guī)律的Streeter—Phelps水質(zhì)模型以來(lái)，水質(zhì)模型的研究?jī)?nèi)容與方法不斷改進(jìn)與完善。在對(duì)水體的研究上，從河流、河口到湖泊水庫(kù)、海灣；在數(shù)學(xué)模型空間分布特性上，從零維、一維發(fā)展到二維、三維；在水質(zhì)模型的數(shù)學(xué)特性上，由確定性發(fā)展為隨機(jī)模型；在水質(zhì)指標(biāo)上，從比較簡(jiǎn)單的生物需氧量和溶解氧兩個(gè)指標(biāo)發(fā)展到復(fù)雜多指標(biāo)模型［10-12］。

其發(fā)展歷程可以分為以下三個(gè)階段。

第一階段（20 世紀(jì)20年代中期～70年代初期）：是地表水質(zhì)模型發(fā)展的初級(jí)階段，該階段模型是簡(jiǎn)單的氧平衡模型，主要集中于對(duì)氧平衡的研究，也涉及一些非耗氧物質(zhì)，屬于一維穩(wěn)態(tài)模型。

第二階段（20 世紀(jì)70 年代初期～80年代中期）：是地表水質(zhì)模型的迅速發(fā)展階段。隨著對(duì)污染物水環(huán)境行為的深入研究，傳統(tǒng)的氧平衡模型已不能滿足實(shí)際工作的需要，描述同一個(gè)污染物由于在水體中存在狀態(tài)和化學(xué)行為的不同而表現(xiàn)出完全不同的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)的形態(tài)模型出現(xiàn)。由于復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過(guò)程，釋放到環(huán)境中的污染物在大氣、水、土壤和植被等許多環(huán)境介質(zhì)中進(jìn)行分配，由污染物引起的可能的環(huán)境影響與他們?cè)诟鞣N環(huán)境單元中的濃度水平和停留時(shí)間密切相關(guān)，為了綜合描述它們之間的相互關(guān)系，產(chǎn)生了多介質(zhì)環(huán)境綜合生態(tài)模型，同時(shí)由一維穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展到多維動(dòng)態(tài)模型，水質(zhì)模型更接近于實(shí)際。

第三階段（20 世紀(jì)80 年代中期至今）：是水質(zhì)模型研究的深化、完善與廣泛應(yīng)用階段，科學(xué)家的注意力主要集中在改善模型的可靠性和評(píng)價(jià)能力的研究。該階段模型的主要特點(diǎn)是考慮水質(zhì)模型與面源模型的對(duì)接，并采用多種新技術(shù)方法，如隨機(jī)數(shù)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等。

二、水質(zhì)模型的分類

自第一個(gè)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型Streeter—Phelps模型應(yīng)用于環(huán)境問(wèn)題的研究以來(lái)，已經(jīng)歷了70多年。科學(xué)家已研究了各種類型的水體并提出了許多類型的水質(zhì)模型，用于河流、河口、水庫(kù)以及湖泊的水質(zhì)預(yù)報(bào)和管理。根據(jù)其用途、性質(zhì)以及系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，大致有以下幾種分類［10，13］。

1.根據(jù)水體類型分類

以管理和規(guī)劃為目的，水質(zhì)模型可分為三類，即河流的、河口的（包括潮汐的和非潮汐的）和湖泊（水庫(kù)）的水質(zhì)模型。河流的水質(zhì)模型比較成熟，研究得亦比較深，而且能較真實(shí)地描述水質(zhì)行為，所以用得較普遍。

2.根據(jù)水質(zhì)組分分類

根據(jù)水質(zhì)組分劃分，水質(zhì)模型可以分為單一組分的、耦合的和多重組分的三類。其中BOD—DO耦合水質(zhì)模型是能夠比較成功地描述受有機(jī)物污染的河流的水質(zhì)變化。多重組分水質(zhì)模型比較復(fù)雜，它考慮的水質(zhì)因素比較多，如綜合的水生生態(tài)模型。

3.根據(jù)系統(tǒng)工程觀點(diǎn)分類

從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，可以分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型。這兩類水質(zhì)模型的不同之處在于水力學(xué)條件和排放條件是否隨時(shí)間變化。不隨時(shí)間變化的為穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，反之為非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型。對(duì)于這兩類模型，科學(xué)研究工作者主要研究河流水質(zhì)模型的邊界條件，即在什么條件下水質(zhì)處于較好的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型可用于模擬水質(zhì)的物理、化學(xué)、生物和水力學(xué)的過(guò)程，而非穩(wěn)態(tài)模型可用于計(jì)算徑流、暴雨等過(guò)程，即描述水質(zhì)的瞬時(shí)變化。

4.根據(jù)所描述數(shù)學(xué)方程解分類

根據(jù)所描述的數(shù)學(xué)方程的解，水質(zhì)模型有準(zhǔn)理論模型和隨機(jī)水質(zhì)模型。以宏觀的角度來(lái)看，準(zhǔn)理論模型用于研究湖泊、河流以及河口的水質(zhì)，這些模型考慮了系統(tǒng)內(nèi)部的物理、化學(xué)、生物過(guò)程及流體邊界的物質(zhì)和能量的交換。隨機(jī)模型來(lái)描述河流中物質(zhì)的行為是非常困難的，因?yàn)楹恿魉w中各種變量必須根據(jù)可能的分布，而不是它們的平均值或期望值來(lái)確定。

5.根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)分類

根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，水質(zhì)模型分為純化學(xué)反應(yīng)模型、遷移和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、生態(tài)模型，其中生態(tài)模型是一個(gè)綜合的模型，它不僅包括化學(xué)、生物的過(guò)程，而且亦包括水質(zhì)遷移以及各種水質(zhì)因素的變化過(guò)程。

6.根據(jù)模型性質(zhì)分類

根據(jù)模型的性質(zhì)，可以分為黑箱模型、白箱模型和灰箱模型。黑箱模型由系統(tǒng)的輸入直接計(jì)算出輸出，對(duì)污染物在水體中的變化一無(wú)所知；白箱模型對(duì)系統(tǒng)的過(guò)程和變化機(jī)制有完全透徹的了解；灰箱模型界于黑箱與白箱之間，目前所建立的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型基本上都屬于灰箱模型。

三、幾種主要的地表水水質(zhì)模型［10-12］

1.Streeter—Phelps 模型及修正形式［12］

（1）Streeter—Phelps模型。

Streeter—Phelps 模型是最早的水質(zhì)模型。美國(guó)學(xué)者Streeter—Phelps于1925年對(duì)耗氧過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究分析后得出：河流中溶解氧的變化只取決于BOD的生物分解消耗和大氣的復(fù)氧作用，并且BOD的降解符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，BOD降解的速率與水中溶解氧的消耗速率相等。這就是Streeter—Phelps 模型，簡(jiǎn)稱S—P模型，其基本方程為

式中：L為河水中的BOD值，mg/L；C為河水中的溶解氧濃度，mg/L；Cs為河水中的飽和溶解氧濃度，mg/L；k1為河水中BOD降解（耗氧）速率常數(shù)，1/d；k2為河水中復(fù)氧速率常數(shù)，1/d；u為河水的流速，km/d；x為河水的沿程距離，km；D為彌散系數(shù)，m2/s。

（2）Streeter—Phelps模型修正形式。

Thomas修正形式：Streeter—Phelps模型中假設(shè)BOD降解的速率與水中溶解氧的消耗速率相等，但是由于沉淀、懸浮等因素，兩者的速率并不相等，這種假設(shè)存在不足之處。對(duì)一維河流，在Streeter—Phelps模型基礎(chǔ)上增加了一項(xiàng)因其他因素（如沉淀、懸浮、吸附及再懸浮等過(guò)程）引起的BOD 速率變化的系數(shù)k3。模型如下：

Dobbins—Camp 修正形式：當(dāng)進(jìn)入河流的BOD不僅僅來(lái)自于點(diǎn)源，亦可以通過(guò)面源和局部徑流進(jìn)入到水體，如因底泥釋放和地表徑流所引起的BOD 變化，以SL 表示，SL/A表示影響B(tài)OD變化的其他所有因素；同時(shí)考慮了藻類光合作用和呼吸作用引起的溶解氧變化，以（P—R）表示光合作用和呼吸作用的影響。模型如下：

O′Connor修正形式：假定總的BOD是由含碳BOD和含氮BOD 兩項(xiàng)組成，即L=LC+LN，增加了含氮BOD的降解速率常數(shù)kN。根模型修正式如下：

利用Streeter—Phelps模型可以分析受有機(jī)物污染的河水中溶解氧的變化動(dòng)態(tài)，推求河流的自凈過(guò)程及其環(huán)境容量，進(jìn)而確定可排入河流的有機(jī)物最大限量；推算確定最大氧虧點(diǎn)位置及其到達(dá)時(shí)間，并依此制定河流水體的防護(hù)措施。因此Streeter—Phelps模型有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)以后的河流水質(zhì)模型的研究也有著重大的影響。Streeter—Phelps模型主要集中于對(duì)氧平衡的研究，也涉及一些非耗氧物質(zhì)，屬于一維穩(wěn)態(tài)模型，因此在復(fù)雜水環(huán)境條件下的應(yīng)用范圍受到了限制。

2.QUAL模型

QUAL模型是由美國(guó)環(huán)保局研究開發(fā)的，最早在1970 年推出QUAL—I水質(zhì)綜合模型，1973 年開發(fā)出QUAL—Ⅱ模型，后經(jīng)多次修訂和增強(qiáng)，相繼推出了QUAL2E、QUAL2E—UNCAS等版本，直到目前的最新版本QUAL2K。

QUAL 模型建立在如下假定的基礎(chǔ)之上：①將研究河段分成一系列等長(zhǎng)的計(jì)算單元水體，在每一個(gè)單元水體中污染物是混合均勻的；②污染物沿水流軸向遷移，對(duì)流、擴(kuò)散等作用在縱軸方向，流量和旁側(cè)入流不隨時(shí)間變化，可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)；③各單元水體的水力幾何特征，如坡底、斷面面積、河床糙率、生化反應(yīng)速率、污染物沉降和藻類沉淀速率等方面各小段均相同。在以上假定的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出QUAL 模型的基本微分方程：

式中：Ax為x位置的河流橫截面積，m2；U為斷面平均流速，m/s；Ex為縱向分散系數(shù)，m2/s；Δx為微小河段的間距，km；Sc為源和匯的物質(zhì)負(fù)荷，mg/（L·d）。

QUAL模型可按用戶希望的任意組合方式模擬15 種水質(zhì)組分，包括：BOD、DO、溫度、藻類—葉綠素a、有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、有機(jī)磷、溶解氧、大腸桿菌、任意一種非保守物質(zhì)和3種保守物質(zhì)。QUAL 模型可研究入流污水負(fù)荷（包括數(shù)量、質(zhì)量和位置）對(duì)受納水體水質(zhì)的影響，也可用它來(lái)研究非點(diǎn)源問(wèn)題。它既可以用作為穩(wěn)態(tài)模型，也可以用作為時(shí)變的動(dòng)態(tài)模型。QUAL 模型適用于枝狀河流，它假設(shè)河流中的平流和彌散作用只在主流方向上是主要的，是一個(gè)一維的綜合河流水質(zhì)模型，它允許沿河有多個(gè)排污口、取水口、支流，也允許入流量有緩慢的變化，它可被用來(lái)計(jì)算靠增加河流流量來(lái)滿足預(yù)定溶解氧水平時(shí)所需要的稀釋流量。

3.QUASAR模型

QUASAR（Quality Simulation Along River System）模型是由英國(guó)Whitehead 建立的貝德福烏斯河水質(zhì)模型發(fā)展起來(lái)的，是一維動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型，包括PC—QUASAR、HERMES 和QUESTOR。QUASAR 模型用含參數(shù)的一維質(zhì)量守恒微分方程來(lái)描述枝狀河流動(dòng)態(tài)傳輸過(guò)程。PC—QUASAR 和QUESTOR（Quality Evaluation Simulation Tool for River System）可隨機(jī)模擬大的枝狀河流體系，這種河流受污水排放口、取水口和水工建筑物等多種因素影響。QUASAR 可同時(shí)模擬水質(zhì)組分：BOD、DO、硝氮、氨氮、pH值、溫度和一種守恒物質(zhì)的任意組合。QUASAR 模型首先將模擬河道劃分為一系列非均勻流河段，再將河段劃分為若干等長(zhǎng)的完全混合計(jì)算單元。河道數(shù)據(jù)以河流段組織，統(tǒng)一河段內(nèi)具有相同的水力、水質(zhì)特性和參數(shù)，各河段的水力、水質(zhì)特性則各不相同。QUASAR 模型忽略了彌散作用對(duì)水質(zhì)的影響，并假定每個(gè)計(jì)算單元是理想的完全混合反應(yīng)器，在此假定的基礎(chǔ)之上，得到模型的基本方程為：

式中：C為組分濃度；C′為組分流入濃度；Q′為組分流入量；V為單元水的體積；ΔV為組分的內(nèi)部轉(zhuǎn)化。

QUASAR 模型具有綜合性、實(shí)用性和計(jì)算簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，在河流水環(huán)境規(guī)劃、水質(zhì)評(píng)價(jià)、治理等方面具有較為廣泛的應(yīng)用前景，適合于大型河流的溶解氧模擬。

4.WASP模型

WASP（Water Quality Analysis Simulation Program）是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng)，可用于對(duì)河流、湖泊、河口、水庫(kù)、海岸的水質(zhì)進(jìn)行模擬。WASP 包括兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算程序：水動(dòng)力學(xué)程序DYNHYD 和水質(zhì)程序WASP。WASP 在其基本程序中反映了對(duì)流、彌散、點(diǎn)雜質(zhì)負(fù)荷與擴(kuò)散雜質(zhì)負(fù)荷以及邊界的交換等隨時(shí)間變化的過(guò)程。經(jīng)簡(jiǎn)化WASP 常用如下模型：

式中：C為組分濃度，mg/L或g/m3；t為時(shí)間，d；Ux為縱向速度，m/d；Ex為縱向彌散系數(shù)，m2/d；SL為點(diǎn)源和面源負(fù)荷，g/（m3·d）；SB為邊界負(fù)荷，g/（m3·d）；SK為水質(zhì)組分的總轉(zhuǎn)化率，g/（m3·d）。

目前，WASP水質(zhì)模型已廣泛被用于對(duì)水質(zhì)進(jìn)行模擬。

5.MIKE模型

這一模型體系由丹麥水動(dòng)力研究所（DHI）開發(fā)，包括MIKE11、MIKE21 和MIKE3。MIKE11 是一維動(dòng)態(tài)模型，能用于模擬河網(wǎng)、河口、灘涂等地區(qū)的情況，MIKE21是二維動(dòng)態(tài)模型，用來(lái)模擬在水質(zhì)預(yù)測(cè)中垂向變化常被忽略的湖泊、河口、海岸地區(qū)。MIKE3 是與MIKE21 類似，但它能處理三維空間。以一維MIKE 模型為例：

式中：C為斷面溶解氧的濃度，mg/L；Ex為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/d；u為平均流速，m/d；k1為生化耗氧系數(shù)，1/d；k2為河水復(fù)氧系數(shù)，1/d；SR為由水生生物光合作用、呼吸作用和河床底泥耗氧等引起的溶解氧的變化率，g/（m3·d）；LA為徑流或吸附有機(jī)物的底泥重新懸浮引起的BOD的變化率，g/（m3·d）。

6.基于馬爾可夫法的水質(zhì)模型

馬爾可夫法實(shí)際上是一種隨機(jī)過(guò)程預(yù)測(cè)法，其狀態(tài)和時(shí)間參數(shù)都是離散的，以用于描述某種復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。水質(zhì)系統(tǒng)由于受物理、化學(xué)和生物等因素的影響而成為一種復(fù)雜的系統(tǒng)，因此采用馬爾可夫法進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)是比較適合的。這種方法也已經(jīng)開始應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，取得了不錯(cuò)的效果。

7.基于灰色模型法的水質(zhì)模型

灰色模型法是由我國(guó)學(xué)者鄧聚龍教授在研究系統(tǒng)控制的不確定元中首先提出的，眾多學(xué)者將灰色系統(tǒng)思想與本學(xué)科研究?jī)?nèi)容結(jié)合進(jìn)一步開拓其應(yīng)用領(lǐng)域。所謂灰色系統(tǒng)即是指部分信息已知、部分信息未知或未確知的系統(tǒng)，是一種信息并不完全的系統(tǒng)。水環(huán)境系統(tǒng)的眾多影響因素中既有已知參數(shù)，又有許多未知的和不確定的參數(shù)，從這一點(diǎn)看可以將水環(huán)境系統(tǒng)看作一個(gè)灰色系統(tǒng)，同時(shí)由于實(shí)際監(jiān)測(cè)資料的限制，許多河流水質(zhì)系統(tǒng)往往信息并不完整，因此將該系統(tǒng)作為灰色系統(tǒng)來(lái)研究也是比較合理的。

8.基于時(shí)間序列法的水質(zhì)模型

所謂時(shí)間序列是指按時(shí)間順序排列的一組數(shù)據(jù)，時(shí)間序列分析方法屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)范疇，通過(guò)研究、分析和處理時(shí)間序列，提取出系統(tǒng)的相關(guān)信息，從而揭示時(shí)間序列本身的結(jié)構(gòu)與規(guī)律，認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的固有特性，掌握系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，推斷出系統(tǒng)在將來(lái)的變化和行為。因此，時(shí)間序列分析方法已經(jīng)不僅僅是一種數(shù)據(jù)處理的方法，它已演變?yōu)橐环N系統(tǒng)分析研究的方法。

9.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的水質(zhì)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，簡(jiǎn)記作ANNs），是對(duì)人類大腦系統(tǒng)的一種描述；它是一個(gè)并行、分布處理結(jié)構(gòu)，它由處理單元及信號(hào)通道互連而成；它也是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以用電子線路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用計(jì)算機(jī)程序來(lái)模擬。它具有通過(guò)學(xué)習(xí)獲取知識(shí)解決問(wèn)題的能力，是人工智能的一種重要研究方法。目前，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行模擬已成為環(huán)境工作者的重要課題之一。

10.基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的水質(zhì)模型

地理信息系統(tǒng)（GIS）以具有地理位置的空間數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以空間數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，采用空間分析和建模的方法，適時(shí)提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的資源與環(huán)境信息。它涉及人工智能、環(huán)境工程、規(guī)劃理論、地學(xué)、數(shù)學(xué)等多種學(xué)科和專業(yè)。地理信息是有關(guān)地理實(shí)體的性質(zhì)、特征和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表征，它是對(duì)表征地理特征與地理現(xiàn)象之間的地理數(shù)據(jù)的解釋。而地理數(shù)據(jù)包括空間位置、屬性特征及時(shí)域特征三部分。空間位置數(shù)據(jù)描述地物所在位置；屬性數(shù)據(jù)是屬于一定地物，且描述其特征的定性或定量指標(biāo)；時(shí)域特征是指地理數(shù)據(jù)采集或地理現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)段/時(shí)刻（在水污染控制規(guī)劃中，如污染源相關(guān)指標(biāo)、斷面監(jiān)測(cè)指標(biāo)、突發(fā)事件等發(fā)生的時(shí)間等）。空間位置、屬性及時(shí)間是地理空間分析的三個(gè)基本要素，GIS 的概念描述一般都包含這三層意思，由于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)具有集水區(qū)空間特征分析，因此，學(xué)者認(rèn)為它在城市水文中有相當(dāng)大的作用。因?yàn)榧畢^(qū)的時(shí)空特征數(shù)據(jù)庫(kù)的可獲得性能夠消除由于采用假設(shè)簡(jiǎn)化而引起的研究質(zhì)量的減弱，這也從另一方面說(shuō)明在城市集水區(qū)，土地用途的準(zhǔn)確的時(shí)空解釋的重要性。由于地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間特性對(duì)水質(zhì)管理者很有幫助，科研工作者在優(yōu)化選取河網(wǎng)取樣點(diǎn)時(shí)，首先就用地理信息系統(tǒng)和成形理論以矩陣形式形成河網(wǎng)的數(shù)學(xué)描述。隨著計(jì)算機(jī)在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面能力的提高，地理信息系統(tǒng)一定會(huì)在水環(huán)境科學(xué)中取得越來(lái)越多的應(yīng)用，水質(zhì)模型和地理信息系統(tǒng)的結(jié)合仍將是今后的研究重點(diǎn)之一。

四、水質(zhì)模型的應(yīng)用

水質(zhì)模型之所以受到科學(xué)工作者的高度重視，除了其應(yīng)用范圍廣外，還因?yàn)樵谀承┣闆r下它起著重要作用。例如，新建一個(gè)工業(yè)區(qū)，為了評(píng)估它產(chǎn)生的污水對(duì)受納水體所產(chǎn)生的影響，用水質(zhì)模型來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)就至關(guān)重要，以下將對(duì)水質(zhì)模型的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述［14］。

1.污染物水環(huán)境行為的模擬和預(yù)測(cè)

污染物進(jìn)入水環(huán)境后，由于物理、化學(xué)和生物作用的綜合效應(yīng)，其行為的變化是十分復(fù)雜的，很難直接認(rèn)識(shí)它們。這就需要用水質(zhì)模型（水環(huán)境數(shù)學(xué)模型）對(duì)污染物水環(huán)境的行為進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，以便給出全面而清晰的變化規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)。用模型的方法進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，既經(jīng)濟(jì)又省時(shí)，是水環(huán)境質(zhì)量管理科學(xué)決策的有效手段。但由于模型本身的局限性，以及對(duì)污染物水環(huán)境行為認(rèn)識(shí)的不確定性，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量之間往往有較大的誤差，所以模型的模擬和預(yù)測(cè)只是給出了相對(duì)變化值及其趨勢(shì)。對(duì)于這一點(diǎn)，水質(zhì)管理決策者們應(yīng)特別注意。

2.水質(zhì)管理規(guī)劃

水質(zhì)規(guī)劃是環(huán)境工程與系統(tǒng)工程相結(jié)合的產(chǎn)物，它的核心部分是水環(huán)境數(shù)學(xué)模型。確定允許排放量等水質(zhì)規(guī)劃，常用的是氧平衡類型的數(shù)學(xué)模型。求解污染物去除率的最佳組合，關(guān)鍵是目標(biāo)函數(shù)的線性化。而流域的水質(zhì)規(guī)劃是區(qū)域范圍的水資源管理，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，必須考慮3個(gè)方面的問(wèn)題：首先，水資源利用利益之間的矛盾；其次，水文隨機(jī)現(xiàn)象使天然系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為（生活、工業(yè)、灌溉、廢水處置、自然保護(hù)）預(yù)測(cè)的復(fù)雜化；最后，技術(shù)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的約束。為了解決這些問(wèn)題，可將一般水環(huán)境數(shù)學(xué)模型與最優(yōu)化模型相結(jié)合，形成所謂的水質(zhì)管理模型。水質(zhì)管理模型已有很成功的應(yīng)用。

3.水質(zhì)評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)是水質(zhì)規(guī)劃的基本程序。根據(jù)不同的目標(biāo)水質(zhì)模型可用來(lái)對(duì)河流、湖泊（水庫(kù)）、河口、海洋和地下水等水環(huán)境的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。現(xiàn)在的水質(zhì)評(píng)價(jià)不僅給出水體對(duì)各種不同使用功能的質(zhì)量，而且還會(huì)給出水環(huán)境對(duì)污染物的同化能力以及污染物在水環(huán)境濃度和總量的時(shí)空分布。水污染評(píng)價(jià)已由傳統(tǒng)的點(diǎn)源污染轉(zhuǎn)向非點(diǎn)源污染，這就需要用農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)模型來(lái)評(píng)價(jià)水環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和沉積物以及其他污染物。如利用貝葉斯概念（Bayesian Concepts）和組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)集水流域的徑流量。研究的對(duì)象也由過(guò)去的污染物擴(kuò)展到現(xiàn)在的有害物質(zhì)在水環(huán)境的積累、遷移和歸宿。

4.污染物對(duì)水環(huán)境及人體的暴露分析

由于許多復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用以及遷移過(guò)程，在多介質(zhì)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的污染物會(huì)對(duì)人體或其他受體產(chǎn)生潛在的毒性暴露，因此出現(xiàn)了用水質(zhì)模型進(jìn)行污染物對(duì)水環(huán)境即人體的暴露分析（Exposure Analysis）。目前已有許多學(xué)者對(duì)此展開了研究，但許多研究都是在實(shí)驗(yàn)室條件下的模擬，研究對(duì)象也比較單一，并且范圍也不廣泛，如何才能夠建立經(jīng)濟(jì)有效的針對(duì)多種生物體的綜合的暴露分析模型，還有待于環(huán)境科學(xué)工作者們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

5.水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行水環(huán)境研究和科學(xué)管理的基礎(chǔ)，對(duì)于一條河流或一個(gè)水系，準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)網(wǎng)站設(shè)置的原則應(yīng)當(dāng)是：在最低限量監(jiān)測(cè)斷面和采樣點(diǎn)的前提下獲得最大限量的具有代表性的水環(huán)境質(zhì)量信息，既經(jīng)濟(jì)又合理、省時(shí)。對(duì)于河流或水系的取樣點(diǎn)的最新研究，采用了地理信息系統(tǒng)和模擬的退火算法等來(lái)優(yōu)化選擇河流采樣點(diǎn)。