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河湖水環境數學模型與應用 版權信息
- ISBN：9787030695192
- 條形碼：9787030695192 ; 978-7-03-069519-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
河湖水環境數學模型與應用 內容簡介
本書以各類污染物在陸域及水體（河網、河流、水庫、湖泊、濕地）中的遷移和轉化規律為主線，系統介紹了水環境數值模擬的作用、水環境數學模型的分類及建模步驟，重點論述了水流運動與污染物輸運方程、河網一維、河流二維、三維水量水質數值模擬、污染負荷模型、湖泊富營養化模型、溢油污染預測模型、濕地生態動力學模型，并提供了詳細的案例分析和說明。
河湖水環境數學模型與應用 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 水環境數學模型的概念 1
1.2 水環境數學模型的建模基本步驟 2
1.3 模型分類 3
1.4 發展歷程 6
第2章 水流運動與污染物輸運方程 8
2.1 水流運動基本方程 8
2.2 污染物輸運擴散基本方程 11
2.2.1 基本方程 11
2.2.2 紊動擴散系數 13
2.3 污染物主要種類 14
2.3.1 營養鹽、溶解氧與藻類 14
2.3.2 毒性物質 17
2.4 污染物的主要反應動力學過程 20
2.4.1 生物降解 20
2.4.2 礦化與分解 21
2.4.3 吸附與解吸 21
2.4.4 水解 22
2.4.5 光解 23
2.4.6 揮發 23
2.5 常用水質模型動力反應方程 23
2.5.1 氮素循環及反應方程 24
2.5.2 磷素循環及反應方程 25
2.5.3 其他物質反應方程 26
2.6 毒性物質動力反應方程 28
2.6.1 毒性物質模型簡介 28
2.6.2 動力學反應方程 29
第3章 污染負荷模型 34
3.1 山丘區污染負荷模型 35
3.1.1 SWAT模型發展歷程 35
3.1.2 SWAT概述 36
3.1.3 坡面匯流階段 36
3.1.4 河道匯流階段 44
3.2 平原河網區污染負荷模型 45
3.2.1 污染負荷產生量 45
3.2.2 污染負荷入河量 52
3.2.3 污染負荷時空分配 53
3.2.4 模型參數估值方法 58
3.3 算例——上海市非點源污染負荷計算 61
3.3.1 研究背景 61
3.3.2 基礎數據 61
3.3.3 模型參數 62
3.3.4 非點源污染負荷計算成果 69
第4章 河網一維水環境數學模型 73
4.1 河網一維水量模型 73
4.1.1 基本方程 73
4.1.2 單一河道水流計算 74
4.1.3 河網水流計算 79
4.2 河網一維水質模型 91
4.2.1 基本方程 91
4.2.2 求解方法 92
第5章 河網一維水環境數學模型應用案例 98
5.1 太湖流域平原河網水量水質模擬 98
5.1.1 流域概況 99
5.1.2 河網模型構建 100
5.1.3 模型率定及驗證 104
5.2 南寧市邕江河網水量水質模擬 122
5.2.1 南寧市邕江流域概況 122
5.2.2 河網模型構建 123
5.2.3 模型參數取值 130
5.2.4 模型率定及驗證 131
第6章 基于有結構網格的沿深平面二維水環境數學模型 148
6.1 沿深平面二維非恒定流及物質輸運模型 148
6.1.1 基本控制方程 148
6.1.2 定解條件 149
6.1.3 數值計算方法 150
6.2 算例——三峽太平溪至黃陵廟水文站河段水流水質模擬 159
6.2.1 計算河道概況 159
6.2.2 數值模擬情況 159
6.2.3 流場驗證 160
6.2.4 濃度場驗證 162
6.3 算例——南寧邕江水流水質計算實例 164
6.3.1 模型構建 164
6.3.2 率定年型及計算條件 165
6.3.3 水動力模型率定 166
6.3.4 水質模型率定 173
第7章 基于無結構網格的二維水環境數學模型 177
7.1 基于無結構網格的二維水環境數學模型構建 177
7.1.1 控制方程 177
7.1.2 方程數值離散 178
7.1.3 法向通量計算 180
7.1.4 二階無振蕩格式 187
7.1.5 邊界條件 188
7.2 算例——南化某碼頭化學品泄漏風險預測 189
7.2.1 計算研究區域與網格布置 189
7.2.2 模型計算條件 190
7.2.3 模擬結果分析 191
7.3 算例——基于混合網格的長江口北支預測計算 197
7.3.1 計算研究區域與網格布置 197
7.3.2 模型計算條件 198
7.3.3 模型驗證 199
7.3.4 流場模擬分析 199
第8章 湖泊富營養化模型 202
8.1 富營養化模型分類 202
8.1.1 營養物模型 202
8.1.2 水動力－富營養化模型 203
8.1.3 多介質耦合模型 204
8.2 EFDC富營養化模型構建 204
8.2.1 藻類動力學方程 205
8.2.2 氮動力學方程 206
8.2.3 磷動力學方程 207
8.2.4 碳動力學方程 207
8.2.5 溶解氧與化學需氧量動力學方程 208
8.3 算例——巢湖富營養化數值模擬 209
第9章 河流三維水量水質數值模擬 214
9.1 垂向坐標變換 214
9.2 垂向坐標變換下笛卡兒坐標水環境數學模型 216
9.2.1 σ坐標系下模型方程的推導 217
9.2.2 定解條件 221
9.2.3 模型求解 222
9.3 算例——基于直角網格的長江某江段污水處理廠尾水排江三維水量水質數值模擬 238
9.3.1 計算區域與網格剖分 238
9.3.2 邊界條件與計算參數 239
9.3.3 模型計算結果 240
9.4 垂向坐標變換下曲線貼體坐標水環境數學模型 250
9.4.1 σ坐標變換下模型控制方程 250
9.4.2 方程的離散與求解 251
9.5 算例——基于曲線貼體網格的長江某江段污水處理廠尾水排江三維水量水質數值模擬 253
9.5.1 計算區域與網格剖分 254
9.5.2 邊界條件與計算參數 254
9.5.3 模型計算結果 255
第10章 溢油污染預測模型 260
10.1 溢油遷移行為和歸宿 260
10.1.1 擴展過程 261
10.1.2 漂移過程 261
10.1.3 擴散過程 262
10.1.4 風化過程 262
10.2 溢油模型及其發展歷程 265
10.2.1 溢油模型發展歷程 265
10.2.2 溢油擴展模型 266
10.2.3 溢油輸移模型 268
10.2.4 溢油歸宿模型 270
10.3 算例——蘇州港常熟港區突發溢油模擬 272
10.3.1 研究區域概況 272
10.3.2 研究區域網格布置 272
10.3.3 溢油風險預測 272
第11章 濕地生態動力學模型 278
11.1 濕地污染物動力學模型構建 279
11.1.1 人工濕地模擬數學方程 279
11.1.2 模型構建方法 283
11.2 算例——濕地生態動力學模型應用 284
11.2.1 研究區域概況 284
11.2.2 模型輸入數據及參數 287
11.2.3 模型率定與驗證 289
11.3 濕地*大水環境承載力計算 292
11.3.1 概念內涵 292
11.3.2 計算方法 293
11.3.3 計算方案 293
11.3.4 不同季節*大污水處理負荷 294
第12章 水生態毒理模型 298
12.1 水生態毒理模型的分類 298
12.1.1 分布模型 298
12.1.2 效應模型 300
12.2 AQUATOX生態毒理模型 300
12.2.1 離子化 301
12.2.2 水解反應 301
12.2.3 降解反應 302
12.2.4 微生物降解 302
12.2.5 揮發效應 302
12.2.6 分配系數與生物富集因子 303
12.3 算例——基于AQUATOX的Hartwell湖多氯聯苯模型 304
12.3.1 模型的建立 304
12.3.2 模型結果與分析 306
主要參考文獻 309
編后語 312
前言
第1章 緒論 1
1.1 水環境數學模型的概念 1
1.2 水環境數學模型的建模基本步驟 2
1.3 模型分類 3
1.4 發展歷程 6
第2章 水流運動與污染物輸運方程 8
2.1 水流運動基本方程 8
2.2 污染物輸運擴散基本方程 11
2.2.1 基本方程 11
2.2.2 紊動擴散系數 13
2.3 污染物主要種類 14
2.3.1 營養鹽、溶解氧與藻類 14
2.3.2 毒性物質 17
2.4 污染物的主要反應動力學過程 20
2.4.1 生物降解 20
2.4.2 礦化與分解 21
2.4.3 吸附與解吸 21
2.4.4 水解 22
2.4.5 光解 23
2.4.6 揮發 23
2.5 常用水質模型動力反應方程 23
2.5.1 氮素循環及反應方程 24
2.5.2 磷素循環及反應方程 25
2.5.3 其他物質反應方程 26
2.6 毒性物質動力反應方程 28
2.6.1 毒性物質模型簡介 28
2.6.2 動力學反應方程 29
第3章 污染負荷模型 34
3.1 山丘區污染負荷模型 35
3.1.1 SWAT模型發展歷程 35
3.1.2 SWAT概述 36
3.1.3 坡面匯流階段 36
3.1.4 河道匯流階段 44
3.2 平原河網區污染負荷模型 45
3.2.1 污染負荷產生量 45
3.2.2 污染負荷入河量 52
3.2.3 污染負荷時空分配 53
3.2.4 模型參數估值方法 58
3.3 算例——上海市非點源污染負荷計算 61
3.3.1 研究背景 61
3.3.2 基礎數據 61
3.3.3 模型參數 62
3.3.4 非點源污染負荷計算成果 69
第4章 河網一維水環境數學模型 73
4.1 河網一維水量模型 73
4.1.1 基本方程 73
4.1.2 單一河道水流計算 74
4.1.3 河網水流計算 79
4.2 河網一維水質模型 91
4.2.1 基本方程 91
4.2.2 求解方法 92
第5章 河網一維水環境數學模型應用案例 98
5.1 太湖流域平原河網水量水質模擬 98
5.1.1 流域概況 99
5.1.2 河網模型構建 100
5.1.3 模型率定及驗證 104
5.2 南寧市邕江河網水量水質模擬 122
5.2.1 南寧市邕江流域概況 122
5.2.2 河網模型構建 123
5.2.3 模型參數取值 130
5.2.4 模型率定及驗證 131
第6章 基于有結構網格的沿深平面二維水環境數學模型 148
6.1 沿深平面二維非恒定流及物質輸運模型 148
6.1.1 基本控制方程 148
6.1.2 定解條件 149
6.1.3 數值計算方法 150
6.2 算例——三峽太平溪至黃陵廟水文站河段水流水質模擬 159
6.2.1 計算河道概況 159
6.2.2 數值模擬情況 159
6.2.3 流場驗證 160
6.2.4 濃度場驗證 162
6.3 算例——南寧邕江水流水質計算實例 164
6.3.1 模型構建 164
6.3.2 率定年型及計算條件 165
6.3.3 水動力模型率定 166
6.3.4 水質模型率定 173
第7章 基于無結構網格的二維水環境數學模型 177
7.1 基于無結構網格的二維水環境數學模型構建 177
7.1.1 控制方程 177
7.1.2 方程數值離散 178
7.1.3 法向通量計算 180
7.1.4 二階無振蕩格式 187
7.1.5 邊界條件 188
7.2 算例——南化某碼頭化學品泄漏風險預測 189
7.2.1 計算研究區域與網格布置 189
7.2.2 模型計算條件 190
7.2.3 模擬結果分析 191
7.3 算例——基于混合網格的長江口北支預測計算 197
7.3.1 計算研究區域與網格布置 197
7.3.2 模型計算條件 198
7.3.3 模型驗證 199
7.3.4 流場模擬分析 199
第8章 湖泊富營養化模型 202
8.1 富營養化模型分類 202
8.1.1 營養物模型 202
8.1.2 水動力－富營養化模型 203
8.1.3 多介質耦合模型 204
8.2 EFDC富營養化模型構建 204
8.2.1 藻類動力學方程 205
8.2.2 氮動力學方程 206
8.2.3 磷動力學方程 207
8.2.4 碳動力學方程 207
8.2.5 溶解氧與化學需氧量動力學方程 208
8.3 算例——巢湖富營養化數值模擬 209
第9章 河流三維水量水質數值模擬 214
9.1 垂向坐標變換 214
9.2 垂向坐標變換下笛卡兒坐標水環境數學模型 216
9.2.1 σ坐標系下模型方程的推導 217
9.2.2 定解條件 221
9.2.3 模型求解 222
9.3 算例——基于直角網格的長江某江段污水處理廠尾水排江三維水量水質數值模擬 238
9.3.1 計算區域與網格剖分 238
9.3.2 邊界條件與計算參數 239
9.3.3 模型計算結果 240
9.4 垂向坐標變換下曲線貼體坐標水環境數學模型 250
9.4.1 σ坐標變換下模型控制方程 250
9.4.2 方程的離散與求解 251
9.5 算例——基于曲線貼體網格的長江某江段污水處理廠尾水排江三維水量水質數值模擬 253
9.5.1 計算區域與網格剖分 254
9.5.2 邊界條件與計算參數 254
9.5.3 模型計算結果 255
第10章 溢油污染預測模型 260
10.1 溢油遷移行為和歸宿 260
10.1.1 擴展過程 261
10.1.2 漂移過程 261
10.1.3 擴散過程 262
10.1.4 風化過程 262
10.2 溢油模型及其發展歷程 265
10.2.1 溢油模型發展歷程 265
10.2.2 溢油擴展模型 266
10.2.3 溢油輸移模型 268
10.2.4 溢油歸宿模型 270
10.3 算例——蘇州港常熟港區突發溢油模擬 272
10.3.1 研究區域概況 272
10.3.2 研究區域網格布置 272
10.3.3 溢油風險預測 272
第11章 濕地生態動力學模型 278
11.1 濕地污染物動力學模型構建 279
11.1.1 人工濕地模擬數學方程 279
11.1.2 模型構建方法 283
11.2 算例——濕地生態動力學模型應用 284
11.2.1 研究區域概況 284
11.2.2 模型輸入數據及參數 287
11.2.3 模型率定與驗證 289
11.3 濕地*大水環境承載力計算 292
11.3.1 概念內涵 292
11.3.2 計算方法 293
11.3.3 計算方案 293
11.3.4 不同季節*大污水處理負荷 294
第12章 水生態毒理模型 298
12.1 水生態毒理模型的分類 298
12.1.1 分布模型 298
12.1.2 效應模型 300
12.2 AQUATOX生態毒理模型 300
12.2.1 離子化 301
12.2.2 水解反應 301
12.2.3 降解反應 302
12.2.4 微生物降解 302
12.2.5 揮發效應 302
12.2.6 分配系數與生物富集因子 303
12.3 算例——基于AQUATOX的Hartwell湖多氯聯苯模型 304
12.3.1 模型的建立 304
12.3.2 模型結果與分析 306
主要參考文獻 309
編后語 312
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河湖水環境數學模型與應用 節選
第1章 緒論 在河流、湖泊水環境保護和管理工作中，往往需要預測區域水環境的變化過程及其發展趨勢。例如，水環境規劃、水環境整治方案、環境影響評價、排污口設置許可論證等工作，都要求對相關規劃或工程方案實施后未來的水質改善情況進行科學預測與評估，以此來作為判定這些項目的環境可行性的關鍵依據。這就需要采用模型模擬的手段，研究河流、湖泊的水質變化規律，探明這些工作對區間或區域水環境的響應過程與作用貢獻。 河湖水環境模擬主要包括物理模擬和數值模擬。物理模擬是在相似理論的基礎上，構建物理模型，再現原型中發生的污染物物理過程的一種模擬方法，具有直觀性和物理概念明確的優點，但也存在著污染物生化過程相似問題、時間比尺變態問題等難點。數值模擬是以描述污染物遷移輸運的數學方程為基礎，以數值方法和計算機技術為手段，通過輸入數字化的水域地形條件和邊界條件，求解反映水動力和水環境演變過程的基本控制方程組，得到水環境要素的時空分布規律，實現對水環境系統各要素的動態變化過程及其相互作用關系的定量描述。相對于物理模擬，數值模擬具有靈活、省時、高效、無比尺效應影響、可重復性強等優點，在科學研究和工程實踐中得到了廣泛的應用。隨著我國水環境管理水平的不斷提高，從流域視角開展水環境的精細化管理已成為新的趨勢，這進一步增強了對數值模擬技術的依賴。通過構建高精度的水環境數學模型，可以使決策者能夠在水環境管理的諸多方案中選擇更好、更為科學合理的技術方案，以模型技術助力新時代新要求下水環境精細化管理必將大有可為。 1.1 水環境數學模型的概念 水環境數學模型是根據物質守恒原理，用數學語言和方法描述污染物質在水體中發生的物理、化學、生物變化過程，建立水環境系統數學方程，以數值方法和計算機技術為手段，通過方程求解來模擬污染物在水體中的混合和輸運、在時間和空間上的遷移轉化規律。實際上水環境數學模型就是對水體污染物質因水動力和生物化學作用而發生物理的、化學的和生物的各種反應，形成錯綜復雜的遷移轉化過程所做的數學描述與模擬。 今天，以改善水環境質量為核心，提出了更嚴格的水環境預測計算要求。水環境數學模型已成為環境科學研究、工程應用和水環境管理(如環境保護規劃、環境影響評價、突發污染事件風險評估和預警預報、容量總量控制、海綿城市建設、黑臭水體治理等)必不可少的手段之一。例如，在環境影響評價工作中，需要利用水環境數學模型預測擬建項目排放污染物對水環境的影響范圍及可能造成的水環境質量變化，從而根據擬建項目對環境影響的程度與質量變化的大小，可以判斷擬建項目是否可行，或提出排放控制限值。同時，在河湖生態基流的確定、排污口設置論證，以及流域層面的環境規劃和管理方面，水環境數學模型也得到了廣泛應用。例如，計算河流生態流量與生態水位，優化確定污染物排放的設置，制定區域限制排放標準，評估區域的納污能力，制定區域的環境容量或允許排放量，對評估污染物排放消減后水體水質改善效果、不同流域治理方案進行有效性和經濟性對比等，均需要用到水環境數學模型。 1.2 水環境數學模型的建模基本步驟 建立某個實際水環境問題的數學模型通常可以分為以下6個步驟。 1.模型概化 模型概化是指通過選擇適當的模型狀態變量和參數，確定狀態變量之間及與參數間的相互影響和變化規律，從而構建描述變量間函數關系的數學方程。應當指出，模型反映的是所描述現象的主要特征，是對真實世界的一種近似。因此，在滿足問題需求的前提下，應該使用盡可能簡單的模型。 水環境模型概化就是要根據研究區域水污染現象，應用水環境科學的原理和實驗研究結果，挑選適合的數學工具將水環境管理和保護的問題轉變為數學問題。該步驟的關鍵是總結分析水環境問題特征和變量，抓住問題的主要矛盾，忽略次要因素；根據已有的資料條件選用數學工具，將水環境問題轉變為數學問題。這一步驟是決定水環境模型能否成功的基石。資料的時空精度與數學工具要求不匹配，數學問題的提法不恰當等都極可能導致后續模型求解的失敗。 2.模型構建 模型構建包括數學模型選擇、模擬區域確定、網格布置、方程數值求解等環節，這一步驟更多是考驗建模者對現代數學工具和計算機技術的掌握。在數學工具上，主要是將選定模型的微分控制方程，針對計算區域網格進行離散，建立封閉的離散方程組來求得其數值解。 模型構建還要考察所構建模型的靈敏性和穩定性等特征。模型靈敏性反映模型輸出結果在模型參數變化時的一種響應特性。通過靈敏性分析，可以從眾多影響因素中找出對結果有重要影響的敏感性因素，并分析、測算其對輸出的影響程度和敏感性程度，進而可以判斷模型的不確定性。穩定性又稱魯棒性或健壯性，用以表征模型系統在受到擾動或不確定的情況下仍能保持其特征行為的能力。在實際問題中，諸如測量誤差、記錄誤差、插值誤差等輸入擾動往往難以避免，因此，模型穩定性也是考察模型特征的重要方面。 3.模型參數率定 數學模型的方程中通常含有大量計算參數。這些參數的取值需要采用某種方式加以確定，通常包括理論公式法、經驗公式法和模型試驗法等。但是無論使用何種方法，參數率定的目的是使參數值代入模型進行運算后，模型輸出結果能較好地重現實測數據，如果擬合效果不好，則需要在合理的取值范圍內重新調整模型參數，提高模型預測精度。當兩個模型重現數據的能力相同時，通常選用含有參數較少的模型。 4.模型驗證 經過上述建模步驟之后，得到了一個能較好地重現實測數據的數學模型。但是，這個模型重現其他實測教據的能力還不得而知，因此還必須進一步檢驗模型是否具有較強的預測能力。所謂模型驗證就是在不改變模型參數取值的條件下，用獨立于模型率定時所用數據的全新觀測數據與模型計算結果進行比較。如果能夠達到預期精度，則說明所建立的模型是成功的。 5.模型應用 模型應用指的是采用經過率定和驗證的模型去預測某種實際問題的結果。如果模型達不到解決問題的要求，那么需要重復上述各步驟，調整模型結構或算法，直到所建立的模型能夠滿意地解決實際問題為止。此外，在使用模型時要時刻注意推導模型基本方程時的前提假設條件，不能在模型應用時超出其適用范圍。 6.模擬結果解讀 水環境模型結果的解讀即將模型的數學解解譯為水環境科學語境中的解答，這一步驟決定了是否能夠昀終獲得有意義的水環境問題的答案。此時，建模者需要關注模型的結果是否符合水環境科學基本原理，是否與建模者的日常觀察和工程經驗矛盾等。需要切記的是，任何數學模型只能給出方程的解，但無法保證其結果的正確性，應小心對待，反復論證其合理性。若水環境模型的模擬結果在定量，甚至定性上都無法讓人滿意，那么建模者需要考慮模型是否忽略了重要變量、重要污染物或者重要的環境過程，模型在時間和空間上的精度是否足夠，模型的計算格式選擇是否正確等，來修正和改進模型，直到它給出符合要求的結果。 水環境模型經過近一百年的發展，已經不需要使用者對建模從“零”開始，但是對模型使用條件的選擇、模型的率定與驗證、模型結果的判斷與解讀，已經成為衡量水環境模型使用者水平的重要標志。 1.3 模型分類 水環境數學模型分類方法很多，通常可以按模型空間維數、時間相關性、確定性特征、水域類型、基本方程狀態等進行分類。具體包括以下幾種分類方法。 1.空間維數 從水環境數學模型所對應的空間維數角度，可分為零維、一維、二維和三維模型。污染物在水體中的遷移和擴散過程自然是發生在三維物理空間的，但是在處理某些具體問題時，為了減少數學問題的復雜性，降低方程的求解難度，在與實際求解的問題基本符合的情況下，可將三維問題簡化為二維問題、一維問題，甚至是零維問題，從而建立不同空間維數的模型。其中，零維模型主要適用于污染物在較短時間內能夠均勻混合的小型湖泊、水庫或河段；一維模型主要適用于河道寬度和深度較小，污染物在較短時間內能在橫斷面上均勻混合的中小型河流及河網地區；平面二維模型主要適用于寬深比較大(通常在10以上)，垂向變化較小，污染物主要表現在橫斷面上分布不均勻的河流。 2.時間屬性 從水環境模型是否含有時間變量，可分為穩態模型和非穩態模型。含有時間變量的數學模型能夠描述污染物隨時間的變化規律，因此這類模型被稱為非穩態模型。而那些不含時間變量的模型只能描述平衡狀態下的水質狀況，因此稱為穩態模型。實際應用時，可根據擬解決問題的時間性質，分別采用具有不同時間屬性的模型。 3.模型變量 按模型變量是否為隨機變量，可以把數學模型分為非確定性模型和確定性模型兩類。當變量含有隨機特性(即非確定性)時，稱為非確定性模型；當變量不含有隨機特性時，稱為確定性模型。 按照模型變量的多少，還可分為單變量水質模型、多變量水質模型和水生生態模型。簡單的水質模擬一般采用單一變量或是少數變量，隨著變量的增加，模擬難度也會相應增加。模型變量及其數目的選擇，主要取決于模型應用的目的以及對于實際資料和實測數據的擁有程度等。 本書只對確定性模型進行介紹。確定性模型的形式是一個或一組微分方程，按微分方程中變量階次還可細分為線性和非線性模型。其中，微分方程中的未知函數及其各階導數的冪次不全是一次的叫作非線性模型，否則叫作線性模型。非線性模型的求解相對復雜。 4.反應動力學 按模型所反映反應動力學的性質，分為純輸移模型、純反應模型、輸移和反應模型、生態模型。純輸移模型只考慮污染物在水體中發生的輸移擴散過程，而不考慮其隨時間的衰減過程；純反應模型只考慮污染物發生的化學、生物化學等反應，而不考慮污染物的輸移擴散過程；輸移和反應模型則是將純輸移模型和純反應模型結合起來，既考慮污染物隨水流的輸移擴散，又考慮污染物所發生的衰減反應；生態模型綜合描述污染物在水體中發生的生物過程、輸移過程和水質要素變化過程。 5.建模原理 按照建模原理和方式的不同，水環境數學模型可以分為數據驅動模型及過程驅動模型兩大類。 數據驅動的水環境數學模型是從實際監測得到的水環境數據出發，利用統計學、機器學習等方法建立環境變量間的定量關系，從而達到揭示水污染現象中環境因素變化規律的目的。這一類模型的特點是強烈依賴于監測數據，對水環境過程的先驗信息要求比較少；側重于描述現象，而較少涉及污染物遷移轉化的機制，這是數據驅動模型的優點，但也導致該類模型的解釋和預測能力較差。由于數據驅動模型主要從現象出發，因此也被稱為“唯象學模型”。 不同于數據驅動水環境數學模型從“頂”到“底”的建模方法，過程驅動模型是一種從“底”到“頂”的模型。過程驅動水環境數學模型是基于野外和實驗室中對污染物遷移轉化過程的研究成果，將水污染現象和過程中各變量的相互轉化關系概化、數學化并建立相應的模型。過程驅動模型通常使用微分方程來描述水環境狀態的變化過程；對于空間異質性較強水體，過程驅動模型往往需要用到偏微分方程這一工具；這也導致該類模型編程較為復雜，計算量也較大。 值得注意的是，有部分過程驅動模型，比如以SWAT(soil and water assessment tool)為代表的一大類水文模型主要運用基于機理的統計學等工具而不使用微分方程。因此，過程驅動模型和數據驅動模型主要的區別在于是否充分利用了污染物遷移轉化機制的信息，而不是所使用的數學工具的不同。表1-1總結歸納了數據驅動和過程驅動模型不同的特點。 表1-1 數據驅動和過程驅動模型特點比較 數據驅動和過程驅動模型并不是截然分開的，在過程驅動模型中經常會應用線性回歸等統計學方法構建污染物的轉化過程。本書主要講述過程驅動的水環境數學模型，因此不經特殊說明，下文所指水環境數學模型都是過程驅動模型。 6.模擬對象 根據模擬對象是固定的流場還是流場中連續運動的質點，可以分為歐拉模型和拉格朗日模型。
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