地表水水质模型构建:理论创新与实践价值———评《Surface Water-Quality Modeling》

曹聪洁

(中国地质大学 (北京) 土地科学技术学院, 北京 100101)

摘要: 在水资源管理和环境保护领域, 准确理解和预测地表水质变化至关重要, 而地表水质建模是实现这一目标的核心手段。《Surface Water-Quality Modeling》由Steven C. Chapra所著, 是水科学领域的一本重要著作。本文通过系统梳理其内容架构, 深入分析学术价值和实践意义, 为相关领域的研究者和从业者提供了全面了解该书的视角, 对推动地表水质建模研究和实际应用具有重要参考价值。

关键词: 地表水质建模, 水资源, 数值方法, 环境管理

DOI: 10.48014/fcws.20250228001

引用格式: 曹聪洁. 地表水水质模型构建: 理论创新与实践价值———评《Surface Water-Quality Modeling》[J]. 中国水科学前沿, 2025, 3(1): 1-4.

文章类型: 书评

收稿日期: 2025-02-28

接收日期: 2025-03-20

出版日期: 2025-03-28

1　学术背景与书籍定位

在全球水资源形势日益严峻的当下，水资源短缺与水污染问题相互交织，对生态系统和人类社会构成了严重威胁。目前，世界上约有一半人口在一年之中至少有一部分时间面临严重的缺水问题。世界1/4的人口面临着水资源短缺的压力^[1]。在这样的背景下，精准掌握地表水质变化规律并进行有效预测，成为水资源合理管理与保护的关键所在。地表水质建模作为这一领域的核心技术，能够综合物理、化学、生物等多学科知识，模拟不同情景下的水质演变过程，为科学决策提供重要依据。例如在评估工业废水排放对河流生态的影响、预测气候变化下湖泊水质的变化趋势时，地表水质建模发挥着不可替代的作用，是水资源管理与环境保护的重要工具。

《Surface Water-Quality Modeling》(《地表水质建模》)由 Steven C.Chapra 所著，是一本在地表水质建模领域极具影响力的专业书籍。他是塔夫茨大学土木与环境工程系的教授，在计算与工程领域占据重要地位。他在环境工程领域的研究经验丰富，成果斐然，研究范围涵盖地表水质建模和先进计算机应用等多个关键方向。本书旨在为读者全面呈现地表水质建模的理论知识、方法以及实际应用案例，助力读者深入理解并掌握这一关键技术。

2　核心内容分析

书籍共分为七个主要部分，各部分内容紧密关联，层层递进，从基础理论逐步深入到复杂的实际应用场景。前两部分主要聚焦于基础理论的构建。第一部分以完全混合系统为切入点，开篇介绍了工程师在水质领域的角色、基本物理量以及数学模型的定义等基础知识。紧接着，深入探讨反应动力学，详细讲解反应类型、速率方程，以及零级、一级和二级反应的特点与分析方法。通过质量平衡原理，推导出完全混合湖的水质模型，并进一步求解稳态解和时变解，同时引入响应时间等重要概念，帮助读者更好地理解系统的时间特性。此外，还介绍了前馈和反馈反应器系统的建模与求解方法，为读者搭建起系统建模的基本思维框架。第二部分将视野拓展到不完全混合系统，引入扩散机制这一重要概念，并以湖湾系统为例，详细推导质量平衡方程，介绍菲克定律在描述扩散过程中的应用。同时，针对推流反应器和混合流反应器等理想细长反应器展开深入研究，推导其质量平衡方程和稳态解，对比不同反应器的性能差异，这些内容为后续模拟河流、河口等复杂系统奠定了坚实的理论基础。

这两部分理论阐述深入，公式推导严谨，但对于初学者而言，部分数学推导较为复杂，增加示例解析可能会更好的帮助读者理解。同时，书中对于扩散和混合的讨论较为基础，未能深入探讨湍流混合过程对水质建模的影响，可能会限制其对现实水体复杂流动的适用性。

第三部分至第七部分则围绕实际环境和关键问题展开论述。第三部分着重介绍常见的水质建模环境，包括河流、河口、湖泊和沉积物，详细阐述这些环境的物理特性、传输机制以及相关的水文参数，如河流的流量、流速，湖泊的形态、水均衡等。值得一提的是，该部分专门设置一讲讨论建模环境中的实际问题，如模型校准、验证和敏感性分析，为模型在实际场景中的应用提供了极具价值的指导。第四部分聚焦于溶解氧和细菌问题，从有机物质的生产与分解循环、溶解氧下垂曲线等基础理论出发，介绍经典模型进而深入探讨硝化、植物影响和沉积物氧需求等现代问题。第五部分关注富营养化与温度问题，详细介绍富营养化的概念、营养物质(如氮、磷)的循环模型以及温度对这些过程的影响，还涉及植物生长、微生物动力学等相关内容。第六部分讲解化学平衡在水质建模中的应用，涵盖化学单元、化学平衡计算以及pH建模等方面的知识。第七部分则聚焦有毒物质建模，从基础概念出发，深入分析有毒物质在水体中的迁移转化机制，包括吸附、挥发、光解、水解和生物降解等过程，以及有毒物质与食物链的相互作用，全面涵盖了水质建模中有毒物质相关的重要问题。

第三至第五部分结合实际案例，使理论模型更具应用价值，但对外部影响因素(如气候变化)考虑较少，建议补充相关情景分析。此外，本书较少涉及富营养化过程的非线性特征，未来的研究应关注如何更好地结合遥感数据以提高模型预测的准确性。第六和七部分展示了建模的高阶应用，但对多尺度建模(如结合 GIS 或遥感数据)涉及较少，建议补充相关技术讨论。此外，当前水污染问题越来越复杂，仅靠传统物理化学模型可能无法精准预测污染物的长期影响，未来的研究应加强数据驱动的模拟方法。相较于WASP和QUAL2K，该书提出的模型在系统性与适应性方面具有优势，尤其是在有毒物质模拟和生物动力学建模方面较为深入(表1)。未来的水质建模研究应进一步结合机器学习、大数据分析等技术，以提升预测能力。同时，建议作者在新版中补充对比不同模型的误差分析，以提高其在工程实践中的适用性。

表1　模型比较

Table 1　Model Comparison

3　理论挑战与实践意义

当前，地表水质建模在理论和实践方面都面临诸多挑战。在理论层面，尽管现有理论能够解释许多基本的水质现象，但对于复杂的生态系统和多因素相互作用的情况，仍缺乏完善的理论框架。例如，在描述生物地球化学循环过程中，不同生物和化学过程之间的耦合机制尚未完全明确，难以准确模拟实际的水质变化。在实践应用中，模型参数的准确获取和模型的有效验证是两大难题。许多模型参数需要通过现场监测或实验测定，但实际操作中存在测量误差和不确定性，影响模型的准确性。同时，模型验证需要大量高质量的数据支持，然而在实际情况中，数据的完整性和可靠性往往难以保证，导致模型在实际应用中的效果受到限制。目前，新兴技术的融合应用为建模提供了新思路。高光谱遥感技术结合机器学习，能高效获取大范围水质参数，降低现场测量误差对参数获取的影响;数字孪生技术通过实时集成多源动态数据，为模型验证提供更完整、可靠的数据支撑，提升模型在实际场景中的应用效能。

本书具有极高的学术价值和实践意义。在学术价值方面，它系统整合了地表水质建模领域的基础理论和成果。同时，通过引入矩阵代数等数学工具求解多反应器系统，以及对复杂系统建模的探讨，为解决实际问题提供了理论方法。书中还梳理了水质建模的发展历程，使读者能够清晰了解学科的发展脉络，为进一步的理论创新提供了丰富的思路。在实践意义方面，书中包含丰富的实例和习题，这些内容紧密结合实际应用场景，具有很强的实践指导价值。在讲解各种模型时，通过实际案例详细介绍如何根据具体情况选择合适的模型和参数，以及如何运用模型进行水质预测和管理决策。这些实际工程项目中的水质管理提供了直接的参考。

总体而言，《Surface Water-Quality Modeling》是一本在地表水质建模领域具有重要影响力的著作。它内容丰富全面，逻辑结构严谨，理论与实践紧密结合。无论是对于深入研究水质建模的学者，还是初涉该领域的学生和从业者，本书都具有极高的参考价值。它不仅为学术研究提供了系统的理论知识和研究方法，还为实际工作中的水质管理和决策提供了有力的支持，对推动水资源保护和水质管理领域的发展具有不可忽视的重要意义。

利益冲突: 作者声明没有利益冲突。

参考文献(References)

[1] 联合国. UN 世界水资源发展报告2024: 水促进繁荣与和平[EB/OL]. [2025-02-24].
https://www.unwater.org/publications/un-world-water-development-report-2024.
[2]陶虹霓, 刘兴旺, 李彬, 等. 基于WASP模型的小流域精细化管理研究———以株洲渌水流域为例[J]. 湘潭大学学报(自然科学版), 2023, 45(05): 45-56.
https://doi.org/10.13715/j.issn.2096-644x.20230201.0001.
[3] 赵征鸿, 李中华, 秦顺兴, 等. 基于QUAL2K模型的滦河流域动态水环境容量研究[J]. 复旦学报(自然科学版), 2023, 62(05): 682-692.
https://doi.org/10.15943/j.cnki.fdxb-jns.2023.05.004.
[4] Chapra S C. Surface Water-Quality Modeling[M]. New York: McGraw-Hill Education, 1997.

Surface Water Quality Modeling: Theoretical Innovation and Practical Value ———Review of Surface Water-Quality Modeling

CAO Congjie

(School of Land Science and Technology, China University of Geosciences (Beijing) , Beijing 100101, China)

Abstract: In the fields of water resource management and environmental protection, it is critical to accurately understand and predict changes in surface water quality, and surface water quality modeling is a central tool for achieving this goal. Surface Water-Quality Modeling by Steven C. Chapra is an important book in the field of water science. This paper provides researchers and practitioners in related fields with a comprehensive understanding of the book by systematically sorting out its content structure and analyzing the academic value and practical significance, which is of great reference value for promoting the research and practical application of surface water quality modeling.  

Keywords: Surface water quality modeling, water resources, numerical methods, environmental management

DOI: 10.48014/fcws.20250228001

Citation: CAO Congjie. Surface water quality modeling: theoretical innovation and practical value———review of Surface Water-Quality Modeling[J]. Frontiers of Chinese Water Sciences, 2025, 3(1): 1-4.