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水质模拟计算涉及水环境科学的许多基本理论，属多学科交叉领域。水质模拟模型的核心是针对不同水体（河流、湖库）的水质要素（COD、NH 3 -N、TP、TN），在各种因素（水力、水文、物理、化学、生物、生态、气候）作用下随时空变化特征（输移、混合、分解、稀释和降解）的数学表达，是定量描述污染物入河、运移及相互转化关系的模块组合。随着计算机技术的发展及应用范围的不断扩大，以及数学模型与计算机程序设计的结合，水质模型依据模拟方程特征、时间变化、空间维数、物质转移特性、反应动力学性质的差异呈现出多样化的发展方向。当前，对水质模拟技术的研究主要针对水体污染物含量及种类，构建实用性强的水质模型，从水质达标角度实现水环境改善、污染物限排的目标，调控水质良好的可用水量。
20世纪80年代，国际上开展了集成水质模拟、水量配置模型的规划管理研究。随着计算机技术的发展，特别是面向对象的、视窗界面的、灵活易用的水质模拟软件的出现和发展，使得大范围的时空尺度，多水源水质的高维、多变量的战略性水环境保护规划成为可能。
20世纪90年代，鉴于水质在水资源配置中的作用日益凸显，在水量调控研究过程中通常将水质作为水资源主价值属性进行基于水质变化的水资源优化配置模型的开发应用。
（1）在供水方面，Mehrez等发展了一种考虑水量和水质的非线性规划模型，研究多水质、多水源的区域水资源供给系统，包括水库、地下井、输水管网和闸门调度规则。1992年，Afzal与JaVaid等针对巴基斯坦某个地区灌溉系统建立线性规划模型，对不同水质的水量使用问题进行优化。
（2）在优化调度方面，Hayes等为满足水库下游水质目标，集成水量水质和发电效能的优化调度模型，探讨坎伯兰郡流域中水库日调度规则；Loftis等使用水资源模拟模型和优化模型研究在综合考虑水量水质目标下的湖泊水资源调度方法；Pingry等针对河流主干，探讨在水量配置和污染物处理水平固定的情况下，如何通过建立水量平衡模型和水盐模型的决策支持系统用以实现水资源供给费用和水污染处理费用之间的权益均衡问题。
在流域水资源规划方面，联合国及其所属组织在全球范围内对水质问题进行广泛的理论探讨和深入研究，确定水资源水质保护在可持续发展战略中的地位。Avogadro等建立了考虑水质约束的水资源规划决策程序过程，第一阶段先不考虑水质因素，建立水量多目标规划模型来分配水量，第二阶段将水量结果输入水质模拟模型中考察分配结果是否满足流域时空水质目标，从提高污染物去除水平到增加约束条件的方法来重新求解水量模型。
在模拟模型研究中，Campbel等利用水量模型MODSIM和水质模型HEC-5Q，设定各种情景方案，将MODSIM水量优化结果代入水质模型，研究满足鱼类生长繁殖的水量水质需求，并用模拟模型和线性优化模型研究三角洲地区地表水和地下水的分配规律。Azevedo等利用水量模型MODSIM与水质模型QUAL2E，针对模型参数时空变量的不确定性和资料的获取难易程度，建立水量水质集成评价指标，并将其应用于巴西毕拉西卡巴河流域的水环境保护管理中。
为促进水质模拟在广义水量配置领域的应用，1995年，Fleming和Adams建立地下水水量水质管理模型，促进了水量水质联调与管理层面的结合；Watkins和David将污水处理费用纳入地表、地下水源联合调度模型，探求如何实现水资源综合管理效益最优化。1997年，Wong在多水源联合调度模型中考虑了地下水恶化的防治措施，在保护水质的基础上，为实现基于水质达标的水资源综合管理提供借鉴意义。Mattikall等利用输出系数模型对英国某河流在1931—1989年近60年的总氮、总磷负荷进行了估算，并对化肥施用量和土地利用单个因子变化时的面源污染负荷进行情景分析，探求外界环境变化与水体污染的真正原因。
在模型的构建过程中，学者根据各自的研究区域及侧重点，从不同的角度考虑，建立多元化的水量水质联调的水资源优化配置模型。李考真等以徒骇河聊城段为例，建立水量平衡方程和混合单元水质模型，给出引黄河水的水质水量联合调度的最佳方式。徐贵泉等根据河网地区水量水质变化的相互关系和水体处于好氧、缺氧、厌氧状态的复杂条件，研制出适应性较强的河网水量水质统一模型，促进了河网水量水质模拟计算的发展，带动了水环境改善试验和水环境容量调配模型的发展。王好芳等根据水资源配置的目标建立了水量、水质、经济、生态环境分析子模型，并在此基础上，根据大系统理论和多目标决策理论建立了基于量质的面向经济发展和生态环境保护的多目标协调配置模型。
借助水功能区对水质类别的限定约束作用，有关学者尝试性地将水质模拟模型引入水功能区中，进行水资源优化配置方法的创新改进，有力地推进了水量水质双总量控制的研究进程。夏星辉等在对黄河流域进行水资源数量与质量联合评价的基础上，提出了水资源功能容量与水资源功能亏缺的概念。刘克岩等以流域为单元，对不同水功能区在确定水资源潜在利用量的基础上，采用水量水质结合的评价方法确定满足水体功能的可利用量，计算各区纳污能力、削减量，并提出水环境的保护措施。王渺林等在介绍满足流域水功能区水质目标的可用水资源量联合评价方法的基础上，基于水量平衡和污染物质的质量平衡原理，建立单元系统的水量水质模型，并利用该模型推求广东鉴江流域可用水资源量。付意成等以水功能区目标水质为调控中心，利用GAMS软件对松花江流域进行水量水质联合调控的长系列耦合求解，在合理确定节点、分区纳污能力、核算时段入河污染物控制量和削减量的基础上，实现规划水平年水质达标控制。
为充分体现水资源优化配置中的量质一体化，学者在实践探索的基础上，借助水质模型测算结果的准确性、合理性，提出一系列水量水质联调的控制方法。夏军等针对地表来水用水状况，以摸清水资源数量与质量“家底”为主要目标，从单元（集总）系统和复合（分布）系统的水量水质过程对应关系以及空间分布对应关系入手，评价水资源总量中不同类别水体质量的分布情况。李大勇等利用感潮河网水量和水质数学模型，对调水方案实施后主要监测断面的水质进行预测，分析了各个监测断面调水后的水质变化趋势，提出综合整治张家港地区水环境的最佳方案。牛存稳等在分布式水文模型（WEP-L）的基础上，建立了流域水量水质综合模拟模型，提出了基于综合模拟的水量水质综合评价方法，并首次从“断面水”和“片水”两方面综合评价流域水资源的数量和质量。
当前，学者结合开发的水质模拟模型，进行与水环境的改善和模拟相关要素研究，有力地推动了水质模拟的数字化进程。张艳军等给出以DEM为计算网格，使用有限体积法离散方程、SIMPLEC法求解运动方程的水质模型算法，并成功地应用于三峡水库突发性水污染事件应急响应系统的水量水质模型模块中。苏琼等基于系统动力学模型（SD）和水质模型（WQ）建立了描述深圳河流域社会、经济、水资源和水环境系统的耦合模型（SD-WQM），定量分析了三产比例调整、工业结构内部调整及产业技术提升对流域供需水平衡和水质改善的影响。