流域水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用及研究展望

曹慧群，趙 鑫

(1.長江科學(xué)院 a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，武漢 430010;2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

在氣候變化與人類活動影響下，流域水沙過程及以其為載體的水環(huán)境演變過程均發(fā)生了很大變化。根據(jù)國務(wù)院最新出臺的《水污染防治行動計劃》(國發(fā)〔2015〕17號)，水環(huán)境保護(hù)是國家水安全保障的重中之重。為更有效地開展流域水環(huán)境保護(hù)工作，有必要掌握新形勢下流域水環(huán)境演變過程。現(xiàn)有研究手段主要為野外監(jiān)測、物理模型試驗和數(shù)值模擬。其中水環(huán)境數(shù)值模擬借助計算機技術(shù)，輸入電子化的水域地形條件和邊界條件，求解反映水動力和水環(huán)境演變過程的理論方程，得到水動力、泥沙及水環(huán)境要素的時空分布規(guī)律，可非常逼真地復(fù)演水環(huán)境系統(tǒng)中各要素的變化過程及其相互關(guān)系。具有不可替代的優(yōu)勢:①通過大量方案模擬，可快速掌握水環(huán)境內(nèi)部因子的變化規(guī)律;②可模擬水體全范圍內(nèi)污染物濃度的時空變化過程，對水環(huán)境變化進(jìn)行定量描述［1－3］，同時可對未來變化進(jìn)行預(yù)測;③耗資小、不受人力、物力的限制，研究周期短，可有效提高水環(huán)境管理工作的效率。因此，水環(huán)境數(shù)值模擬是水環(huán)境規(guī)劃、管理與保護(hù)工作中的重要研究手段。

目前國內(nèi)外針對流域水環(huán)境數(shù)值模擬開展了大量研究工作，已取得了一定成果。但受到監(jiān)測數(shù)據(jù)有限、污染物輸移機制還未完全清晰等的影響，流域水環(huán)境模擬技術(shù)發(fā)展受到一定局限，未來仍有較大發(fā)展空間。本文總結(jié)了目前水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)研究進(jìn)展，歸納了水環(huán)境模擬在流域水環(huán)境演變與調(diào)控研究、水利工程對流域水環(huán)境的影響研究、水污染防治工程設(shè)計、水資源保護(hù)規(guī)劃與管理等方面的應(yīng)用情況，并提出了流域水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2 當(dāng)前主要水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)

水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的開發(fā)，始于1925年Streeter和Phelps建立的水中溶解氧平衡模型(S-P模型)，此后逐漸由一維單因素河道穩(wěn)態(tài)模型擴展至多維多因素動態(tài)模型，同時考慮底泥釋放和大氣沉降的作用，并引入模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、3S等新技術(shù)［4］。水環(huán)境模擬技術(shù)主要由國外相關(guān)機構(gòu)研發(fā)，如美國環(huán)保局、美國陸軍工程兵團(tuán)、丹麥水動力研究所等。

根據(jù)模擬對象的不同，將水環(huán)境模型分為3類:地表水環(huán)境模型、地下水環(huán)境模型、流域非點源污染模型。

2.1 地表水環(huán)境模型

地表水環(huán)境模型主要模擬水流、泥沙、污染物質(zhì)在河流、湖泊、河口等地表水體中的運動過程，代表性的模型有 EFDC，WASP，MIKE，Delft-3D，SMS，CE-QUAL-R1/W2/ICM 等［5－10］，具 體 見 表 1。 其 中EFDC模型是目前應(yīng)用最廣的三維模型，在三維水動力計算方面具有突出優(yōu)勢，能夠較好適應(yīng)長時間干濕交替情景，模型前期率定和后期可視化處理功能較強;WASP模型在數(shù)值計算、參數(shù)率定上具有優(yōu)勢，但前期概化及網(wǎng)格化較繁瑣;MIKE系列模型可模擬多種水質(zhì)參數(shù)，適用于復(fù)雜水域，但模型源代碼不公開，用戶拓展難度很大;Delft-3D模型嵌有水質(zhì)和生態(tài)過程庫，可拓展性較強;SMS模型的優(yōu)點是具有強大的網(wǎng)格創(chuàng)建能力;CE-QUAL-R1/W2主要適用于湖庫的水質(zhì)模擬［11］。

表1 代表性水環(huán)境模型匯總Table 1 Representative models of water environment

2.2 地下水環(huán)境模型

地下水環(huán)境模型主要模擬地下水流與溶質(zhì)的運移過程，代表性的模型有Visual MODFLOW，GMS等［12－13］，具體見表1。GMS為可視化三維地下水模擬系統(tǒng)，集成了 MODFLOW，MODPATH，MT3D，F(xiàn)EMWATER等近10個地下水模型，可進(jìn)行地下水的水流模擬、溶質(zhì)運移模擬和反應(yīng)運移模擬等;Visual MODFLOW同樣以MODFLOW模型為核心，特點是界面友好，可視化性能較強，使用方便。

2.3 流域非點源污染模型

流域非點源污染模型重點模擬陸面徑流產(chǎn)生以及污染物質(zhì)輸移過程，代表性的模型有 SWAT，HSPF，MIKE SHE，SWMM 等［14－17］，具體見表 1。SWAT模型是目前應(yīng)用最廣泛的流域非點源污染模型之一，適用于土壤類型和土地利用方式復(fù)雜的流域，但應(yīng)用至我國流域需要進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，工作量較大;HSPF模型以強大的水文模擬為基礎(chǔ)，模擬精度較高，但對輸入數(shù)據(jù)要求高，空間分辨率相對較低;MIKE SHE以完全物理分布式水文模型為基礎(chǔ)，通過多模塊配置可模擬多種要素，同樣對基礎(chǔ)資料要求高;SWMM模型適用于具有復(fù)雜下墊面城市的暴雨徑流和污染物運動過程。

3 流域水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用

水環(huán)境模擬通過對水體內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜污染過程定量化描述，識別主要污染物及其遷移途徑和轉(zhuǎn)化過程，具有較廣的應(yīng)用空間。目前，水環(huán)境模擬技術(shù)在基礎(chǔ)研究、工程應(yīng)用和規(guī)劃管理等方面均有應(yīng)用，其中基礎(chǔ)研究集中在流域水環(huán)境演變與調(diào)控研究方面，工程應(yīng)用集中在水利工程對流域水環(huán)境的影響、水污染防治工程設(shè)計方面，規(guī)劃管理集中在水資源保護(hù)規(guī)劃與管理方面。

3.1 流域水環(huán)境演變與調(diào)控研究

在全球氣候變化與人類活動影響下，流域水環(huán)境的演變發(fā)生復(fù)雜變化，可通過建立流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，對水環(huán)境歷史演變進(jìn)行反演，通過定量的數(shù)值模擬結(jié)果探討變化的主要原因，并對未來變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。全球氣候變化的影響研究，一般采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會發(fā)布的IPCC評估報告成果，將過去已經(jīng)發(fā)生的氣候變化和未來設(shè)計的氣候情景輸入模型，模擬分析流域水文循環(huán)過程及水量變化，重點分析洪澇與干旱等極端水文事件的發(fā)生頻次［18］，進(jìn)一步分析污染物遷移轉(zhuǎn)化和水體稀釋能力的變化，研究氣候變化對流域點源與非點源污染事件發(fā)生概率和量級的影響［19］;對于大規(guī)模人類活動的影響研究，可通過建立流域尺度水文與水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，模擬分析土地利用方式改變、沿岸經(jīng)濟帶城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移等條件下，流域水環(huán)境的演變過程。在此基礎(chǔ)上，從流域宏觀層面，提出流域水沙調(diào)控對策，利用流域水環(huán)境模型模擬對比，篩選提出最優(yōu)方案，并分析流域水生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)。

3.2 水利工程影響分析與水污染防治工程設(shè)計

重大水利工程(如水庫工程、水系連通工程、跨流域調(diào)水工程等)的運行改變了江河湖庫的天然水文過程，對流域水環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，一般可利用地表水環(huán)境數(shù)學(xué)模型開展研究。水庫水環(huán)境數(shù)學(xué)模型一般考慮水動力、泥沙和水質(zhì)等要素，入口邊界條件一般采用典型系列年的入庫水沙和水質(zhì)條件，出口邊界條件采用水庫調(diào)度的壩前水位過程。與自然河流相比，水庫水深變化幅度較大，且壩前水深較大，通常采用三維或垂向二維模型研究。根據(jù)水庫庫區(qū)水沙與水環(huán)境時空變化模擬結(jié)果，可進(jìn)一步開展水庫的水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析、水庫對水沙及污染物(營養(yǎng)物)輸移過程的影響研究、水庫生態(tài)調(diào)度研究［20－21］等;河湖水系連通工程通過港渠等連通工程，將河流與湖泊連通，加快河湖之間的水體流動，改善水環(huán)境質(zhì)量。但不同水體的匯合可能會帶來一定生態(tài)環(huán)境風(fēng)險，可通過建立水動力－水環(huán)境－水生態(tài)模型，研究水系連通對水環(huán)境改善作用的幅度以及產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險的等級，并通過模擬比選，提出最優(yōu)的河湖水系連通方案［22］;此外，跨流域調(diào)水工程對調(diào)水區(qū)及受水區(qū)的水環(huán)境影響，亦可利用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型開展研究。

非點源污染控制是當(dāng)前水污染治理的難點，也是生態(tài)清潔小流域建設(shè)的重點。生態(tài)溝渠和人工濕地是非點源污染過程控制與末端治理的重要工程技術(shù)措施［23］，其工程設(shè)計需要借助流域非點源污染模型［24］。以小流域集水范圍為對象，建立流域水文與非點源污染數(shù)學(xué)模型，針對不同生態(tài)溝渠與人工濕地工程方案，重點考慮介質(zhì)特征、粒徑、水平布置與垂向布置、基質(zhì)與植物的類型、植物種植密度與空間布置等，模擬比對提出最優(yōu)的工程配置與設(shè)計方案。

3.3 水資源保護(hù)規(guī)劃與管理

水環(huán)境模擬可定量確定污染負(fù)荷，為水功能區(qū)納污能力復(fù)核、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)分析、入河排污口布局等水資源保護(hù)規(guī)劃工作提供決策依據(jù)。

水功能區(qū)納污能力是指滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求的污染物最大允許負(fù)荷量。水資源保護(hù)規(guī)劃需要提出現(xiàn)狀及規(guī)劃條件下的納污能力。數(shù)學(xué)模型計算法是納污能力計算的最有效方法之一。參照《水域納污能力計算規(guī)程》，根據(jù)河流污染物的混合程度，可采用零維、一維、二維模型計算納污能力，其設(shè)計流量一般采用最枯月均流量。隨著水環(huán)境模擬計算的發(fā)展，可進(jìn)一步考慮污染物的垂向擴散、典型設(shè)計流量過程、河道地形變化等重要因素，開發(fā)三維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，更高精度模擬計算河道的納污能力［25］，以滿足水環(huán)境精細(xì)化管理的需求;水功能區(qū)達(dá)標(biāo)分析根據(jù)水功能水質(zhì)目標(biāo)，判斷現(xiàn)狀水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，其中現(xiàn)狀水質(zhì)分布是水功能區(qū)達(dá)標(biāo)分析的基礎(chǔ)，需要利用有限的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型計算分析得到;入河排污口的設(shè)置應(yīng)不影響水功能區(qū)的達(dá)標(biāo)，論證過程中可利用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，模擬計算不同排污口設(shè)置方案條件下，污染物的輸移過程、污染物濃度等值線分布及發(fā)展過程，分析污水排放對水功能區(qū)的影響范圍，從中比選出影響最小的排污口布局方案。

4 水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展趨勢

目前水環(huán)境模擬技術(shù)存在以下不足:①模擬的過程相對單一，參數(shù)率定及模擬結(jié)果存在較大隨機性;②模擬因素考慮的不夠全面，模擬結(jié)果與實際情況有一定差距;③模型專業(yè)性較強，難以推廣應(yīng)用。隨著水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)的完善、污染物在不同介質(zhì)中轉(zhuǎn)化機理與遷移過程研究的深入、以及計算機技術(shù)與地理信息技術(shù)的快速發(fā)展，為水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供可行性。

未來發(fā)展趨勢主要集中在流域水環(huán)境全過程模擬、水環(huán)境多因素耦合模擬、水環(huán)境模擬系統(tǒng)集成3方面。

4.1 流域全過程模擬

流域指由分水線所包圍的河流集水區(qū)，為水體自然流動的邊界，具有自然整體性。對于流域水環(huán)境演變，水沙、營養(yǎng)物與污染物首先從陸面侵蝕，再進(jìn)入河道對流與擴散，并在地表水與地下水之間遷移轉(zhuǎn)化，是一個連續(xù)的輸移過程。隨著計算模擬技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，建立陸面、地表水與地下水水環(huán)境集成模型，客觀描述水環(huán)境全過程演變成為可能。此外，隨著水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)的不斷完善，陸面、地表與地下水中的水文、水質(zhì)、水生生物的統(tǒng)一監(jiān)測體系逐漸建立，為流域全過程模擬以及參數(shù)準(zhǔn)確率定提供可行條件。目前研究重點是陸面－地表水環(huán)境耦合模擬、污染物在地表水和地下水中的遷移轉(zhuǎn)化過程模擬等［26］。研究難點是不同空間尺度之間的轉(zhuǎn)化方法，以及水沙、營養(yǎng)物、污染物在不同空間尺度中的輸移機制及過程。

4.2 多因素耦合模擬

流域環(huán)境中主要包括水、泥沙、無機物和有機物、水生生物等物質(zhì)，這些物質(zhì)相互作用，存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，如河流水體中的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬物質(zhì)以溶于水的溶解態(tài)、吸附于泥沙上的顆粒態(tài)2種形態(tài)輸移;河流中營養(yǎng)物質(zhì)能夠被浮游植物迅速吸收，然后通過浮游植物－浮游動物－魚類的食物鏈形式，影響水生生物的生長和繁殖;河流中的有毒污染物，如環(huán)境激素和重金屬，會使水生生物遺傳變異、生理機能失常、機體變形甚至死亡。因此，隨著水環(huán)境綜合管理需求的凸顯，水沙－水環(huán)境－水生態(tài)多因素耦合模擬技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢之一。

水體富營養(yǎng)化是水動力、營養(yǎng)鹽、光照、水溫等因素綜合作用的結(jié)果，富營養(yǎng)化模擬屬于一種典型的水環(huán)境多因素耦合模擬。目前，關(guān)于湖庫的富營養(yǎng)化模擬已開展了較多研究［27－28］。隨著河湖藻類生長機理以及水華發(fā)生機制的進(jìn)一步揭示，未來的趨勢是引入水動力、水質(zhì)與富營養(yǎng)化的關(guān)系，進(jìn)一步開發(fā)三維富營養(yǎng)化數(shù)學(xué)模型，更精準(zhǔn)地模擬營養(yǎng)鹽和藻類在水平和垂向的時空分布規(guī)律，預(yù)測水華發(fā)生的概率、區(qū)域及規(guī)模。

4.3 模擬系統(tǒng)集成

模型的前處理與后處理是水環(huán)境數(shù)值模擬工作的重要環(huán)節(jié)，其中前處理包括地形、水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)的整理與輸入，后處理包括模擬結(jié)果的動態(tài)展示和仿真演示。針對水環(huán)境高效管理的需求，有必要將模擬前后處理與數(shù)學(xué)模型集成于一體，建立水環(huán)境模擬系統(tǒng)，為相關(guān)的決策管理提供支撐。

根據(jù)側(cè)重點不同，可相應(yīng)開發(fā)水質(zhì)信息化管理系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)、突發(fā)性水污染事件應(yīng)急系統(tǒng)、流域/區(qū)域地下水信息及環(huán)境服務(wù)系統(tǒng)、水動力與水環(huán)境演變?nèi)S動態(tài)可視化演示系統(tǒng)、水環(huán)境實體景觀設(shè)計可視化演示系統(tǒng)等［29］。

5 結(jié)論

流域水環(huán)境數(shù)值模擬是水環(huán)境規(guī)劃、管理與保護(hù)工作中的重要研究手段。本文總結(jié)了目前流域水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展，并對水環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。

(1)根據(jù)模擬對象的不同，將水環(huán)境模型分為地表水環(huán)境模型、地下水環(huán)境模型、流域非點源污染模型3種類型，并詳細(xì)列舉了各類型的代表模擬軟件及其優(yōu)缺點。

(2)目前水環(huán)境模擬技術(shù)主要應(yīng)用在基礎(chǔ)研究、工程應(yīng)用和規(guī)劃管理等方面。①基礎(chǔ)研究:流域水環(huán)境演變與調(diào)控，主要包括全球氣候變化與人類活動影響下流域水環(huán)境的演變模擬，流域水沙調(diào)控及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)模擬等。②工程應(yīng)用:水利工程影響分析與水污染防治工程設(shè)計，主要包括水庫、水系連通、跨流域調(diào)水工程等重大水利工程運行對流域水環(huán)境影響模擬，非點源污染控制中生態(tài)溝渠和人工濕地方案設(shè)計等。③規(guī)劃管理:水資源保護(hù)規(guī)劃與管理。主要包括水功能區(qū)納污能力復(fù)核、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)分析、入河排污口設(shè)置論證等。

(3)水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)未來發(fā)展趨勢主要集中在3方面:一是陸面、地表水與地下水水環(huán)境集成的流域水環(huán)境全過程模擬;二是水沙－水環(huán)境－水生態(tài)多因素耦合模擬;三是將模擬前后處理與數(shù)學(xué)模型集成于一體的水環(huán)境模擬系統(tǒng)開發(fā)。

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