數值模擬在流域規劃管理教學中的應用

沈春其

摘要：文章針對高等院校人才培養體系建設的需求，分析當下流域規劃管理課程在教學內容、教學方法和教學模式中普遍存在的問題，創新性地提出在傳統專業教育核心課程中融入學科前沿技術的相關理論，打造全新的教學體系。

關鍵詞：數值模擬；規劃管理；流域環境；生態保護

隨著我國社會經濟的發展，流域環境保護成為我國區域高質量發展的重要需求，也是生態文明建設的重要組成部分。生態環境部等五部門于2023年初聯合印發的《重點流域水生態環境保護規劃》，對“十四五”時期重點流域水生態環境保護作出明確部署，提出到2025年主要水污染排放總量持續減少，水生態環境持續改善，在面源污染防治、水生態恢復等方面要取得一定突破，水生態環境保護體系更加完善，水資源、水環境、水生態等要素系統治理和統籌推進格局基本形成。流域水環境主要污染物的現狀分布和動態變化預測是流域規劃管理的核心內容，直接映射了流域水環境當下面臨的壓力與風險，并在很大程度上影響區域規劃目標及管理政策的制定。如何準確反演和預測流域污染物的時空分布與動態遷移，已然成為流域環境管理和生態保護的重要前提。

目前，流域規劃管理對研究區域水文水資源、水體污染、水質及水體功能等背景調查和現狀評估，主要以野外實地采樣監測為主。然而，流域水環境經常伴隨水文氣象條件變化（如降水、上游來水等）而呈現周期性波動，且流域內大型河流、湖庫的水質，生態特征通常具有顯著的空間異質性。常規的野外采樣及實地監測難以對流域水環境生態系統做到全面、整體的覆蓋，而增加采樣頻率或擴大采樣范圍又會導致相關費用過高。基于水文水質現狀調查及流域內歷史觀測數據的擬合回歸，雖然能在一定程度上推測區域環境質量的變化發展趨勢，但是由于缺乏系統科學的支持論證，擬合預測結果準確度并不高。

數值模擬計算是科學和工程領域中一項重要的技術與工具，可以對不同環境介質（如大氣、水體、土壤）中污染物及重要環境變量在多個時空尺度的擴散、遷移、轉換進行模擬計算和仿真應用，從而準確反演和預測不同氣候變化及人為活動干擾下的區域水環境質量狀況與變化趨勢，能較大程度彌補實地調查不能全面反映污染物在大流域尺度上的時空分布與動態遷移的缺陷。隨著高性能計算與算法語言的發展，數值模擬的計算速度和應用場景都有了極大的改善，數值模擬技術已逐漸滲透到環境、地球和生態等學科的方方面面。

目前，越來越多的數學模型及相關技術被運用到流域水環境規劃研究中。劉俊勇等學者通過將水環境模擬評價軟件MIKE11、MIKE21應用到珠江流域的水動力和水環境模擬中，發現數值模擬的應用可以有效提高水資源管理的工作效率。學者樊喬銘和丁志斌運用優化后的水質模型，模擬預測了長江口不同季節藻類生長、爆發和死亡的全過程，模擬結果顯示長江入流帶來的大量氮磷營養鹽是藻類生長循環的重要環境影響因子，為長江口藻類暴發抑制及長三角區域面源規劃管理提供了重要的科學依據。

近年來，流域環境流體動力模型EFDC被廣泛應用于不同沿海區域的規劃管理中，如膠州灣的潮流模擬、深圳灣的水質模擬和天津港的溢油模擬等。流域規劃管理課程是高等院校環境科學及環境管理專業方向的一門核心課程。然而，目前國內高校本科學校規劃管理課程教學中，對數值模擬內容涉及較少，特別是針對流域內污染物質遷移擴散的復雜多維數值模型，仍以傳統的一維物質降解擴散解析方程為主。鑒于數值模擬技術在規劃管理和實際工程中的廣泛應用，高校環境科學專業有必要在相應的課程中融入數值模擬理論應用教學，進一步更新流域規劃管理課程的相關教學內容，并探索新的教學方法和教學模式。

一、課程教學內容

目前，蘇州科技大學環境科學與工程學院流域規劃管理課程設置為專業選修課，安排在第6學期，其中理論教學24課時，實驗教學8課時，共計32課時，2個學分。授課內容主要涵蓋流域水環境功能區劃、水環境容量計算、流域保護目標確定、污染物擴散和規劃管理技術。在教學中，教師重點結合長江中下游太湖流域已有的規劃管理案例，通過理論聯系實際，詳細闡述流域規劃管理的主要框架內容及不同內容之間的交互聯系，重點分析流域水環境質量現狀、動態演化趨勢、相應的區域環境管理指導建議。

在流域水環境現狀分析和變化預測教學環節，流域規劃管理課程首次引入了數值模擬技術的相關理論和應用，全面闡述了該技術在反演預測水環境污染物、營養鹽及其他關鍵環境變量在水體中擴散遷移轉化的基本原理和應用發展。在教學中，教師系統闡述湖庫及河流中的關鍵物理、生物、化學過程，并推演水環境物質能量守恒方程的不同離散方法，強調數值解與傳統解析解的不同之處，以及數值模型的優勢和存在的應用限制。新的課程內容通過涵蓋不同的差分形式、水環境物理生物化學過程、外部環境對系統的影響，加深學生對水環境動力學過程、河流湖庫生態系統演變過程的理解，鞏固環境科學專業相關的基礎知識，并擴大不同知識的應用層面，從而更好地理解流域中污染物的動態變化規律和相應區域規劃管理措施的科學性。

在傳統知識體系的基礎上，流域規劃管理課程系統引進了針對流域污染物，營養鹽，溶解氧擴散、混合、遷移的數值模擬內容。其主要知識點包括詩歌方面：第一，簡要介紹數值模擬技術在流域水環境中的主要應用場景及相關的實際工程管理應用，讓學生對數值模擬技術的原理和項目應用有初步了解；第二，簡要回顧環境水力學的基礎知識，熟悉水環境中物質運動的基本形態和守恒法則（如質量守恒、動量守恒），鞏固物質遷移、擴散的重要知識點，為數值模擬技術的理論講授奠定基礎；第三，列舉數值模擬離散方法中不同的有限差分格式（如迎風格式、中心差分格式），以淺水方程為例，介紹不同的離散形式和穩定性要求，讓學生掌握水環境中基礎的數值模擬技術及應用；第四，熟悉一維、二維網格劃分的方法，以及網格劃分的注意事項、離散質量和動量守恒方程、相應的邊界控制條件，并進行簡單的淺水湖泊、水庫教學模擬計算，在豐富教學內容的同時，進一步加強學生對數值模擬技術的認知和掌握程度。

二、課程教學特色

數值模擬相關理論技術具有顯著的多學科交叉特性，包括環境水力學（涉及基本流體動力學過程），計算機科學（涉及物理生物化學過程的代碼編寫及代碼運行優化），環境系統分析以及生態學等基礎學科（涉及污染物在環境中的遷移、擴散及轉化過程）的相關內容，其知識體系是對本科一系列基礎教學的有機整合與拓展延伸。

目前，國內數值模擬相關課程設計多集中于流體力學專業、海洋科學工程專業，且多在研究生課程階段開設。環境類本科專業中開設含數值模擬內容的專業核心課程相對較少，主要原因在于數值模擬的理論和應用集合了多個基礎學科的專業知識，不僅需要對前期相關的基礎課程有扎實的掌握，還需要靈活整合不同基礎課程之間的知識點并加以發散、延伸。

此外，國內數值模擬理論技術相關的中文教材及參考書目相對缺乏，已有的相關教材不能有效指導學生的學習認知，也難以激發學生的學習興趣。針對上述問題，教師在編寫教學大綱時，要明確培養學生理解并掌握數值模擬技術的目標，強調靈活運用數值模擬技術的重要性。教師還要結合已有的數值模擬中文教材，針對性地翻譯部分國外經典數值模擬理論教材供學生參考，并結合國內外多個工程管理相關實例進行講授，強化學生理論聯系實際的能力，有效降低學生的學習難度。

在流域規劃管理教學中引入與數值模擬技術相關的內容，從教學內容來看，豐富了教學的內容，從實際應用的角度介紹了流域規劃中如何對污染物的擴散進行預測，并解析內在擴散遷移機制，讓學生接觸并掌握環境科學專業更為前沿的理論應用知識；從教學方式來看，通過結合理論知識的講授和數值模擬案例的實際操作應用，進一步鞏固了學生的環境科學專業基礎理論知識，提升了學生復雜計算編程的水平，鍛煉了學生自主解決流域規劃中物質擴散輸移的能力。

三、課程教學案例

應用型環境科學專業建設要求蘇州科技大學環境科學與工程學院以社會需求及工程實踐為導向，重視理論聯系實際。這也是蘇州科技大學環境科學與工程學院在流域規劃管理課程中引入數值模擬技術的一個重要原因。

在流域規劃管理課程理論教學充分覆蓋環境目標、環境預測、決策方案優化的基礎上，實驗教學環節選取了我國東部長三角地區太湖流域內的重要城市型水庫，基于簡化的納維-斯托克斯流體力學方程，構建針對水庫動力系統的一維垂向混合模型。學生通過對模型方程的離散、代碼轉化以及優化運行，得到了目標水庫在不同時間和空間的溫度、溶解氧的模擬結果。分析結果表明：夏季，水庫在垂直方向存在明顯的溫度分層現象，即表層高溫水區，底層低溫水區；高溫區和低溫區的交界（即躍溫層）區域物質擴散系數較小，能有效阻止水體表層溶解氧向底部的輸送，從而減少了夏季水庫底部水體溶解氧得到持續補充，也從側面解釋了夏季水庫底部缺氧現象發生的物理機制。水庫數值模擬實驗讓學生更加清晰地了解了水環境中不同物理過程、生物過程、化學過程的相互作用，將復雜的溶解氧循環過程通俗化和定量化。通過流域規劃管理課程8個實驗上機課時的開展，學生進一步熟悉了數值模擬的關鍵技術，包括相關代碼編寫、離散計算和可視化圖像生成，加深了對水環境中物質（如溶解氧、污染物和營養鹽）擴散輸移的物理機制的認知，更好地理解如何通過數值模擬結果對區域水環境進行管理，并優化相應的管理方案。

蘇州科技大學環境科學與工程學院一直致力于建設應用型的環境科學專業，通過在流域規劃管理課程中融入相關的數值模擬技術教學，激發了學生的學習興趣，增強了學生解決實際問題的能力。教學過程是一個不斷摸索完善的過程，在今后的教學工作中，蘇州科技大學環境科學與工程學院將持續豐富教學內容，更新教學方式，調動學生的學習積極性，促進學生對知識的吸收和應用。

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基金項目：江蘇省環境科學與工程重點實驗開放課題“未來多重復雜因素影響下的湖泊水-氣界面CO2通量變化機理研究”，項目編號：JSHJZDSYS-202205。