隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，具有動(dòng)力學(xué)機(jī)理的環(huán)境數(shù)值模型成為近年來(lái)水環(huán)境領(lǐng)域使用最廣泛的方法。其中，水環(huán)境數(shù)值模型是基于循環(huán)機(jī)理構(gòu)建的、應(yīng)用于水環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)值模型，包括流域水文模型、城市雨水管網(wǎng)模型、水體動(dòng)力水質(zhì)模型、地下水模型等。這些模型看起來(lái)很“拉風(fēng)”，實(shí)際它的本質(zhì)與我在北大所修的陶澍教授《數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析》課程的核心是一致的，即：對(duì)客觀事物量化（現(xiàn)狀分析）、根據(jù)量變程度確認(rèn)事物的質(zhì)（原因分析）、揭示新的規(guī)律（預(yù)測(cè)未來(lái)）。

利用模型“以散獲整”

眾所周知，不管是國(guó)標(biāo)自動(dòng)站也好，還是人工監(jiān)測(cè)也罷，我們所獲取的數(shù)據(jù)只是在時(shí)間和空間尺度上“有限的”點(diǎn)，不能夠代表全流域一個(gè)“連續(xù)的”現(xiàn)狀。一方面是受財(cái)力的影響，比如采樣成本；另一方面更重要的是以當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)還不足以對(duì)大自然的信息進(jìn)行全面捕獲，導(dǎo)致我們有且只能捕捉到自然時(shí)空的“離散”變化。這就是為什么一些研究人員會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)提出質(zhì)疑的原因。當(dāng)然數(shù)據(jù)很重要，但并非詳盡無(wú)遺。

圖1 溫榆河沿程斷面流量與氨氮濃度From：王亞煒, 杜向群, 郁達(dá)偉,等. 溫榆河氨氮污染控制措施的效果模擬[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(2):8.

以一維水質(zhì)模型QUAL2K進(jìn)行的溫榆河氨氮數(shù)值模擬為例：圖中離散的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)為實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而連續(xù)的線則為模型經(jīng)過(guò)率定、校準(zhǔn)與驗(yàn)證后的模擬值。這時(shí)我們就可以發(fā)現(xiàn)，某些連續(xù)兩組氨氮的實(shí)測(cè)值本應(yīng)該是持續(xù)上升或下降的趨勢(shì)，但實(shí)際的模擬值卻出現(xiàn)了先上升后下降的趨勢(shì)。同時(shí)，我們可以把這種現(xiàn)象擴(kuò)展到有限的空間里，有些點(diǎn)位可能達(dá)到了目標(biāo)水質(zhì)，但是全河未必達(dá)標(biāo)。這些未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間和空間就會(huì)在確定水體水質(zhì)變化方面帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)然模型的輸出結(jié)果也有很多不穩(wěn)定性，這與輸入數(shù)據(jù)的精度和豐度有關(guān)?？偠灾?，水質(zhì)模型是當(dāng)前“以散獲整”的手段之一。

現(xiàn)狀及原因分析

在以往參與過(guò)的項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，管理部門關(guān)注的重點(diǎn)通常是結(jié)果。比如水體污染物的來(lái)源組成是哪些？是點(diǎn)源還是面源？是內(nèi)源還是外源？各組分的污染物占比又是多少呢？我們都知道，在流域的治理中，往往涉及到資源的分配：即有限的資源（財(cái)力、時(shí)間）不能投入到無(wú)限的問(wèn)題上。這個(gè)時(shí)候，模型就能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題。我們可以根據(jù)流域的基本情況，建立“污染負(fù)荷輸入-水質(zhì)響應(yīng)”關(guān)系。通過(guò)模型對(duì)流域盡可能地還原真實(shí)的“岸上-斷面-河流”的響應(yīng)關(guān)系，為決策者找到優(yōu)先投入資源的單元。

雖然水質(zhì)模型能夠很好的解決以上問(wèn)題，但是模型也并非十足可靠的。它的精度與輸入數(shù)據(jù)息息相關(guān)。但從信息處理和理論分析的層面上來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)率定和驗(yàn)證后的模型所顯示的信息大抵還是要比拍腦子做出的決策靠譜不少。

預(yù)測(cè)未來(lái)

預(yù)測(cè)未來(lái)，這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景就更多了。簡(jiǎn)單的說(shuō)兩個(gè)熟悉的應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)是工程措施分析，另外一個(gè)則是預(yù)警。

工程措施分析

我們接著上面的說(shuō)。當(dāng)確定了主要污染成因和優(yōu)先控制單元之后，決策者就會(huì)在這個(gè)單元投入所擁有的資源去解決這個(gè)問(wèn)題了，即工程措施。通常而言，解決一個(gè)問(wèn)題的方法或者手段是多種多樣的，然而在資源限制的條件下，就必須要求我們做出最優(yōu)解，這樣可以使我們的措施精準(zhǔn)化、資源投入效益最大化。這個(gè)時(shí)候我們就可以通過(guò)搭建合適的模型體系，進(jìn)行科學(xué)、定量的求解，為決策者提出切實(shí)可行的方案。比如在密云水庫(kù)上游潮河流域TN的控制上，通過(guò)構(gòu)建MIKE11一維水質(zhì)模型，確定了豐寧縣城污水處理廠提標(biāo)改造+古北口斷面上游人工濕地的工程措施最優(yōu)解。而兩項(xiàng)工程實(shí)施后潮河入密云水庫(kù)斷面TN持續(xù)下降也是對(duì)以上最優(yōu)解措施最好的證明。

圖2 密云水庫(kù)TN削減措施情景模擬From：張雨航, 孫長(zhǎng)虹, 范清,等. 基于MIKE21的密云水庫(kù)總氮預(yù)測(cè)研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2021, 35(8):10.

預(yù)警

上面說(shuō)了那么多關(guān)于河流的案例，這里就探討一下水質(zhì)模型在湖庫(kù)里的應(yīng)用。近年來(lái)我國(guó)內(nèi)陸湖泊面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是水體的富營(yíng)養(yǎng)化。藍(lán)藻水華頻繁爆發(fā)，不僅破壞水體景觀和生態(tài)系統(tǒng)平衡，而且由于藍(lán)藻在生長(zhǎng)過(guò)程中釋放毒素，消耗溶解氧，引起水體生物大量死亡，湖泊水質(zhì)惡化，嚴(yán)重威脅了湖泊周圍地區(qū)的飲用水安全。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理和控制藍(lán)藻水華尤其迫切，這對(duì)湖庫(kù)藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)工作提出了更高的要求。如何發(fā)揮各種預(yù)警檢測(cè)技術(shù)手段的特點(diǎn)，并建立聯(lián)系各種技術(shù)手段的預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)揮預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在湖庫(kù)藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)工作中的積極作用顯得尤為重要。這個(gè)時(shí)候水質(zhì)模型依舊可以閃亮登場(chǎng)！通過(guò)構(gòu)建藍(lán)藻水華“天-空-地”立體監(jiān)測(cè)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，再將其輸入到“河湖水動(dòng)力-水質(zhì)-藻類”耦合模型，就可以對(duì)河湖的藍(lán)藻水華現(xiàn)象進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。同時(shí)也能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)于應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行比較和優(yōu)選，以最迅速、最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段控制河湖藍(lán)藻水華的爆發(fā)。

圖3 巢湖藍(lán)藻水華高精度模擬與濱岸帶堆積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法邱銀國(guó), 段洪濤, 萬(wàn)能勝,等. 巢湖藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警與模擬分析平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 湖泊科學(xué), 2022, 34(1):11.

結(jié)語(yǔ)

其實(shí)模型是多種多樣的，每一個(gè)模型都有它適合的研究對(duì)象。既不能全盤否定，又不能以它馬首是瞻。突然間想起來(lái)最近特別火的CHAT GPT，在未來(lái)的某一天，輸入河流名稱、模型名稱，是否立刻就能直接得到模型結(jié)果呢？