【科普】浅谈水质模型的应用

随着数值计算技术的不断发展，具有动力学机理的环境数值模型成为近年来水环境领域使用最广泛的方法。其中，水环境数值模型是基于循环机理构建的、应用于水环境领域的数值模型，包括流域水文模型、城市雨水管网模型、水体动力水质模型、地下水模型等。这些模型看起来很“拉风”，实际它的本质与我在北大所修的陶澍教授《数理统计与分析》课程的核心是一致的，即：对客观事物量化（现状分析）、根据量变程度确认事物的质（原因分析）、揭示新的规律（预测未来）。

利用模型“以散获整”

众所周知，不管是国标自动站也好，还是人工监测也罢，我们所获取的数据只是在时间和空间尺度上“有限的”点，不能够代表全流域一个“连续的”现状。一方面是受财力的影响，比如采样成本；另一方面更重要的是以当前的科学技术还不足以对大自然的信息进行全面捕获，导致我们有且只能捕捉到自然时空的“离散”变化。这就是为什么一些研究人员会对数据提出质疑的原因。当然数据很重要，但并非详尽无遗。

图1 温榆河沿程断面流量与氨氮浓度From：王亚炜, 杜向群, 郁达伟,等. 温榆河氨氮污染控制措施的效果模拟[J].环境科学学报, 2013, 33(2):8.

以一维水质模型QUAL2K进行的温榆河氨氮数值模拟为例：图中离散的点状数据为实际监测数据，而连续的线则为模型经过率定、校准与验证后的模拟值。这时我们就可以发现，某些连续两组氨氮的实测值本应该是持续上升或下降的趋势，但实际的模拟值却出现了先上升后下降的趋势。同时，我们可以把这种现象扩展到有限的空间里，有些点位可能达到了目标水质，但是全河未必达标。这些未达到标准的时间和空间就会在确定水体水质变化方面带来一定的风险。

当然模型的输出结果也有很多不稳定性，这与输入数据的精度和丰度有关。总而言之，水质模型是当前“以散获整”的手段之一。

现状及原因分析

在以往参与过的项目中发现，管理部门关注的重点通常是结果。比如水体污染物的来源组成是哪些？是点源还是面源？是内源还是外源？各组分的污染物占比又是多少呢？我们都知道，在流域的治理中，往往涉及到资源的分配：即有限的资源（财力、时间）不能投入到无限的问题上。这个时候，模型就能够很好的解决这个问题。我们可以根据流域的基本情况，建立“污染负荷输入-水质响应”关系。通过模型对流域尽可能地还原真实的“岸上-断面-河流”的响应关系，为决策者找到优先投入资源的单元。

虽然水质模型能够很好的解决以上问题，但是模型也并非十足可靠的。它的精度与输入数据息息相关。但从信息处理和理论分析的层面上来说，经过率定和验证后的模型所显示的信息大抵还是要比拍脑子做出的决策靠谱不少。

预测未来

预测未来，这个应用场景就更多了。简单的说两个熟悉的应用场景，一个是工程措施分析，另外一个则是预警。

工程措施分析

我们接着上面的说。当确定了主要污染成因和优先控制单元之后，决策者就会在这个单元投入所拥有的资源去解决这个问题了，即工程措施。通常而言，解决一个问题的方法或者手段是多种多样的，然而在资源限制的条件下，就必须要求我们做出最优解，这样可以使我们的措施精准化、资源投入效益最大化。这个时候我们就可以通过搭建合适的模型体系，进行科学、定量的求解，为决策者提出切实可行的方案。比如在密云水库上游潮河流域TN的控制上，通过构建MIKE11一维水质模型，确定了丰宁县城污水处理厂提标改造+古北口断面上游人工湿地的工程措施最优解。而两项工程实施后潮河入密云水库断面TN持续下降也是对以上最优解措施最好的证明。

图2 密云水库TN削减措施情景模拟From：张雨航, 孙长虹, 范清,等. 基于MIKE21的密云水库总氮预测研究[J].干旱区资源与环境, 2021, 35(8):10.

预警

上面说了那么多关于河流的案例，这里就探讨一下水质模型在湖库里的应用。近年来我国内陆湖泊面临的一个主要问题是水体的富营养化。蓝藻水华频繁爆发，不仅破坏水体景观和生态系统平衡，而且由于蓝藻在生长过程中释放毒素，消耗溶解氧，引起水体生物大量死亡，湖泊水质恶化，严重威胁了湖泊周围地区的饮用水安全。湖泊富营养化治理和控制蓝藻水华尤其迫切，这对湖库蓝藻水华预警监测工作提出了更高的要求。如何发挥各种预警检测技术手段的特点，并建立联系各种技术手段的预警监测系统，发挥预警监测系统在湖库蓝藻水华预警监测工作中的积极作用显得尤为重要。这个时候水质模型依旧可以闪亮登场！通过构建蓝藻水华“天-空-地”立体监测模式进行数据收集，再将其输入到“河湖水动力-水质-藻类”耦合模型，就可以对河湖的蓝藻水华现象进行模拟预测。同时也能根据实际情况对于应急预案进行比较和优选，以最迅速、最经济、最有效的手段控制河湖蓝藻水华的爆发。