數(shù)值模擬在流域規(guī)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(yǎng)體系建設(shè)的需求，分析當下流域規(guī)劃管理課程在教學內(nèi)容、教學方法和教學模式中普遍存在的問題，創(chuàng)新性地提出在傳統(tǒng)專業(yè)教育核心課程中融入學科前沿技術(shù)的相關(guān)理論，打造全新的教學體系。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；規(guī)劃管理；流域環(huán)境；生態(tài)保護

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，流域環(huán)境保護成為我國區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的重要需求，也是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。生態(tài)環(huán)境部等五部門于2023年初聯(lián)合印發(fā)的《重點流域水生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》，對“十四五”時期重點流域水生態(tài)環(huán)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(xù)減少，水生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，在面源污染防治、水生態(tài)恢復等方面要取得一定突破，水生態(tài)環(huán)境保護體系更加完善，水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等要素系統(tǒng)治理和統(tǒng)籌推進格局基本形成。流域水環(huán)境主要污染物的現(xiàn)狀分布和動態(tài)變化預測是流域規(guī)劃管理的核心內(nèi)容，直接映射了流域水環(huán)境當下面臨的壓力與風險，并在很大程度上影響區(qū)域規(guī)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(tài)遷移，已然成為流域環(huán)境管理和生態(tài)保護的重要前提。

目前，流域規(guī)劃管理對研究區(qū)域水文水資源、水體污染、水質(zhì)及水體功能等背景調(diào)查和現(xiàn)狀評估，主要以野外實地采樣監(jiān)測為主。然而，流域水環(huán)境經(jīng)常伴隨水文氣象條件變化（如降水、上游來水等）而呈現(xiàn)周期性波動，且流域內(nèi)大型河流、湖庫的水質(zhì)，生態(tài)特征通常具有顯著的空間異質(zhì)性。常規(guī)的野外采樣及實地監(jiān)測難以對流域水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)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(guān)費用過高?；谒乃|(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查及流域內(nèi)歷史觀測數(shù)據(jù)的擬合回歸，雖然能在一定程度上推測區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的變化發(fā)展趨勢，但是由于缺乏系統(tǒng)科學的支持論證，擬合預測結(jié)果準確度并不高。

數(shù)值模擬計算是科學和工程領(lǐng)域中一項重要的技術(shù)與工具，可以對不同環(huán)境介質(zhì)（如大氣、水體、土壤）中污染物及重要環(huán)境變量在多個時空尺度的擴散、遷移、轉(zhuǎn)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(qū)域水環(huán)境質(zhì)量狀況與變化趨勢，能較大程度彌補實地調(diào)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(tài)遷移的缺陷。隨著高性能計算與算法語言的發(fā)展，數(shù)值模擬的計算速度和應用場景都有了極大的改善，數(shù)值模擬技術(shù)已逐漸滲透到環(huán)境、地球和生態(tài)等學科的方方面面。

目前，越來越多的數(shù)學模型及相關(guān)技術(shù)被運用到流域水環(huán)境規(guī)劃研究中。劉俊勇等學者通過將水環(huán)境模擬評價軟件MIKE11、MIKE21應用到珠江流域的水動力和水環(huán)境模擬中，發(fā)現(xiàn)數(shù)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(yōu)化后的水質(zhì)模型，模擬預測了長江口不同季節(jié)藻類生長、爆發(fā)和死亡的全過程，模擬結(jié)果顯示長江入流帶來的大量氮磷營養(yǎng)鹽是藻類生長循環(huán)的重要環(huán)境影響因子，為長江口藻類暴發(fā)抑制及長三角區(qū)域面源規(guī)劃管理提供了重要的科學依據(jù)。

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

一、課程教學內(nèi)容

目前，蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院流域規(guī)劃管理課程設(shè)置為專業(yè)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(nèi)容主要涵蓋流域水環(huán)境功能區(qū)劃、水環(huán)境容量計算、流域保護目標確定、污染物擴散和規(guī)劃管理技術(shù)。在教學中，教師重點結(jié)合長江中下游太湖流域已有的規(guī)劃管理案例，通過理論聯(lián)系實際，詳細闡述流域規(guī)劃管理的主要框架內(nèi)容及不同內(nèi)容之間的交互聯(lián)系，重點分析流域水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、動態(tài)演化趨勢、相應的區(qū)域環(huán)境管理指導建議。

在流域水環(huán)境現(xiàn)狀分析和變化預測教學環(huán)節(jié)，流域規(guī)劃管理課程首次引入了數(shù)值模擬技術(shù)的相關(guān)理論和應用，全面闡述了該技術(shù)在反演預測水環(huán)境污染物、營養(yǎng)鹽及其他關(guān)鍵環(huán)境變量在水體中擴散遷移轉(zhuǎn)化的基本原理和應用發(fā)展。在教學中，教師系統(tǒng)闡述湖庫及河流中的關(guān)鍵物理、生物、化學過程，并推演水環(huán)境物質(zhì)能量守恒方程的不同離散方法，強調(diào)數(shù)值解與傳統(tǒng)解析解的不同之處，以及數(shù)值模型的優(yōu)勢和存在的應用限制。新的課程內(nèi)容通過涵蓋不同的差分形式、水環(huán)境物理生物化學過程、外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，加深學生對水環(huán)境動力學過程、河流湖庫生態(tài)系統(tǒng)演變過程的理解，鞏固環(huán)境科學專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)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(tài)變化規(guī)律和相應區(qū)域規(guī)劃管理措施的科學性。

在傳統(tǒng)知識體系的基礎(chǔ)上，流域規(guī)劃管理課程系統(tǒng)引進了針對流域污染物，營養(yǎng)鹽，溶解氧擴散、混合、遷移的數(shù)值模擬內(nèi)容。其主要知識點包括詩歌方面：第一，簡要介紹數(shù)值模擬技術(shù)在流域水環(huán)境中的主要應用場景及相關(guān)的實際工程管理應用，讓學生對數(shù)值模擬技術(shù)的原理和項目應用有初步了解；第二，簡要回顧環(huán)境水力學的基礎(chǔ)知識，熟悉水環(huán)境中物質(zhì)運動的基本形態(tài)和守恒法則（如質(zhì)量守恒、動量守恒），鞏固物質(zhì)遷移、擴散的重要知識點，為數(shù)值模擬技術(shù)的理論講授奠定基礎(chǔ)；第三，列舉數(shù)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(wěn)定性要求，讓學生掌握水環(huán)境中基礎(chǔ)的數(shù)值模擬技術(shù)及應用；第四，熟悉一維、二維網(wǎng)格劃分的方法，以及網(wǎng)格劃分的注意事項、離散質(zhì)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(nèi)容的同時，進一步加強學生對數(shù)值模擬技術(shù)的認知和掌握程度。

二、課程教學特色

數(shù)值模擬相關(guān)理論技術(shù)具有顯著的多學科交叉特性，包括環(huán)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(yōu)化），環(huán)境系統(tǒng)分析以及生態(tài)學等基礎(chǔ)學科（涉及污染物在環(huán)境中的遷移、擴散及轉(zhuǎn)化過程）的相關(guān)內(nèi)容，其知識體系是對本科一系列基礎(chǔ)教學的有機整合與拓展延伸。

目前，國內(nèi)數(shù)值模擬相關(guān)課程設(shè)計多集中于流體力學專業(yè)、海洋科學工程專業(yè)，且多在研究生課程階段開設(shè)。環(huán)境類本科專業(yè)中開設(shè)含數(shù)值模擬內(nèi)容的專業(yè)核心課程相對較少，主要原因在于數(shù)值模擬的理論和應用集合了多個基礎(chǔ)學科的專業(yè)知識，不僅需要對前期相關(guān)的基礎(chǔ)課程有扎實的掌握，還需要靈活整合不同基礎(chǔ)課程之間的知識點并加以發(fā)散、延伸。

此外，國內(nèi)數(shù)值模擬理論技術(shù)相關(guān)的中文教材及參考書目相對缺乏，已有的相關(guān)教材不能有效指導學生的學習認知，也難以激發(fā)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(yǎng)學生理解并掌握數(shù)值模擬技術(shù)的目標，強調(diào)靈活運用數(shù)值模擬技術(shù)的重要性。教師還要結(jié)合已有的數(shù)值模擬中文教材，針對性地翻譯部分國外經(jīng)典數(shù)值模擬理論教材供學生參考，并結(jié)合國內(nèi)外多個工程管理相關(guān)實例進行講授，強化學生理論聯(lián)系實際的能力，有效降低學生的學習難度。

在流域規(guī)劃管理教學中引入與數(shù)值模擬技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，從教學內(nèi)容來看，豐富了教學的內(nèi)容，從實際應用的角度介紹了流域規(guī)劃中如何對污染物的擴散進行預測，并解析內(nèi)在擴散遷移機制，讓學生接觸并掌握環(huán)境科學專業(yè)更為前沿的理論應用知識；從教學方式來看，通過結(jié)合理論知識的講授和數(shù)值模擬案例的實際操作應用，進一步鞏固了學生的環(huán)境科學專業(yè)基礎(chǔ)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(guī)劃中物質(zhì)擴散輸移的能力。

三、課程教學案例

應用型環(huán)境科學專業(yè)建設(shè)要求蘇州科技大學環(huán)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(lián)系實際。這也是蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院在流域規(guī)劃管理課程中引入數(shù)值模擬技術(shù)的一個重要原因。

在流域規(guī)劃管理課程理論教學充分覆蓋環(huán)境目標、環(huán)境預測、決策方案優(yōu)化的基礎(chǔ)上，實驗教學環(huán)節(jié)選取了我國東部長三角地區(qū)太湖流域內(nèi)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(gòu)建針對水庫動力系統(tǒng)的一維垂向混合模型。學生通過對模型方程的離散、代碼轉(zhuǎn)化以及優(yōu)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(jié)果。分析結(jié)果表明：夏季，水庫在垂直方向存在明顯的溫度分層現(xiàn)象，即表層高溫水區(qū)，底層低溫水區(qū)；高溫區(qū)和低溫區(qū)的交界（即躍溫層）區(qū)域物質(zhì)擴散系數(shù)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(xù)補充，也從側(cè)面解釋了夏季水庫底部缺氧現(xiàn)象發(fā)生的物理機制。水庫數(shù)值模擬實驗讓學生更加清晰地了解了水環(huán)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(huán)過程通俗化和定量化。通過流域規(guī)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(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)，包括相關(guān)代碼編寫、離散計算和可視化圖像生成，加深了對水環(huán)境中物質(zhì)（如溶解氧、污染物和營養(yǎng)鹽）擴散輸移的物理機制的認知，更好地理解如何通過數(shù)值模擬結(jié)果對區(qū)域水環(huán)境進行管理，并優(yōu)化相應的管理方案。

蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院一直致力于建設(shè)應用型的環(huán)境科學專業(yè)，通過在流域規(guī)劃管理課程中融入相關(guān)的數(shù)值模擬技術(shù)教學，激發(fā)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(huán)境科學與工程學院將持續(xù)豐富教學內(nèi)容，更新教學方式，調(diào)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(huán)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。