流域水环境数值模拟技术应用及研究展望

曹慧群，赵 鑫

(1.长江科学院 a.流域水环境研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010;2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

在气候变化与人类活动影响下，流域水沙过程及以其为载体的水环境演变过程均发生了很大变化。根据国务院最新出台的《水污染防治行动计划》(国发〔2015〕17号)，水环境保护是国家水安全保障的重中之重。为更有效地开展流域水环境保护工作，有必要掌握新形势下流域水环境演变过程。现有研究手段主要为野外监测、物理模型试验和数值模拟。其中水环境数值模拟借助计算机技术，输入电子化的水域地形条件和边界条件，求解反映水动力和水环境演变过程的理论方程，得到水动力、泥沙及水环境要素的时空分布规律，可非常逼真地复演水环境系统中各要素的变化过程及其相互关系。具有不可替代的优势:①通过大量方案模拟，可快速掌握水环境内部因子的变化规律;②可模拟水体全范围内污染物浓度的时空变化过程，对水环境变化进行定量描述［1－3］，同时可对未来变化进行预测;③耗资小、不受人力、物力的限制，研究周期短，可有效提高水环境管理工作的效率。因此，水环境数值模拟是水环境规划、管理与保护工作中的重要研究手段。

目前国内外针对流域水环境数值模拟开展了大量研究工作，已取得了一定成果。但受到监测数据有限、污染物输移机制还未完全清晰等的影响，流域水环境模拟技术发展受到一定局限，未来仍有较大发展空间。本文总结了目前水环境数值模拟技术研究进展，归纳了水环境模拟在流域水环境演变与调控研究、水利工程对流域水环境的影响研究、水污染防治工程设计、水资源保护规划与管理等方面的应用情况，并提出了流域水环境数值模拟技术的发展趋势。

2 当前主要水环境数值模拟技术

水环境数学模型的开发，始于1925年Streeter和Phelps建立的水中溶解氧平衡模型(S-P模型)，此后逐渐由一维单因素河道稳态模型扩展至多维多因素动态模型，同时考虑底泥释放和大气沉降的作用，并引入模糊数学、人工神经网络、3S等新技术［4］。水环境模拟技术主要由国外相关机构研发，如美国环保局、美国陆军工程兵团、丹麦水动力研究所等。

根据模拟对象的不同，将水环境模型分为3类:地表水环境模型、地下水环境模型、流域非点源污染模型。

2.1 地表水环境模型

地表水环境模型主要模拟水流、泥沙、污染物质在河流、湖泊、河口等地表水体中的运动过程，代表性的模型有 EFDC，WASP，MIKE，Delft-3D，SMS，CE-QUAL-R1/W2/ICM 等［5－10］，具 体 见 表 1。 其 中EFDC模型是目前应用最广的三维模型，在三维水动力计算方面具有突出优势，能够较好适应长时间干湿交替情景，模型前期率定和后期可视化处理功能较强;WASP模型在数值计算、参数率定上具有优势，但前期概化及网格化较繁琐;MIKE系列模型可模拟多种水质参数，适用于复杂水域，但模型源代码不公开，用户拓展难度很大;Delft-3D模型嵌有水质和生态过程库，可拓展性较强;SMS模型的优点是具有强大的网格创建能力;CE-QUAL-R1/W2主要适用于湖库的水质模拟［11］。

表1 代表性水环境模型汇总Table 1 Representative models of water environment

2.2 地下水环境模型

地下水环境模型主要模拟地下水流与溶质的运移过程，代表性的模型有Visual MODFLOW，GMS等［12－13］，具体见表1。GMS为可视化三维地下水模拟系统，集成了 MODFLOW，MODPATH，MT3D，FEMWATER等近10个地下水模型，可进行地下水的水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟等;Visual MODFLOW同样以MODFLOW模型为核心，特点是界面友好，可视化性能较强，使用方便。

2.3 流域非点源污染模型

流域非点源污染模型重点模拟陆面径流产生以及污染物质输移过程，代表性的模型有 SWAT，HSPF，MIKE SHE，SWMM 等［14－17］，具体见表 1。SWAT模型是目前应用最广泛的流域非点源污染模型之一，适用于土壤类型和土地利用方式复杂的流域，但应用至我国流域需要进行代码转换，工作量较大;HSPF模型以强大的水文模拟为基础，模拟精度较高，但对输入数据要求高，空间分辨率相对较低;MIKE SHE以完全物理分布式水文模型为基础，通过多模块配置可模拟多种要素，同样对基础资料要求高;SWMM模型适用于具有复杂下垫面城市的暴雨径流和污染物运动过程。

3 流域水环境数值模拟技术应用

水环境模拟通过对水体内部发生的复杂污染过程定量化描述，识别主要污染物及其迁移途径和转化过程，具有较广的应用空间。目前，水环境模拟技术在基础研究、工程应用和规划管理等方面均有应用，其中基础研究集中在流域水环境演变与调控研究方面，工程应用集中在水利工程对流域水环境的影响、水污染防治工程设计方面，规划管理集中在水资源保护规划与管理方面。

3.1 流域水环境演变与调控研究

在全球气候变化与人类活动影响下，流域水环境的演变发生复杂变化，可通过建立流域水环境数学模型，对水环境历史演变进行反演，通过定量的数值模拟结果探讨变化的主要原因，并对未来变化趋势进行预测。全球气候变化的影响研究，一般采用联合国政府间气候变化专门委员会发布的IPCC评估报告成果，将过去已经发生的气候变化和未来设计的气候情景输入模型，模拟分析流域水文循环过程及水量变化，重点分析洪涝与干旱等极端水文事件的发生频次［18］，进一步分析污染物迁移转化和水体稀释能力的变化，研究气候变化对流域点源与非点源污染事件发生概率和量级的影响［19］;对于大规模人类活动的影响研究，可通过建立流域尺度水文与水环境数学模型，模拟分析土地利用方式改变、沿岸经济带城市产业转移等条件下，流域水环境的演变过程。在此基础上，从流域宏观层面，提出流域水沙调控对策，利用流域水环境模型模拟对比，筛选提出最优方案，并分析流域水生态环境的响应。

3.2 水利工程影响分析与水污染防治工程设计

重大水利工程(如水库工程、水系连通工程、跨流域调水工程等)的运行改变了江河湖库的天然水文过程，对流域水环境产生较大的影响，一般可利用地表水环境数学模型开展研究。水库水环境数学模型一般考虑水动力、泥沙和水质等要素，入口边界条件一般采用典型系列年的入库水沙和水质条件，出口边界条件采用水库调度的坝前水位过程。与自然河流相比，水库水深变化幅度较大，且坝前水深较大，通常采用三维或垂向二维模型研究。根据水库库区水沙与水环境时空变化模拟结果，可进一步开展水库的水质达标分析、水库对水沙及污染物(营养物)输移过程的影响研究、水库生态调度研究［20－21］等;河湖水系连通工程通过港渠等连通工程，将河流与湖泊连通，加快河湖之间的水体流动，改善水环境质量。但不同水体的汇合可能会带来一定生态环境风险，可通过建立水动力－水环境－水生态模型，研究水系连通对水环境改善作用的幅度以及产生生态风险的等级，并通过模拟比选，提出最优的河湖水系连通方案［22］;此外，跨流域调水工程对调水区及受水区的水环境影响，亦可利用水环境数学模型开展研究。

非点源污染控制是当前水污染治理的难点，也是生态清洁小流域建设的重点。生态沟渠和人工湿地是非点源污染过程控制与末端治理的重要工程技术措施［23］，其工程设计需要借助流域非点源污染模型［24］。以小流域集水范围为对象，建立流域水文与非点源污染数学模型，针对不同生态沟渠与人工湿地工程方案，重点考虑介质特征、粒径、水平布置与垂向布置、基质与植物的类型、植物种植密度与空间布置等，模拟比对提出最优的工程配置与设计方案。

3.3 水资源保护规划与管理

水环境模拟可定量确定污染负荷，为水功能区纳污能力复核、水功能区达标分析、入河排污口布局等水资源保护规划工作提供决策依据。

水功能区纳污能力是指满足水功能区水质目标要求的污染物最大允许负荷量。水资源保护规划需要提出现状及规划条件下的纳污能力。数学模型计算法是纳污能力计算的最有效方法之一。参照《水域纳污能力计算规程》，根据河流污染物的混合程度，可采用零维、一维、二维模型计算纳污能力，其设计流量一般采用最枯月均流量。随着水环境模拟计算的发展，可进一步考虑污染物的垂向扩散、典型设计流量过程、河道地形变化等重要因素，开发三维水环境数学模型，更高精度模拟计算河道的纳污能力［25］，以满足水环境精细化管理的需求;水功能区达标分析根据水功能水质目标，判断现状水质是否达标，其中现状水质分布是水功能区达标分析的基础，需要利用有限的水质监测数据，结合数学模型计算分析得到;入河排污口的设置应不影响水功能区的达标，论证过程中可利用水环境数学模型，模拟计算不同排污口设置方案条件下，污染物的输移过程、污染物浓度等值线分布及发展过程，分析污水排放对水功能区的影响范围，从中比选出影响最小的排污口布局方案。

4 水环境数值模拟技术发展趋势

目前水环境模拟技术存在以下不足:①模拟的过程相对单一，参数率定及模拟结果存在较大随机性;②模拟因素考虑的不够全面，模拟结果与实际情况有一定差距;③模型专业性较强，难以推广应用。随着水环境监测站网的完善、污染物在不同介质中转化机理与迁移过程研究的深入、以及计算机技术与地理信息技术的快速发展，为水环境数值模拟技术的进一步发展提供可行性。

未来发展趋势主要集中在流域水环境全过程模拟、水环境多因素耦合模拟、水环境模拟系统集成3方面。

4.1 流域全过程模拟

流域指由分水线所包围的河流集水区，为水体自然流动的边界，具有自然整体性。对于流域水环境演变，水沙、营养物与污染物首先从陆面侵蚀，再进入河道对流与扩散，并在地表水与地下水之间迁移转化，是一个连续的输移过程。随着计算模拟技术与地理信息系统技术的发展，建立陆面、地表水与地下水水环境集成模型，客观描述水环境全过程演变成为可能。此外，随着水环境监测站网的不断完善，陆面、地表与地下水中的水文、水质、水生生物的统一监测体系逐渐建立，为流域全过程模拟以及参数准确率定提供可行条件。目前研究重点是陆面－地表水环境耦合模拟、污染物在地表水和地下水中的迁移转化过程模拟等［26］。研究难点是不同空间尺度之间的转化方法，以及水沙、营养物、污染物在不同空间尺度中的输移机制及过程。

4.2 多因素耦合模拟

流域环境中主要包括水、泥沙、无机物和有机物、水生生物等物质，这些物质相互作用，存在复杂的耦合关系，如河流水体中的氮磷营养物质和重金属物质以溶于水的溶解态、吸附于泥沙上的颗粒态2种形态输移;河流中营养物质能够被浮游植物迅速吸收，然后通过浮游植物－浮游动物－鱼类的食物链形式，影响水生生物的生长和繁殖;河流中的有毒污染物，如环境激素和重金属，会使水生生物遗传变异、生理机能失常、机体变形甚至死亡。因此，随着水环境综合管理需求的凸显，水沙－水环境－水生态多因素耦合模拟技术是未来的发展趋势之一。

水体富营养化是水动力、营养盐、光照、水温等因素综合作用的结果，富营养化模拟属于一种典型的水环境多因素耦合模拟。目前，关于湖库的富营养化模拟已开展了较多研究［27－28］。随着河湖藻类生长机理以及水华发生机制的进一步揭示，未来的趋势是引入水动力、水质与富营养化的关系，进一步开发三维富营养化数学模型，更精准地模拟营养盐和藻类在水平和垂向的时空分布规律，预测水华发生的概率、区域及规模。

4.3 模拟系统集成

模型的前处理与后处理是水环境数值模拟工作的重要环节，其中前处理包括地形、水文、水质数据的整理与输入，后处理包括模拟结果的动态展示和仿真演示。针对水环境高效管理的需求，有必要将模拟前后处理与数学模型集成于一体，建立水环境模拟系统，为相关的决策管理提供支撑。

根据侧重点不同，可相应开发水质信息化管理系统、水质预警预报系统、突发性水污染事件应急系统、流域/区域地下水信息及环境服务系统、水动力与水环境演变三维动态可视化演示系统、水环境实体景观设计可视化演示系统等［29］。

5 结论

流域水环境数值模拟是水环境规划、管理与保护工作中的重要研究手段。本文总结了目前流域水环境数值模拟技术及应用研究进展，并对水环境模拟技术的发展趋势进行了探讨。

(1)根据模拟对象的不同，将水环境模型分为地表水环境模型、地下水环境模型、流域非点源污染模型3种类型，并详细列举了各类型的代表模拟软件及其优缺点。

(2)目前水环境模拟技术主要应用在基础研究、工程应用和规划管理等方面。①基础研究:流域水环境演变与调控，主要包括全球气候变化与人类活动影响下流域水环境的演变模拟，流域水沙调控及生态环境响应模拟等。②工程应用:水利工程影响分析与水污染防治工程设计，主要包括水库、水系连通、跨流域调水工程等重大水利工程运行对流域水环境影响模拟，非点源污染控制中生态沟渠和人工湿地方案设计等。③规划管理:水资源保护规划与管理。主要包括水功能区纳污能力复核、水功能区达标分析、入河排污口设置论证等。

(3)水环境数值模拟技术未来发展趋势主要集中在3方面:一是陆面、地表水与地下水水环境集成的流域水环境全过程模拟;二是水沙－水环境－水生态多因素耦合模拟;三是将模拟前后处理与数学模型集成于一体的水环境模拟系统开发。

［1］冯民权，郑邦民，周孝德.水环境模拟与预测［M］.北京:科学出版社，2009.(FENG Min-quan，ZHENG Bang-min，ZHOU Xiao-de.Simulation and Prediction of Water Environment［M］.Beijing:Science Press，2009.(in Chinese))

［2］陆垂裕，肖伟华，赵 勇，等.复杂水环境系统数值模拟及其风险分析［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.(LU Chui-yu，XIAO Wei-hua，ZHAO Yong，et al.Simulation and Risk Analysis of Complex Water Environment［M］.Beijing:China Water Power Press，2010.(in Chinese))

［3］彭泽洲，杨天行，梁秀娟，等.水环境数学模型及其应用［M］.北京:化学工业出版社，2007.(PENG Zezhou，YANG Tian-xing，LIANG Xiu-juan，et al.Mathematical Model of Water Environment and Its Application［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2007.(in Chinese))

［4］段 扬.基于EFDC的丹江口水库水环境数值模拟分析［D］.北京:中国地质大学(北京)，2014.(DUAN Yang.EFDC-Based Simulation on Water Environment in Danjiangkou Reservoir［D］.Beijing:China University of Geosciences(Beijing)，2014.(in Chinese))

［5］TetraTech，Inc.User’s Manual For Environmental Fluid Dynamics Code Hydro Version(EFDC-Hydro)Release 1.00［K］.USA:Atlanta，2002.

［6］TIM A，ROBERT B，JAMESL，et al.Water Quality A-nalysis Simulation Program(WASP)Version 6.0，Draft:User’s Manual［K］.USA:Atlanta，2001.

［7］DHI Water＆ Environment.MIKE 11 A Modeling System for Rivers and Channels User Guide［K］.Australia:DHI Water＆ Environment，2004.

［8］WL/Delft Hydraulics.Delft3D-WAQVersatile Water Quality Modelling in 1D，2D or 3D Systems Including Physical，(Bio)chemical and Biological Processes User Manual［K］.Netherlands:WL/Delft Hydraulics，2007.

［9］Environmental Modeling Research Laboratory of Brigham Young University.SMS Surface Water Modeling System Tutorials Version 8.1［K］.USA:Environmental Modeling Research Laboratory of Brigham Young University，2003.

［10］US Army Engineer Waterways Experiment Station.CEQUAL-R1:A Numerical One-dimensional Model of Reservoir Water Quality:User’s Manual［K］.Vicksburg，Mississippi:Environmental Laboratory，1986.

［11］张 昊，张代钧.复杂水环境模拟研究与发展趋势［J］.环境科学与管理，2010，(4):24－28.(ZHANG Hao，ZHANG Dai-jun.The Advance and Trend in the Simulation of Complicated Water Environment［J］.Environmental Science and Management，2010，(4):24－28.(in Chinese))

［12］郑春苗，贝聂特.地下水污染物迁移模拟(第2版)［M］.北京:高等教育出版社，2009.(ZHENG Chunmiao，BENNEFF G D.Applied Contaminant Transport Modeling(Second Edition)［M］.Beijing:Higher Education Press，2009.(in Chinese))

［13］ANON D.Visual MODFLOW V.2.8.2 User’s Manual for Professional Applications in Three-Dimensional Groundwater Flow and Contaminant Transport Modeling［K］.Ontario:Waterloo Hydrogeologic Inc.，2000.

［14］夏 军，翟晓燕，张永勇.水环境非点源污染模型研究进展［J］.地理科学进展，2012，(7):941－952.(XIA Jun，ZHAI Xiao-yan，ZHANG Yong-yong.Progress in the Research of Water Environmental Nonpoint Source Pollution Models［J］.Progress in Geography，2012，(7):941－952.(in Chinese))

［15］NEITSCH S L，ARNOLD J G，KINIRT J R.Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation Version 2005［K］.Texas:Grassland，Soil and Water Research Laboratory，2005.

［16］BICKNELL B R，IMHOFF J C，KITTLE JR J L，et al.Hydrological Simulation Program-Fortran:User’s Manual for Version II［K］.Washington D C:National Exposure Research Laboratory，USEnvironmental Protection Agency，1997.

［17］ROSSMAN L A，SUPPLY W.Storm Water Management Model User’s Manual，Version 5.0［K］.Washington D C:National Risk Management Research Laboratory，Office of Research and Development，US Environmental Protection Agency，2010.

［18］曹丽娟，董文杰，张 勇.未来气候变化对黄河和长江流域极端径流影响的预估研究［J］.大气科学，2013，37(3):634－644.(CAO Li-juan，DONG Wenjie，ZHANG Yong.Estimation of the Effect of Climate Change on Extreme Streamflow over the Yellow River and Yangtze River Basins［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2013，37(3):634－644.(in Chinese))

［19］夏星辉，吴 琼，牟新利.全球气候变化对地表水环境质量影响研究进展［J］.水科学进展.2012，23(1):124－ 133.(XIA Xing-hui，WU Qiong，MOU Xin-li.Advances in Impacts of Climate Change on Surface Water Quality［J］.Advances in Water Science，2012，23(1):124－133.(in Chinese))

［20］陈明千，刘中峰，李 然，等.大型水库三维水质模型研究［J］.水利水电科技进展，2010，30(2):5－9.(CHEN Ming-qian，LIU Zhong-feng，LI Ran，et al.Three-dimensional Model for Water Quality of Large Reservoirs［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30(2):5－9.(in Chinese))

［21］曹慧群，李青云，陈 野.三峡水库运行对长江干流磷传输的影响及对策［J］.人民长江，2014，45(15):14－17.(CAO Hui-qun，LI Qing-yun，CHEN Ye.Impacts of Three Gorges Reservoir Operation on Phosphorus Transportation in Mainstream of Yangtze River and Countermeasure［J］.Yangtze River，2014，45(15):14－17.(in Chinese))

［22］田 勇.湖泊三维水动力水质模型研究与应用［D］.武汉:华中科技大学，2012.(TIAN Yong.Development and Application of a Three Dimensional Hydrodynamic and Water Quality Lake Model［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2012.(in Chinese))

［23］王振华，李青云，黄 茁.生态清洁小流域建设研究现状及展望［J］.人民长江，2011，42(增2):115－118.(WANG Zheng-hua，LI Qing-yun，HUANG Zhuo.Research Status and Prospect on Construction of Small Eco-clean Watersheds ［J］. Yangtze River， 2011，42(Sup.2):115－118.(in Chinese))

［24］叶芝菡，段淑怀，吴敬东.流域水文模型在生态清洁小流域规划中的应用［J］.中国水土保持，2007，(9):12－ 13.(YE Zhi-han，DUAN Shu-huai，WU Jingdong.Application of Hydrological Model at Small Ecoclean Watersheds Planning［J］.Soil and Water Conservation in China，2007，(9):12－13.(in Chinese))

［25］赵 鑫，黄 茁，李青云，等.我国现行水域纳污能力计算方法的思考［J］.中国水利，2012，(1):29－32.(ZHAO Xin，HUANG Zhuo，LI Qing-yun，et al.Consideration on Current Calculating Method of Pollution Carrying Capacity in China［J］.China Water Resources，2012，(1):29－32.(in Chinese))

［26］凌敏华，陈 喜，程勤波，等.地表水与地下水耦合模型研究进展［J］.水利水电科技进展，2010，30(4):79－84.(LING Min-hua，CHEN Xi，CHENG Qin-bo，et al.Advances in Coupled Surface Water and Groundwater Models［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30(4):79－ 84.(in Chinese))

［27］LI Y P，ACHARYA K，YU Z B.Modeling Impacts of Yangtze River Water Transfer on Water Ages in Lake Taihu，China［J］.Ecological Engineering，2011，37(2):325－334.

［28］唐天均，杨 晟，尹魁浩，等.基于EFDC模型的深圳水库富营养化模拟［J］.湖泊科学，2014，26(3):393－400.(TANG Tian-jun，YANG Sheng，YIN Kuihao，et al.Simulation of Eutrophication in Shenzhen Reservoir Based on EFDC Model［J］.Journal of Lake Sciences，2014，26(3):393－400.(in Chinese))

［29］陈 进，李青云.长江流域水环境综合治理的技术支撑体系探讨［J］.人民长江，2011，42(2):94－97.(CHEN Jin，LI Qing-yun.Discussion on Technical Support System for Comprehensive Water Environment Harnessing in Yangtze River Basin［J］.Yangtze River，2011，42(2):94－97.(in Chinese))