数值模拟在流域规划管理教学中的应用

沈春其

摘要：文章针对高等院校人才培养体系建设的需求，分析当下流域规划管理课程在教学内容、教学方法和教学模式中普遍存在的问题，创新性地提出在传统专业教育核心课程中融入学科前沿技术的相关理论，打造全新的教学体系。

关键词：数值模拟；规划管理；流域环境；生态保护

随着我国社会经济的发展，流域环境保护成为我国区域高质量发展的重要需求，也是生态文明建设的重要组成部分。生态环境部等五部门于2023年初联合印发的《重点流域水生态环境保护规划》，对“十四五”时期重点流域水生态环境保护作出明确部署，提出到2025年主要水污染排放总量持续减少，水生态环境持续改善，在面源污染防治、水生态恢复等方面要取得一定突破，水生态环境保护体系更加完善，水资源、水环境、水生态等要素系统治理和统筹推进格局基本形成。流域水环境主要污染物的现状分布和动态变化预测是流域规划管理的核心内容，直接映射了流域水环境当下面临的压力与风险，并在很大程度上影响区域规划目标及管理政策的制定。如何准确反演和预测流域污染物的时空分布与动态迁移，已然成为流域环境管理和生态保护的重要前提。

目前，流域规划管理对研究区域水文水资源、水体污染、水质及水体功能等背景调查和现状评估，主要以野外实地采样监测为主。然而，流域水环境经常伴随水文气象条件变化（如降水、上游来水等）而呈现周期性波动，且流域内大型河流、湖库的水质，生态特征通常具有显著的空间异质性。常规的野外采样及实地监测难以对流域水环境生态系统做到全面、整体的覆盖，而增加采样频率或扩大采样范围又会导致相关费用过高。基于水文水质现状调查及流域内历史观测数据的拟合回归，虽然能在一定程度上推测区域环境质量的变化发展趋势，但是由于缺乏系统科学的支持论证，拟合预测结果准确度并不高。

数值模拟计算是科学和工程领域中一项重要的技术与工具，可以对不同环境介质（如大气、水体、土壤）中污染物及重要环境变量在多个时空尺度的扩散、迁移、转换进行模拟计算和仿真应用，从而准确反演和预测不同气候变化及人为活动干扰下的区域水环境质量状况与变化趋势，能较大程度弥补实地调查不能全面反映污染物在大流域尺度上的时空分布与动态迁移的缺陷。随着高性能计算与算法语言的发展，数值模拟的计算速度和应用场景都有了极大的改善，数值模拟技术已逐渐渗透到环境、地球和生态等学科的方方面面。

目前，越来越多的数学模型及相关技术被运用到流域水环境规划研究中。刘俊勇等学者通过将水环境模拟评价软件MIKE11、MIKE21應用到珠江流域的水动力和水环境模拟中，发现数值模拟的应用可以有效提高水资源管理的工作效率。学者樊乔铭和丁志斌运用优化后的水质模型，模拟预测了长江口不同季节藻类生长、爆发和死亡的全过程，模拟结果显示长江入流带来的大量氮磷营养盐是藻类生长循环的重要环境影响因子，为长江口藻类暴发抑制及长三角区域面源规划管理提供了重要的科学依据。

近年来，流域环境流体动力模型EFDC被广泛应用于不同沿海区域的规划管理中，如胶州湾的潮流模拟、深圳湾的水质模拟和天津港的溢油模拟等。流域规划管理课程是高等院校环境科学及环境管理专业方向的一门核心课程。然而，目前国内高校本科学校规划管理课程教学中，对数值模拟内容涉及较少，特别是针对流域内污染物质迁移扩散的复杂多维数值模型，仍以传统的一维物质降解扩散解析方程为主。鉴于数值模拟技术在规划管理和实际工程中的广泛应用，高校环境科学专业有必要在相应的课程中融入数值模拟理论应用教学，进一步更新流域规划管理课程的相关教学内容，并探索新的教学方法和教学模式。

一、课程教学内容

目前，苏州科技大学环境科学与工程学院流域规划管理课程设置为专业选修课，安排在第6学期，其中理论教学24课时，实验教学8课时，共计32课时，2个学分。授课内容主要涵盖流域水环境功能区划、水环境容量计算、流域保护目标确定、污染物扩散和规划管理技术。在教学中，教师重点结合长江中下游太湖流域已有的规划管理案例，通过理论联系实际，详细阐述流域规划管理的主要框架内容及不同内容之间的交互联系，重点分析流域水环境质量现状、动态演化趋势、相应的区域环境管理指导建议。

在流域水环境现状分析和变化预测教学环节，流域规划管理课程首次引入了数值模拟技术的相关理论和应用，全面阐述了该技术在反演预测水环境污染物、营养盐及其他关键环境变量在水体中扩散迁移转化的基本原理和应用发展。在教学中，教师系统阐述湖库及河流中的关键物理、生物、化学过程，并推演水环境物质能量守恒方程的不同离散方法，强调数值解与传统解析解的不同之处，以及数值模型的优势和存在的应用限制。新的课程内容通过涵盖不同的差分形式、水环境物理生物化学过程、外部环境对系统的影响，加深学生对水环境动力学过程、河流湖库生态系统演变过程的理解，巩固环境科学专业相关的基础知识，并扩大不同知识的应用层面，从而更好地理解流域中污染物的动态变化规律和相应区域规划管理措施的科学性。

在传统知识体系的基础上，流域规划管理课程系统引进了针对流域污染物，营养盐，溶解氧扩散、混合、迁移的数值模拟内容。其主要知识点包括诗歌方面：第一，简要介绍数值模拟技术在流域水环境中的主要应用场景及相关的实际工程管理应用，让学生对数值模拟技术的原理和项目应用有初步了解；第二，简要回顾环境水力学的基础知识，熟悉水环境中物质运动的基本形态和守恒法则（如质量守恒、动量守恒），巩固物质迁移、扩散的重要知识点，为数值模拟技术的理论讲授奠定基础；第三，列举数值模拟离散方法中不同的有限差分格式（如迎风格式、中心差分格式），以浅水方程为例，介绍不同的离散形式和稳定性要求，让学生掌握水环境中基础的数值模拟技术及应用；第四，熟悉一维、二维网格划分的方法，以及网格划分的注意事项、离散质量和动量守恒方程、相应的边界控制条件，并进行简单的浅水湖泊、水库教学模拟计算，在丰富教学内容的同时，进一步加强学生对数值模拟技术的认知和掌握程度。

二、课程教学特色

数值模拟相关理论技术具有显著的多学科交叉特性，包括环境水力学（涉及基本流体动力学过程），计算机科学（涉及物理生物化学过程的代码编写及代码运行优化），环境系统分析以及生态学等基础学科（涉及污染物在环境中的迁移、扩散及转化过程）的相关内容，其知识体系是对本科一系列基础教学的有机整合与拓展延伸。

目前，国内数值模拟相关课程设计多集中于流体力学专业、海洋科学工程专业，且多在研究生课程阶段开设。环境类本科专业中开设含数值模拟内容的专业核心课程相对较少，主要原因在于数值模拟的理论和应用集合了多个基础学科的专业知识，不仅需要对前期相关的基础课程有扎实的掌握，还需要灵活整合不同基础课程之间的知识点并加以发散、延伸。

此外，国内数值模拟理论技术相关的中文教材及参考书目相对缺乏，已有的相关教材不能有效指导学生的学习认知，也难以激发学生的学习兴趣。针对上述问题，教师在编写教学大纲时，要明确培养学生理解并掌握数值模拟技术的目标，强调灵活运用数值模拟技术的重要性。教师还要结合已有的数值模拟中文教材，针对性地翻译部分国外经典数值模拟理论教材供学生参考，并结合国内外多个工程管理相关实例进行讲授，强化学生理论联系实际的能力，有效降低学生的学习难度。

在流域规划管理教学中引入与数值模拟技术相关的内容，从教学内容来看，丰富了教学的内容，从实际应用的角度介绍了流域规划中如何对污染物的扩散进行预测，并解析内在扩散迁移机制，让学生接触并掌握环境科学专业更为前沿的理论应用知识；从教学方式来看，通过结合理论知识的讲授和数值模拟案例的实际操作应用，进一步巩固了学生的环境科学专业基础理论知识，提升了学生复杂计算编程的水平，锻炼了学生自主解决流域规划中物质扩散输移的能力。

三、课程教学案例

应用型环境科学专业建设要求苏州科技大学环境科学与工程学院以社会需求及工程实践为导向，重视理论联系实际。这也是苏州科技大学环境科学与工程学院在流域规划管理课程中引入数值模拟技术的一個重要原因。

在流域规划管理课程理论教学充分覆盖环境目标、环境预测、决策方案优化的基础上，实验教学环节选取了我国东部长三角地区太湖流域内的重要城市型水库，基于简化的纳维-斯托克斯流体力学方程，构建针对水库动力系统的一维垂向混合模型。学生通过对模型方程的离散、代码转化以及优化运行，得到了目标水库在不同时间和空间的温度、溶解氧的模拟结果。分析结果表明：夏季，水库在垂直方向存在明显的温度分层现象，即表层高温水区，底层低温水区；高温区和低温区的交界（即跃温层）区域物质扩散系数较小，能有效阻止水体表层溶解氧向底部的输送，从而减少了夏季水库底部水体溶解氧得到持续补充，也从侧面解释了夏季水库底部缺氧现象发生的物理机制。水库数值模拟实验让学生更加清晰地了解了水环境中不同物理过程、生物过程、化学过程的相互作用，将复杂的溶解氧循环过程通俗化和定量化。通过流域规划管理课程8个实验上机课时的开展，学生进一步熟悉了数值模拟的关键技术，包括相关代码编写、离散计算和可视化图像生成，加深了对水环境中物质（如溶解氧、污染物和营养盐）扩散输移的物理机制的认知，更好地理解如何通过数值模拟结果对区域水环境进行管理，并优化相应的管理方案。

苏州科技大学环境科学与工程学院一直致力于建设应用型的环境科学专业，通过在流域规划管理课程中融入相关的数值模拟技术教学，激发了学生的学习兴趣，增强了学生解决实际问题的能力。教学过程是一个不断摸索完善的过程，在今后的教学工作中，苏州科技大学环境科学与工程学院将持续丰富教学内容，更新教学方式，调动学生的学习积极性，促进学生对知识的吸收和应用。

参考文献：

[1]刘坚强，孙光厚，赵磊.基于数值计算与数值模拟的基础物理教学内容改革研究[J].九江学院学报（自然科学版），2010（1）.

[2]考四明，卢小雨，宫能平.数值模拟在材料力学教学中的应用[J].西南师范大学学报（自然科学版），2014（12）.

[3]王海峰，董金善，周勇军，等.数值模拟方法在过程设备设计教学中的探索与实践[J].化工高等教育，2013（6）.

[4]夏源，刘汉乐，陈余道.地下水数值模拟的本科教学改革探讨[J].当代教育理论与实践，2012（11）.

[5]刘俊勇，张云，崔树彬.MIKE软件在珠江流域水资源管理与规划中的应用[J].人民珠江，2010（1）.

[6]樊乔铭，丁志斌.EFDC模型在港湾水环境中的应用及进展[J].人民珠江，2016（2）.

基金项目：江苏省环境科学与工程重点实验开放课题“未来多重复杂因素影响下的湖泊水-气界面CO2通量变化机理研究”，项目编号：JSHJZDSYS-202205。