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隨著數值計算技術的不斷發展，具有動力學機理的環境數值模型成為近年來水環境領域使用最廣泛的方法。其中，水環境數值模型是基于循環機理構建的、應用于水環境領域的數值模型，包括流域水文模型、城市雨水管網模型、水體動力水質模型、地下水模型等。這些模型看起來很“拉風”，實際它的本質與我在北大所修的陶澍教授《數理統計與分析》課程的核心是一致的，即：對客觀事物量化(現狀分析)、根據量變程度確認事物的質(原因分析)、揭示新的規律(預測未來)。
利用模型“以散獲整”
眾所周知，不管是國標自動站也好，還是人工監測也罷，我們所獲取的數據只是在時間和空間尺度上“有限的”點，不能夠代表全流域一個“連續的”現狀。一方面是受財力的影響，比如采樣成本；另一方面更重要的是以當前的科學技術還不足以對大自然的信息進行全面捕獲，導致我們有且只能捕捉到自然時空的“離散”變化。這就是為什么一些研究人員會對數據提出質疑的原因。當然數據很重要，但并非詳盡無遺。
圖1 溫榆河沿程斷面流量與氨氮濃度
From：王亞煒, 杜向群, 郁達偉,等. 溫榆河氨氮污染控制措施的效果模擬[J].環境科學學報, 2013, 33(2):8.
以一維水質模型QUAL2K進行的溫榆河氨氮數值模擬為例：圖中離散的點狀數據為實際監測數據，而連續的線則為模型經過率定、校準與驗證后的模擬值。這時我們就可以發現，某些連續兩組氨氮的實測值本應該是持續上升或下降的趨勢，但實際的模擬值卻出現了先上升后下降的趨勢。同時，我們可以把這種現象擴展到有限的空間里，有些點位可能達到了目標水質，但是全河未必達標。這些未達到標準的時間和空間就會在確定水體水質變化方面帶來一定的風險。
當然模型的輸出結果也有很多不穩定性，這與輸入數據的精度和豐度有關。總而言之，水質模型是當前“以散獲整”的手段之一。
現狀及原因分析
在以往參與過的項目中發現，管理部門關注的重點通常是結果。比如水體污染物的來源組成是哪些？是點源還是面源？是內源還是外源？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(財力、時間)不能投入到無限的問題上。這個時候，模型就能夠很好的解決這個問題。我們可以根據流域的基本情況，建立“污染負荷輸入-水質響應”關系。通過模型對流域盡可能地還原真實的“岸上-斷面-河流”的響應關系，為決策者找到優先投入資源的單元。
雖然水質模型能夠很好的解決以上問題，但是模型也并非十足可靠的。它的精度與輸入數據息息相關。但從信息處理和理論分析的層面上來說，經過率定和驗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。
預測未來
預測未來，這個應用場景就更多了。簡單的說兩個熟悉的應用場景，一個是工程措施分析，另外一個則是預警。
工程措施分析
當確定了主要污染成因和優先控制單元之后，決策者就會在這個單元投入所擁有的資源去解決這個問題了，即工程措施。通常而言，解決一個問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解，這樣可以使我們的措施精準化、資源投入效益最大化。這個時候我們就可以通過搭建合適的模型體系，進行科學、定量的求解，為決策者提出切實可行的方案。比如在密云水庫上游潮河流域TN的控制上，通過構建MIKE11一維水質模型，確定了豐寧縣城污水處理廠提標改造+古北口斷面上游人工濕地的工程措施最優解。而兩項工程實施后潮河入密云水庫斷面TN持續下降也是對以上最優解措施最好的證明。
圖2 密云水庫TN削減措施情景模擬
From：張雨航, 孫長虹, 范清,等. 基于MIKE21的密云水庫總氮預測研究[J].干旱區資源與環境, 2021, 35(8):10.
預警
上面說了那么多關于河流的案例，這里就探討一下水質模型在湖庫里的應用。近年來我國內陸湖泊面臨的一個主要問題是水體的富營養化。藍藻水華頻繁爆發，不僅破壞水體景觀和生態系統平衡，而且由于藍藻在生長過程中釋放毒素，消耗溶解氧，引起水體生物大量死亡，湖泊水質惡化，嚴重威脅了湖泊周圍地區的飲用水安全。湖泊富營養化治理和控制藍藻水華尤其迫切，這對湖庫藍藻水華預警監測工作提出了更高的要求。如何發揮各種預警檢測技術手段的特點，并建立聯系各種技術手段的預警監測系統，發揮預警監測系統在湖庫藍藻水華預警監測工作中的積極作用顯得尤為重要。這個時候水質模型依舊可以閃亮登場！通過構建藍藻水華“天-空-地”立體監測模式進行數據收集，再將其輸入到“河湖水動力-水質-藻類”耦合模型，就可以對河湖的藍藻水華現象進行模擬預測。同時也能根據實際情況對于應急預案進行比較和優選，以最迅速、最經濟、最有效的手段控制河湖藍藻水華的爆發。
圖3 巢湖藍藻水華高精度模擬與濱岸帶堆積風險評估方法
邱銀國, 段洪濤, 萬能勝,等. 巢湖藍藻水華監測預警與模擬分析平臺設計與實踐[J]. 湖泊科學, 2022, 34(1):11.
結語
其實模型是多種多樣的，每一個模型都有它適合的研究對象。既不能全盤否定，又不能以它馬首是瞻。突然間想起來最近特別火的CHAT GPT，在未來的某一天，輸入河流名稱、模型名稱，是否立刻就能直接得到模型結果呢？
供稿人簡介：
汪昆侖，福建瀧濤環境技術有限公司技術部環境咨詢工程師，曾主負責《“贛鄱明珠·中國水都”-南昌市主要河湖水生態調查與評估項目》、《密云水庫上游潮河流域污染負荷調查及總氮管控對策研究項目》中MIKE 11水質模型搭建工作，參與《朝陽區入河排口2021年汛期與冬季排水情況調查與分析項目》中QUAL2K水質模型及APCS-MLR反向溯源模型搭建模擬工作。目前主要從事流域面源控制與水環境修復、污染源解析、水質模型搭建等方面的業務。
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