蔣洪強(qiáng)，吳文俊,，姚艷玲，劉年磊，王金南,，畢軍，姚瑞華

1. 中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；3. 松遼流域水資源保護(hù)局松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130021

耦合流域模型及在中國(guó)環(huán)境規(guī)劃與管理中的應(yīng)用進(jìn)展

蔣洪強(qiáng)1，吳文俊1,2*，姚艷玲3，劉年磊1，王金南1,2，畢軍2，姚瑞華1

1. 中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；3. 松遼流域水資源保護(hù)局松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130021

流域水環(huán)境模型是研究流域水體黑臭、水體富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題的重要工具，流域水環(huán)境模型從概念上可以分為（半）機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)型模型，前者通過(guò)方程式和函數(shù)關(guān)系來(lái)刻畫(huà)流域水動(dòng)力和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)獲取本土化的參數(shù)系數(shù)，后者力圖尋求大數(shù)據(jù)量間的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。按照模擬對(duì)象的不同，流域水環(huán)境模型還可以劃分為陸域的污染負(fù)荷模擬模型、水域的受納水體模擬模型，以及水-陸耦合模擬模型。模型對(duì)整個(gè)流域系統(tǒng)及其內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行定量化描述，污染負(fù)荷模型一般用來(lái)估算點(diǎn)源及非點(diǎn)源產(chǎn)生的污染負(fù)荷量，并計(jì)算出進(jìn)入河道的污染負(fù)荷量，作為受納水體模型的污染源邊界輸入條件；受納水體模型一般用來(lái)模擬沉積物或污染物在河流、湖泊、水庫(kù)、河口、沿海等水體中的運(yùn)動(dòng)和衰減轉(zhuǎn)化過(guò)程，是水質(zhì)預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)、分析的重要工具。傳統(tǒng)的流域模型多用評(píng)價(jià)自然活動(dòng)以及人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境造成的影響，而當(dāng)前越來(lái)越多的學(xué)者將水環(huán)境模型與經(jīng)濟(jì)學(xué)模型進(jìn)行耦合，開(kāi)展基于水環(huán)境模型的環(huán)境政策設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究。文章從系統(tǒng)控制的視角，主要總結(jié)了水量水質(zhì)耦合流域模型在水資源管理政策、水環(huán)境管理政策中的應(yīng)用，例如水資源有效分配、排污交易產(chǎn)生的水環(huán)境影響、基于成本-效益的水污染控制策略優(yōu)化等。在此基礎(chǔ)上文章對(duì)流域水環(huán)境模型的發(fā)展方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了的展望，流域水環(huán)境容量控制策略、目標(biāo)總量控制策略的水環(huán)境影響比較分析以及水環(huán)境模型的不確定性研究將是未來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)所在，尤其不確定性問(wèn)題經(jīng)常存在于水污染物產(chǎn)排放預(yù)測(cè)和水環(huán)境質(zhì)量模擬預(yù)測(cè)過(guò)程中，對(duì)于提升環(huán)境規(guī)劃與管理的科學(xué)性、有效性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水量；水質(zhì)；模型；污染負(fù)荷；環(huán)境規(guī)劃；成本效益分析

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外由營(yíng)養(yǎng)鹽、病原體、重金屬和土壤侵蝕等引發(fā)的流域水環(huán)境惡化趨勢(shì)日益嚴(yán)重，其中點(diǎn)源及非點(diǎn)源污染引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化和、水體黑臭和水質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題尤為突出（朱搖等，2013）。流域水環(huán)境模型是研究這類流域水污染問(wèn)題的重要工具（李本綱等，2002）。模型是對(duì)整個(gè)流域系統(tǒng)及其內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜污染過(guò)程進(jìn)行的定量化描述，包括：模擬污染物在流域范圍內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程、明確污染物運(yùn)移的時(shí)空分布規(guī)律，估算污染負(fù)荷、識(shí)別污染物主要來(lái)源和途徑，評(píng)價(jià)污染物排放對(duì)流域水質(zhì)及水生態(tài)造成的影響，從而為流域規(guī)劃與環(huán)境管理提供決策依據(jù)。已有的許多研究多集中于通過(guò)模型的模擬結(jié)果分析，掌握點(diǎn)源、非點(diǎn)源排放方式的變化對(duì)受納水體水環(huán)境質(zhì)量狀況的影響，以及在控制最小成本的情況下，如何改變?nèi)藶樵磁欧艩顩r和土地管理方式來(lái)達(dá)到最大限度提高水質(zhì)狀況的目標(biāo)（赫芳華等，2008；Maringanti等，2011）。

1 流域水環(huán)境模型概述

流域水環(huán)境模型從概念上可以分為（半）機(jī)理型和經(jīng)驗(yàn)型模型，前者通過(guò)方程式和函數(shù)關(guān)系來(lái)刻畫(huà)流域的水文過(guò)程和物理、化學(xué)過(guò)程，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型，獲得本土化的參數(shù)系數(shù)，如SWAT（Benham等，2006）和 EFDC模型（Hallema和Moussa，2013）等；后者力圖尋求大數(shù)據(jù)量間的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，包括 SPARROW 模型等（Preston和Brakebill，1999；Kansas Department of Health and Environment，2004；NEIWPCC，2004）。流域水環(huán)境模型按照模擬對(duì)象的不同還可以分為陸域的污染負(fù)荷模擬模型、水域的受納水體模擬模型，以及水-陸耦合模擬模型；污染負(fù)荷模型一般用來(lái)估算點(diǎn)源及非點(diǎn)源產(chǎn)生的污染負(fù)荷量，并計(jì)算出進(jìn)入河道的污染負(fù)荷量，作為受納水體模型的污染源邊界輸入條件，為河道納污量和污染物削減量的計(jì)算奠定基礎(chǔ)，從而為水質(zhì)管理和水環(huán)境規(guī)劃提供必要的信息；受納水體模型一般用來(lái)模擬沉積物或污染物在河流、湖泊、水庫(kù)、河口、沿海等水體中的運(yùn)動(dòng)和衰減轉(zhuǎn)化過(guò)程，是水質(zhì)預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)、分析的重要工具（樊敏和顧兆林，2010）。

污染負(fù)荷模型包括了城市非點(diǎn)源、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源負(fù)荷模型和流域負(fù)荷模型。土地利用類型是影響非點(diǎn)源污染負(fù)荷的主要因素，因此，目前應(yīng)用較為廣泛的非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算模型主要針對(duì)兩種土地利用類型：一種為城市，另一種為農(nóng)田是。隨著模型的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了流域內(nèi)不同土地利用類型的非點(diǎn)源污染模型，SPARROW、GWLF、SWAT、HSPF是目前國(guó)際研究較多，也基本獲得公認(rèn)的流域負(fù)荷模型，其中SWAT和HSPF模型研究精度高、計(jì)算效率高、機(jī)理過(guò)程相對(duì)全面，也便于二次開(kāi)發(fā)，但模型數(shù)據(jù)需求量大，要求精度也高（于濤等，2008；李兆富等，2012）；GWLF能較好地模擬氮、磷污染負(fù)荷，但目前還不能模擬COD污染負(fù)荷（王玉秋等，2013）；SPARROW將流域水環(huán)境質(zhì)量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的空間屬性緊密聯(lián)系起來(lái)，反應(yīng)流域中長(zhǎng)期水質(zhì)狀況以及主要影響因子，復(fù)雜度介于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型與機(jī)理模型之間，適合于大中尺度的流域模擬（NEIWPCC，2004）。

受納水體模型可根據(jù)模擬對(duì)象的不同，分為湖泊、水庫(kù)水質(zhì)模型（萬(wàn)金保和李媛媛，2007）與河流水質(zhì)模型（馮啟申等，2010；傅國(guó)偉，1987）等。還可以依據(jù)污染源不同劃分為持久性污染物（重金屬）、非持久性污染物（有機(jī)物）、廢熱（溫排水）、水溫等預(yù)測(cè)應(yīng)用的模型；依據(jù)模型維度不同劃分為一維、二維和三維模型；依據(jù)數(shù)值模型的功能不同劃分為水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型。

湖庫(kù)水質(zhì)模型：BATHTUB、CE-QUAL-W2、EFDC主要用來(lái)分析自然以及人為污染造成的水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化狀況。BATHTUB模型所需的數(shù)據(jù)量及參數(shù)量相對(duì)較少，且精度也能達(dá)到評(píng)估的要求，能夠滿足環(huán)境管理的需要，適合于空間數(shù)據(jù)缺乏，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完整的地區(qū)使用（王緒鶴等，2009）。CE-QUAL-W2和EFDC模型精度高、機(jī)理過(guò)程相對(duì)全面、對(duì)數(shù)據(jù)需求量也較高，需要專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，可以達(dá)到對(duì)湖泊和水庫(kù)的精細(xì)模擬（魏玉珍，2009；莊麗榕等，2008；王翠等，2008；陳異暉，2005）。

河流水質(zhì)模型：QUAL 2E、QUAL 2K、WASP、BASINS主要用來(lái)模擬多種污染物在河流中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。QUAL 2E水質(zhì)過(guò)程模擬比較簡(jiǎn)單，可以用來(lái)模擬樹(shù)枝狀河系中的多種水質(zhì)組分。QUAL 2K模型不僅適用于樹(shù)枝狀河系，而且允許多個(gè)排污口、取水口存在以及支流匯入和流出的情形（周華和王浩，2010；方曉波等，2007；陳月等，2008；Chapra等，2008）。WASP是一個(gè)綜合性水質(zhì)模擬模型，可模擬河流、水庫(kù)及湖泊的水質(zhì)變化（楊家寬和肖波，2005；陳美丹等，2006）。BASINS適合對(duì)多種尺度下流域點(diǎn)源及非點(diǎn)源的各種污染物的進(jìn)行綜合分析，但其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)需求量太大，基礎(chǔ)資料往往難以滿足（蔡芫鑌等，2005）。

2 流域水環(huán)境模型的對(duì)比分析

流域特征與模型復(fù)雜度的相互匹配是模型模擬效果的決定因素。模型的選取應(yīng)綜合考慮流域?qū)傩裕ò娣e、用途、土地類型、地理?xiàng)l件等）、管理目標(biāo)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)備、成本效益分析等因素，選取與目標(biāo)流域最相適應(yīng)的模型體系，是模型模擬的前提和基礎(chǔ)。表1對(duì)應(yīng)用成熟模型的特征進(jìn)行了比較。研究表明：GWLF、SWAT、SWMM或者HSPF模型適合于對(duì)流域污染負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估和分析，而CE-QUAL-W2、EFDC、QUAL 2E、QUAL 2K、WASP模型多用于研究污染負(fù)荷對(duì)受納水體水質(zhì)的影響分析。AGNPS、AnnAGNPS、HSPF、MIKE SHE、SWAT是目前研究比較廣泛、應(yīng)用比較成熟非點(diǎn)源模型，其中，SWAT模型多用于模擬地表水和地下水的水質(zhì)和水量，適合長(zhǎng)期預(yù)測(cè)土地管理措施對(duì)具有多種土壤、土地利用和管理?xiàng)l件的大面積復(fù)雜流域的水文、泥沙和農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)量的影響。HSPF多用于在農(nóng)田和城市混合用地的流域長(zhǎng)期連續(xù)模型進(jìn)行模擬。

3 在環(huán)境規(guī)劃管理中的應(yīng)用

流域模型被廣泛應(yīng)用于模擬非點(diǎn)源污染負(fù)荷、TMDL分析和環(huán)境管理措施的影響評(píng)價(jià)。美國(guó)EPA和州環(huán)境管理部門已經(jīng)將SPARROW模型用于評(píng)價(jià)河流營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷來(lái)源，包括用于切薩皮克灣（Preston和Brakebill，1999）和堪薩斯州水域目標(biāo)營(yíng)養(yǎng)鹽減排策略（Kansas Department of Health and Environment，2004），并應(yīng)用于康涅狄格河流域（NEIWPCC，2004）探索最大日負(fù)荷總量（TMDLs）研究。水質(zhì)模擬的一種主要案例是在TMDL分析中模擬不同的污染物負(fù)荷分配方案實(shí)施對(duì)水質(zhì)的影響，McMahon等（McMahon等，2003）、McMahon和Roessler（McMahon和Roessler，2002）在紐斯河流域（北卡羅萊納州）的TMDL研究實(shí)施中，就運(yùn)用了SPARROW模型的支持。

表1 主要流域模型的比較研究Table 1 Comparison of Watershed Environmental Models

此外，Benham等（Benham等，2004）應(yīng)用SWAT模型對(duì)美國(guó)密蘇里州南部Shoal Creek流域的TMDL進(jìn)行了模擬與評(píng)價(jià)，采用頻率曲線與水體細(xì)菌濃度的觀測(cè)值、模擬值相比對(duì)的方法率定模型，從而模擬了不同污染源對(duì)流域水系的污染程度，并且評(píng)價(jià)了幾種環(huán)境管理措施的效果和影響。Chaubey等（Chaubey等，2010）綜合不同放牧方式、過(guò)濾帶寬度、營(yíng)養(yǎng)物施用情況，組合形成了171種 BMPs，模擬其在美國(guó)中南部以放牧為主的Lincoln Lake流域的效果，結(jié)果表明過(guò)濾帶和放牧方式是影響牧區(qū)總氮和總磷流失的最重要BMPs。在中國(guó)，研究人員更傾向于利用流域水環(huán)境模型來(lái)估算環(huán)境容量，據(jù)此提出流域水污染控制的策略，Liu（劉路，2012）首先對(duì)現(xiàn)有的水環(huán)境容量總量進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)之上把各河段的水環(huán)境容量加總為區(qū)域的水環(huán)境容量，最后基于基尼系數(shù)進(jìn)行環(huán)境容量公平性分配，但實(shí)質(zhì)上這一研究過(guò)程中空間異質(zhì)性被不恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)為空間同質(zhì)性，由于各河段的水環(huán)境容量本身是高度空間異質(zhì)的，而空間異質(zhì)的容量不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行加和。Liu（劉媛媛，2013）則依據(jù)分水嶺隔離、行政管理隔離、清潔邊界隔離和水體類型隔離的原則，以流域控制單元的COD容量模擬為依據(jù)，構(gòu)建了“污染源類型-污染源細(xì)類-排污單位”3層分配結(jié)構(gòu)，將水環(huán)境容量總量逐層分配到各個(gè)排污單位。

3.1 水資源規(guī)劃管理

事實(shí)上，流域水環(huán)境模型曾被多次用于應(yīng)對(duì)流域水資源分配問(wèn)題，水資源規(guī)劃管理是復(fù)雜的多變量問(wèn)題（袁寶招等，2007；來(lái)海亮等，2006），2011年由中國(guó)國(guó)務(wù)院頒布的《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》中明確規(guī)定了用水總量控制、用水效率顯著提升和水功能區(qū)水質(zhì)明顯改善（新華社，2011），傳統(tǒng)的單純進(jìn)行負(fù)荷模擬或水質(zhì)分析難以滿足現(xiàn)代環(huán)境管理需求，對(duì)水量水質(zhì)進(jìn)行綜合考慮、系統(tǒng)控制，應(yīng)用耦合水量-水質(zhì)模型進(jìn)行決策分析將是未來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

張萬(wàn)順（Zhang等，2010；張萬(wàn)順等，2009）認(rèn)為，對(duì)于決策者而言的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是：不僅要計(jì)劃在未來(lái)相當(dāng)大不確定性條件下的水量需求，同時(shí)也要計(jì)劃在這一不確定條件下的的水質(zhì)需求；因此作者將水量、水質(zhì)模型進(jìn)行耦合，研究比較了不考慮了水質(zhì)要求的供需水分析、考慮了水質(zhì)要求的供需水分析，作者采用6個(gè)雨量站和3個(gè)蒸發(fā)站點(diǎn)共四十年時(shí)間序列的降雨以及蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，耦合關(guān)聯(lián)了陸域?qū)ο蟮奈廴矩?fù)荷模擬和水域?qū)ο蟮氖芗{水體模擬。結(jié)果顯示到 2020年，即使考慮了水質(zhì)要求，在山區(qū)也并不會(huì)出現(xiàn)缺水情況，而在平原地區(qū)缺水嚴(yán)重，對(duì)灌溉用水的水質(zhì)要求實(shí)質(zhì)上擠占了平原地區(qū)用水總量配額，加劇了平原地區(qū)缺水狀態(tài)。作者最后也表示，沒(méi)有考慮地下水是論文研究的局限之處。

Paredes（Paredes-Arquiola等，2010）認(rèn)為水質(zhì)問(wèn)題主要出現(xiàn)在流域的中、下游地區(qū)，尤其在下游地區(qū)問(wèn)題最為嚴(yán)重。由于污染物排放和水環(huán)境質(zhì)量間存在著非線性的輸入響應(yīng)關(guān)系，作者認(rèn)為通過(guò)迭代優(yōu)化來(lái)研究這一非線性關(guān)系是一種可取的方法。基于這一關(guān)系的獲得，作者從兩方面開(kāi)展了研究：1）分析了規(guī)劃建設(shè)城鎮(zhèn)污水處理廠即將帶來(lái)的污染物去除效果，以及到底將會(huì)對(duì)流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量帶來(lái)多大的影響，結(jié)果表明，在一些改善效果明顯的地方，溶解氧濃度從 3.5 mg·L-1上升到了 7.6 mg·L-1；2）比較了未來(lái)不同的管理情景方案下水環(huán)境質(zhì)量的差異，其中，中情景方案就是改變傳統(tǒng)的種植方式，如改犁地為滴灌等。

3.2 水環(huán)境規(guī)劃管理

傳統(tǒng)的流域水環(huán)境模擬是一種正向模擬，是自然和人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境影響的定量化描述和解釋。越來(lái)越多的學(xué)者將水環(huán)境模型與經(jīng)濟(jì)學(xué)模型進(jìn)行耦合，開(kāi)展基于水環(huán)境模型的環(huán)境政策設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究，耦合水質(zhì)-經(jīng)濟(jì)模型進(jìn)行決策分析符合新時(shí)期生態(tài)文明體系下對(duì)水環(huán)境管理的新要求，是未來(lái)實(shí)施中國(guó)水環(huán)境管理戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型（王金南等，2014）以及劃定中國(guó)水環(huán)境保護(hù)紅線（王金南等，2014）的關(guān)鍵基礎(chǔ)和重要支持方向。

（1）排污交易政策的環(huán)境影響。Ning和Zhang等（Ning和Chang，2007；Zhang等，2013）進(jìn)一步耦合水質(zhì)模型研究排污交易政策所產(chǎn)生的水環(huán)境影響。Ning（2007）結(jié)合Qual-2E和GWLF Model，實(shí)現(xiàn)了水-陸綜合的點(diǎn)源及非點(diǎn)源負(fù)荷模擬，作者考慮到動(dòng)態(tài)的交易價(jià)格和動(dòng)態(tài)交易比例將反應(yīng)為河道容量的季節(jié)性變化，因此通過(guò)設(shè)定不同時(shí)間范圍（也即不同季節(jié)的交易價(jià)格）、不同空間范圍內(nèi)（也即空間異質(zhì)的交易價(jià)格）點(diǎn)源之間排污交易比例，來(lái)達(dá)到控制水環(huán)境污染的目的；作者還在污染負(fù)荷和水質(zhì)模擬之后，回歸得到污染物去除量和治理成本之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而作了不同治污情景下的成本效益分析，當(dāng)情景方案獲得的總效益>總成本時(shí)，則該情景方案進(jìn)入最終決策備選庫(kù)。

Zhang（2013）認(rèn)為，當(dāng)在流域中開(kāi)展排污交易時(shí)，本應(yīng)在某一區(qū)域排放的污染物會(huì)最終轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域排放，一個(gè)區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量得到了改善，卻可能造成另一區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量惡化。作者據(jù)此從排污者的微觀行為角度出發(fā)，研究了太湖流域不同政策設(shè)計(jì)條件下（主要包括命令控制政策、自由交易政策和交易比率約束政策）交易市場(chǎng)對(duì)流域水環(huán)境質(zhì)量影響的差異。結(jié)果顯示，命令控制政策對(duì)削減流域工業(yè)污染、改善上下游水質(zhì)起到了顯著效果，然而卻增加了企業(yè)的污染物削減成本和流域污染物處理總成本；自由交易市場(chǎng)較為充分地體現(xiàn)了交易機(jī)制的成本效益優(yōu)勢(shì)，但其結(jié)果是流域下游的排污企業(yè)可以輕易地從上游企業(yè)購(gòu)買排污權(quán)并在下游排放，導(dǎo)致下游COD排放量明顯增加，入湖斷面出現(xiàn)了水質(zhì)惡化的情況；進(jìn)而在成本效益、公平性和實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)的不確定性上尋求權(quán)衡，得到交易比率約束下的交易機(jī)制是目前太湖流域水污染物排污交易較為適宜的折衷方案。

（2）基于成本-效益的污染控制策略優(yōu)化。Lacroix和 Maringanti等（Maringanti等，2011；Lacroix等，2007）將流域水環(huán)境模型與經(jīng)濟(jì)學(xué)模型進(jìn)行耦合，研究環(huán)境成本最小化問(wèn)題，旨在基于最小的污染控制成本，實(shí)現(xiàn)最大化的污染控制效果。Maringanti（2011）使用了基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化工具，并結(jié)合BMP Tool，研究在一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的流域內(nèi)如何優(yōu)化選擇最佳管理措施（BMPs）；本項(xiàng)研究的一項(xiàng)創(chuàng)新點(diǎn)，也是最巧妙的地方是：如果按照傳統(tǒng)思路將SWAT模型和優(yōu)化工具動(dòng)態(tài)耦合進(jìn)行求解的話，需要模擬運(yùn)算的次數(shù)在4100次以上，而顯然將這項(xiàng)工作在流域面積約2000 km2的范圍內(nèi)開(kāi)展是不可行的，作者通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了這一工作，并實(shí)現(xiàn)了近似的效果—研究關(guān)鍵在于BMP Tool，它使得不連續(xù)的分段耦合變?yōu)榭赡?，在本?xiàng)研究中作者首先將BMP Tool和流域模型進(jìn)行耦合，求出每種類型BMP下的平均污染物去除量，再將這些平均的污染物去除量數(shù)據(jù)作為初始條件輸入到優(yōu)化模型中，最終求出最優(yōu)解。有研究（Maringanti等，2009）表明不連續(xù)分段耦合能夠得到與動(dòng)態(tài)耦合求解相類似的結(jié)果，盡管結(jié)果的數(shù)量級(jí)并不相同。

Gassman等（Gassman等，2006）還結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，模擬了單獨(dú)應(yīng)用7種BMPs方法和聯(lián)合應(yīng)用4種BMPs方法對(duì)美國(guó)愛(ài)荷華州Maquoketa流域帶來(lái)的水環(huán)境影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)梯田BMPs方法可以最為有效地減少產(chǎn)沙和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽流失，不過(guò)其費(fèi)用也最高。Cools等（Cools和Broekxc，2011）在比利時(shí) Scheldt河流域?qū)⒘饔蛩h(huán)境模型與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型（Environmental Costing Model，ECM）聯(lián)用，得到了最有效益的降低流域總氮濃度的方案。

4 存在問(wèn)題及展望

4.1 問(wèn)題

從理論研究、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建、實(shí)踐應(yīng)用的角度分析，盡管許多學(xué)者和研究院已經(jīng)在中國(guó)開(kāi)展了大量的研究，取得了很好的實(shí)踐效果和許多應(yīng)用案例，但在中國(guó)國(guó)家宏觀尺度運(yùn)用流域水環(huán)境模型為中國(guó)環(huán)境規(guī)劃與環(huán)境管理提供決策支撐還面臨一些困難，主要體現(xiàn)在：

（1）中國(guó)的法規(guī)流域模型尚未建立和推廣。迄今為止，國(guó)家沒(méi)有推薦，也沒(méi)有一個(gè)被大家公認(rèn)通用的、具有可比性的流域水環(huán)境質(zhì)量法規(guī)模型，各部門進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，選用模型的隨意性很大，造成同一地區(qū)，不同模型預(yù)測(cè)結(jié)果存在較大差異的現(xiàn)象，不僅不能反映本地區(qū)的污染狀態(tài)，同時(shí)也不便于與其他地區(qū)進(jìn)行比較。同時(shí)，模型用戶手冊(cè)、技術(shù)文檔等法規(guī)文件尚未出臺(tái)，模型驗(yàn)證案例庫(kù)缺乏，導(dǎo)致模型參數(shù)的校正和率定缺乏法定的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，也容易產(chǎn)生模型的“異參同效”現(xiàn)象，例如，即使流域污染物入河量估算偏大，但同時(shí)入河系數(shù)偏小可以得到相同的污染物入河量；同樣污水入河量偏小而污水濃度偏大時(shí)也可能得到相同的入河負(fù)荷等。

（2）中國(guó)的環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有構(gòu)建。模型在建立和運(yùn)行過(guò)程中，需要大量的環(huán)境基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的校正和率定。目前，中國(guó)的基本信息數(shù)據(jù)（行政區(qū)域邊界、子流域邊界、污染源位置）、環(huán)境背景數(shù)據(jù)（土壤特征、土地利用、數(shù)字高程、河流網(wǎng)格）、關(guān)鍵數(shù)據(jù)（水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水文資料、氣象資料、降雨材料）、污染源數(shù)據(jù)（污染源分布、污染物排放量）等數(shù)據(jù)掌握在不同的管理部門手里，中國(guó)國(guó)家環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)尚沒(méi)有構(gòu)建，基礎(chǔ)信息缺乏共享機(jī)制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法獲得或者獲得數(shù)據(jù)的質(zhì)量較差，嚴(yán)重限制了模型的構(gòu)建以及在實(shí)際過(guò)程中的應(yīng)用。

（3）分析、評(píng)價(jià)工具體系缺失。流域系統(tǒng)的概化分析、污染物的時(shí)空轉(zhuǎn)化關(guān)系、水質(zhì)參數(shù)的相互影響、地理數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的結(jié)合等均需要多種分析評(píng)價(jià)工具。目前，各種評(píng)價(jià)工具的評(píng)價(jià)過(guò)程受邊界條件的制約，評(píng)價(jià)結(jié)果往往不能被相互借鑒、參考、比較和分析，使得模型的研究和應(yīng)用比較散，未形成體系。分析評(píng)價(jià)工具的整體性、系統(tǒng)性較差，標(biāo)準(zhǔn)化水平較低也是限制模型在中國(guó)環(huán)境規(guī)劃與管理研究使用的重要因素。

4.2 展望

在以往研究中，流域水環(huán)境模型和經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，如成本效益分析模型之間的耦合最為緊密，并在環(huán)境規(guī)劃與環(huán)境管理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。環(huán)境規(guī)劃與管理主要關(guān)注何時(shí)何地采用何種環(huán)境政策？達(dá)到什么樣的環(huán)境目標(biāo)？實(shí)現(xiàn)目標(biāo)花去了多大代價(jià)，是否存在更加經(jīng)濟(jì)可行的管理措施？（李云生等，2008；王金南，2013；孟偉，2004）因此，大量研究的熱點(diǎn)在于關(guān)注如何通過(guò)控制最小的污染治理成本，來(lái)獲得最大的環(huán)境質(zhì)量改善效益。借鑒這一研究熱點(diǎn)對(duì)于當(dāng)前中國(guó)的環(huán)境管理者們來(lái)講尤為重要，但這需要基于流域水環(huán)境模擬，分析成本最優(yōu)情景下的污染物總量控制情景。由于在中國(guó)實(shí)際施行的水污染控制策略是目標(biāo)總量控制（孟偉等，2006），而在國(guó)外施行的是容量總量控制策略（梁博等，2004；USEPA，2007），這將導(dǎo)致在中國(guó)僅僅研究目標(biāo)總量控制策略的水環(huán)境影響是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的（侯曉梅，2003；趙繪宇和趙晶晶，2009；宋國(guó)君，2000），因?yàn)槿鄙賲⒄障刀y以定量判斷模擬結(jié)果的好與壞，環(huán)境容量概念已經(jīng)被大家廣泛認(rèn)可，未來(lái)開(kāi)展環(huán)境容量控制策略與目標(biāo)總量控制策略的水環(huán)境影響比較分析將是一項(xiàng)非常有意義的研究工作。

這項(xiàng)研究如果繼續(xù)深入挖掘，可以發(fā)現(xiàn)，模型模擬的不確定性問(wèn)題需要得到密切關(guān)注。許多研究都將研究方案，例如取得最大污染物削減效果，和最小污染控制成本下的方案作為一種確定性的情景，實(shí)際情況卻遠(yuǎn)非如此，不確定性問(wèn)題經(jīng)常存在于預(yù)測(cè)水污染物負(fù)荷和水環(huán)境質(zhì)量影響過(guò)程中，我們往往只能獲得某一情景方案發(fā)生的概率。Baresel and Wu（Baresel和Destouni，2007；Wu等，2010）指出即使再有效的解決方案也會(huì)存在協(xié)商和妥協(xié)的過(guò)程，想要通過(guò)一些設(shè)定好的情景方案來(lái)表征、模擬實(shí)際情況非常困難，因此非常有必要認(rèn)真考量一系列環(huán)境政策和管理措施發(fā)生作用的效率，而不僅僅是關(guān)注如何通過(guò)設(shè)定的情景來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)。作者制定和探討了一系列可能的環(huán)境政策，也即隨機(jī)核算不確定性政策，它包含了隨機(jī)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的過(guò)程，作者在相同的成本最小化目標(biāo)下，比較了確定性約束條件下求解得到的污染物最優(yōu)削減情景和隨機(jī)約束條件下求解得到的污染物削減概率最優(yōu)情景，比較的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)不確定性政策發(fā)生作用的效率要優(yōu)于確定性政策發(fā)生作用的效率，即使是在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，采用隨機(jī)不確定性分析下的結(jié)果也會(huì)更加有利。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文首先從概念上對(duì)流域水環(huán)境模型進(jìn)行了介紹，并從不同角度對(duì)模型進(jìn)行分類，按照模擬對(duì)象的不同將流域水環(huán)境模型劃分為陸域的污染負(fù)荷模擬模型、水域的受納水體模擬模型，以及水-陸耦合模擬模型。論文進(jìn)一步從研究尺度、優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了流域水環(huán)境模型的評(píng)述和對(duì)比，并針對(duì)其在水資源政策、水環(huán)境政策等水環(huán)境規(guī)劃管理中的應(yīng)用作了詳盡闡述，如水資源有效分配、排污交易產(chǎn)生的水環(huán)境影響、基于成本-效益的水污染控制策略優(yōu)化等。對(duì)模型將來(lái)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了的展望，流域水環(huán)境容量、目標(biāo)總量控制策略的水環(huán)境影響比較分析，水環(huán)境模型的不確定性研究將是未來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)所在，具有十分重要的戰(zhàn)略作用和現(xiàn)實(shí)意義。

（2）盡管流域模型在中國(guó)已經(jīng)有了許多應(yīng)用案例，取得了較大進(jìn)展，但是從理論研究、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建、實(shí)踐應(yīng)用的角度分析，還面臨著一些困難，主要表現(xiàn)在：中國(guó)的法規(guī)流域模型尚未建立和推廣，迄今為止，國(guó)家沒(méi)有推薦，也沒(méi)有一個(gè)被大家公認(rèn)通用的具有可比性的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型；分析評(píng)價(jià)工具體系缺失；國(guó)家層面環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有構(gòu)建，如中國(guó)基本信息數(shù)據(jù)（行政區(qū)域邊界、子流域邊界、污染源位置）、環(huán)境背景數(shù)據(jù)（土壤特征、土地利用、數(shù)字高程、河流網(wǎng)格）、關(guān)鍵數(shù)據(jù)（水體水質(zhì)、水文資料、氣象資料、降雨材料）、污染源數(shù)據(jù)（污染源分布、污染物排放量）等數(shù)據(jù)掌握在不同的管理部門手里，基礎(chǔ)信息缺乏共享機(jī)制。為此，建議：

1）在近期及未來(lái)到 2020年期間重點(diǎn)推進(jìn)模型的法規(guī)化和標(biāo)準(zhǔn)化工作。近期及未來(lái)到中國(guó)2020年期間，建議根據(jù)模型的模擬特征、適用范圍及應(yīng)用條件，盡快建立法規(guī)模型庫(kù)及驗(yàn)證案例庫(kù)，規(guī)范水環(huán)境模型在環(huán)境規(guī)劃與管理中的應(yīng)用，逐步建立完善法規(guī)模型體系。同時(shí)，加強(qiáng)開(kāi)展流域特征及模型復(fù)雜度間的匹配分析，完善模型的規(guī)范化應(yīng)用步驟，完善模型技術(shù)文檔與用戶手冊(cè)。開(kāi)展不同尺度的流域模擬，注重模型研究成果間的相互銜接和分析，建立宏觀、微觀相結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)化模型體系。

2）盡快啟動(dòng)提高模型精度所需環(huán)境基礎(chǔ)信息的監(jiān)測(cè)、分析。流域模型在構(gòu)建和使用過(guò)程中需要大量的河網(wǎng)數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、空間屬性數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等，輸入數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)確度以及匹配程度等均會(huì)對(duì)模型的結(jié)果產(chǎn)生重要影響。為提高模型模擬的精度，需盡快開(kāi)展上述這些環(huán)境基礎(chǔ)信息的監(jiān)測(cè)、收集、整理和分析工作，從規(guī)范數(shù)據(jù)來(lái)源、規(guī)范數(shù)據(jù)格式的角度進(jìn)一步規(guī)范模型的使用，促進(jìn)模型應(yīng)用的程序化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3）盡快發(fā)揮模型模擬對(duì)行政決策的支撐作用。流域模型對(duì)環(huán)境水體水位、水量、水質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算，依靠 3S等技術(shù)提高模型預(yù)測(cè)、模擬結(jié)果表現(xiàn)能力，使水體水位、水質(zhì)、和污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等信息以直接、生動(dòng)、形象的圖形方式呈現(xiàn)給環(huán)境管理者，根據(jù)這些信息為基礎(chǔ)完成的流域水質(zhì)的預(yù)測(cè)、判斷和分析，可以為環(huán)境管理決策者提供借鑒和思考。因此，盡快發(fā)揮流域模型對(duì)行政決策的支撐作用，有助于加快中國(guó)環(huán)境規(guī)劃與管理工作的信息化進(jìn)程，有助于提升環(huán)境保護(hù)管理工作的科學(xué)性。

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Coupling Watershed Environmental Model with Optimizing Method to Provide Least Cost Alternatives in Environmental Planning and Management

JIANG Hongqiang1, WU Wenjun1,2, YAO Yanling3, WANG Jinnan1,2, BI Jun2, LIU Nianlei1, YAO Ruihua1
1. State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Planning and Policy Simulation, Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China; 2. State Key Laboratory of Pollution Control & Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210023, China 3. Songliao Institute of Water Environmental Science, Songliao River Basin Water Resources Protection Bureau, Changchun 130021, China

Watershed environmental models were very important tools for studying water blackening and smell, eutrophication and many other problem of water pollution. Watershed environmental models comprised of pollution load models, water quality models, and aquatic-land coupling models, either mechanistic or empirical. Mechanistic models focus on characterizing hydrodynamics and transformation, and calibrating parameter through measured data of localization, empirical models focus on statistical rule for large quantities of data. Models comprehensively qualified the internal complex pollution process within entire watershed system. Pollution load models usually estimated load from pollution sources, and calculated load of pollutant discharged into rivers. Water quality models often simulated transporting and degrading processes of several pollutants in rivers, lakes, etc. Conventionally, watershed models have been widely used to evaluate non-point source pollution and analyze water quality impacted by environmental management strategies, such as emission trading. Nowadays models have been further expanded to couple with economic model for designing and optimizing environmental policy. In this paper, the coupling model of water quantity and water quality were applicated in water resource management and water environment management policy, which including water resource allocation, effect of emission trading, trade-off in cost & benefit analysis were reviewed. Finally, development and prospect of watershed environmental models were carried out. We should compare environmental impact by both the target strategy and environmental capacity strategy, which will be more meaningful. Uncertainty of model problems may also need emphasized if we continue to dig deep. Most of the researchers always set the approach of optimizing as a deterministic situation, actually, far from it. Uncertainty and risk associated with the quantification and prediction of waterborne pollutant loads and abatement effects. It may be very important practical significant to enhance the effectiveness of scientific environment planning and management.

water quantity; water quality; models; pollution load; environmental planning; cost and benefit analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.027

X501

A

1674-5906（2015）03-0539-08

蔣洪強(qiáng)，吳文俊，姚艷玲，劉年磊，王金南，畢軍，姚瑞華. 耦合流域模型及在中國(guó)環(huán)境規(guī)劃與管理中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 539-546.

JIANG Hongqiang, WU Wenjun, YAO Yanling, LIU Nianlei, WANG Jinnan, BI Jun, YAO Ruihua. Coupling Watershed Environmental Model with Optimizing Method to Provide Least Cost Alternatives in Environmental Planning and Management [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 539-546.

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07601-002），國(guó)家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201309062）

蔣洪強(qiáng)（1975年生），男，研究員，博士，研究方向?yàn)橹饕獜氖颅h(huán)境規(guī)劃、環(huán)境經(jīng)濟(jì)核算與水環(huán)境模擬研究。E-mail: jianghq1975@126.com *通信作者：吳文?。?985年生），男，碩士，主要從事水污染防治規(guī)劃模擬研究，E-mail：wuwj07@126.com

2014-09-25