流域綜合管理發展歷程及流域模擬研究

張水鋒，李 盟，毛麗君

（1.南京警察學院信息技術學院，南京 210023；2.江蘇省水文水資源勘測局，南京 210011）

流域是人類文明的起源，為人類的生計和發展提供重要的資源，不僅發展出不同形態的農業、工業、航運業等產業，也發展出農村、集鎮、城市等不同的居住模式。長期以來，人類社會的快速發展對流域自然資源的依賴嚴重破壞生態系統的平衡，從而危害自身的生存。因此，人類一定要按流域生態系統的客觀規律辦事，看到流域不同要素之間復雜的相互影響，用系統的思維去理解流域。自然-社會-經濟復合系統由水、土、氣、生等自然要素和人口、社會、經濟等人文要素共同構成，彼此相互關聯、相互作用，如何在這個系統中科學利用自然資源，同時又能保護好環境，則是一個復雜的生態控制系統工程。

1 流域綜合管理的定義與特點

流域綜合管理于1968年由美國國家水委員會首次提出，它被定義為在管理決策和監管活動中包含和協調一個流域的潛在用途、服務和價值的方法，而不是試圖最大化選定資源或管理個別污染物[1]。加拿大安大略省于1946年通過流域保護法案，并承擔流域內的自然資源管理。1965年，美國頒布《水資源規劃法》，要求以環境質量、區域發展、社會福利為目標進行水資源綜合規劃。1995年，英國國家河流管理局發表了《泰晤士河流域21世紀日程和持續發展戰略》，對水資源保護、棲息地保護和航運等進行以可持續發展為目標的流域綜合管理。20世紀50年代，為探索有效的治理方法，我國在山西、陜西等省的一些支毛溝流域進行生物措施與工程措施相結合的綜合治理試驗，這實際上就是小流域綜合治理的雛形。王禮先于1997年提出面向21世紀的小流域綜合治理[2]，并于2006年提出小流域綜合治理的概念與原則[3]。

水資源是流域生態系統的命脈和載體。許多物理、化學、生物的特征和過程均受到系統中水資源運動的影響。了解這些特征和過程對評估流域生態系統狀況以及管理行動對其產生的影響是重要的第一步。因此，有必要首先探討流域綜合管理應包含哪些關鍵要素。如圖1所示，HEATHCOTE[4]給出典型流域生態系統的要素組成結構，并認為流域綜合管理方法是有效的。早期流域管理主要關注的是洪澇災害防治、航運發展和灌溉水利工程等內容，偏單一目標的管理。對于流域綜合管理的引入，HEATHCOTE[5]指出，引入“綜合”的概念，主要是因為過去的水管理工作并沒有成功，過于專注于單一介質（水）而沒有關注其他的環境組成部分，如沉積物、空氣或環境中的生物。因此，若沒有整體戰略提供的綜合概觀，高代價的管理工作將繼續失敗。根據美國21世紀國家水議程，應基于最合理的水文單元——流域，制定全面資源尤其是水質的保護計劃，通過管理機構之間的協作和達成共識的技術，提供更好的機會來解決政府間或管轄權之間的沖突。

圖1 流域生態系統組成要素

2 流域綜合管理系統工程

系統工程是指直接改造客觀世界的技術系統，各種各樣。流域生態系統是一個巨大而復雜的“黑箱”，它是包括人類在內的所有具有生命的物體所組成的生物群體和環境的總體，而流域生態系統管理則是一個系統工程。生態系統管理是基于目標，而不是基于問題的管理。生態系統管理并非一個新的概念。農耕時代，人類就開始對周圍自然環境進行有目的、有意識的管理活動。流域綜合管理采用系統工程學的理論思想，同時關注多個方面的問題，包括土地利用結構優化、供水戰略、洪水管理、水質安全、生態系統服務和經濟價值，建造各個問題和目標之間的權衡橋梁。

流域內核心資源土地與水資源的利用、調整的綜合決策是一個不斷迭代的過程。這一過程為管理決策者提供一個尋求平衡各環境資源的不同目標和用途的機會，同時評估持續累積的措施如何影響這些資源的長期可持續性?？茖W的中心一直是人類本身，而對于流域綜合管理工作，其組成部分必須密切關注人的因素。這意味著如果沒有各利益攸關方的參與，就無法開展管理工作。如有必要，立法應將此類參與作為規劃、實施和評估過程的一個組成部分。因此，流域綜合管理的目標應該是讓流域內來自不同社區或機構的人員進行溝通，協調各方形成合力，并通過談判尋求所有人都能接受的解決方案，而不是僅僅狹隘地捍衛自己的土地或主宰他人。人類活動的日益頻繁和深入導致大量的自然環境演化規律退化和喪失，人們越來越意識到可持續發展必須成為一項引導人類科學發展的總體政策。流域綜合管理為流域的可持續發展提供一種方法，人們可以滿足社會的當前需求，同時不損害子孫后代的生存環境，求得流域持續、穩定、協調的發展，這對于流域生態系統的可持續發展是必要的。

3 流域水文模型

歷史上，早期流域水文模型的發展可分為4 個階段。第一個階段從1900年持續到20世紀50年代末，大約持續60年。這一時期，建立現代數學模型的科學基礎。20世紀50年代，美國農業部水土保持局的科學家研究降雨、產流和土壤流失現象，然后形成一個簡單的估計降雨-徑流的模型——SCS 曲線模型。數字計算機的引入開啟第二階段的模型開發，持續大約10年，一直持續到20世紀60年代，為開發復雜的數學模型奠定基礎。1966年，作為第一批水文模型之一，斯坦福流域模型被成功開發，后來成為許多研究的基礎。1972年，美國國會通過的《聯邦水污染控制法修正案》開啟模型開發的第三階段，美國環境保護署、美國農業部和國家科學基金會開始投入財政資源用于發展數學水文和非點源污染模型。第四階段的實現與20世紀80年代商用的廉價微型計算機的迅速發展密切相關。受過計算機使用教育的新一代工程師和專家開始出現，一些商業軟件公司和顧問以及最初的創造者現在正在將這些模型應用于微型計算機并進行廣泛的實際應用。

過去幾十年已經深入研究基于物理的模擬模型的開發和應用，以評估現實世界的流域過程。這些過程涉及沉積物和各種污染物的生產和運輸，這些污染物用于預測環境問題。如今，模擬模型已被廣泛用于具有高度非線性關系和約束的水資源問題。CHOW[6]于1972年將水文模型分為八類，如圖2所示。多年來，模擬模型作為合理的決策支持工具，用于開發和測試管理替代方案，旨在減少污染并實現長期可持續性?，F代模擬模型允許詳細和真實地表示流域系統中物理、地質、經濟和社會方面的復雜特征。之后出現一系列水文評估和生態服務評估模型，如AGNPS 模型、SWAT 模型和InVEST 模型等。我國河海大學的新安江模型開發于1973年，屬于集總式水文模型，在1980年牛津召開的國際水文預報學術研討會上向世界推廣。多年來，它被廣泛應用于濕潤地區與半濕潤地區[7]，并仍在不斷的研究改進中[8]。

圖2 水文模型分類

根據空間變異程度和計算方式的不同，流域水文模型可分為兩類，即集總式模型和分布式模型。集中參數模型將流域視為一個整體，與該區域相關的物理和水文特征被集中在一起，無法對特定位置做出分析，因此不能解決各種土壤類型和土地利用管理策略的空間變異性。HSPF 模型、SWMM 模型、STORM 模型、USLE 模型、HEC-1 模型、新安江模型、WRAP模型、WEAP 模型以及水箱模型等通常被歸類為集總式模型。分布式模型優于集總式模型，可反映下墊面與水文過程的時空動態變化，其分布參數方法將流域細分為具有均勻特征的較小單元，將水流、沉積物和養分從高地中的單元傳送到流域出口，AnnAGNPS模型和ANSWERS 模型就屬于這種類型。此外，還包括MATSALU 模型、SWAT 模型、STREAM 模型和SWIM 模型等，其研究對象、模擬時間尺度的連續性和已應用范圍如表1[9]所示。

表1 分布式流域水文模擬模型

4 AnnAGNPS 模型優勢

AnnAGNPS 模型是由美國農業部農業研究局和自然資源保護局聯合開發的先進流域評估工具，用于預測農業流域內的非點源污染物負荷，旨在評估長期、未經測量的流域水文和水質對農業管理實踐的反應。AnnAGNPS 輸入程序包括3 部分。一是地理信息系統（GIS）輔助計算機程序，用于開發地形跟蹤單元，其中包含所有需要的水文和水力參數，可以從現有的數字高程模型（DEM）中計算出來；二是輸入編輯器，用于初始化、完成和/或修改輸入數據；三是用于AGNPS 舊單事件版本的輸入數據集的轉換器。

在AnnAGNPS 模型中，所有的水文響應單元都具有獨特的性質，直接排入河網。因此，沒有考慮水、泥沙和污染物從一個水文響應單元到另一個水文響應單元的輸移過程。該模型的最佳管理措施（BMPs）模塊只是一個簡單的分數，代表一種BMPs 對特定污染物的去除效率。因此，在流域水文模型中嵌入一些基于物理的BMPs 模擬模型，如河岸生態系統管理模型，對污染物減排進行更準確的預測，將具有現實意義。流域水文模型SWAT 則具有較好的基于物理的BMPs 模擬模塊，用于預測污染物的減少和去除過程。但SWAT 模型中的水文響應單元僅僅是圖像下的分支流域。SWAT 模型不能識別水文響應單元的空間定位，也不能在水文響應單元之間輸移水、泥沙和污染物。因此，流域水文過程模擬將選用AnnAGNPS 模型。該模型相對容易獲取，可模擬流域內的徑流、泥沙產量、有機碳和氮磷的負荷等指標。

5 結論

流域綜合管理在我國又被稱為流域治理，是國土整治、江河治理的根本，是國民經濟發展的基礎。實施流域綜合管理是一項長期、復雜、系統的工作，特別是對一個有數千年治水歷史和面臨當代多重水危機的發展中大國，難度就更大，各利益相關方需要相互協調，加快發展流域管理科學技術。因此，流域綜合管理的可持續性優于單一目標資源管理，是一個需要兼顧多個目標的系統決策過程。在各種有效的流域綜合管理方法中，農業土地利用結構優化起著重要的作用。它不僅對沉積物產量、高地土壤侵蝕和河流養分濃度等環境過程產生巨大影響，還影響流域內的社會經濟發展。因此，著重研究農用地利用結構的優化更顯關鍵。