流域综合管理发展历程及流域模拟研究

张水锋，李 盟，毛丽君

（1.南京警察学院信息技术学院，南京 210023；2.江苏省水文水资源勘测局，南京 210011）

流域是人类文明的起源，为人类的生计和发展提供重要的资源，不仅发展出不同形态的农业、工业、航运业等产业，也发展出农村、集镇、城市等不同的居住模式。长期以来，人类社会的快速发展对流域自然资源的依赖严重破坏生态系统的平衡，从而危害自身的生存。因此，人类一定要按流域生态系统的客观规律办事，看到流域不同要素之间复杂的相互影响，用系统的思维去理解流域。自然-社会-经济复合系统由水、土、气、生等自然要素和人口、社会、经济等人文要素共同构成，彼此相互关联、相互作用，如何在这个系统中科学利用自然资源，同时又能保护好环境，则是一个复杂的生态控制系统工程。

1 流域综合管理的定义与特点

流域综合管理于1968年由美国国家水委员会首次提出，它被定义为在管理决策和监管活动中包含和协调一个流域的潜在用途、服务和价值的方法，而不是试图最大化选定资源或管理个别污染物[1]。加拿大安大略省于1946年通过流域保护法案，并承担流域内的自然资源管理。1965年，美国颁布《水资源规划法》，要求以环境质量、区域发展、社会福利为目标进行水资源综合规划。1995年，英国国家河流管理局发表了《泰晤士河流域21世纪日程和持续发展战略》，对水资源保护、栖息地保护和航运等进行以可持续发展为目标的流域综合管理。20世纪50年代，为探索有效的治理方法，我国在山西、陕西等省的一些支毛沟流域进行生物措施与工程措施相结合的综合治理试验，这实际上就是小流域综合治理的雏形。王礼先于1997年提出面向21世纪的小流域综合治理[2]，并于2006年提出小流域综合治理的概念与原则[3]。

水资源是流域生态系统的命脉和载体。许多物理、化学、生物的特征和过程均受到系统中水资源运动的影响。了解这些特征和过程对评估流域生态系统状况以及管理行动对其产生的影响是重要的第一步。因此，有必要首先探讨流域综合管理应包含哪些关键要素。如图1所示，HEATHCOTE[4]给出典型流域生态系统的要素组成结构，并认为流域综合管理方法是有效的。早期流域管理主要关注的是洪涝灾害防治、航运发展和灌溉水利工程等内容，偏单一目标的管理。对于流域综合管理的引入，HEATHCOTE[5]指出，引入“综合”的概念，主要是因为过去的水管理工作并没有成功，过于专注于单一介质（水）而没有关注其他的环境组成部分，如沉积物、空气或环境中的生物。因此，若没有整体战略提供的综合概观，高代价的管理工作将继续失败。根据美国21世纪国家水议程，应基于最合理的水文单元——流域，制定全面资源尤其是水质的保护计划，通过管理机构之间的协作和达成共识的技术，提供更好的机会来解决政府间或管辖权之间的冲突。

图1 流域生态系统组成要素

2 流域综合管理系统工程

系统工程是指直接改造客观世界的技术系统，各种各样。流域生态系统是一个巨大而复杂的“黑箱”，它是包括人类在内的所有具有生命的物体所组成的生物群体和环境的总体，而流域生态系统管理则是一个系统工程。生态系统管理是基于目标，而不是基于问题的管理。生态系统管理并非一个新的概念。农耕时代，人类就开始对周围自然环境进行有目的、有意识的管理活动。流域综合管理采用系统工程学的理论思想，同时关注多个方面的问题，包括土地利用结构优化、供水战略、洪水管理、水质安全、生态系统服务和经济价值，建造各个问题和目标之间的权衡桥梁。

流域内核心资源土地与水资源的利用、调整的综合决策是一个不断迭代的过程。这一过程为管理决策者提供一个寻求平衡各环境资源的不同目标和用途的机会，同时评估持续累积的措施如何影响这些资源的长期可持续性。科学的中心一直是人类本身，而对于流域综合管理工作，其组成部分必须密切关注人的因素。这意味着如果没有各利益攸关方的参与，就无法开展管理工作。如有必要，立法应将此类参与作为规划、实施和评估过程的一个组成部分。因此，流域综合管理的目标应该是让流域内来自不同社区或机构的人员进行沟通，协调各方形成合力，并通过谈判寻求所有人都能接受的解决方案，而不是仅仅狭隘地捍卫自己的土地或主宰他人。人类活动的日益频繁和深入导致大量的自然环境演化规律退化和丧失，人们越来越意识到可持续发展必须成为一项引导人类科学发展的总体政策。流域综合管理为流域的可持续发展提供一种方法，人们可以满足社会的当前需求，同时不损害子孙后代的生存环境，求得流域持续、稳定、协调的发展，这对于流域生态系统的可持续发展是必要的。

3 流域水文模型

历史上，早期流域水文模型的发展可分为4 个阶段。第一个阶段从1900年持续到20世纪50年代末，大约持续60年。这一时期，建立现代数学模型的科学基础。20世纪50年代，美国农业部水土保持局的科学家研究降雨、产流和土壤流失现象，然后形成一个简单的估计降雨-径流的模型——SCS 曲线模型。数字计算机的引入开启第二阶段的模型开发，持续大约10年，一直持续到20世纪60年代，为开发复杂的数学模型奠定基础。1966年，作为第一批水文模型之一，斯坦福流域模型被成功开发，后来成为许多研究的基础。1972年，美国国会通过的《联邦水污染控制法修正案》开启模型开发的第三阶段，美国环境保护署、美国农业部和国家科学基金会开始投入财政资源用于发展数学水文和非点源污染模型。第四阶段的实现与20世纪80年代商用的廉价微型计算机的迅速发展密切相关。受过计算机使用教育的新一代工程师和专家开始出现，一些商业软件公司和顾问以及最初的创造者现在正在将这些模型应用于微型计算机并进行广泛的实际应用。

过去几十年已经深入研究基于物理的模拟模型的开发和应用，以评估现实世界的流域过程。这些过程涉及沉积物和各种污染物的生产和运输，这些污染物用于预测环境问题。如今，模拟模型已被广泛用于具有高度非线性关系和约束的水资源问题。CHOW[6]于1972年将水文模型分为八类，如图2所示。多年来，模拟模型作为合理的决策支持工具，用于开发和测试管理替代方案，旨在减少污染并实现长期可持续性。现代模拟模型允许详细和真实地表示流域系统中物理、地质、经济和社会方面的复杂特征。之后出现一系列水文评估和生态服务评估模型，如AGNPS 模型、SWAT 模型和InVEST 模型等。我国河海大学的新安江模型开发于1973年，属于集总式水文模型，在1980年牛津召开的国际水文预报学术研讨会上向世界推广。多年来，它被广泛应用于湿润地区与半湿润地区[7]，并仍在不断的研究改进中[8]。

图2 水文模型分类

根据空间变异程度和计算方式的不同，流域水文模型可分为两类，即集总式模型和分布式模型。集中参数模型将流域视为一个整体，与该区域相关的物理和水文特征被集中在一起，无法对特定位置做出分析，因此不能解决各种土壤类型和土地利用管理策略的空间变异性。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归类为集总式模型。分布式模型优于集总式模型，可反映下垫面与水文过程的时空动态变化，其分布参数方法将流域细分为具有均匀特征的较小单元，将水流、沉积物和养分从高地中的单元传送到流域出口，AnnAGNPS模型和ANSWERS 模型就属于这种类型。此外，还包括MATSALU 模型、SWAT 模型、STREAM 模型和SWIM 模型等，其研究对象、模拟时间尺度的连续性和已应用范围如表1[9]所示。

表1 分布式流域水文模拟模型

4 AnnAGNPS 模型优势

AnnAGNPS 模型是由美国农业部农业研究局和自然资源保护局联合开发的先进流域评估工具，用于预测农业流域内的非点源污染物负荷，旨在评估长期、未经测量的流域水文和水质对农业管理实践的反应。AnnAGNPS 输入程序包括3 部分。一是地理信息系统（GIS）辅助计算机程序，用于开发地形跟踪单元，其中包含所有需要的水文和水力参数，可以从现有的数字高程模型（DEM）中计算出来；二是输入编辑器，用于初始化、完成和/或修改输入数据；三是用于AGNPS 旧单事件版本的输入数据集的转换器。

在AnnAGNPS 模型中，所有的水文响应单元都具有独特的性质，直接排入河网。因此，没有考虑水、泥沙和污染物从一个水文响应单元到另一个水文响应单元的输移过程。该模型的最佳管理措施（BMPs）模块只是一个简单的分数，代表一种BMPs 对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 模拟模型，如河岸生态系统管理模型，对污染物减排进行更准确的预测，将具有现实意义。流域水文模型SWAT 则具有较好的基于物理的BMPs 模拟模块，用于预测污染物的减少和去除过程。但SWAT 模型中的水文响应单元仅仅是图像下的分支流域。SWAT 模型不能识别水文响应单元的空间定位，也不能在水文响应单元之间输移水、泥沙和污染物。因此，流域水文过程模拟将选用AnnAGNPS 模型。该模型相对容易获取，可模拟流域内的径流、泥沙产量、有机碳和氮磷的负荷等指标。

5 结论

流域综合管理在我国又被称为流域治理，是国土整治、江河治理的根本，是国民经济发展的基础。实施流域综合管理是一项长期、复杂、系统的工作，特别是对一个有数千年治水历史和面临当代多重水危机的发展中大国，难度就更大，各利益相关方需要相互协调，加快发展流域管理科学技术。因此，流域综合管理的可持续性优于单一目标资源管理，是一个需要兼顾多个目标的系统决策过程。在各种有效的流域综合管理方法中，农业土地利用结构优化起着重要的作用。它不仅对沉积物产量、高地土壤侵蚀和河流养分浓度等环境过程产生巨大影响，还影响流域内的社会经济发展。因此，着重研究农用地利用结构的优化更显关键。