耦合流域模型及在中國環境規劃與管理中的應用進展

蔣洪強，吳文俊,，姚艷玲，劉年磊，王金南,，畢軍，姚瑞華

1. 中國環境規劃院，國家環境保護環境規劃與政策模擬重點實驗室，北京 100012；2. 南京大學環境學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023；3. 松遼流域水資源保護局松遼水環境科學研究所，吉林 長春 130021

耦合流域模型及在中國環境規劃與管理中的應用進展

蔣洪強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. 中國環境規劃院，國家環境保護環境規劃與政策模擬重點實驗室，北京 100012；2. 南京大學環境學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023；3. 松遼流域水資源保護局松遼水環境科學研究所，吉林 長春 130021

流域水環境模型是研究流域水體黑臭、水體富營養化和水質超標問題的重要工具，流域水環境模型從概念上可以分為（半）機理模型和經驗型模型，前者通過方程式和函數關系來刻畫流域水動力和遷移轉化規律，并通過實測數據校準獲取本土化的參數系數，后者力圖尋求大數據量間的統計學規律。按照模擬對象的不同，流域水環境模型還可以劃分為陸域的污染負荷模擬模型、水域的受納水體模擬模型，以及水-陸耦合模擬模型。模型對整個流域系統及其內部發生的復雜地球化學過程進行定量化描述，污染負荷模型一般用來估算點源及非點源產生的污染負荷量，并計算出進入河道的污染負荷量，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模擬沉積物或污染物在河流、湖泊、水庫、河口、沿海等水體中的運動和衰減轉化過程，是水質預測、評價、分析的重要工具。傳統的流域模型多用評價自然活動以及人類活動對水環境造成的影響，而當前越來越多的學者將水環境模型與經濟學模型進行耦合，開展基于水環境模型的環境政策設計和優化研究。文章從系統控制的視角，主要總結了水量水質耦合流域模型在水資源管理政策、水環境管理政策中的應用，例如水資源有效分配、排污交易產生的水環境影響、基于成本-效益的水污染控制策略優化等。在此基礎上文章對流域水環境模型的發展方向和應用前景進行了的展望，流域水環境容量控制策略、目標總量控制策略的水環境影響比較分析以及水環境模型的不確定性研究將是未來關注的重點所在，尤其不確定性問題經常存在于水污染物產排放預測和水環境質量模擬預測過程中，對于提升環境規劃與管理的科學性、有效性具有十分重要的現實意義。

水量；水質；模型；污染負荷；環境規劃；成本效益分析

當前，國內外由營養鹽、病原體、重金屬和土壤侵蝕等引發的流域水環境惡化趨勢日益嚴重，其中點源及非點源污染引起的水體富營養化和、水體黑臭和水質超標問題尤為突出（朱搖等，2013）。流域水環境模型是研究這類流域水污染問題的重要工具（李本綱等，2002）。模型是對整個流域系統及其內部發生的復雜污染過程進行的定量化描述，包括：模擬污染物在流域范圍內的遷移轉化過程、明確污染物運移的時空分布規律，估算污染負荷、識別污染物主要來源和途徑，評價污染物排放對流域水質及水生態造成的影響，從而為流域規劃與環境管理提供決策依據。已有的許多研究多集中于通過模型的模擬結果分析，掌握點源、非點源排放方式的變化對受納水體水環境質量狀況的影響，以及在控制最小成本的情況下，如何改變人為源排放狀況和土地管理方式來達到最大限度提高水質狀況的目標（赫芳華等，2008；Maringanti等，2011）。

1 流域水環境模型概述

流域水環境模型從概念上可以分為（半）機理型和經驗型模型，前者通過方程式和函數關系來刻畫流域的水文過程和物理、化學過程，并通過實測數據校準模型，獲得本土化的參數系數，如SWAT（Benham等，2006）和 EFDC模型（Hallema和Moussa，2013）等；后者力圖尋求大數據量間的統計學規律，包括 SPARROW 模型等（Preston和Brakebill，1999；Kansas Department of Health and Environment，2004；NEIWPCC，2004）。流域水環境模型按照模擬對象的不同還可以分為陸域的污染負荷模擬模型、水域的受納水體模擬模型，以及水-陸耦合模擬模型；污染負荷模型一般用來估算點源及非點源產生的污染負荷量，并計算出進入河道的污染負荷量，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算奠定基礎，從而為水質管理和水環境規劃提供必要的信息；受納水體模型一般用來模擬沉積物或污染物在河流、湖泊、水庫、河口、沿海等水體中的運動和衰減轉化過程，是水質預測、評價、分析的重要工具（樊敏和顧兆林，2010）。

污染負荷模型包括了城市非點源、農業非點源負荷模型和流域負荷模型。土地利用類型是影響非點源污染負荷的主要因素，因此，目前應用較為廣泛的非點源污染負荷計算模型主要針對兩種土地利用類型：一種為城市，另一種為農田是。隨著模型的不斷發展，產生了流域內不同土地利用類型的非點源污染模型，SPARROW、GWLF、SWAT、HSPF是目前國際研究較多，也基本獲得公認的流域負荷模型，其中SWAT和HSPF模型研究精度高、計算效率高、機理過程相對全面，也便于二次開發，但模型數據需求量大，要求精度也高（于濤等，2008；李兆富等，2012）；GWLF能較好地模擬氮、磷污染負荷，但目前還不能模擬COD污染負荷（王玉秋等，2013）；SPARROW將流域水環境質量與監測點位的空間屬性緊密聯系起來，反應流域中長期水質狀況以及主要影響因子，復雜度介于傳統的統計學模型與機理模型之間，適合于大中尺度的流域模擬（NEIWPCC，2004）。

受納水體模型可根據模擬對象的不同，分為湖泊、水庫水質模型（萬金保和李媛媛，2007）與河流水質模型（馮啟申等，2010；傅國偉，1987）等。還可以依據污染源不同劃分為持久性污染物（重金屬）、非持久性污染物（有機物）、廢熱（溫排水）、水溫等預測應用的模型；依據模型維度不同劃分為一維、二維和三維模型；依據數值模型的功能不同劃分為水動力模型和水質模型。

湖庫水質模型：BATHTUB、CE-QUAL-W2、EFDC主要用來分析自然以及人為污染造成的水質富營養化狀況。BATHTUB模型所需的數據量及參數量相對較少，且精度也能達到評估的要求，能夠滿足環境管理的需要，適合于空間數據缺乏，基礎數據庫、監測數據不完整的地區使用（王緒鶴等，2009）。CE-QUAL-W2和EFDC模型精度高、機理過程相對全面、對數據需求量也較高，需要專業的基礎知識，可以達到對湖泊和水庫的精細模擬（魏玉珍，2009；莊麗榕等，2008；王翠等，2008；陳異暉，2005）。

河流水質模型：QUAL 2E、QUAL 2K、WASP、BASINS主要用來模擬多種污染物在河流中的遷移轉化規律。QUAL 2E水質過程模擬比較簡單，可以用來模擬樹枝狀河系中的多種水質組分。QUAL 2K模型不僅適用于樹枝狀河系，而且允許多個排污口、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是一個綜合性水質模擬模型，可模擬河流、水庫及湖泊的水質變化（楊家寬和肖波，2005；陳美丹等，2006）。BASINS適合對多種尺度下流域點源及非點源的各種污染物的進行綜合分析，但其缺點是數據需求量太大，基礎資料往往難以滿足（蔡芫鑌等，2005）。

2 流域水環境模型的對比分析

流域特征與模型復雜度的相互匹配是模型模擬效果的決定因素。模型的選取應綜合考慮流域屬性（包括面積、用途、土地類型、地理條件等）、管理目標、數據儲備、成本效益分析等因素，選取與目標流域最相適應的模型體系，是模型模擬的前提和基礎。表1對應用成熟模型的特征進行了比較。研究表明：GWLF、SWAT、SWMM或者HSPF模型適合于對流域污染負荷進行評估和分析，而CE-QUAL-W2、EFDC、QUAL 2E、QUAL 2K、WASP模型多用于研究污染負荷對受納水體水質的影響分析。AGNPS、AnnAGNPS、HSPF、MIKE SHE、SWAT是目前研究比較廣泛、應用比較成熟非點源模型，其中，SWAT模型多用于模擬地表水和地下水的水質和水量，適合長期預測土地管理措施對具有多種土壤、土地利用和管理條件的大面積復雜流域的水文、泥沙和農業化學物質產量的影響。HSPF多用于在農田和城市混合用地的流域長期連續模型進行模擬。

3 在環境規劃管理中的應用

流域模型被廣泛應用于模擬非點源污染負荷、TMDL分析和環境管理措施的影響評價。美國EPA和州環境管理部門已經將SPARROW模型用于評價河流營養鹽負荷來源，包括用于切薩皮克灣（Preston和Brakebill，1999）和堪薩斯州水域目標營養鹽減排策略（Kansas Department of Health and Environment，2004），并應用于康涅狄格河流域（NEIWPCC，2004）探索最大日負荷總量（TMDLs）研究。水質模擬的一種主要案例是在TMDL分析中模擬不同的污染物負荷分配方案實施對水質的影響，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研究實施中，就運用了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）應用SWAT模型對美國密蘇里州南部Shoal Creek流域的TMDL進行了模擬與評價，采用頻率曲線與水體細菌濃度的觀測值、模擬值相比對的方法率定模型，從而模擬了不同污染源對流域水系的污染程度，并且評價了幾種環境管理措施的效果和影響。Chaubey等（Chaubey等，2010）綜合不同放牧方式、過濾帶寬度、營養物施用情況，組合形成了171種 BMPs，模擬其在美國中南部以放牧為主的Lincoln Lake流域的效果，結果表明過濾帶和放牧方式是影響牧區總氮和總磷流失的最重要BMPs。在中國，研究人員更傾向于利用流域水環境模型來估算環境容量，據此提出流域水污染控制的策略，Liu（劉路，2012）首先對現有的水環境容量總量進行模擬，在此基礎之上把各河段的水環境容量加總為區域的水環境容量，最后基于基尼系數進行環境容量公平性分配，但實質上這一研究過程中空間異質性被不恰當的表達為空間同質性，由于各河段的水環境容量本身是高度空間異質的，而空間異質的容量不能簡單地進行加和。Liu（劉媛媛，2013）則依據分水嶺隔離、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，構建了“污染源類型-污染源細類-排污單位”3層分配結構，將水環境容量總量逐層分配到各個排污單位。

3.1 水資源規劃管理

事實上，流域水環境模型曾被多次用于應對流域水資源分配問題，水資源規劃管理是復雜的多變量問題（袁寶招等，2007；來海亮等，2006），2011年由中國國務院頒布的《關于加快水利改革發展的決定》中明確規定了用水總量控制、用水效率顯著提升和水功能區水質明顯改善（新華社，2011），傳統的單純進行負荷模擬或水質分析難以滿足現代環境管理需求，對水量水質進行綜合考慮、系統控制，應用耦合水量-水質模型進行決策分析將是未來一個重要的發展方向。

張萬順（Zhang等，2010；張萬順等，2009）認為，對于決策者而言的一項重大挑戰是：不僅要計劃在未來相當大不確定性條件下的水量需求，同時也要計劃在這一不確定條件下的的水質需求；因此作者將水量、水質模型進行耦合，研究比較了不考慮了水質要求的供需水分析、考慮了水質要求的供需水分析，作者采用6個雨量站和3個蒸發站點共四十年時間序列的降雨以及蒸散發數據，耦合關聯了陸域對象的污染負荷模擬和水域對象的受納水體模擬。結果顯示到 2020年，即使考慮了水質要求，在山區也并不會出現缺水情況，而在平原地區缺水嚴重，對灌溉用水的水質要求實質上擠占了平原地區用水總量配額，加劇了平原地區缺水狀態。作者最后也表示，沒有考慮地下水是論文研究的局限之處。

Paredes（Paredes-Arquiola等，2010）認為水質問題主要出現在流域的中、下游地區，尤其在下游地區問題最為嚴重。由于污染物排放和水環境質量間存在著非線性的輸入響應關系，作者認為通過迭代優化來研究這一非線性關系是一種可取的方法。基于這一關系的獲得，作者從兩方面開展了研究：1）分析了規劃建設城鎮污水處理廠即將帶來的污染物去除效果，以及到底將會對流域內水環境質量帶來多大的影響，結果表明，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）比較了未來不同的管理情景方案下水環境質量的差異，其中，中情景方案就是改變傳統的種植方式，如改犁地為滴灌等。

3.2 水環境規劃管理

傳統的流域水環境模擬是一種正向模擬，是自然和人類活動對水環境影響的定量化描述和解釋。越來越多的學者將水環境模型與經濟學模型進行耦合，開展基于水環境模型的環境政策設計和優化研究，耦合水質-經濟模型進行決策分析符合新時期生態文明體系下對水環境管理的新要求，是未來實施中國水環境管理戰略轉型（王金南等，2014）以及劃定中國水環境保護紅線（王金南等，2014）的關鍵基礎和重要支持方向。

（1）排污交易政策的環境影響。Ning和Zhang等（Ning和Chang，2007；Zhang等，2013）進一步耦合水質模型研究排污交易政策所產生的水環境影響。Ning（2007）結合Qual-2E和GWLF Model，實現了水-陸綜合的點源及非點源負荷模擬，作者考慮到動態的交易價格和動態交易比例將反應為河道容量的季節性變化，因此通過設定不同時間范圍（也即不同季節的交易價格）、不同空間范圍內（也即空間異質的交易價格）點源之間排污交易比例，來達到控制水環境污染的目的；作者還在污染負荷和水質模擬之后，回歸得到污染物去除量和治理成本之間的關聯關系，進而作了不同治污情景下的成本效益分析，當情景方案獲得的總效益>總成本時，則該情景方案進入最終決策備選庫。

Zhang（2013）認為，當在流域中開展排污交易時，本應在某一區域排放的污染物會最終轉移到另一區域排放，一個區域的水環境質量得到了改善，卻可能造成另一區域的水環境質量惡化。作者據此從排污者的微觀行為角度出發，研究了太湖流域不同政策設計條件下（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）交易市場對流域水環境質量影響的差異。結果顯示，命令控制政策對削減流域工業污染、改善上下游水質起到了顯著效果，然而卻增加了企業的污染物削減成本和流域污染物處理總成本；自由交易市場較為充分地體現了交易機制的成本效益優勢，但其結果是流域下游的排污企業可以輕易地從上游企業購買排污權并在下游排放，導致下游COD排放量明顯增加，入湖斷面出現了水質惡化的情況；進而在成本效益、公平性和實現水質目標的不確定性上尋求權衡，得到交易比率約束下的交易機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化。Lacroix和 Maringanti等（Maringanti等，2011；Lacroix等，2007）將流域水環境模型與經濟學模型進行耦合，研究環境成本最小化問題，旨在基于最小的污染控制成本，實現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優化工具，并結合BMP Tool，研究在一個以農業為主的流域內如何優化選擇最佳管理措施（BMPs）；本項研究的一項創新點，也是最巧妙的地方是：如果按照傳統思路將SWAT模型和優化工具動態耦合進行求解的話，需要模擬運算的次數在4100次以上，而顯然將這項工作在流域面積約2000 km2的范圍內開展是不可行的，作者通過巧妙的設計簡化了這一工作，并實現了近似的效果—研究關鍵在于BMP Tool，它使得不連續的分段耦合變為可能，在本項研究中作者首先將BMP Tool和流域模型進行耦合，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據作為初始條件輸入到優化模型中，最終求出最優解。有研究（Maringanti等，2009）表明不連續分段耦合能夠得到與動態耦合求解相類似的結果，盡管結果的數量級并不相同。

Gassman等（Gassman等，2006）還結合經濟學模型，模擬了單獨應用7種BMPs方法和聯合應用4種BMPs方法對美國愛荷華州Maquoketa流域帶來的水環境影響，結果發現梯田BMPs方法可以最為有效地減少產沙和有機營養鹽流失，不過其費用也最高。Cools等（Cools和Broekxc，2011）在比利時 Scheldt河流域將流域水環境模型與經濟優化模型（Environmental Costing Model，ECM）聯用，得到了最有效益的降低流域總氮濃度的方案。

4 存在問題及展望

4.1 問題

從理論研究、基礎數據構建、實踐應用的角度分析，盡管許多學者和研究院已經在中國開展了大量的研究，取得了很好的實踐效果和許多應用案例，但在中國國家宏觀尺度運用流域水環境模型為中國環境規劃與環境管理提供決策支撐還面臨一些困難，主要體現在：

（1）中國的法規流域模型尚未建立和推廣。迄今為止，國家沒有推薦，也沒有一個被大家公認通用的、具有可比性的流域水環境質量法規模型，各部門進行評價時，選用模型的隨意性很大，造成同一地區，不同模型預測結果存在較大差異的現象，不僅不能反映本地區的污染狀態，同時也不便于與其他地區進行比較。同時，模型用戶手冊、技術文檔等法規文件尚未出臺，模型驗證案例庫缺乏，導致模型參數的校正和率定缺乏法定的依據和標準，也容易產生模型的“異參同效”現象，例如，即使流域污染物入河量估算偏大，但同時入河系數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也可能得到相同的入河負荷等。

（2）中國的環境基礎數據庫沒有構建。模型在建立和運行過程中，需要大量的環境基礎信息數據進行參數的校正和率定。目前，中國的基本信息數據（行政區域邊界、子流域邊界、污染源位置）、環境背景數據（土壤特征、土地利用、數字高程、河流網格）、關鍵數據（水體水質監測、水文資料、氣象資料、降雨材料）、污染源數據（污染源分布、污染物排放量）等數據掌握在不同的管理部門手里，中國國家環境基礎數據庫尚沒有構建，基礎信息缺乏共享機制，導致數據無法獲得或者獲得數據的質量較差，嚴重限制了模型的構建以及在實際過程中的應用。

（3）分析、評價工具體系缺失。流域系統的概化分析、污染物的時空轉化關系、水質參數的相互影響、地理數據和歷史數據的結合等均需要多種分析評價工具。目前，各種評價工具的評價過程受邊界條件的制約，評價結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用比較散，未形成體系。分析評價工具的整體性、系統性較差，標準化水平較低也是限制模型在中國環境規劃與管理研究使用的重要因素。

4.2 展望

在以往研究中，流域水環境模型和經濟學模型，如成本效益分析模型之間的耦合最為緊密，并在環境規劃與環境管理領域得到了廣泛的應用。環境規劃與管理主要關注何時何地采用何種環境政策？達到什么樣的環境目標？實現目標花去了多大代價，是否存在更加經濟可行的管理措施？（李云生等，2008；王金南，2013；孟偉，2004）因此，大量研究的熱點在于關注如何通過控制最小的污染治理成本，來獲得最大的環境質量改善效益。借鑒這一研究熱點對于當前中國的環境管理者們來講尤為重要，但這需要基于流域水環境模擬，分析成本最優情景下的污染物總量控制情景。由于在中國實際施行的水污染控制策略是目標總量控制（孟偉等，2006），而在國外施行的是容量總量控制策略（梁博等，2004；USEPA，2007），這將導致在中國僅僅研究目標總量控制策略的水環境影響是遠遠不夠的（侯曉梅，2003；趙繪宇和趙晶晶，2009；宋國君，2000），因為缺少參照系而難以定量判斷模擬結果的好與壞，環境容量概念已經被大家廣泛認可，未來開展環境容量控制策略與目標總量控制策略的水環境影響比較分析將是一項非常有意義的研究工作。

這項研究如果繼續深入挖掘，可以發現，模型模擬的不確定性問題需要得到密切關注。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，實際情況卻遠非如此，不確定性問題經常存在于預測水污染物負荷和水環境質量影響過程中，我們往往只能獲得某一情景方案發生的概率。Baresel and Wu（Baresel和Destouni，2007；Wu等，2010）指出即使再有效的解決方案也會存在協商和妥協的過程，想要通過一些設定好的情景方案來表征、模擬實際情況非常困難，因此非常有必要認真考量一系列環境政策和管理措施發生作用的效率，而不僅僅是關注如何通過設定的情景來實現環境目標。作者制定和探討了一系列可能的環境政策，也即隨機核算不確定性政策，它包含了隨機計算風險和不確定性的過程，作者在相同的成本最小化目標下，比較了確定性約束條件下求解得到的污染物最優削減情景和隨機約束條件下求解得到的污染物削減概率最優情景，比較的結果發現，隨機不確定性政策發生作用的效率要優于確定性政策發生作用的效率，即使是在缺乏數據的情況下，采用隨機不確定性分析下的結果也會更加有利。

5 結語

（1）本文首先從概念上對流域水環境模型進行了介紹，并從不同角度對模型進行分類，按照模擬對象的不同將流域水環境模型劃分為陸域的污染負荷模擬模型、水域的受納水體模擬模型，以及水-陸耦合模擬模型。論文進一步從研究尺度、優缺點等方面進行了流域水環境模型的評述和對比，并針對其在水資源政策、水環境政策等水環境規劃管理中的應用作了詳盡闡述，如水資源有效分配、排污交易產生的水環境影響、基于成本-效益的水污染控制策略優化等。對模型將來的發展方向和應用前景進行了的展望，流域水環境容量、目標總量控制策略的水環境影響比較分析，水環境模型的不確定性研究將是未來關注的重點所在，具有十分重要的戰略作用和現實意義。

（2）盡管流域模型在中國已經有了許多應用案例，取得了較大進展，但是從理論研究、基礎數據構建、實踐應用的角度分析，還面臨著一些困難，主要表現在：中國的法規流域模型尚未建立和推廣，迄今為止，國家沒有推薦，也沒有一個被大家公認通用的具有可比性的水環境質量評價模型；分析評價工具體系缺失；國家層面環境基礎數據庫沒有構建，如中國基本信息數據（行政區域邊界、子流域邊界、污染源位置）、環境背景數據（土壤特征、土地利用、數字高程、河流網格）、關鍵數據（水體水質、水文資料、氣象資料、降雨材料）、污染源數據（污染源分布、污染物排放量）等數據掌握在不同的管理部門手里，基礎信息缺乏共享機制。為此，建議：

1）在近期及未來到 2020年期間重點推進模型的法規化和標準化工作。近期及未來到中國2020年期間，建議根據模型的模擬特征、適用范圍及應用條件，盡快建立法規模型庫及驗證案例庫，規范水環境模型在環境規劃與管理中的應用，逐步建立完善法規模型體系。同時，加強開展流域特征及模型復雜度間的匹配分析，完善模型的規范化應用步驟，完善模型技術文檔與用戶手冊。開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、微觀相結合的標準化模型體系。

2）盡快啟動提高模型精度所需環境基礎信息的監測、分析。流域模型在構建和使用過程中需要大量的河網數據、污染源數據、監測數據、空間屬性數據、水文數據、土壤數據等，輸入數據的精度、準確度以及匹配程度等均會對模型的結果產生重要影響。為提高模型模擬的精度，需盡快開展上述這些環境基礎信息的監測、收集、整理和分析工作，從規范數據來源、規范數據格式的角度進一步規范模型的使用，促進模型應用的程序化和標準化。

3）盡快發揮模型模擬對行政決策的支撐作用。流域模型對環境水體水位、水量、水質進行模擬計算，依靠 3S等技術提高模型預測、模擬結果表現能力，使水體水位、水質、和污染物質遷移轉化等信息以直接、生動、形象的圖形方式呈現給環境管理者，根據這些信息為基礎完成的流域水質的預測、判斷和分析，可以為環境管理決策者提供借鑒和思考。因此，盡快發揮流域模型對行政決策的支撐作用，有助于加快中國環境規劃與管理工作的信息化進程，有助于提升環境保護管理工作的科學性。

BARESEL C, DESTOUNI G. 2007. Uncertainty-accounting environmental policy and management of water systems[J]. Environmental Science & Technology, 41(10): 3653-3659.

BENHAM B L, BAFFAUT C, ZECKOSKI R W, et al. 2006. Modeling bacteria fate and transport in watersheds to support TMDLs[J]. Transactions of the ASAE, 49(4): 987-1002.

CHAPRA S C, PELLETIER G J, TAO H. 2008. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality, Version 2.11: Documentation and Users Manual[R]. Medford: Civil andEnvironmental Engineering Department, Tufts University, Medford.

CHAUBEY I, CHIANG L, GITAU M W, et al. 2010. Effectiveness of best management practices in improving water quality in a pasture-dominated watershed[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 65(6): 424-437.

COOLS J, BROEKXC S, VANDENBERGHE V, et al. 2011. Coupling a hydrological water quality model and an economic optimization model to set up a cost-effective emission reduction scenario for nitrogen[J]. Environmental Modelling & Software, 26(1): 44-51.

GASSMAN P W, OSEIB E, SALEHB A, et al. 2006. Alternative practices for sediment and nutrient loss control on livestock farms in northeast Iowa[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 117(2-3): 135-144.

HALLEMA D W, MOUSSA R. 2014. A model for distributed GIUH-based flow routing on natural and anthropogenic hillslopes[J]. Hydrological Processes, 28(18): 4877.

Kansas Department of Health and Environment, 2004, Surface water nutrient reduction plan: http://water.epa.gov/scitech/swguidance/ standards/criteria/nutrients/upload/Kansas-SURFACE-WATER-NUTRI ENT-REDUCTION-PLAN-DECEMBER-29-2004.pdf.

LACROIX A, BEL F, MOLLARD A, et al. 2007. Interest of site-specific pollution control policies: the case of nitrate pollution from agriculture[J]. International Journal of Agricultural Resources, Governance and Ecology, 6(1): 45-59.

MARINGANTI C, CHAUBEY I, ARABI M, et al. 2011. Application of a Multi-Objective Optimization Method to Provide Least Cost Alternatives for NPS Pollution Control[J]. Environmental Management, 48 (3), 448-461.

MARINGANTI C, CHAUBEY I, POPP J. 2009. Development of a multiobjective optimization tool for the selection and placement of best management practices for nonpoint source pollution control[J]. Water Resources Research, 45(6): 1-15.

MCMAHON G, ALEXANDER R, QIAN S, et al. 2003. Support of total maximum daily load programs using spatially referenced regression models[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 129 (4): 315-329.

MCMAHON G, ROESSLER C. 2002. A regression-based approach to understand baseline total nitrogen loading for TMDL planning[C]. Proceedings of the Water Environment Federation, Federation National TMDL Science and Policy Conference, Phoenix, Arizona. (8): 1277-1303.

NEIWPCC (New England Interstate Water Pollution Control Commission), 2004, New England SPARROW water quality model: Interstate Water Report, v. 1, no. 3, p. 6-7. http://www.neiwpcc.org/ PDF_Docs/iwr_s04.pdf. 2004.

NING S K, CHANG N B. 2007. Watershed-based point sources permitting strategy and dynamic permit-trading analysis[J]. Journal of Environmental Management, 84 (4): 427-446.

PAREDES-ARQUIOLA J, ANDREU-áLVAREZ J, MARTíN-MONERRIS M, et al. 2010. Water quantity and quality models applied to the Jucar River Basin, Spain[J]. Water Resources Management, 24(11): 2759-2779.

PRESTON S D, BRAKEBILL J W. 1999. Application of spatially referenced regression modeling for the evaluation of total nitrogen loading in the Chesapeake Bay watershed[M]. Baltimore: U.S. Geological Survey Water Resources Investigations Report 99-4054: 11 p.

USEPA. Overview of current total maximum daily load program and regulations[EB/OL]. [2007-04-13]. http://www.epa.gov/owow/tmdl/ intro.html.

小區的容積率對房價的提升效果較明顯，容積率每增長1%，房價下降163元/m2。從圖3（i）可以看出：中山區、西崗區和沙河口區的大范圍地段與商業中心較近，能夠開發的土地資源少，開發商對大容積率的地段有很大的偏好，主要建造高層住宅，所以，容積率對房價的正向影響在這些地方最大。但部分地區容積率具有負效應，如自身容積率本就很高的甘井子區，提升容積率會增加人口數量、交通擁擠、光照不足等問題，與居民對便利的交通條件和舒適的生活環境的追求背道而馳，因此提升這些地塊的容積率對房價的增加反而起到抑制效應，所以在這些地塊建造一些容積率較低的住宅相對來說是比較合理的。

WU Y, STREETS D G, WANG S X, et al. 2010. Uncertainties in estimating mercury emissions from coal-fired power plants in China[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 10(6): 2937-2946.

ZHANG W, WANG Y, PENG H, et al. 2010. A coupled water quantity–quality model for water allocation analysis[J]. Water Resources Management, 24 (3): 485-511.

ZHANG Y, WU Y, YU H, et al. 2013. Trade-offs in designing water pollution trading policy with multiple objectives: A case study in the Tai Lake Basin, China[J]. Environmental Science & Policy, 33: 295-307.

蔡芫鑌, 潘文斌, 任霖光. 2005. BASINS 3.0系統述評[J]. 安全與環境工程, 12(2): 69-73.

陳美丹, 姚琪, 徐愛蘭. 2006. WASP水質模型及其研究進展[J]. 水利科技與經濟, 12(7): 420-422.

陳異暉. 2005. 基于EFDC模型的滇池水質模擬[J]. 云南環境科學, 24(4): 28-30.

陳月, 席北斗, 何連生, 等. 2008. QUAL2K模型在西苕溪干流梅溪段水質模擬中的應用[J]. 環境工程學報, 2(7): 1000-1003.

方曉波, 張建英, 陳偉等. 2007. 基于QUAL2K模型的錢塘江流域安全納污能力研究[J]. 環境科學學報, 27(8): 1402-1407.

馮啟申, 朱琰, 李彥偉. 2010. 地表水水質模型概述[J]. 安全與環境工程, 17(2): 1-4.

傅國偉. 1987. 河流水質數學模型及其模擬計算[M]. 北京: 中國環境科學出版社.

赫芳華, 李春暉, 趙彥偉, 等. 2008. 流域水質模型與模擬[M].北京: 北京師范大學出版社.

侯曉梅. 2003. 我國總量控制政策的現狀與適應性變革[J]. 長江論壇, (1): 39-42.

來海亮, 汪黨獻, 吳滌非. 2006. 水資源及其開發利用綜合評價指標體系[J]. 水科學進展, 17(1): 95-101.

李本綱, 陶澍, 曹軍. 2002. 水環境模型與水環境模型庫管理[J]. 水科學進展, 13(1): 14-20.

李云生, 王東, 徐敏. 2008. 中國流域水污染防治規劃方法體系與展望[C]. 中國環境科學學會環境規劃專業委員會2008年學術年會論文集. 北京.

李兆富, 劉紅玉, 李燕. 2012. HSPF水文水質模型應用研究綜述[J]. 環境科學, 33(7): 2217-2223.

梁博, 王曉燕, 曹利平. 2004. 最大日負荷總量計劃在非點源污染控制管理中的應用[J]. 水資源保護, 20(4): 37-41.

劉路. 2012. 基于水質模型的區域污染控制研究[D]. 上海: 東華大學.

劉媛媛, 錢新, 王炳權, 等. 2013. 基于控制單元的水環境容量分配研究[J]. 生態與農村環境學報, 29(1): 110-116.

孟偉, 蘇一兵, 鄭丙輝. 2004. 中國流域水污染現狀與控制策略的探討[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2(4): 242-246.

孟偉, 張遠, 鄭丙輝. 2006. 水環境質量基準, 標準與流域水污染物總量控制策略[J]. 環境科學研究, 19(3): 1-6.

宋國君. 2000. 論中國污染物排放總量控制和濃度控制[J]. 環境保護, 6: 11-13.

萬金保, 李媛媛. 2007. 湖泊水質模型研究進展[J]. 長江流域資源與環境, 16(6): 805-809.

王翠, 孫英蘭, 張學慶. 2008. 基于EFDC模型的膠州灣三維潮流數值模擬[J]. 中國海洋大學學報, 38(5): 833-890.

王金南, 吳文俊, 蔣洪強, 等. 2014. 構建國家環境紅線管理制度框架體系[J]. 環境保護, 42(2-3): 26-29.

王金南, 許開鵬, 薛文博, 等. 2014. 國家環境質量安全底線體系與劃分技術方法[J]. 環境保護, 42(7): 31-34.

王金南. 2013. 國家“十二五”環境規劃技術指南[M]. 北京: 中國環境出版社.

王緒鶴, 石春力, 沙健, 等. 2009. BATHTUB水質模型及其應用研究[C].中國環境科學學會學術年會論文集: 335-337.

王玉秋, 沙健, 謝陽村, 等. 2013. GWLF模型理論方法與應用案例[M].北京: 中國環境出版社.

魏玉珍. 2009. CE-QUAL-W2模型應用探討[J]. 環境科技, 22(2): 40-44.新華社. 中共中央 國務院關于加快水利改革發展的決定

[EB/OL].[2011.1.29].

http://wwwgovcn/jrzg/2011-01/29/content_1795245htm.

楊家寬, 肖波. 2005. WASP水質模擬應用于漢江襄樊段水質模擬研究[J].水資源保護, 21(4): 8-10.

于濤, 孟偉, Edwin, 等. 2008. 我國非點源負荷研究中的問題探討[J]. 環境科學學報, 28(3): 401-407.

袁寶招, 陸桂華, 李原園, 等. 2007. 水資源需求驅動因素分析[J]. 水科學進展, 18(3): 404-409.

張萬順, 方攀, 鞠美勤, 等. 2009. 流域水量水質耦合水資源配置[J]. 武漢大學學報(工學版), 42(5): 577-581.

趙繪宇, 趙晶晶. 2009. 污染物總量控制的法律演進及趨勢[J]. 上海交通大學學報: 哲學社會科學版: 17(1): 28-34.

周華, 王浩. 2010. 河流綜合水質模型QUAL2K研究綜述[J]. 水電能源科學, 8(6): 22-25.

莊麗榕, 潘文斌, 魏玉珍. 2008. CE-QUAL-W2模型在福建山仔水庫的應用[J]. 湖泊科學, 20(5): 630-638.

朱搖, 梁志偉, 李偉等. 2013. 流域水環境污染模型及其應用研究綜述[J]. 應用生態學報, 24 (10): 3012-3018.

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，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環境規劃與管理中的應用進展[J]. 生態環境學報, 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.

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07601-002），國家環保公益性行業科研專項（201309062）

蔣洪強（1975年生），男，研究員，博士，研究方向為主要從事環境規劃、環境經濟核算與水環境模擬研究。E-mail: jianghq1975@126.com *通信作者：吳文俊（1985年生），男，碩士，主要從事水污染防治規劃模擬研究，E-mail：wuwj07@126.com

2014-09-25