國內外流域水環境模型法規化建設現狀和對比研究*

趙琰鑫 趙翠平 陳 巖

(環境保護部環境規劃院，北京 100012)

流域水環境模型是研究流域水環境問題的重要工具。它通過對整個流域系統及其內部發生的復雜污染過程定量化描述，識別污染物主要來源和遷移途徑，估算污染負荷，評價其對流域水環境的影響，直接為流域規劃與管理提供決策依據。

從20世紀20年代開始，國際上開始進行流域水環境模型的研究，經過近一個世紀的發展，已有數百種流域水環境模型問世，隨著環境科學基礎理論不斷完善和發展，流域水環境模型的種類和數量還在進一步增加[1]。從歐美發達國家近年來流域水環境保護的實踐經驗上來看，流域水環境模型已在流域水污染防治和環境規劃、污染物總量減排方案等具有法律效力的文件編制和實施過程中廣泛應用[2]85。良好的流域水環境模型真實可信、一致性和可靠性良好，模擬成果不僅可為現有實際環境統計和監測結果提供必要的補充，從而能更加全面地反映流域水環境現狀，深入解析流域水環境污染源特征，同時也可對未來擬實施的水環境保護、水污染防治具體措施的有效性展開評估，為擬定相關環境管理政策措施提供依據[3]。此外，流域水環境模型經法規化認證或推薦后，各國往往通過建立模型信息庫、發布模型使用導則、模型案例庫和最佳模型使用指南等來進一步規范流域水環境模型的合理使用，充分減少模型技術方法應用差異性造成的管理不公平因素，為流域水環境模型法規化應用中的科學性提供保證[4]。

從中國水環境保護的實踐上看，目前中國解決流域水環境污染問題的主要方法依然是從污染源直接進行總量削減；建立在綜合性流域水環境模型應用基礎之上，依據流域尺度對水環境問題進行系統分析、預測、模擬和管理的容量-總量控制技術方法較匱乏[5-6]。與此同時，流域水環境管理和規劃等工作的科學性、靶向化、定量化、精細化要求日益提高，重點流域水污染防治規劃、“十三五”流域總量減排方案和區域水環境保護綜合規劃等法規性文件的編制、實施和評價都亟需流域水環境模型的支持[7]。

本研究系統梳理了國內外典型國家和地區的流域水環境模型的管理體系、制度建設和法規化應用的實際經驗，分析了中國流域水環境模型的發展歷程和應用現狀，在總結中國流域水環境模型標準化和法規化應用的主要障礙和問題的基礎上，提出中國流域水環境模型法規化的發展建議，以期為中國流域水環境模型法規化建設和環境管理提供參考和借鑒。

1 流域水環境法規化模型的定義

目前，中國尚無明確的“法規化模型”的概念界定。結合國內外水環境保護工作的實際經驗，本研究認為，狹義而言，流域水環境法規化模型是指政府環境保護部門在環境影響評價、環境監測、環境功能區劃等相關導則、標準和指南等法規性文件中指定、推薦或列入備選名單的模型。對于部分法規應用領域，如流域總量減排方案的確定、流域水環境保護規劃編制等，雖然目前尚無導則等規范性文件，但因考慮到具體工作的規范性和權威性，需要保證模型應用具有科學、準確、公平、一致性的特征，所以廣義而言，相關流域水環境法規化管理領域應用的推薦或備選模型均可認為是流域水環境法規化模型。

2 國外及其他地區流域水環境模型法規化實踐

在流域水環境模型的法規化應用方面，歐美等發達國家和其他一些地區已達到較高水平。總結各國具體模型標準化和法規化方式和途徑，具體包括：建立模型評估與管理專業機構、發布模型應用指南手冊和說明書、鼓勵和資助模型開發和模型更新、定期召開模型大會等多種[8-9]。本研究主要對比分析了一些典型國家和地區的流域水環境模型法規化技術和管理制度。

2.1 美 國

美國在流域水環境模型建設和法規化方面走在各國的最前列。1972年，美國發布《清潔水法》，并成為控制美國污水排放的基本法規。清潔水體主要以排放標準作為管理的基礎，而針對受損水體則要制定和實施“最大日負荷總量”(TMDL)計劃，以確保實現TMDL所對應的水質目標[10]。由于水體污染往往由流域內多個點源或非點源共同引起，或同時涉及多種類型污染物，美國環境保護署(EPA)推薦各州基于流域水環境模型制定TMDL，以便有效管理地表水質。為滿足相關政策要求，EPA組織及委托相關科研機構、工程咨詢公司開展了大量的研究工作，經過30多年的發展，在流域水環境模型的評價、選用、參數率定和實際應用等方面積累了豐富的經驗，形成了一套較先進和實際的流域水環境模型管理制度。

在流域水環境模型的管理制度方面，EPA為美國流域水環境模型的主要管理機構，其科學咨詢辦公室(OSA)下設的法規環境模擬監管委員會(CREM)建立了較完善的模型信息庫，目前已列入包括EPA、其他研究機構(如美國農業部、美國地質調查局、美國陸軍工程兵團)或公司等開發的流域、生態、受納水體等各類模型共計97套，并詳細介紹了各模型一般性信息(如模型名稱、簡介、關鍵詞、技術服務聯絡方式、模型開發者聯系方式、模型網站、最新版本的實質性變化、未來模型開發的路線圖)、模型用戶信息(如模型運行的軟硬件環境、下載鏈接、模型需要輸入的數據類別、污染負荷的加載方式、模型輸出數據的類別、用戶手冊、其他技術性文檔、已有的技術服務機構、對用戶的要求等)和模型結構信息(如模型所能解決的物理問題、模型結構及使用的理論方法、模型評估報告、模型使用的主要限制條件、模型案例鏈接等)。

在流域水環境模型法規化認證方面，目前EPA還沒有建立系統的流域水環境模型法規化認證制度，同時即使流域水環境模型列入EPA模型信息庫也并不代表其已被EPA所認證，也并不保證使用者在應用具體流域水環境模型時模擬結果的正確性和合理性。為了保證流域水環境模型的正確使用，EPA建議模型使用者自行通過收集、分析期刊發表的論文成果或成立專門的同行評審委員會，來對模型的有效性進行驗證，同時盡可能使用公開的且源代碼可得的流域水環境模型。為此，EPA積極資助大學、科研機構或公司進行相關模型的開發、測評和模型間比較等工作，為如何選擇、應用合適的流域水環境模型解決具體類型環境問題提供建議。如針對TMDL計劃，EPA資助德照科技公司(Tetra Tech，Inc.)開展了“TMDL模型評估與研究需求”研究項目，通過評估表格的形式對TMDL中可選用的60多種模型的模擬能力、適用性和適用范圍等進行了詳細的評估對比[11]。根據評估結果，EPA在2009年發布了《環境模型開發、評估及應用指南》，其附帶模型評估的最佳實踐說明詳細描述了模型評估的方法、目標及流程等信息[12]。

在流域水環境模型的法規化應用方面，EPA積極指導各州、區、地方政府和流域機構等依據流域水環境模型技術實施流域水環境保護規劃。EPA認為，模型的篩選應綜合考慮模型的適用性、可靠性、可用性等相關因素[13]，但強調實際模型使用者在具體方案的選擇上保留自由裁量權。EPA先后發布了《流域恢復與保護規劃開發手冊》、《TMDL模型評估與研究需求》等技術手冊指導具體流域規劃中模型的篩選和使用[14]。由于流域水環境模型所需的數據量巨大，EPA還編制了《項目規劃建模型的質量保證指南》，指導用戶根據模型特點和具體規劃的應用需求，檢驗流域水環境模型的輸入數據質量，保證模型方法的正確使用[15]。

在流域水環境模型的支持維護方面，EPA直接主持或資助了SWMM、SWAT、BASINS等眾多適用于不同流域特征的模型系統的開發和版本維護、模型詳細使用手冊和技術說明書的發布更新等工作，還通過定期召開模型大會等形式積極推廣模型應用，并為模型使用提供技術指導[16]。

2.2 歐 盟

歐盟在流域水環境模型的研究和實踐領域也有較長歷史，相關法律在流域水環境模型對水環境管理和規劃的支撐作用方面也給予了充分的支持。2000年10月，歐盟通過的“水框架指令”(WFD)是歐洲水資源管理經驗的集中體現，也是歐盟水環境保護最重要的一個基礎性文件。WFD創造性地提出了基于河流自然地理和水文要素的流域水體管理方式，而不是基于國家行政與政治邊界。同時，WFD明確了流域水環境模型對于環境規劃的重要性，認為流域水環境模型能以一個相對結構化的有序方式，表現不同水資源系統控制結構和用戶之間重要的互相依賴和交互作用，利用流域水環境模型可對備選的工程結構、不同的運行分配政策以及關于未來流量、技術、成本和社會法律要求的不同假設等的經濟與物理結果進行評估，從而基于對這些目標和假設的考慮，確定最佳決策[17]。

在流域水環境模型的管理和法規化認證制度方面，考慮到歐盟各國在萊茵河、多瑙河等國際河流的水污染治理和流域管理等領域已有豐富的經驗，流域水環境模型模擬技術應用已相當成熟，WFD并沒有對流域水環境模型的法規化應用進一步列出模型清單或推薦模型。但從歐盟流域管理實踐案例來看，歐盟內部主要應用的流域水環境模型為DRAINMODE、ECM、MIKE-11、SIMCAT、TOMACT、TOPCAT、QUAL2K等開源模型[2]87。相關流域水環境模型在空間上覆蓋了流域陸地地表和水域，且能較綜合和全面地模擬出流域水環境水體的各項指標。

在流域水環境模型應用技術和模型信息的交流方面，歐盟主要通過定期的模型研討會等交換模型評估結果、模型參數等相關成果，保障流域水環境模型的正確、合理應用。

2.3 英 國

英國對流域水環境模型法規化的研究和管理也充分體現了自己的特色。英國環境保護政策的主管部門是英國環境、食品和農村事務部(DEFRA)，DEFRA下屬英國環境署(EA)是英國最主要的環境保護和污染監管政府機構，也是英國最主要的模型支持和認證機構。

在流域水環境模型的管理制度方面，EA通過下設模型研發和評價方面的專門委員會，以一系列技術指南的形式評估了針對流域污染源對水環境潛在影響分析的主要預測模型及其適用條件。如《地表水和地下水污染影響評估指南》中推薦了54種適合河流、湖泊、水庫、河口、海域等不同條件下的水環境預測的模型系統，同時較詳細地列出了各模型的適用要求，以指導地方環境保護部門評估模擬需求和模型模擬能力，合理選擇模型系統[18]。

在流域水環境模型的支持、維護方面，主要由英國政府支持的相關研究機構負責。如英國自然環境研究理事會(NERC)作為英國最重要的研究性公共組織之一，也是英國環境科學領域科研、培訓與知識交流的主要資助、管理與戰略指導機構。NERC在推進主要流域水環境模型相關的基金資助、研究管理、培訓以及知識交流等方面也開展了大量的工作，其下屬的生態與水文研究中心(CEH)推薦了一系列的流域水環境模型，如WINFAP-FEH、IH-FLOODS、HYDATA、HYRAD、Lake-Modeling、LOW-FLOWS-2000、PC-IHACRES、PC-QUASAR、QUESTOR、RAPID 2.1、ReFH、RFFS、RIVPACS、STARBUGS等，涵蓋了洪水預估、降雨預測、河流與湖泊的水動力學特性、流域水質管理與生態評估等多個方面。

2.4 中國臺灣地區

中國臺灣地區在流域水環境模型法規化建設方面，充分借鑒了歐美的歷史經驗，體現了自己的水情社情，其主要特點是要求明確、寬嚴相濟，具體工作由中國臺灣地區行政院環境保護署明確負責。2011年，中國臺灣地區行政院環境保護署頒布了《環境影響評估河川水質評估模式技術規范》，提出了為保證有關開發建設單位在河川水質評估模擬時有一致的步驟與方法，應綜合考慮模擬區域水文和流域特性、開發行為與區域環境特性、模型的適用條件等因素，選用現階段中國臺灣地區行政院環境保護署認可的模型進行預測分析[19]。

在流域水環境模型的管理和認證方面，中國臺灣地區行政院環境保護署基于美國的流域水環境模型應用實踐經驗，在《環境影響評估河川水質評估模式技術規范》中明確提出了臺灣地區目前認可的流域水環境法規化模型清單，包括簡單的質量平衡公式，以及BASINS、SWMM、QUAL2K、WASP等。相關流域水環境模型均技術成熟、應用歷史較長，可充分滿足流域管理和河流、湖泊等不同類型水體水質模擬的具體需求。

在流域水環境模型的支持方面，中國臺灣地區行政院環境保護署結合臺灣地區的實際流域特征，發布了各流域水環境模型使用指南和推薦參數等[20]，相關流域水環境模型在使用當中需遵照模型使用指南要求，合理選取模型參數，以保證相關流域水環境模型在環境影響評價和環境管理中的合理使用。

需要指出的是，中國臺灣地區行政院環境保護署除認可的流域水環境法規化模型清單外，并不禁止選用流域水環境法規化模型清單外的其他模型，但要求在使用其他模型時應先報送相關技術材料至中國臺灣地區行政院環境保護署進行模型評估和模型審查，具體包括模型程序、模型現有應用案例及其模擬與驗證結果、其他模型與認可模型的比對結果等。

3 中國流域水環境模型法規化應用的問題

3.1 模型應用現狀分析

中國流域水環境模型研究和應用的歷史相對較短。長期以來，由于中國水環境領域基礎理論研究不足，特別是開展流域水環境模型應用研究所必須的長系列的水文、水質監測數據不足等原因的限制，中國流域水環境模型研究工作和國外比依然有較大差距[21-22]。典型模型應用案例主要為直接利用國外現有的成熟機制模型，或根據課題需要，結合研究區具體特征對模型加以修正[23-25]。盡管出現了一些基于非點源污染發生機制的原發性模型成果，但往往對模型的后續討論較少，研究缺乏連續性，實際應用遠不及AGNPS、SWAT、BASINS等國外模型廣泛[26]。

目前，中國流域水環境模型法規化制度尚是空白，也沒有受納水體、流域模擬等模型法規化認證方法和技術導則。本研究嘗試通過文獻調研摸清中國流域水環境模型應用現狀，在此基礎上，展開了全國范圍內環境管理人員和技術人員的問卷調查，系統搜集國內相關環境保護管理部門和科研單位模型使用人員對模型應用的反饋意見，以總結分析中國流域水環境模型法規化應用所存在的障礙和困難。

3.1.1 文獻調研結果

基于中國知網學術文獻總庫(CNKI)，以“篇名、關鍵詞、摘要”為檢索項，檢索了2001年1月至2013年12月發表的流域水環境模型研究的全部文獻，并且對無關文獻進行剔除，提取流域水環境模型的中文文獻共計1 151篇，然后將所得的文獻提取相關信息建立流域水環境模型的文獻數據庫，以便于后續對文獻進行系統的統計分析。

根據文獻調研結果，目前中國水環境保護、水資源管理、水環境規劃和流域總量控制等領域主要應用的流域水環境模型有SWAT、WEPP、AGNPS、AnnAGNPS、SWMM、TOPMODEL、HSPF、DRAINMOD、BASINS、HEC-HMS等，使用以上10個流域水環境模型的共發表文獻1 071篇，占檢索到的總發表文獻數的93.0%。其中，使用SWAT模型的研究文獻共檢索出483篇，占全部檢索結果的42.0%；使用WEPP模型的研究文獻共檢索出141篇，占全部檢索結果的12.3%；使用AGNPS模型的研究文獻共檢索出110篇，占全部檢索結果的9.6%；使用AnnAGNPS模型的研究文獻共檢索到110篇，占全部檢索結果的9.6%；使用SWMM模型的研究文獻共檢索到74篇，占全部檢索結果的6.4%。

此外，文獻調研發現，目前中國流域水環境模型法規化制度尚是空白，模型的規范化、標準化和法規化研究與應用非常缺乏，尚無受納水體、流域模擬等模型法規化認證方法、推薦模型庫和必要的模型支持技術體系建設的相關研究成果。

3.1.2 問卷調查結果

問卷調查時間為2014年3月15日至6月20日。問卷調查涉及各省環境保護廳、各市環境保護局相關環境管理人員以及環境保護部環境規劃院、中國環境科學研究院、各省市環境科學研究院等從事環境保護規劃科研單位的一線模型應用與環境規劃技術人員，包括本科、碩士、博士不同學歷和初級、中級、副高和高級等不同職稱的專業人員。

經過問卷篩選，累計有效問卷122份。其中，環境管理人員反饋問卷共54份，模型應用與環境規劃技術人員反饋問卷共68份。

根據問卷統計結果，環境管理人員以及模型應用與環境規劃技術人員均認為當前流域水環境模擬的首要問題包括：模型軟件較復雜，難以熟練掌握和使用；參數未經過本土化驗證；不同模型之間的預測結果差異太大；無法選擇合適的模型。模型應用中主要難點包括：模型數據(特別是水文數據)獲取困難；模型參數率定與驗證困難；缺乏相應的模型及時交流機制或平臺。

3.2 模型法規化問題總結

基于中國流域水環境模型應用現狀的調研總結，對比發達國家和地區流域水環境模型法規化體系建設的經驗，梳理影響中國流域水環境模型法規化應用的主要問題和障礙。

(1) 直接采用了EPA或歐盟等發達國家研發的流域水環境模型成果，中國原發性的流域水環境模型研究不足。

(2) 由于中國特殊的地理和氣候特征，國外應用的流域水環境模型參數往往不能滿足中國流域水環境模擬的需求，需要使用者結合案例區實際情況，重新進行參數的校驗工作。同時，因缺少系統的參數中國化工作，各流域水環境模型在中國應用的實際精度評價和不確定性尚無法進行全面評估。

(3) 國家環境信息數據庫沒有構建，流域水環境模型在構建和使用過程中缺少大量的河網數據、污染源數據、監測數據、空間屬性數據、水文數據、土壤數據等基礎數據庫的支持。輸入數據的準確度以及標準化程度較低，對流域水環境模型的使用結果產生不利影響。

(4) 缺少對流域水環境模型的適用范圍、選擇依據、模型校驗、精度評價等進行規范的行業標準或技術指南。

4 中國流域水環境模型法規化的發展建議

中國在流域水環境模型法規化建設方面還處于摸索階段，具有法規化意義的模型技術指導體系尚空白，流域水環境模型的標準化和法規化應用還面臨著種種困難和障礙，為此應充分學習借鑒典型國家和地區的先進經驗，積極探索出一條適宜中國國情的流域水環境模型標準化與法規化應用道路。

(1) 啟動流域水環境模型的標準化和規范化工作。系統整理國內外流域水環境模型的研究成果，分析具體模型應用案例，建立模型庫和模型應用的案例庫。結合流域水環境模型模擬特征及應用條件，基于不同尺度流域模擬需求，優選流域水環境模型進行試點應用，評估其在中國流域水環境管理和規劃、流域總量減排等領域的適用性，提出適用于中國國情和流域特征的標準化模型體系，同時應注重加強流域特征及模型復雜度間的匹配分析，完善流域水環境模型的規范化應用步驟。綜合中國流域管理的實際需求，建議中國可基于流域—控制區—控制單元分區體系，以中等復雜度的流域水環境模型的標準化參數率定和法規化應用為主(如可采用ECM與QUAL2K模型、GWLF與QUAL2K模型、SPARROW與BATHTUB模型耦合使用，以適應我國目前基礎數據不足、模型應用經驗較薄弱等現狀盡快展開模型應用)，建立針對中國流域、氣象、社會經濟特征的標準化模型參數庫，同時積極推進適用于中國國情的中等復雜度的流域水環境模型原發性成果的開發。在此基礎上，積極展開BASINS、SWAT、WASP、EFDC等復雜流域水環境模型或模型系統研究和中國化、法規化工作，不斷提高中國流域水環境模型的法規化應用水平。

(2) 加強基礎信息數據庫建設。流域水環境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、水質水文監測數據、空間屬性數據、土壤數據等，數據的精度、準確度以及匹配程度等均會對流域水環境模型的使用結果產生重要影響。為提高流域水環境模型模擬的精度，需盡快開展基礎信息的監測、統計、處理和分析，建立中國的流域水環境基礎信息數據庫，為流域水環境模型法規化建設和應用提供技術支撐。

(3) 推動流域水環境模型法規化應用，發揮流域水環境模型對管理決策的支撐作用。積極推進流域水環境模型在環境管理與規劃中的應用，以導則或指南的形式形成具體應用規范，促進流域水環境模型應用的程序化和標準化，實現相關流域水環境模型對流域水質多情景的預測、判斷和分析，為環境管理決策者提供借鑒和思考，發揮流域水環境模型對具體流域規劃、流域管理和總量減排目標的確定等行政決策的支撐作用。

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