基于農(nóng)業(yè)土地利用多目標協(xié)同優(yōu)化的流域管理決策研究

張水鋒，倉一倩，李 盟，顧哲衍

（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；3.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225002）

自古以來，人類擇水而居，流域是人類文明的起源，為人類的生計和發(fā)展提供重要的資源。為了生存，人類不得不利用流域中的土地和水資源進行以農(nóng)業(yè)為主的開發(fā)利用，尤其在人均耕地占比較低的地區(qū)，如何在合理開發(fā)流域資源的同時保障經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展則更是一個難題。在開發(fā)利用過程中，農(nóng)業(yè)快速發(fā)展雖然提高了農(nóng)民收入，但也對流域的土壤、水質(zhì)和生態(tài)完整性產(chǎn)生不利影響，這可能導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護的沖突，特別是飲用水保護。

1 流域多目標管理研究現(xiàn)狀

1.1 國外流域多目標管理研究

流域綜合管理有助于合理開發(fā)水資源，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前，國外研究開始關注和嘗試建立流域多目標決策系統(tǒng)，并應用到流域綜合管理實踐。PRATO 等[1]指出，流域尺度的土地利用規(guī)劃和綜合管理是一個多目標決策問題，因為除自然資源外，它還涉及流域內(nèi)的人類活動，這些活動受到多種相互沖突的目標和約束的驅(qū)動，如農(nóng)業(yè)收入增加、土壤和水資源保護、城市發(fā)展和飲用水供應。DE STEIGUER 等[2]提出一種基于層次分析法的流域多屬性決策方法，通過比較多種競爭性的標準和備選方案來選擇最佳流域計劃，并為變量提供數(shù)值權重，有助于群體決策，使競爭因素之間的比較變得容易。此外，GBUREK[3]認為流域管理決策系統(tǒng)是一種多目標決策技術，根據(jù)制定的標準對多個離散的備選方案進行評估，從而生成滿足多個目標的管理策略。ALAMDARI 等[4]則基于非劣解排序遺傳算法、暴雨管理模型以及供應鏈管理的設計指導和水質(zhì)要求，利用廣義成本關系和約束條件，對流域水源地分流域進行成本優(yōu)化，利用雨水控制措施減少徑流并提供水質(zhì)處理，幫助決策者確定滿足水質(zhì)目標的流域綜合管理策略。

1.2 國內(nèi)流域多目標管理研究

在國內(nèi)，早在1984年，趙富德[5]摘譯了美國農(nóng)業(yè)部制定的多目標開發(fā)流域規(guī)劃，主要闡述土地整治、防洪、農(nóng)業(yè)用水管理等水土資源保護與開發(fā)的具體措施、費用和效益，論述各利益相關方的意見等規(guī)劃內(nèi)容。吳以鰲[6]于1990年強調(diào)中國江河流域的多目標開發(fā)問題，提出加強技術經(jīng)濟分析論證，正確處理各方面的利益。近30年來，國內(nèi)流域管理的多目標決策研究以水資源調(diào)配優(yōu)化為主。唐德善[7]提出利用大系統(tǒng)遞階動態(tài)規(guī)劃方法，建立大流域水資源多目標優(yōu)化分配模型的目標和約束函數(shù)，求解流域水資源優(yōu)化分配問題。劉建林等[8]在確定南水北調(diào)東線工程主要水資源量的基礎上，嘗試建立調(diào)度模型的目標、約束函數(shù)和邊界條件。粟曉玲等[9]以流域生態(tài)需水滿足度最大化為生態(tài)目標，流域總的凈效益最大化為經(jīng)濟目標，流域內(nèi)各計算單元人均凈效益變化率的均方差最小化為社會公平目標，建立水資源配置多目標評價函數(shù)，評價8 個模擬方案的優(yōu)劣。張翔宇等[10]采用改進遺傳算法來求解河段優(yōu)化配水問題，有效提高黃河的水資源利用率，但用水單元權重指標的選取以及河段配水權重的計算有待進一步研究。葉真男等[11]以農(nóng)業(yè)面源污染減排為目標，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品需求保障等為約束，建立多目標規(guī)劃模型，采用水質(zhì)分析模擬程序（WASP）對各方案下的面源污染排放進行水質(zhì)預測，以優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構。

2 我國流域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀

第三次全國農(nóng)業(yè)普查匯總數(shù)據(jù)顯示，我國耕地面積共有134 921 000 hm2。2019年末，我國人口總量達到14 億，即我國用不到世界9%的耕地養(yǎng)活世界近20%的人口。與此同時，我國流域的面源污染問題也不容忽視。截至2019年12月，第二次全國污染源普查工作已基本完成。《第二次全國污染源普查公報》數(shù)據(jù)顯示，種植業(yè)總氮流失量為71.95 萬t，總磷流失量為7.62 萬t，分別占全國排放總量的23.66%和24.16%。而農(nóng)業(yè)源主要水污染物總氮和總磷的排放量各為141.49 萬t 和21.20 萬t，種植業(yè)流失量分別占排放總量的50.85%和30.94%。從歷史數(shù)據(jù)看，我國化肥施用量從1952年的7.8 萬t 增長到2018年的5 653 萬t（最高為2015年的6 022.6 萬t），根據(jù)2018年耕地面積測算，平均每公頃施肥量約為419 kg，已遠超每公頃120 kg 的世界平均水平[12]。因此，盡管我國農(nóng)業(yè)發(fā)展成就斐然，但種植高產(chǎn)品種過程中大量施用化肥農(nóng)藥導致的環(huán)境污染也招致一些批評，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國重要的污染源之一。

3 我國流域農(nóng)業(yè)面源污染多目標優(yōu)化管理

3.1 基于農(nóng)業(yè)土地利用的多目標協(xié)同優(yōu)化

在各種有效的流域綜合管理方法中，基于農(nóng)業(yè)土地利用的綜合規(guī)劃起著重要作用。它不僅對諸如沉積物產(chǎn)量、高地土壤侵蝕和河流中氮磷養(yǎng)分負荷等環(huán)境過程產(chǎn)生巨大影響，還影響流域的社會經(jīng)濟發(fā)展。CHEN 等[13]提出利用灰色模糊多目標規(guī)劃方法，結(jié)合水質(zhì)模型和水質(zhì)標準，在成本效益分析框架下建立灰色和模糊信息相結(jié)合的多目標函數(shù)，對具有多種不確定性和風險的河流系統(tǒng)進行負荷分配決策，與其他多目標優(yōu)化方法不同的是，該方法在多種不確定條件下同時考慮農(nóng)業(yè)土地利用的成本效益與污染物負荷之間的決策權衡關系。CAI 等[14]將輸出系數(shù)模型、區(qū)間參數(shù)規(guī)劃和模糊參數(shù)規(guī)劃相結(jié)合，在雙層多目標規(guī)劃框架下，建立基于出口系數(shù)的非精確模糊雙層多目標規(guī)劃模型，實現(xiàn)最優(yōu)農(nóng)業(yè)土地利用模式和最佳管理實踐（BMPs）的有效配置。郭仝[15]則以北京2022年冬季奧運會所在的媯水河流域土地類型結(jié)構為研究對象，建立目標和約束函數(shù)，采用基于差分變異的多目標遺傳算法進行農(nóng)業(yè)土地利用方案優(yōu)化，形成一組滿足多目標要求的非占優(yōu)土地配置方案，并通過層次分析法實現(xiàn)優(yōu)選。

3.2 農(nóng)業(yè)流域水文模擬多目標優(yōu)化管理

隨著已開發(fā)且可免費獲取的流域空間分布式水文模型的發(fā)展，大多數(shù)研究關注模擬不同時期農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構的變化對流域中徑流、泥沙輸移和養(yǎng)分物質(zhì)負荷的影響[16-17]。AnnAGNPS 模型中，流域所有的分室直接排入河網(wǎng)，泥沙、養(yǎng)分物質(zhì)從各個分室出發(fā)，沉積在河道系統(tǒng)中或輸移出流域，其負荷可在源頭被識別。而SWAT 模型的水文響應單元僅僅是圖像下的分支流域，其空間定位無法識別，無法計算輸移徑流、泥沙和養(yǎng)分物質(zhì)。InVEST 模型則相對簡單，數(shù)據(jù)需求低且主要用于模擬大尺度流域[17]。隨著近年來全球人工智能研究的興起，計算機性能、系統(tǒng)科學、大數(shù)據(jù)與數(shù)學優(yōu)化技術也得以快速發(fā)展，這為流域綜合管理中備選方案的高效優(yōu)化開辟了新途徑。在具有不同管理方案選擇的區(qū)域，這些技術可提高決策過程的質(zhì)量。目前，部分研究嘗試將水文模型與優(yōu)化算法相結(jié)合。GENG 等[18]將多目標排序遺傳算法與SWAT 模型相結(jié)合，基于BMPs 數(shù)據(jù)庫進行優(yōu)化分析，找到最具成本效益的BMPs 組合，從而在流域范圍內(nèi)減少農(nóng)業(yè)非點源對水資源的主要危害。

4 結(jié)論

流域活動的復雜性與流域生態(tài)系統(tǒng)的整體性決定參與流域涉水事務主體的多元性，各主體有不同的利益訴求，而利益的多元化則容易引發(fā)利益沖突。因此，在現(xiàn)代流域管理中，急需探索一種可同時考慮環(huán)境、經(jīng)濟與社會方面不同需求的創(chuàng)新型流域管理技術，該技術需要具備同時處理多個問題和目標的能力，并能夠輔助管理者在復雜環(huán)境下進行科學高效的決策。雖然以往研究人員已經(jīng)從多方面入手，采用不同方法研究流域多目標管理決策問題，但這些研究主要集中于流域管理過程中某一類確定的對象或問題，鮮見從流域“陸-水-經(jīng)濟”關系綜合管理角度的研究，因此，未來可關注對流域整體運行過程的多模型耦合綜合模擬的多目標管理研究，為我國農(nóng)業(yè)流域管理中長期存在的水土資源保護與土地生產(chǎn)利用之間目標相互沖突且無法有效兼顧的問題提供多目標管理決策依據(jù)。