基于数字流域的水质综合管理决策支持系统——以深圳石岩水库流域为例

鉴于城市化地区水环境问题的时空复杂性,单一的水环境管理措施已不能满足实际管理的需要,为改善水环境有必要采取综合管理措施。文章以数字流域为基础,将流域内水系数据、地形数据、土地利用数据、社会经济及人口数据等进行融合,构建了水质综合管理决策支持系统,着重探讨了综合模型集成、动态空间数据与模型及管理之间的耦合关系问题;以深圳市石岩水库流域为例进行实证研究,构建了石岩水库流域管理决策支持系统,评价了旱季截污、产业结构调整、雨季截流等单个及组合措施的水质改善效果。结果表明该系统可以模拟多种措施的综合作用、动态的更新数据与模拟结果、并提供可视化的空间决策信息,是复杂流域水质动态综合管理与空间决策支持的有效工具。     

基于水量-水质耦合过程的流域水生态承载力优化方法与例证

水质与水量是影响水生态系统健康的重要因子,开展以生态需水和功能区水质达标为核心的水生态承载力研究对改善流域生态用水不足和水污染具有重要意义.当前流域水生态承载力优化方法将水量和水质作为独立系统处理,忽视了其耦合关系.基于河流水质模型和水资源模型,建立了流域水环境容量与环境流量的函数关系,并作为水生态承载力优化模型的约束条件,构建了以人口与产业规模最大化为目标的水生态承载力的优化模型.最后,对水污染严重且水资源短缺的盘龙江流域进行了实证研究.结果表明:建立的水生态承载力模型能够反映水量与水质的耦合作用,从而提高了流域水生态承载力决策的科学性;盘龙江流域的水生态承载力为20.56万人和119.24亿元GDP,2014年的流域现状值超载了234%;流域水生态承载力与环境流量比例具有显著的补偿关系,呈现倒V型非线性变化过程;当外流域调水的水质高于或等于受水区水质时,受水区的水生态承载力可得到一定程度的提高.     

流域系统动力学模型的全耦合问题研究进展

从系统分析的视角出发,对流域系统动力学建模过程、方法进行总结。综述了国内外系统动力学模型(简称SD模型)在社会经济发展与流域水资源承载力、流域水环境承载和流域水生态承载力耦合关系的研究。从简单的零维模型发展到复杂的社会经济综合模型和OO-SD模型(即Objective-Optimization SD模型),国内SD模型耦合关系研究主要集中在叶尔羌河、洱海、滇池等流域,SD模型在监测、数据共享和模型结构、参数选取和不确定性分析等方面还存在不足,有待改进。     

中国流域综合水管理目标模式研究

流域水问题的跨界外部性特征、流域水环境的复杂大系统特性以及管理成本的优化，要求以流域为单元实施综合水管理。根据流域水管理的这些特性，研究了流域综合水管理目标模式的功能。这些功能为：信息功能，包括信息收集，交流与公示；规划功能，包括专业规划的协调与综合规划的制定：政策功能，包括政策建议、决策与评估、反馈：协调功能，包括利益的均衡与冲突的仲裁：管理直接相关的重大工程项目。按照公众参与原则和效率与公平原则，中国流域综合水管理目标模式的基本框架为：在国家层次，设立国家水管理委员会，在大流域设立独立的全权的流域委员会，在基层采用水务局的模式。     

国外生态-经济系统整合模型研究进展

生态-经济系统整合模型的研究将生态的、经济的、社会的以及生物物理模型整合在可持续发展框架中,考察生态系统与经济系统之间的相互作用和反馈关系,采用遥感与计算机建模技术,结合多种生态模型和计量经济模型,预测、模拟、优化生态-经济系统。它的研究范围从整个系统的管理和全球生命支撑系统的可持续性到自然资源和环境服务的可持续使用等等,为分析可持续发展而按照不同的论题建立不同的模型框架。生态经济整合模型的建立是今后生态经济学研究的一个最重要的侧面,生态经济学要想取得主流经济学的地位,必须应用整合的方法深入探索生态经济系统的复杂性和不确定性,真正解决实际问题,为生态与经济的正确决策提供依据。     

公众参与流域水污染控制的机制研究

近期中国流域管理的工作重点之一是水污染控制,公众参与是流域水环境管理的重要组成部分。通过公众参与可以提升公众环境意识、动员多方力量来调和多重利益团体的矛盾、监督企业环境行为、克服政府单方决策的缺陷。但目前中国公众参与流域水污染控制状况并不十分理想,未能有效发挥上述公众参与的优势,极需建立合理的公众参与流域水污染控制机制。基于政府、公众、企业之间的互约‘关系,提出了成立流域水污染控制协调小组,组织政府、企业、公众三方力量开展协商、引导支持公众参与流域水环境管理,逐步完善协调、监督、管理、激励的流域水污染控制的互约机制,动员全社会力量建立流域水环境管理的优化体制。     

不确定性流域污染负荷优化分配模型及其应用

流域优化决策模型以最优化建模方法指导流域管理决策过程,然而流域系统的不确定性会导致决策存在一定风险.本研究通过建立区间参数机会约束线性规划(ICILP)模型来处理流域决策过程中的不确定性,并将该模型运用于太滆运河流域优化决策中,探讨在不同违反概率下系统最优解.结果表明,随着允许入湖量约束违反概率增加,系统对污染物削减量和削减成本有所降低.由于受到经济成本和削减量约束,系统优先减小环境代价较大、削减效率较低的工程项目规模.但受到最低处理率约束,违反概率增加到一定水平时各工程项目趋于定值.虽然较高的违反概率使系统成本降低,但也会导致削减效率降低,不利于流域保护.因此,在实际管理中应根据管理需求选择合适的削减方案以达到保护流域水质的目标.     

SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势

模型是研究水环境变化、进行水环境管理的重要工具.SPARROW（spatially referenced regressions on watershed attributes）是一个基于质量平衡方法将监测数据与流域特征和污染物来源信息相关联的非线性流域回归模型,具有数据需求量少、结构透明、普适性强等优点.为深刻理解SPARROW模型在水环境管理中的应用现状及未来发展趋势,笔者对SPARROW模型的原理以及其在营养物背景浓度模拟、水质评价、水质目标管理、气候变化对水环境影响等方面应用的国内外研究现状进行了系统梳理.结果表明:①通过选择合适的参考点,SPARROW模型可以有效模拟流域背景营养物通量和浓度,为流域水质标准的制定提供参照依据.②SPARROW模型可将营养物监测获得的数据信息外推至未监测区域,在水质监测数据数量有限的情况下进行水质评价.③SPARROW模型可模拟不同土地使用条件、资源管理等情境下河流营养物负荷,为水质的管理与决策提供支撑.④气候变化情景下,基于SPARROW模型进行气候变化对水环境影响的研究可以支撑水环境管理方案的制定,以应对未来气候变化导致的营养物输出增加.针对SPARROW模型目前在应用中存在的问题进行了分析与讨论,建议未来在应用SPARROW模型时,加强以下几个方面的研究:①进一步开发高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、氨氮等相关模块;②将SPARROW模型与机器学习模型相结合,提高量化模型参数的能力,使模型更好地应用于不同尺度、不同流域的水质相关研究.      

松花江流域水资源-水污染联合调控方案动态模拟研究

为解决松花江流域水资源消耗与水污染物排放联合调控过程中系统复杂特征难以刻画和系统状态变化难以量化的问题,本文从流域污染物排放的源头即农业、工业、畜禽养殖业及生活(城镇和农村)4个方面展开研究,研究其水资源消耗量和水污染物排放量联合控制的特征和机理过程.通过构建二者的耦合关系,建立了松花江流域水资源-水污染联合控制动态模拟模型.通过对该模型进行验证及设计的4种情景方案的模拟对比,充分说明实施开源、节流、治污、减排的综合措施,才是松花江流域经济社会与水环境系统协调发展的最佳策略.同时结果也证明了本文所提出的联合调控动态模拟模型的合理性和可行性.本研究对于解决松花江流域的水资源优化管理、水污染减排和总量控制具有重要的意义,同时可为制定松花江流域经济发展策略提供参考.     

基于水生态功能分区的流域水环境监测与评价研究

中国现行的监测与管理模式多将流域管理机构按照地方部门条块分割,特别是从行政上将一个完整的流域人为分开,从而造成责权交叉多,难以统一规划和协调管理.为了提高每一个生态区域及系统特点得到相应保护,合理开发和利用水生态资源,进而可持续地发展经济和规划生态资源.基于水生态功能分区要求、国省控水质手动、自动监测系统和评价指标体系的特点和经验,开展了基于水生态功能分区的流域水监测与评价研究,编制了《基于水生态功能分区的流域水环境监测与评价》指南.构建重点流域内水环境质量评价指标和评价方法,形成以水污染防治和水质改善为目标、基于水生态功能分区的水环境质量评价模型,为中国其它流域水环境评价提供借鉴及参考.     

水环境综合整治方案灰色多目标优化模型

水环境综合整治方案的优化决策必须考虑社会、经济、技术、环境等多种指标,在这些指标中既有已知信息,又有未知或未确知的灰色信息。因此,水环境综合整治方案的优化属于灰色多目标优化问题。本文利用灰色多目标优化模型,选取六个优化指标,对宣州市水环境综合整治的五种可行方案进行了优化决策,得到了符合当地社会、经济、技术和环境状况的优化方案。研究表明,该模型原理简单、计算简便、结果可靠,是一种很有实用价值的多方案优化模型。     

基于贝叶斯优化的三维水动力-水质模型参数估值方法

随着水质目标管理要求的提升,基于复杂的三维水动力-水质模型的决策成为流域精准治理的必需.水质模型通常具有复杂的结构,包含大量的方程和参数,而参数取值的准确性会影响模型对水体系统表征的可靠性,进而影响根据模型结果进行水环境管理的效果,因此,有必要探究适用于复杂水质模型的高效参数估值方法.传统的自动参数估值方法应用于复杂的水质模型时会面临计算瓶颈,而贝叶斯优化适用于高运算成本模型的优化问题.本研究提出基于贝叶斯优化的复杂水质模型参数估值方法,主要包括:①重要影响参数识别;②重要参数敏感性排序与筛选;③采用贝叶斯优化对筛选出的参数进行估值;④方法的适用性评估.同时,将该方法应用于云南异龙湖的三维水动力-水质模型的参数估值中,发现进行参数估值后模型lg(NSE)均大于0.65,表明模型达到了满意的级别.研究表明,当贝叶斯优化算法的采集函数为EI时,仅需要141次迭代lg(NSE)即可达到0.766,该方法对复杂水质模型的参数估值具有一定的借鉴意义.     

SWAT模型在我国流域水环境模拟应用中的评估验证过程评价

模型评估验证是模型开发和应用过程中的重要环节,是管控模型应用于管理决策风险的重要手段.近年来,以SWAT模型为代表的流域水环境模型在我国流域水环境管理中得到广泛应用,但模型评估验证过程尚缺乏规范性指导.结合SWAT模型建模过程和模型评估验证的基本步骤,梳理总结SWAT模型评估验证过程的评价方法,针对确定研究或决策目标、获取输入数据、构建模型、模型率定验证、展示模型结果等5个阶段分别设计评价指标.筛选中国知网收录的2015—2017年发表的以SWAT模型为主题的428篇学术论文作为研究对象,评价现有研究的模型评估验证过程,分析我国SWAT模型评估验证的现状以及存在的问题和不足.评价结果表明,我国现有的SWAT模型应用研究总体比较重视模型评估验证过程,能够清晰定义研究区域、建模目标和期望产出,说明输入数据来源和质量以及模型概化、参数灵敏度分析、参数识别、不确定性分析的方法和结果,模型模拟效果较好.但是,针对SWAT模型评估验证方法的研究较少,在模型参数识别方面还存在参数选取未考虑研究区域特征、参数识别结果不合理等问题.建议在SWAT模型应用研究中关注参数灵敏度分析和参数识别,结合研究区域特征建立本地化应用数据库,加强模型评估验证方法研究.当模型应用于流域水环境管理决策时,应完整地开展模型评估验证,并分析模型不确定性对决策的影响.      

流域水质管理优化决策模型研究

针对目前流域水污染难以有效控制的局面,依据已有的流域水文、水动力、水质、水生态相关机理模拟模型的研究,在考虑了流域社会经济发展条件的基础上,构建了流域水质管理优化决策模型框架体系.基于该框架体系,本文从简单流域系统优化模型、模拟与优化联合模型和时空尺度复杂优化模型3个方面对流域优化决策模型的研究发展历程进行综述,并指出其各自在发展过程中所出现的问题.最后,提出了优化决策模型面临的瓶颈问题,并从模型结构简化和适应性管理两个方面提出了相关的解决思路.     

白洋淀流域水环境承载力多属性决策方法优选和方案评价研究

为有效解决白洋淀流域水环境承载力多属性复杂决策问题,提出了基于人口-经济-水生态-水资源-水污染五维复杂性质决策指标评估体系(包括28项指标),并将基于新的优势关系的理想点法(TOPSIS)、多准则妥协解排序法(VIKOR)和改进密切值法应用于白洋淀流域水环境承载力多属性决策方法和方案优选中。结果表明：1)变异系数属性赋权方法实现了白洋淀流域水环境承载力多层面和复杂因素影响作用的定量化,并且表明影响该流域水环境承载力的主要因素为地下水资源量、造纸和纸制品业比例、纺织业比例、调水入淀量等;2)3种多属性决策方法中,改进密切值法计算更简便、理论更简单,为优选决策方法,它能在处理水环境承载力管理决策问题涉及的经济、社会、环境、技术标准等多层面复杂性质的同时,更好地实现水环境承载力多属性决策方案评价和优选;3)3种方法得到的多属性决策方案优选排序结果一致性达到83.3%,均表明理想型方案(F₁₂)为最优,次优方案为可持续发展型(F₁₁),最劣方案为经济低速发展型(F₂)。结合白洋淀流域实际,可采取2030年适当降低第一、二产业规...     

流域水生态风险评价及管理对策

流域水生态风险评价是流域水环境管理急需解决的难题和研究热点,与传统风险管理的主要不同点在于流域的异质性和复合污染问题.依靠单一污染物研究不足以提供全面风险信息,无法适应我国流域水环境改善和生态恢复的管理需求.本文通过对复合污染的联合毒性效应及其研究方法的分析,综述和比较了生态风险评价方法的实用性和不足,探讨适合于建立流域不同生态单元质量和复合污染效应间关系的方法,发展和构建反映流域时空尺度变化规律的生态风险评价模型.并就流域水生态毒理机理、水环境的生态响应时空异质性变化规律和流域多目标优化管理提出研究展望及管理对策.     

小流域水环境管理——以宜兴湖滏镇为例

为了进行小流域水环境管理研究,使用SWAT模型对以面源输出为主的宜兴市湖滏流域进行研究.从社会经济发展与水环境的关系出发,耦合土地演化模型和水环境模拟模型并提出管理建议.首先,使用实测数据对SWAT模型进行了验证,确定其有效性;其后,计算了区内污染物输出水平及各污染源的贡献,并依据模拟结果提出了具体管理建议;再后,在GIS技术的支持下,使用马尔科夫链模型对土地覆被的演化进行模拟;最后,耦合两大模型对社会经济发展造成的水环境影响进行研究,预测了可能的污染物输出,并评价社会经济发展的影响.     

利益相关者参与流域水环境管理的研究

中国环境管理过程中存在的问题主要有科学研究停留在水环境管理的认识层面,对于影响利益相关者参与效果的因素以及如何使利益相关者参与到流域水环境管理中来的研究存在不足.为了促进利益相关者参与流域水环境管理,政府应发挥主导作用,完善公众参机制和参与评价机制,通过整合各自不同的视角,协调利益相关者之间的利益冲突,产生更多创造性的方案来提高环境管理的决策质量,同时加强管理措施的实施效果,最终实现利益最大化.     

流域系统优化调控的新模型与应用

流域系统具有复合性和非线性特征,其机理过程的数值描述本身也存在随机和认知不确定性.在此前提下,如何优化调控流域系统,实现水质改善和水生态系统健康成为当前水资源、水环境及水生态领域亟待解决的突出问题.本文提出了贝叶斯递归回归树模型和区间不确定性的风险决策分析方法,与强化区间线性规划结合形成了新的不确定性＂模拟-优化＂间接耦合模型,实现流域系统优化调控及风险决策方案.上述方法将应用于美国佛杰尼亚州Chesterfield县Swift Creek水库营养盐TMDL分配方案,确定8个子流域的最小负荷分配以实现叶绿素a浓度达标.结果表明该耦合模型既能表征流域系统特征,也能兼顾不确定性模拟的准确度、计算效率以及不确定性优化与风险决策的解空间全局最优性、绝对可行性,为流域系统优化调控及其未来非线性系统的预测与最优控制提供了新的计算工具.     

太湖流域不同管理模式的社会经济环境系统演化模拟

基于复杂自适应系统理论构建了社会经济环境系统模型,采用计算实验方法模拟分析了太湖流域在经济优先和水环境保护优先2种管理模式下的动态演化过程,得到了农业与工业经济发展水平、就业状况和水环境改善情况的演化规律.结果表明,在综合考虑社会、经济、水环境的基础上,2种管理模式均能在一定程度上实现经济和就业的增长,同时改善水环境.环境保护优先模式虽能有效保护水环境,却会牺牲部分经济发展和就业保证.不同地区在演化过程中表现出差异性,常州和湖州经济获得较快增长;苏州、上海在就业方面做出较大贡献;无锡和苏州水环境改善效果最为明显.