易北河流域綜合管理決策支持系統(tǒng)

胡蘇萍

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

2000年12月生效的歐盟水框架指令(WFD)倡導(dǎo)以流域?yàn)閱卧獙λY源進(jìn)行綜合管理［1］，既要滿足不斷增長的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，又要持續(xù)保護(hù)河流生態(tài)與景觀;既要統(tǒng)籌兼顧水質(zhì)、自然保護(hù)、生態(tài)、防洪、航運(yùn)、工業(yè)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)等，又要公正協(xié)調(diào)不同利益集團(tuán)的要求，因而流域的可持續(xù)性管理是一項(xiàng)極其復(fù)雜和艱巨的任務(wù)。要使人與自然和諧相處，決策者就必須了解各個(gè)領(lǐng)域的知識和信息，并且預(yù)先對人類活動(dòng)可能造成的影響進(jìn)行評估，從而作出正確的決策。

在“易北河生態(tài)研究”項(xiàng)目框架中，德國聯(lián)邦教育與研究部自1997年以來資助了一系列有關(guān)河流和漫灘生態(tài)、流域內(nèi)土地利用以及氣候變化等課題的研究［2］，德國聯(lián)邦水文研究所負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的協(xié)調(diào)和技術(shù)指導(dǎo)。在對該項(xiàng)目研究成果進(jìn)行總結(jié)的過程中，聯(lián)邦水文研究所于2002年開始著手建立易北河流域綜合管理決策支持系統(tǒng)，期望利用所取得的多學(xué)科研究成果為易北河流域規(guī)劃和戰(zhàn)略決策提供支持，并為其他流域提供借鑒。為此，聯(lián)邦水文研究所與德國和荷蘭的有關(guān)研究所和大學(xué)合作，成立了一個(gè)國際性的開發(fā)團(tuán)隊(duì)。

1 流域概述

易北河發(fā)源于捷克境內(nèi)靠近捷克與波蘭邊境的巨人山南坡，全長1094 km，是中歐最重要的國際河流之一。其流域面積為148268 km2，大部分位于德國(65.5%)和捷克(33.7%)，極小部分位于奧地利(0.6%)和波蘭(0.2%)。主要支流有莫爾道河、薩勒河、哈弗爾河、穆爾德河、施瓦策埃爾斯特河和埃格爾河。易北河流域分為3個(gè)自然區(qū)域，即北部高程最大為150m的更新世低地，中部高程為150～300m的黃土區(qū)以及南部高程達(dá)1500m的山區(qū)。

易北河徑流情況明顯受到南部中等高度山脈的影響，屬于多雨型，冬季徑流量較大，7～11月水位較低。由于缺少冰川融水、降雨量較小以及冰蝕谷中有大量松散物質(zhì)，徑流過程線極為平緩。流入北海的多年平均流量為844 m3/s。

流域人口為2450萬，擁有化工業(yè)、褐煤礦、采礦業(yè)、制造業(yè)及農(nóng)業(yè)。許多污染物諸如營養(yǎng)物、重金屬、殺蟲劑及其他工業(yè)、農(nóng)業(yè)和家用化學(xué)品被排入易北河。盡管近年來通過改進(jìn)污水處理技術(shù)和非工業(yè)化等措施使易北河污染明顯降低，但易北河及其支流的化學(xué)和生態(tài)狀況仍令人擔(dān)憂。

流域的經(jīng)濟(jì)開發(fā)使水文條件發(fā)生了較大的變化。易北河的捷克部分以及德國境內(nèi)較大的支流都通過筑壩進(jìn)行調(diào)控，德國境內(nèi)的易北河上建有172座壩，庫容為15.3億m3;捷克境內(nèi)有120座壩，庫容為25.6億m3。堤防是德國境內(nèi)易北河的一大特點(diǎn)，始于易北河97.7 km處，一直延伸至北海。因此滯洪面積由以前的6172 km2減小至838 km2。裁彎取直使河流長度減小，捷克境內(nèi)長度縮短55 km，德國境內(nèi)長度縮短60km，從而使流速增大。

2002年易北河特大洪水給德國造成約92億歐元的損失。洪水把泥沙帶入洪泛區(qū)，而泥沙顆粒中通常含有微生物和有毒化學(xué)品，如重金屬和長效有機(jī)污染物，導(dǎo)致洪泛區(qū)大面積污染。2002年洪災(zāi)過后，德國聯(lián)邦政府啟動(dòng)了一項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃，旨在減小未來的洪水風(fēng)險(xiǎn)及其影響。各種河流工程，如大規(guī)模的堤防后移、河道疏浚等進(jìn)入設(shè)計(jì)和實(shí)施階段，制定這些措施時(shí)通常只考慮了地方和部門的需求，而對于各種措施之間的相互作用及其對漫灘自然條件的影響卻缺乏了解。此外，氣候變化和土地利用等不確定的條件也可能影響工程的預(yù)期效果，而流域綜合管理決策支持系統(tǒng)則可以為決策者提供有效的幫助。

2 決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模塊結(jié)構(gòu)與模型

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

易北河決策支持系統(tǒng)是作為戰(zhàn)略管理決策支持的工具而設(shè)計(jì)的，目前系統(tǒng)主要模擬德國境內(nèi)的易北河流域，在某些研究領(lǐng)域擴(kuò)充了易北河流域的捷克部分。該決策支持系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)處理復(fù)雜問題的基于計(jì)算機(jī)的信息系統(tǒng)，用戶可以使用通過決策支持系統(tǒng)特有工具整合的現(xiàn)有數(shù)據(jù)、知識和模型。易北河決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境參見圖1。

圖1 易北河決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境

實(shí)際上重要的過程通常都發(fā)生在一定的空間范圍中，因此模擬的空間也是清晰的。從技術(shù)角度將地理信息系統(tǒng)的功能與模擬模型相耦合，這樣除了空間分量之外，還可模擬時(shí)間分量。易北河決策支持系統(tǒng)集成了彼此耦合的模型，這些模型基于一個(gè)共同相容的數(shù)據(jù)庫。將各模型原有的界面去除，把模型整合于一個(gè)統(tǒng)一的圖形用戶界面中。在知識庫中提供所使用模型和數(shù)據(jù)的背景信息，說明其限制條件和適用范圍，并指出獲得詳細(xì)信息的渠道。在決策系統(tǒng)內(nèi)部有一整套工具可用于簡單的空間分析和運(yùn)算，如對結(jié)果進(jìn)行比較或進(jìn)行多目標(biāo)的評價(jià)，其目的并非要取得盡可能精確的結(jié)果，而是對不同管理方案的影響進(jìn)行比較。

基于耦合模型的決策支持系統(tǒng)可以模擬變化所造成的影響，事先確定的外部情景是用戶無法改變的發(fā)展趨勢，而擬采取的措施則可由用戶施加影響，用戶可以自由組合措施和外部情景。根據(jù)由模型變量得出的指標(biāo)可以評價(jià)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的程度。易北河決策支持系統(tǒng)未來用戶的及早參與確保了系統(tǒng)的適用性，尤其是進(jìn)程、目標(biāo)、措施和情景的選擇。

2.2 模 塊

考慮到不同的空間尺度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了4個(gè)彼此連接的子模塊，即流域模塊(德國部分)、河網(wǎng)模塊、干流模塊(河流和河灘)以及河段模塊(包括漫灘)，模塊總系統(tǒng)參見圖2。流域模塊描述土地利用和人類活動(dòng)對徑流成分的影響;河網(wǎng)模塊模擬德國境內(nèi)的易北河流域40000km長的河網(wǎng)的水文和水質(zhì);干流模塊描述易北河河灣及其鄰近的漫灘和堤外地的生態(tài);河段模塊則詳細(xì)模擬所選擇河段的水文與生態(tài)關(guān)系。這些模塊的空間和時(shí)間分辨率各不相同，各個(gè)模塊通過接口相互連接，因而流域模塊層上的影響可以作用至河段模塊層。相關(guān)的措施、外部情景和管理目標(biāo)可供用戶選用，從而對系統(tǒng)施加影響，對有關(guān)問題進(jìn)行探討。

流域模塊模擬是對徑流水質(zhì)水量具有決定性影響的過程。流域特征包括地形、土壤特性、降水量、土地利用和水文地質(zhì)。另外還考慮了經(jīng)過處理和未經(jīng)處理的污水排放量，以及點(diǎn)源和擴(kuò)散源污染物輸移。氣候變化和農(nóng)業(yè)政策的變化會對流域特征產(chǎn)生影響，而人口變化則會對污染物排放產(chǎn)生影響。在流域模塊中，唯一的管理目標(biāo)就是要減少污染物排放。

河網(wǎng)模塊研究河網(wǎng)中各河段的污染物輸移和降解過程。數(shù)據(jù)庫為德國聯(lián)邦環(huán)保署提供的“聯(lián)邦德國精細(xì)河網(wǎng)”提高版，該數(shù)字河網(wǎng)的精確度相當(dāng)于1∶200000。由流域模塊獲得的流量和污染物輸移量通過數(shù)字河網(wǎng)利用地理參考坐標(biāo)系分配到各河段。河網(wǎng)模塊中所考慮的一項(xiàng)重要措施就是改善河流的連通性，確保魚類順利洄游產(chǎn)卵，而不受堰壩和防洪閘的影響。在整個(gè)流域約80%的范圍內(nèi)魚類不能自由洄游，因此不符合良好生態(tài)狀況的要求。要確保魚類洄游，必須拆除某些結(jié)構(gòu)物或另建魚道。河網(wǎng)模塊的管理目標(biāo)是減小極值流量和進(jìn)入北海的污染物輸移量，并達(dá)到和維持良好的生態(tài)狀況。

圖2 易北河決策支持系統(tǒng)的模塊總系統(tǒng)

干流模塊模擬從捷克邊境處(易北河0km)至蓋斯特哈赫特堰(易北河585 km)的河段，用于研究河漫灘的生態(tài)關(guān)系、淹沒風(fēng)險(xiǎn)和易北河的適航性。生態(tài)狀況通過特定群落生境的發(fā)展進(jìn)行描述，主要取決于漫灘的淹沒時(shí)間(年淹沒天數(shù))，淹沒風(fēng)險(xiǎn)利用有資產(chǎn)價(jià)值的潛在相對損失表述。易北河的通航情況取決于水文條件和航道深度，適航性在決策支持系統(tǒng)中用德國聯(lián)邦航運(yùn)管理局確定的標(biāo)準(zhǔn)船舶的通航天數(shù)表示。

河段模塊描述河流和漫灘之間的生態(tài)關(guān)系以及淹沒破壞的風(fēng)險(xiǎn)。與干流模塊的差別在于所模擬的進(jìn)程更為詳盡，例如采用二維模型，而不用一維模型。河段模塊詳細(xì)模擬易北河412～422 km長10km的河段。選擇該河段作為研究區(qū)域，主要是基于在河流地貌學(xué)和生態(tài)方面所取得的大量試驗(yàn)研究成果以及對可能實(shí)施的堤壩后移所進(jìn)行的大量研究。該模塊的空間分辨率為10～50m，由于研究區(qū)域較小，可以運(yùn)行復(fù)雜的模型，計(jì)算時(shí)間相對較短。

2.3 系統(tǒng)模型

易北河決策支持系統(tǒng)將經(jīng)過校驗(yàn)的模型集成于統(tǒng)一的框架中，用于評價(jià)為達(dá)到管理目標(biāo)所采取的措施的效用。通過對多個(gè)模型的評估［3］，在流域和河網(wǎng)層面上，易北河決策支持系統(tǒng)首先選用了3個(gè)模型，即HBV-D、MONERIS和GREAT-ER。

HBV-D用于降雨-徑流模擬。針對德國境內(nèi)易北河118個(gè)子流域?qū)BV-D進(jìn)行了校驗(yàn)，利用該模型可以得到各子流域的日徑流量或其他時(shí)間周期的徑流量，并且可以對氣候變化情景進(jìn)行評估。

MONERIS用于計(jì)算子流域(約1000km2)內(nèi)的點(diǎn)源和擴(kuò)散源營養(yǎng)物負(fù)荷(磷、氮)，模擬營養(yǎng)物輸移的多年平均狀況。模型運(yùn)行的基準(zhǔn)單位為易北河德國境內(nèi)的134個(gè)子流域。

GREAT-ER用于評估點(diǎn)源排放。利用該模型可以計(jì)算河網(wǎng)中的多年平均污染物濃度，并可以描述污水處理廠的去污狀況以及河流中的輸移和降解過程。

以上3個(gè)模型都用作長期預(yù)報(bào)，可提供多年平均值，但其運(yùn)行尺度不同。HBV-D和MONERIS運(yùn)行的空間尺度為約1000km2的子流域，而GREAT-ER則將河網(wǎng)分為許多約2 km長的河段。在德國境內(nèi)大約有33500個(gè)河段(不包括受潮汐影響的子流域)，通過一種演算方法將這些河段彼此連接，并采用累積水流長度分布法將這些小河段與MONERIS耦合。通過2個(gè)模型的耦合，可以將MONERIS計(jì)算的擴(kuò)散源營養(yǎng)物排放以及GREAT-ER計(jì)算的點(diǎn)源排放分配至河網(wǎng)，從而進(jìn)一步計(jì)算污染物的消散和輸移過程［4］。

易北河決策支持系統(tǒng)采用由荷蘭知識系統(tǒng)研究院開發(fā)的決策支持系統(tǒng)生成程序——Geonamica?軟件集成平臺，從總體結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)由4個(gè)基本部分組成:用戶界面、工具、模擬內(nèi)核和模型以及地理信息系統(tǒng)/數(shù)據(jù)庫。各部分通過Geonamica?的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口相連接，其中模擬內(nèi)核和模型是決策支持系統(tǒng)的心臟。模擬內(nèi)核處理來自用戶界面的指令，控制模擬過程，識別所集成模型的結(jié)構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)軟件接口選擇其模型模塊，因此可以比較方便地更換各模型模塊。開發(fā)易北河決策支持系統(tǒng)的一個(gè)重要目的就是要建立一個(gè)開放的系統(tǒng)，以便今后能不斷對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)充。

系統(tǒng)提供了一個(gè)統(tǒng)一的交互式用戶界面，由此可以對措施和外部情景進(jìn)行調(diào)整，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，啟動(dòng)和分析模型運(yùn)行過程，以及調(diào)用關(guān)于模型可調(diào)性和數(shù)據(jù)的信息。利用對環(huán)境敏感的知識庫功能，用戶可以隨時(shí)方便地獲取有關(guān)易北河決策支持系統(tǒng)各方面的詳細(xì)信息。所開發(fā)的易北河決策支持系統(tǒng)是在Windows NT/2000/XP環(huán)境下運(yùn)行的PC機(jī)應(yīng)用軟件，其試驗(yàn)版已于2005年年底交付使用，目前正在接受終端用戶的檢驗(yàn)，并有待進(jìn)一步完善。

3 結(jié)語

由德國聯(lián)邦水文研究所主持開發(fā)的易北河流域管理決策支持系統(tǒng)集成了各種不同的模型，不僅整合了水質(zhì)和水量，而且還納入了土地利用和社會經(jīng)濟(jì)進(jìn)程，可以為流域管理決策者綜合考慮防洪、通航、生態(tài)、水文、自然保護(hù)等因素提供科技支撐，也可以作為科學(xué)工作者與利益相關(guān)者和政策制定者之間溝通的工具［5］。

系統(tǒng)基于德國聯(lián)邦教育和研究部資助的易北河研究項(xiàng)目中所采集的數(shù)據(jù)及現(xiàn)有模型的耦合，實(shí)用性強(qiáng)。而空間決策支持系統(tǒng)本身具有通用性，可應(yīng)用于其他流域，但前提是必須提供與其他流域相應(yīng)的有效數(shù)據(jù)和模型，功能設(shè)置取決于用戶需求和所存在的管理問題。

目前該系統(tǒng)自身還存在一定的局限性，例如復(fù)雜的高分辨率模型還只能用于特定河段(易北河412～422 km)，若資金有限則只能使用現(xiàn)有的模型。今后還需要根據(jù)用戶需求對模塊進(jìn)行修改，即通過集成復(fù)雜的模型系統(tǒng)代替預(yù)先設(shè)置的情景，并整合最新的數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，技術(shù)方面也不存在大的問題。另外還計(jì)劃與捷克合作，將已建的德國易北河決策支持系統(tǒng)推廣應(yīng)用于易北河流域的南部。近年還增加了成本-效益分析和多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)等功能，并將該決策支持系統(tǒng)應(yīng)用于易北河環(huán)境友好型防洪措施的經(jīng)濟(jì)評估［6］。

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［2］Gruber B，Kofalk S，Kohmann F.?kologische Forschung in der Stromlandschaft Elbe-Das Forschungsprogramm Elbe- ?kologie im internationalen Kontext［J］.Zeitschrift für Binnenschifffahrt，2001，(1):48-52.

［3］Matthies M，Berlekamp J，Lautenbach S，Graf N，et al.System analysis of water quality management for the Elbe river basin ［J］.Environmental Modelling ＆ Software，2006，21(9):1309-1318.

［4］Berlekamp J，Lautenbach S，Graf N，Reimer S，et al.Integration of MONERIS and GREAT-ER in the decision support System for the German Elbe river basin［J］.Environmental Modelling ＆ Software，2007，22(2):239-247.

［5］Hermans R，Hahn B.Towards a User Oriented Generic Tool for River Basin Management:the Example of the Elbe DSS in Cermany［C］∥Yellow River Conservancy Commission.Proceedings of the 3rd International Yellow River Forum on Sustainable Water Resources Management and Delta Ecosystem Maintenance Volume VI.Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press，2007.93-99.

［6］Grossmann M，Hartje V，Meyerhoff J.?konomische Bewertung naturvertr?glicher Hochwasservorsorge an der Elbe［M］.Münster:Landwirtschaftsverlag Münster，2010:1-130.