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

張水鋒，倉(cāng)一倩，李 盟，顧哲衍

（1.南京警察學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，南京 210023；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210011；3.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002）

自古以來(lái)，人類(lèi)擇水而居，流域是人類(lèi)文明的起源，為人類(lèi)的生計(jì)和發(fā)展提供重要的資源。為了生存，人類(lèi)不得不利用流域中的土地和水資源進(jìn)行以農(nóng)業(yè)為主的開(kāi)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(kāi)發(fā)流域資源的同時(shí)保障經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展則更是一個(gè)難題。在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，農(nóng)業(yè)快速發(fā)展雖然提高了農(nóng)民收入，但也對(duì)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(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的沖突，特別是飲用水保護(hù)。

1 流域多目標(biāo)管理研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外流域多目標(biāo)管理研究

流域綜合管理有助于合理開(kāi)發(fā)水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前，國(guó)外研究開(kāi)始關(guān)注和嘗試建立流域多目標(biāo)決策系統(tǒng)，并應(yīng)用到流域綜合管理實(shí)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(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題，因?yàn)槌匀毁Y源外，它還涉及流域內(nèi)的人類(lèi)活動(dòng)，這些活動(dòng)受到多種相互沖突的目標(biāo)和約束的驅(qū)動(dòng)，如農(nóng)業(yè)收入增加、土壤和水資源保護(hù)、城市發(fā)展和飲用水供應(yīng)。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(guò)比較多種競(jìng)爭(zhēng)性的標(biāo)準(zhǔn)和備選方案來(lái)選擇最佳流域計(jì)劃，并為變量提供數(shù)值權(quán)重，有助于群體決策，使競(jìng)爭(zhēng)因素之間的比較變得容易。此外，GBUREK[3]認(rèn)為流域管理決策系統(tǒng)是一種多目標(biāo)決策技術(shù)，根據(jù)制定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多個(gè)離散的備選方案進(jìn)行評(píng)估，從而生成滿足多個(gè)目標(biāo)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(yīng)鏈管理的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和水質(zhì)要求，利用廣義成本關(guān)系和約束條件，對(duì)流域水源地分流域進(jìn)行成本優(yōu)化，利用雨水控制措施減少?gòu)搅鞑⑻峁┧|(zhì)處理，幫助決策者確定滿足水質(zhì)目標(biāo)的流域綜合管理策略。

1.2 國(guó)內(nèi)流域多目標(biāo)管理研究

在國(guó)內(nèi)，早在1984年，趙富德[5]摘譯了美國(guó)農(nóng)業(yè)部制定的多目標(biāo)開(kāi)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(hù)與開(kāi)發(fā)的具體措施、費(fèi)用和效益，論述各利益相關(guān)方的意見(jiàn)等規(guī)劃內(nèi)容。吳以鰲[6]于1990年強(qiáng)調(diào)中國(guó)江河流域的多目標(biāo)開(kāi)發(fā)問(wèn)題，提出加強(qiáng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析論證，正確處理各方面的利益。近30年來(lái)，國(guó)內(nèi)流域管理的多目標(biāo)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(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，建立大流域水資源多目標(biāo)優(yōu)化分配模型的目標(biāo)和約束函數(shù)，求解流域水資源優(yōu)化分配問(wèn)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(chǔ)上，嘗試建立調(diào)度模型的目標(biāo)、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(biāo)，流域總的凈效益最大化為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，流域內(nèi)各計(jì)算單元人均凈效益變化率的均方差最小化為社會(huì)公平目標(biāo)，建立水資源配置多目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，評(píng)價(jià)8 個(gè)模擬方案的優(yōu)劣。張翔宇等[10]采用改進(jìn)遺傳算法來(lái)求解河段優(yōu)化配水問(wèn)題，有效提高黃河的水資源利用率，但用水單元權(quán)重指標(biāo)的選取以及河段配水權(quán)重的計(jì)算有待進(jìn)一步研究。葉真男等[11]以農(nóng)業(yè)面源污染減排為目標(biāo)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品需求保障等為約束，建立多目標(biāo)規(guī)劃模型，采用水質(zhì)分析模擬程序（WASP）對(duì)各方案下的面源污染排放進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)，以優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

2 我國(guó)流域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀

第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查匯總數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)耕地面積共有134 921 000 hm2。2019年末，我國(guó)人口總量達(dá)到14 億，即我國(guó)用不到世界9%的耕地養(yǎng)活世界近20%的人口。與此同時(shí)，我國(guó)流域的面源污染問(wèn)題也不容忽視。截至2019年12月，第二次全國(guó)污染源普查工作已基本完成?！兜诙稳珖?guó)污染源普查公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，種植業(yè)總氮流失量為71.95 萬(wàn)t，總磷流失量為7.62 萬(wàn)t，分別占全國(guó)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(wàn)t 和21.20 萬(wàn)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(guó)化肥施用量從1952年的7.8 萬(wàn)t 增長(zhǎng)到2018年的5 653 萬(wàn)t（最高為2015年的6 022.6 萬(wàn)t），根據(jù)2018年耕地面積測(cè)算，平均每公頃施肥量約為419 kg，已遠(yuǎn)超每公頃120 kg 的世界平均水平[12]。因此，盡管我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展成就斐然，但種植高產(chǎn)品種過(guò)程中大量施用化肥農(nóng)藥導(dǎo)致的環(huán)境污染也招致一些批評(píng)，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國(guó)重要的污染源之一。

3 我國(guó)流域農(nóng)業(yè)面源污染多目標(biāo)優(yōu)化管理

3.1 基于農(nóng)業(yè)土地利用的多目標(biāo)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(duì)諸如沉積物產(chǎn)量、高地土壤侵蝕和河流中氮磷養(yǎng)分負(fù)荷等環(huán)境過(guò)程產(chǎn)生巨大影響，還影響流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。CHEN 等[13]提出利用灰色模糊多目標(biāo)規(guī)劃方法，結(jié)合水質(zhì)模型和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)函數(shù)，對(duì)具有多種不確定性和風(fēng)險(xiǎn)的河流系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷分配決策，與其他多目標(biāo)優(yōu)化方法不同的是，該方法在多種不確定條件下同時(shí)考慮農(nóng)業(yè)土地利用的成本效益與污染物負(fù)荷之間的決策權(quán)衡關(guān)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(biāo)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(biāo)規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)農(nóng)業(yè)土地利用模式和最佳管理實(shí)踐（BMPs）的有效配置。郭仝[15]則以北京2022年冬季奧運(yùn)會(huì)所在的媯水河流域土地類(lèi)型結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立目標(biāo)和約束函數(shù)，采用基于差分變異的多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行農(nóng)業(yè)土地利用方案優(yōu)化，形成一組滿足多目標(biāo)要求的非占優(yōu)土地配置方案，并通過(guò)層次分析法實(shí)現(xiàn)優(yōu)選。

3.2 農(nóng)業(yè)流域水文模擬多目標(biāo)優(yōu)化管理

隨著已開(kāi)發(fā)且可免費(fèi)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(guān)注模擬不同時(shí)期農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)的變化對(duì)流域中徑流、泥沙輸移和養(yǎng)分物質(zhì)負(fù)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(gè)分室出發(fā)，沉積在河道系統(tǒng)中或輸移出流域，其負(fù)荷可在源頭被識(shí)別。而SWAT 模型的水文響應(yīng)單元僅僅是圖像下的分支流域，其空間定位無(wú)法識(shí)別，無(wú)法計(jì)算輸移徑流、泥沙和養(yǎng)分物質(zhì)。InVEST 模型則相對(duì)簡(jiǎn)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(lái)全球人工智能研究的興起，計(jì)算機(jī)性能、系統(tǒng)科學(xué)、大數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)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(kāi)辟了新途徑。在具有不同管理方案選擇的區(qū)域，這些技術(shù)可提高決策過(guò)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(biāo)排序遺傳算法與SWAT 模型相結(jié)合，基于BMPs 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)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(diǎn)源對(duì)水資源的主要危害。

4 結(jié)論

流域活動(dòng)的復(fù)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(wù)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(shí)考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)方面不同需求的創(chuàng)新型流域管理技術(shù)，該技術(shù)需要具備同時(shí)處理多個(gè)問(wèn)題和目標(biāo)的能力，并能夠輔助管理者在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行科學(xué)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(biāo)管理決策問(wèn)題，但這些研究主要集中于流域管理過(guò)程中某一類(lèi)確定的對(duì)象或問(wèn)題，鮮見(jiàn)從流域“陸-水-經(jīng)濟(jì)”關(guān)系綜合管理角度的研究，因此，未來(lái)可關(guān)注對(duì)流域整體運(yùn)行過(guò)程的多模型耦合綜合模擬的多目標(biāo)管理研究，為我國(guó)農(nóng)業(yè)流域管理中長(zhǎng)期存在的水土資源保護(hù)與土地生產(chǎn)利用之間目標(biāo)相互沖突且無(wú)法有效兼顧的問(wèn)題提供多目標(biāo)管理決策依據(jù)。