胡蘇萍

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024)

2000年12月生效的歐盟水框架指令(WFD)倡導以流域為單元對水資源進行綜合管理［1］，既要滿足不斷增長的社會經(jīng)濟發(fā)展需求，又要持續(xù)保護河流生態(tài)與景觀;既要統(tǒng)籌兼顧水質(zhì)、自然保護、生態(tài)、防洪、航運、工業(yè)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)等，又要公正協(xié)調(diào)不同利益集團的要求，因而流域的可持續(xù)性管理是一項極其復雜和艱巨的任務。要使人與自然和諧相處，決策者就必須了解各個領域的知識和信息，并且預先對人類活動可能造成的影響進行評估，從而作出正確的決策。

在“易北河生態(tài)研究”項目框架中，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)邦水文研究所負責該項目的協(xié)調(diào)和技術指導。在對該項目研究成果進行總結(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研究所和大學合作，成立了一個國際性的開發(fā)團隊。

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)和家用化學品被排入易北河。盡管近年來通過改進污水處理技術和非工業(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和生態(tài)狀況仍令人擔憂。

流域的經(jīng)濟開發(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，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品，如重金屬和長效有機污染物，導致洪泛區(qū)大面積污染。2002年洪災過后，德國聯(lián)邦政府啟動了一項行動計劃，旨在減小未來的洪水風險及其影響。各種河流工程，如大規(guī)模的堤防后移、河道疏浚等進入設計和實施階段，制定這些措施時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)的設計、模塊結(jié)構(gòu)與模型

2.1 系統(tǒng)設計

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計的，目前系統(tǒng)主要模擬德國境內(nèi)的易北河流域，在某些研究領域擴充了易北河流域的捷克部分。該決策支持系統(tǒng)實際上是一個處理復雜問題的基于計算機的信息系統(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)的應用環(huán)境參見圖1。

圖1 易北河決策支持系統(tǒng)的應用環(huán)境

實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算，如對結(jié)果進行比較或進行多目標的評價，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可以評價達到預定目標的程度。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，尤其是進程、目標、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)設計采用了4個彼此連接的子模塊，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);河段模塊則詳細模擬所選擇河段的水文與生態(tài)關系。這些模塊的空間和時間分辨率各不相同，各個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。相關的措施、外部情景和管理目標可供用戶選用，從而對系統(tǒng)施加影響，對有關問題進行探討。

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，以及點源和擴散源污染物輸移。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)邦德國精細河網(wǎng)”提高版，該數(shù)字河網(wǎng)的精確度相當于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)利用地理參考坐標系分配到各河段。河網(wǎng)模塊中所考慮的一項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)模塊的管理目標是減小極值流量和進入北海的污染物輸移量，并達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)關系、淹沒風險和易北河的適航性。生態(tài)狀況通過特定群落生境的發(fā)展進行描述，主要取決于漫灘的淹沒時間(年淹沒天數(shù))，淹沒風險利用有資產(chǎn)價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)邦航運管理局確定的標準船舶的通航天數(shù)表示。

河段模塊描述河流和漫灘之間的生態(tài)關系以及淹沒破壞的風險。與干流模塊的差別在于所模擬的進程更為詳盡，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和生態(tài)方面所取得的大量試驗研究成果以及對可能實施的堤壩后移所進行的大量研究。該模塊的空間分辨率為10～50m，由于研究區(qū)域較小，可以運行復雜的模型，計算時間相對較短。

2.3 系統(tǒng)模型

易北河決策支持系統(tǒng)將經(jīng)過校驗的模型集成于統(tǒng)一的框架中，用于評價為達到管理目標所采取的措施的效用。通過對多個模型的評估［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個子流域?qū)BV-D進行了校驗，利用該模型可以得到各子流域的日徑流量或其他時間周期的徑流量，并且可以對氣候變化情景進行評估。

MONERIS用于計算子流域(約1000km2)內(nèi)的點源和擴散源營養(yǎng)物負荷(磷、氮)，模擬營養(yǎng)物輸移的多年平均狀況。模型運行的基準單位為易北河德國境內(nèi)的134個子流域。

GREAT-ER用于評估點源排放。利用該模型可以計算河網(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個模型都用作長期預報，可提供多年平均值，但其運行尺度不同。HBV-D和MONERIS運行的空間尺度為約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個模型的耦合，可以將MONERIS計算的擴散源營養(yǎng)物排放以及GREAT-ER計算的點源排放分配至河網(wǎng)，從而進一步計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?的標準軟件接口相連接，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)，通過標準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)的一個重要目的就是要建立一個開放的系統(tǒng)，以便今后能不斷對系統(tǒng)進行維護和擴充。

系統(tǒng)提供了一個統(tǒng)一的交互式用戶界面，由此可以對措施和外部情景進行調(diào)整，對基礎數(shù)據(jù)進行分析，啟動和分析模型運行過程，以及調(diào)用關于模型可調(diào)性和數(shù)據(jù)的信息。利用對環(huán)境敏感的知識庫功能，用戶可以隨時方便地獲取有關易北河決策支持系統(tǒng)各方面的詳細信息。所開發(fā)的易北河決策支持系統(tǒng)是在Windows NT/2000/XP環(huán)境下運行的PC機應用軟件，其試驗版已于2005年年底交付使用，目前正在接受終端用戶的檢驗，并有待進一步完善。

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)濟進程，可以為流域管理決策者綜合考慮防洪、通航、生態(tài)、水文、自然保護等因素提供科技支撐，也可以作為科學工作者與利益相關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目中所采集的數(shù)據(jù)及現(xiàn)有模型的耦合，實用性強。而空間決策支持系統(tǒng)本身具有通用性，可應用于其他流域，但前提是必須提供與其他流域相應的有效數(shù)據(jù)和模型，功能設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)用戶需求對模塊進行修改，即通過集成復雜的模型系統(tǒng)代替預先設置的情景，并整合最新的數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)這一目標，技術方面也不存在大的問題。另外還計劃與捷克合作，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-效益分析和多標準評價等功能，并將該決策支持系統(tǒng)應用于易北河環(huán)境友好型防洪措施的經(jīng)濟評估［6］。

［1］石秋池.歐盟水框架指令及其執(zhí)行情況［J］.中國水利，2005，(22):65-66.

［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.