易北河流域綜合管理決策支持系統

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濟發展需求，又要持續保護河流生態與景觀;既要統籌兼顧水質、自然保護、生態、防洪、航運、工業、礦業、農業和旅游業等，又要公正協調不同利益集團的要求，因而流域的可持續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“易北河生態研究”項目框架中，德國聯邦教育與研究部自1997年以來資助了一系列有關河流和漫灘生態、流域內土地利用以及氣候變化等課題的研究［2］，德國聯邦水文研究所負責該項目的協調和技術指導。在對該項目研究成果進行總結的過程中，聯邦水文研究所于2002年開始著手建立易北河流域綜合管理決策支持系統，期望利用所取得的多學科研究成果為易北河流域規劃和戰略決策提供支持，并為其他流域提供借鑒。為此，聯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團隊。

1 流域概述

易北河發源于捷克境內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的黃土區以及南部高程達1500m的山區。

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，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、褐煤礦、采礦業、制造業及農業。許多污染物諸如營養物、重金屬、殺蟲劑及其他工業、農業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狀況仍令人擔憂。

流域的經濟開發使水文條件發生了較大的變化。易北河的捷克部分以及德國境內較大的支流都通過筑壩進行調控，德國境內的易北河上建有172座壩，庫容為15.3億m3;捷克境內有120座壩，庫容為25.6億m3。堤防是德國境內易北河的一大特點，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，捷克境內長度縮短55 km，德國境內長度縮短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，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，導致洪泛區大面積污染。2002年洪災過后，德國聯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則可以為決策者提供有效的幫助。

2 決策支持系統的設計、模塊結構與模型

2.1 系統設計

易北河決策支持系統是作為戰略管理決策支持的工具而設計的，目前系統主要模擬德國境內的易北河流域，在某些研究領域擴充了易北河流域的捷克部分。該決策支持系統實際上是一個處理復雜問題的基于計算機的信息系統，用戶可以使用通過決策支持系統特有工具整合的現有數據、知識和模型。易北河決策支持系統的應用環境參見圖1。

圖1 易北河決策支持系統的應用環境

實際上重要的過程通常都發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集成了彼此耦合的模型，這些模型基于一個共同相容的數據庫。將各模型原有的界面去除，把模型整合于一個統一的圖形用戶界面中。在知識庫中提供所使用模型和數據的背景信息，說明其限制條件和適用范圍，并指出獲得詳細信息的渠道。在決策系統內部有一整套工具可用于簡單的空間分析和運算，如對結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未來用戶的及早參與確保了系統的適用性，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;河網模塊模擬德國境內的易北河流域40000km長的河網的水文和水質;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;河段模塊則詳細模擬所選擇河段的水文與生態關系。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。另外還考慮了經過處理和未經處理的污水排放量，以及點源和擴散源污染物輸移。氣候變化和農業政策的變化會對流域特征產生影響，而人口變化則會對污染物排放產生影響。在流域模塊中，唯一的管理目標就是要減少污染物排放。

河網模塊研究河網中各河段的污染物輸移和降解過程。數據庫為德國聯邦環保署提供的“聯邦德國精細河網”提高版，該數字河網的精確度相當于1∶200000。由流域模塊獲得的流量和污染物輸移量通過數字河網利用地理參考坐標系分配到各河段。河網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卵，而不受堰壩和防洪閘的影響。在整個流域約80%的范圍內魚類不能自由洄游，因此不符合良好生態狀況的要求。要確保魚類洄游，必須拆除某些結構物或另建魚道。河網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狀況。

圖2 易北河決策支持系統的模塊總系統

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關系、淹沒風險和易北河的適航性。生態狀況通過特定群落生境的發展進行描述，主要取決于漫灘的淹沒時間(年淹沒天數)，淹沒風險利用有資產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中用德國聯邦航運管理局確定的標準船舶的通航天數表示。

河段模塊描述河流和漫灘之間的生態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域，主要是基于在河流地貌學和生態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，由于研究區域較小，可以運行復雜的模型，計算時間相對較短。

2.3 系統模型

易北河決策支持系統將經過校驗的模型集成于統一的框架中，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］，在流域和河網層面上，易北河決策支持系統首先選用了3個模型，即HBV-D、MONERIS和GREAT-ER。

HBV-D用于降雨-徑流模擬。針對德國境內易北河118個子流域對HBV-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)內的點源和擴散源營養物負荷(磷、氮)，模擬營養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則將河網分為許多約2 km長的河段。在德國境內大約有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計算的擴散源營養物排放以及GREAT-ER計算的點源排放分配至河網，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采用由荷蘭知識系統研究院開發的決策支持系統生成程序——Geonamica?軟件集成平臺，從總體結構上看，系統由4個基本部分組成:用戶界面、工具、模擬內核和模型以及地理信息系統/數據庫。各部分通過Geonamica?的標準軟件接口相連接，其中模擬內核和模型是決策支持系統的心臟。模擬內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構，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。開發易北河決策支持系統的一個重要目的就是要建立一個開放的系統，以便今后能不斷對系統進行維護和擴充。

系統提供了一個統一的交互式用戶界面，由此可以對措施和外部情景進行調整，對基礎數據進行分析，啟動和分析模型運行過程，以及調用關于模型可調性和數據的信息。利用對環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各方面的詳細信息。所開發的易北河決策支持系統是在Windows NT/2000/XP環境下運行的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 結語

由德國聯邦水文研究所主持開發的易北河流域管理決策支持系統集成了各種不同的模型，不僅整合了水質和水量，而且還納入了土地利用和社會經濟進程，可以為流域管理決策者綜合考慮防洪、通航、生態、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］。

系統基于德國聯邦教育和研究部資助的易北河研究項目中所采集的數據及現有模型的耦合，實用性強。而空間決策支持系統本身具有通用性，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據和模型，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有的模型。今后還需要根據用戶需求對模塊進行修改，即通過集成復雜的模型系統代替預先設置的情景，并整合最新的數據。要實現這一目標，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應用于易北河環境友好型防洪措施的經濟評估［6］。

［1］石秋池.歐盟水框架指令及其執行情況［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.