面源污染最佳管理措施多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化配置研究進(jìn)展

耿潤(rùn)哲,梁璇靜,殷培紅,王 萌,周麗麗

生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心,北京 100029

近年來(lái),我國(guó)水環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中有升,全國(guó)平均水質(zhì)指數(shù)為5.66,同比改善8.4%,總磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)逐步取代化學(xué)需氧量等成為導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降的首要污染物,面源污染則是多數(shù)地區(qū)流域水質(zhì)下降的重要影響因素[1- 2]。由于面源污染發(fā)生具有隨機(jī)性,來(lái)源和傳輸過程具有間歇性和不確定性,使得面源污染的輸出受到自然地理、農(nóng)業(yè)管理方式差異的影響較為顯著,空間變異性強(qiáng),對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和治理相對(duì)比較困難[3- 6]。推廣實(shí)施“最佳管理措施”(Best Management Practices, BMPs)是進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染源控制的有效手段。

BMPs主要有工程型和非工程型兩大類[7],據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部的BMPs數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)果顯示,僅農(nóng)業(yè)面源污染治理措施的BMPs類型就達(dá)200種以上。目前,在BMPs的實(shí)踐應(yīng)用方面,受限于關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別方法的尺度適用性、BMPs配置方案操作難易程度、BMPs對(duì)污染物負(fù)荷削減效率對(duì)水質(zhì)改善的滯后性以及區(qū)域自然地理特征差異導(dǎo)致的BMPs效果的不確定性等因素影響。導(dǎo)致BMPs配置方案的成本效益比較低,可操作性較差。因此,針對(duì)流域面源污染控制措施BMPs配置方面的諸多難點(diǎn),如何通過對(duì)BMPs的削減效率及其對(duì)流域整體水環(huán)境質(zhì)量改善的效果進(jìn)行有效評(píng)估,并在此基礎(chǔ)上借助GIS空間分析手段,從流域整體對(duì)BMPs進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化配置分析,對(duì)于實(shí)現(xiàn)流域面源污染控制具有重要的意義。

BMPs的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化配置是解決這類問題的有效途徑,該項(xiàng)研究最早出現(xiàn)于1980年代,但當(dāng)時(shí)的研究處于初期探索階段[8- 9],隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)大樣本量數(shù)據(jù)計(jì)算的能力得到顯著提升,到2000年左右以美國(guó)學(xué)者為代表的BMPs優(yōu)化配置研究逐漸豐富起來(lái),成為在流域尺度開展BMPs配置方案研究的重要方法[10- 13]。研究表明,要實(shí)現(xiàn)流域BMPs的多目標(biāo)優(yōu)化配置,需要從以下3個(gè)方面來(lái)開展相關(guān)研究：(1)面源污染關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別(Critical Source Areas, CSAs)、(2)BMPs削減效率評(píng)估、(3)空間優(yōu)化配置模擬。下面,將分別對(duì)這3方面內(nèi)容的研究進(jìn)展加以論述。

1 BMPs多目標(biāo)優(yōu)化配置

1.1 面源污染關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

研究表明面源污染物產(chǎn)生及運(yùn)移過程會(huì)受到流域內(nèi)不同景觀、管理措施以及特定點(diǎn)位自然地理?xiàng)l件的強(qiáng)烈影響,其污染負(fù)荷有著很大的差別[14]。只占流域總面積10%—20%的區(qū)域,對(duì)流域面源污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)量通常達(dá)到了80%左右,且而且污染負(fù)荷在空間上通常呈正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布[15],這些污染負(fù)荷較高的區(qū)域通常被稱為面源污染關(guān)鍵源區(qū)(Critical Source Areas, CSAs)[16]。目前針對(duì)面源污染特征分析的關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別研究主要集中2個(gè)方面：一是在流域尺度上利用模型對(duì)面源污染的時(shí)空分布特征規(guī)律進(jìn)行表征,二是針對(duì)某一田間小尺度流域進(jìn)行深入的實(shí)地監(jiān)測(cè)研究[17- 18]。這些研究雖然在一定程度推進(jìn)了流域面源污染研究的進(jìn)展且對(duì)流域面源污染控制具有指導(dǎo)意義,但是這些研究的共同特點(diǎn)是以污染負(fù)荷量或評(píng)價(jià)指數(shù)高低作為關(guān)鍵源區(qū)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),缺少不同尺度污染源和遷移因子之間的聯(lián)系,使得流域面源污染管理和控制往往缺乏對(duì)田間地塊尺度污染物的產(chǎn)生規(guī)律和影響因素的表征,導(dǎo)致基于關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的面源污染控制通常不能達(dá)到預(yù)期的效果[19]。

隨著對(duì)面源污染發(fā)生機(jī)理認(rèn)識(shí)的深化,多數(shù)研究均表明流域水文模型和GIS技術(shù)的聯(lián)合使用能夠在CSAs識(shí)別、量化以及相應(yīng)措施的選取方面發(fā)揮重要的作用[17,20]。根據(jù)實(shí)施的難易程度及適用的尺度,關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別方法主要有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及模型模擬兩大類[21]。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要以量化面源污染負(fù)荷的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ),通過對(duì)污染物產(chǎn)生與運(yùn)移同時(shí)發(fā)生的概率進(jìn)行估算,進(jìn)而在污染物流失風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的基礎(chǔ)上,識(shí)別BMPs配置的目標(biāo)區(qū)域(關(guān)鍵源區(qū))[22]。目前應(yīng)用較多的的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有磷指數(shù)法(phosphorus index, PI)及其相應(yīng)的衍生模型,美國(guó)學(xué)者Lemunyon(1993)等在綜合考慮影響流域內(nèi)面源污染產(chǎn)生及傳輸?shù)亩鄠€(gè)因子及其相互作用對(duì)磷流失的影響后構(gòu)建而成。由于其可以根據(jù)研究區(qū)的特征對(duì)因子進(jìn)行修正,具有很大的可擴(kuò)展性,目前在世界各國(guó)磷流失的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面得到廣泛應(yīng)用與改進(jìn)[23- 24]。PI既可以識(shí)別磷流失的潛在風(fēng)險(xiǎn)也可以定量估算磷的實(shí)際流失量,不使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,操作使用方便,具有很強(qiáng)的靈活性[25]。但由于大尺度流域內(nèi)磷污染的來(lái)源、傳輸及遷移轉(zhuǎn)化過程非常復(fù)雜,對(duì)其進(jìn)行概率量化評(píng)估非常困難,因此PI法還主要應(yīng)用于地塊尺度,大尺度流域PI體系的構(gòu)建還有待加強(qiáng)[26],同時(shí)由于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法是基于對(duì)污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)污染物流失風(fēng)險(xiǎn)高低的定性分析,而流域面源污染的控制以及BMPs的配置需要有量化的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為基礎(chǔ),因此如何將定性的風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)進(jìn)行量化也成為了限制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法在流域綜合管理體系中進(jìn)行應(yīng)用的重要限制性因素[27- 28]。

模型模擬方法主要通過將地理信息數(shù)據(jù)(DEM)、土壤屬性數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等進(jìn)行耦合,能夠?qū)α饔騼?nèi)面源污染發(fā)生及遷移具有重要驅(qū)動(dòng)作用的復(fù)雜的水文及污染物輸移過程進(jìn)行較好的表征,多用于從田間地塊尺度到流域尺度范圍研究區(qū)面源污染負(fù)荷的估算、關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別及不同BMPs的長(zhǎng)期效果評(píng)價(jià),是BMPs優(yōu)化配置的第一個(gè)重要前提[27,29- 31]。目前應(yīng)用廣泛的機(jī)理模型主要有ANSWERS、SWAT、AnnAGNPS和HSPF等[32- 35]。值得注意的是,隨著研究尺度的提升,流域水文過程和土壤侵蝕過程往往被簡(jiǎn)化或均一化,導(dǎo)致對(duì)小尺度產(chǎn)污單元的污染特征考慮不夠充分[5],因此,小尺度面源污染模型的引入就顯得非常必要, IFSM模型是一個(gè)綜合性的田間地塊尺度模型,它能夠?qū)﹂L(zhǎng)時(shí)期內(nèi)地塊尺度的工程型和管理型BMPs措施的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估。能夠?qū)ψ魑锷L(zhǎng)、動(dòng)物生長(zhǎng)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡(僅包括動(dòng)物飼料和化肥的輸入,輸出僅包括動(dòng)物產(chǎn)品和農(nóng)作物產(chǎn)品P、N、K)等進(jìn)行預(yù)測(cè)。保持地塊尺度上營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡是防止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)富集的關(guān)鍵因素。同時(shí)IFSM還能夠?qū)Φ湫偷貕K外的土壤侵蝕以及地表徑流中P的流失進(jìn)行預(yù)測(cè),是一種較好的田間地塊尺度面源污染特征識(shí)別機(jī)BMPs模擬工具[36- 37]。

然而,盡管模型模擬法在CSAs識(shí)別及BMPs模擬方面具有諸多優(yōu)勢(shì)和較高的認(rèn)可度,但是其在CSAs識(shí)別和目標(biāo)措施評(píng)估的實(shí)際應(yīng)用方面還存在以下幾點(diǎn)不足：(1)空間數(shù)據(jù)信息的不匹配性；(2)流域邊界與行政邊界(實(shí)際實(shí)施)之間之間尺度存在斷層；(3)面源污染物流失量空間傳輸?shù)姆蔷€性所導(dǎo)致的CSAs識(shí)別結(jié)果的尺度差異性等,這些因素會(huì)使得流域內(nèi)CSAs的面積和位置發(fā)生變化,為后期BMPs的優(yōu)化配置帶來(lái)一定的不確定性。

1.2 BMPs削減效率評(píng)估

BMPs 控制效率的評(píng)估是決定措施是否適用的關(guān)鍵步驟,同時(shí)也是進(jìn)行流域BMPs多目標(biāo)優(yōu)化配置的第二個(gè)重要前提,全面考察目標(biāo)配置方案所包含的BMPs 及其組合措施的環(huán)境效應(yīng)及成本-效益情況需要采用一系列的評(píng)估方法。常用的BMPs削減效率評(píng)估方法主要有實(shí)地監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、模型模擬和養(yǎng)分平衡4種[38]。按照實(shí)現(xiàn)的原理可歸結(jié)為實(shí)地監(jiān)測(cè)和模型模擬2大類。小尺度流域或試驗(yàn)地塊的現(xiàn)有研究成果多采用實(shí)地監(jiān)測(cè)的方法對(duì)單體措施的效率進(jìn)行評(píng)估,大尺度流域內(nèi)BMPs 組合削減效率評(píng)估則多通過經(jīng)驗(yàn)和機(jī)理模型模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)[39- 40]。

在研究區(qū)位置、水文、氣象以及下墊面條件等自然地理因素的影響下,不同實(shí)施規(guī)模及基質(zhì)材料的最佳管理措施(BMPs)效率的研究結(jié)果差異明顯[41- 42]。究原因可歸結(jié)以下三點(diǎn)：(1)BMPs措施污染削減效率發(fā)揮的滯后性的影響,使得所監(jiān)測(cè)到的措施削減效率與實(shí)際削減效率出現(xiàn)較大的差異[43]；(2)不同的自然地理因素導(dǎo)致BMPs效率發(fā)揮的不確定性,如下墊面基質(zhì)的差異對(duì)入滲溝、植草水道等以下滲為主要削減機(jī)制BMPs效果的發(fā)揮所產(chǎn)生的不同影響[19]；(3)BMPs的實(shí)施規(guī)模以及當(dāng)?shù)靥赜械霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致的污染物的入流量差異的影響,如種植制度、耕作方式等[44]。

因此,實(shí)現(xiàn)BMPs效率的準(zhǔn)確評(píng)估,需要考慮多方面因素所帶來(lái)的措施效率不確定性的影響。孟凡德等(2013)對(duì)實(shí)地監(jiān)測(cè)、養(yǎng)分平衡、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及模型模擬這四種方法所具有的其優(yōu)缺點(diǎn)和適用的條件進(jìn)行了總結(jié)(表1)[45]。結(jié)果表明：(1)實(shí)地監(jiān)測(cè)法可通過對(duì)目標(biāo)水體中污染物濃度和負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè),以實(shí)現(xiàn)BMPs削減措施效率的有效表征,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)BMPs 對(duì)流域水質(zhì)和生態(tài)功能的實(shí)際改善效果的有效評(píng)估。但受限于成本投入、污染源分布離散化、流失以及傳輸途徑的時(shí)空異質(zhì)性等因素,實(shí)地監(jiān)測(cè)法很難在大尺度流域得到應(yīng)用,而多適用于小尺度區(qū)域,在大尺度區(qū)域評(píng)估時(shí)需采用替代的評(píng)估方法。養(yǎng)分平衡分析法是以氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素在地塊或流域尺度的輸入輸出平衡狀況作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素在“源”和“匯”之間傳輸變化對(duì)于面源污染產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)估。(2)養(yǎng)分平衡法具有簡(jiǎn)便、易用且所需時(shí)間短等特點(diǎn),同時(shí)還可有效規(guī)避措施效率的滯后性對(duì)評(píng)估效果的影響,但對(duì)影響污染物削減的傳輸過程變化考慮較少,無(wú)法對(duì)以傳輸機(jī)制控制為主的BMPs進(jìn)行較好的表征。(3)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法通過調(diào)整源因子、運(yùn)移因子類型及參數(shù),可模擬源控制及傳輸過程控制為主的BMPs 的實(shí)施效果。該方法很難對(duì)以種植活動(dòng)和飼養(yǎng)活動(dòng)等為控制目標(biāo)的措施效率的年際間變化情況進(jìn)行有效表征[21,46],并且在缺乏實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支持的情況下,無(wú)法很好的反映污染物傳輸過程對(duì)面源污染的影響,且BMPs的削減效率易被模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性影響[47]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法進(jìn)行BMPs效率評(píng)估時(shí)最主要的缺陷還在于其評(píng)估結(jié)果只是污染物流失的潛在風(fēng)險(xiǎn)值,并不是實(shí)際的磷流失量,而如何將定性的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行量化,以使其滿足BMPs優(yōu)化配置的模擬要求目前來(lái)看還鮮見相關(guān)研究報(bào)道[48]。另外,在源因子以及遷移因子的權(quán)重確定、評(píng)估結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分環(huán)節(jié)還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)專家打分主觀性影響較大,使得風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法對(duì)BMPs削減效率評(píng)估的計(jì)算結(jié)果可信度通常不高[49]。(4)模型模擬方法可以對(duì)不同空間尺度下BMPs源頭控制、時(shí)間效應(yīng)、傳輸路徑控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行表征,精度較高,但是對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性、操作人員的專業(yè)水平等要求較高,同時(shí)由于模型設(shè)計(jì)成百上千的參數(shù),在使用過程中如校驗(yàn)不當(dāng),還會(huì)導(dǎo)致“異參同效”現(xiàn)象的出現(xiàn),對(duì)精準(zhǔn)評(píng)估BMPs的削減效率產(chǎn)生干擾。

不同評(píng)估方法對(duì)于BMPs效率的評(píng)估都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性,因此其適用性也存在較大差異。如何有效的將各種方法整合在一起進(jìn)行綜合評(píng)估已成為近年來(lái)相關(guān)研究的熱點(diǎn)。大量已有研究表明,方法集成過程中的實(shí)地監(jiān)測(cè)工作不可或缺。在此基礎(chǔ)上,研究者可根據(jù)各自的研究目的將不同評(píng)估方法進(jìn)行組合,才可達(dá)到預(yù)期BMPs評(píng)估目標(biāo)。例如,Brown等以NCYCLE (氮循環(huán)模型)模擬結(jié)果為數(shù)據(jù)來(lái)源,進(jìn)行了場(chǎng)域平衡估算,最終通過編程設(shè)計(jì)出了一種施肥決策支持系統(tǒng)(NGAUGE)[50]。Oenema等為考察源削減對(duì)河流水質(zhì)的影響,首先利用營(yíng)養(yǎng)平衡模型(MINAS)估算了小尺度研究區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽的盈余,接著將這一數(shù)據(jù)帶入到河流水質(zhì)模型中,進(jìn)而預(yù)測(cè)了不同施肥方式對(duì)河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的影響[51]。

此外,在傳統(tǒng)BMPs評(píng)估的基礎(chǔ)上,近年來(lái)美國(guó)和歐洲所建立的BMPs數(shù)據(jù)庫(kù)也已成為BMPs削減效率評(píng)估的重要手段,如20世紀(jì)70年代初,美國(guó)農(nóng)業(yè)部就在美國(guó)范圍內(nèi)開展了大量BMPs效率評(píng)估及檢測(cè)相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作,其下屬的自然資源保護(hù)局(NRCS)基于此構(gòu)建了全球范圍內(nèi)的第一個(gè)BMPs評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)中包括約160種農(nóng)業(yè)BMPs,且免費(fèi)對(duì)外開放。用戶可通過檢索該數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲取擬實(shí)施的各項(xiàng)措施對(duì)目標(biāo)污染物的潛在削減效率以及實(shí)施所需的成本數(shù)據(jù),為BMPs的實(shí)地配置工作提供決策分析依據(jù)。在歐洲,自2005年起有超過30個(gè)國(guó)家共同發(fā)起了名為“Cost action 869”地表水和地下水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)削減措施評(píng)估計(jì)劃,構(gòu)建了包括養(yǎng)分管理、農(nóng)業(yè)管理、化肥施用管理等八類措施在內(nèi)的BMPs成本-效益評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù),可對(duì)歐洲地區(qū)用戶提供便捷高效的BMPs配置決策依據(jù)[42]。

國(guó)內(nèi)唐穎以BMPs適用區(qū)域特征、BMPs徑流控制功效特征和BMPs成本投入為三個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)類別,建立了適用于城市暴雨徑流控制的BMPs的初步比選體系[52]。耿潤(rùn)哲等以文獻(xiàn)資料中關(guān)于對(duì)BMPs削減效率研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)(VBA,Visual Basic for Applications)和(SQL,Structured Query Language)和編程技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整合分析構(gòu)建了適用北京市密云水庫(kù)流域的BMPs削減效率評(píng)估工具箱,結(jié)合ANOVA(方差分析)法識(shí)別影響B(tài)MPs削減效率的關(guān)鍵因子,能夠?qū)MPs進(jìn)行有效篩選和評(píng)估。這些研究雖都能有效的對(duì)擬實(shí)施BMPs進(jìn)行篩選,但是在不同程度上均需要大量的實(shí)地調(diào)查或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐才能實(shí)現(xiàn),同時(shí),由于其所需的設(shè)計(jì)參數(shù)、成本維護(hù)等信息大多來(lái)自美國(guó)環(huán)保局(EPA)或美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)的BMPs數(shù)據(jù)庫(kù),因此,在本地化應(yīng)用及實(shí)際評(píng)估方面會(huì)受到一定的限制。

表1 各種評(píng)估方法特點(diǎn)總結(jié)[45]

①糞肥使用的時(shí)間性的重大改變有敏感性；②未給出多種削減措施的交互作用指標(biāo)；③機(jī)制模型的數(shù)據(jù)需求高于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停虎軓奈廴驹吹綍r(shí)間性以及傳輸路徑控制類型之間的不確定性是增加的；⑤假設(shè)可通過污染物盈余量來(lái)估算流失量。其中Y表示四種不同的評(píng)估方法所能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相應(yīng)尺度下的削減效應(yīng)、尺度、復(fù)雜性、數(shù)據(jù)需求、不確定性等的表征

1.3 BMPs多目標(biāo)優(yōu)化配置模擬

流域內(nèi)可能會(huì)有多種不同的BMPs及其空間組合方式以滿足面源污染的控制管理要求,這使得基于BMPs及其組合的面源污染控制問題,實(shí)際可轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)決策問題。多目標(biāo)是指實(shí)現(xiàn)BMPs配置的成本最低,氮、磷等污染物的削減效率最高,水質(zhì)改善效果最顯著3個(gè)方面的目標(biāo),三者之間呈現(xiàn)非線性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系,優(yōu)化配置方案是指當(dāng)以上3個(gè)目標(biāo)達(dá)到均衡狀態(tài)點(diǎn)(也稱閾值點(diǎn))的BMPs組合方案。BMPs多目標(biāo)優(yōu)化配置方法主要包括兩大類：污染物實(shí)地監(jiān)測(cè)或調(diào)查數(shù)據(jù)同最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法相結(jié)合；模型模擬同最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法相結(jié)合(或者也可稱之為BMPs組合優(yōu)化綜合模型,主要包括面源污染物削減模型、經(jīng)濟(jì)模擬模塊以及一個(gè)最優(yōu)化模型)。下面就這些方法在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用做簡(jiǎn)要的論述。其主要包括以下幾個(gè)部分[42]：a)有效的面源污染評(píng)估工具,通常為機(jī)制性模型,其能夠?qū)α饔騼?nèi)特定點(diǎn)位不同BMPs及其污染物削減效率進(jìn)行較好的模擬表征；b)經(jīng)濟(jì)評(píng)估模型或經(jīng)濟(jì)評(píng)估公式,其能夠有效的對(duì)不同空間位置的BMPs的成本進(jìn)行分析；c)最優(yōu)化算法程序,其能夠有效通過廣泛的、非線性的以及非連續(xù)性的解空間的尋優(yōu)運(yùn)算來(lái)解決流域面源污染的最優(yōu)化求解問題[53]。基于遺傳算法衍生的多目標(biāo)進(jìn)化算法能夠有效解決多種目標(biāo)的決策優(yōu)化問題,同時(shí)還能夠獲取全局性的帕累托最優(yōu)解。以次方法為優(yōu)化方法,可以為流域面源污染最佳管理措施的成本-效益最優(yōu)化決策提供理論和數(shù)據(jù)支持。

目前關(guān)于BMPs的多目標(biāo)優(yōu)化配置研究多以美國(guó)學(xué)者和我國(guó)學(xué)者所建立的“水文模型+最優(yōu)化方法”為主,通過將SWAT模型與最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行耦合來(lái)解決農(nóng)業(yè)流域內(nèi)BMPs的優(yōu)化配置問題[6,52,54- 58]。在歐洲則多以考慮污染物輸出的流域決策支持系統(tǒng)構(gòu)建作為實(shí)現(xiàn)BMPs優(yōu)化配置的主要手段。如：Elbe-DSS[59],MULINO DSS[60],FLUMAGIS DSS[61],SEAMLESS-IF[62]等,以上這些決策支持系統(tǒng)均能夠在不同的空間尺度下對(duì)多種農(nóng)業(yè)管理措施進(jìn)行評(píng)估。然而,其對(duì)實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的要求較高且通常需要操作人員具有較高的專業(yè)技能以實(shí)現(xiàn)不同空間尺度的轉(zhuǎn)換及特定環(huán)境條件下的評(píng)估。目前多數(shù)決策支持系統(tǒng)均是在區(qū)域尺度或大流域尺度來(lái)進(jìn)行研究工作,對(duì)于中小尺度的BMPs空間優(yōu)化配置問題的解決能力不足,并且這類方法通常通過對(duì)單體措施的整體性能進(jìn)行均一化并賦予權(quán)重來(lái)作為BMPs評(píng)估的多重準(zhǔn)側(cè)[60]。較為明確的多目標(biāo)決策進(jìn)化優(yōu)選過程在以上研究中并未很好的體現(xiàn)。

對(duì)美國(guó)學(xué)者所建立的SWAT-GA理論體系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),還具有可進(jìn)一步優(yōu)化完善的空間。如,Gitau等和Veith等的研究并沒有解決多目標(biāo)決策問題,且未提供最優(yōu)化方案的成本-效益曲線[13,63,64]。相比較而言,Bekele等的研究雖然有關(guān)于成本-效益曲線的相關(guān)描述,但是僅僅是針對(duì)于BMPs成本與泥沙負(fù)荷量之間的關(guān)系,因此其在BMPs的類型選擇方面就具有較大的局限性[65]。Arabi等的研究中雖然提供了不同污染物削減效率及其BMPs成本之間的成本-效益曲線,但是其環(huán)境目標(biāo)是以污染物的加權(quán)負(fù)荷量來(lái)表示的,因此在其研究中并未對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的削減效率進(jìn)行較為明確的表示[54]。Rabotyagov等的研究工作與之前幾位學(xué)者的工作之間體現(xiàn)了較大的不同,其以三個(gè)決策標(biāo)準(zhǔn)的最小化為基礎(chǔ),對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的成本-效益進(jìn)行評(píng)估[66]。然而,以上所有研究的局限性就在于,每進(jìn)行一次優(yōu)化求解過程就需要對(duì)SWAT模型進(jìn)行一次運(yùn)行,需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。Maringanti等提出了一套新的決策支持方案,其通過BMPs數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建來(lái)代替SWAT模型動(dòng)態(tài)評(píng)估與優(yōu)化算法之間的關(guān)系,其數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)BMPs削減效率的實(shí)時(shí)評(píng)估以及BMPs成本數(shù)據(jù)的評(píng)估,這使得BMPs優(yōu)化配置研究工作的運(yùn)行時(shí)間大大降低[7]。但是其研究中僅僅是針對(duì)了單一的耕地BMP類型中的3種BMPs及其組合進(jìn)行評(píng)估,因此,其并未對(duì)該方法在不同的土壤類型、耕地類型以及畜禽養(yǎng)殖條件下的適用性進(jìn)行測(cè)試。

通過對(duì)以上案例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),目前BMPs的多目標(biāo)優(yōu)化配置多以“水文模型-優(yōu)化算法”相耦合的方式分別對(duì)單一地塊或流域尺度內(nèi)的BMPs配置方案進(jìn)行優(yōu)化,未對(duì)內(nèi)地塊尺度和流域尺度間污染物分布特征和BMPs配置方案的累積效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)考慮。但污染物在流域內(nèi)不同等級(jí)河道間運(yùn)移過程并不是簡(jiǎn)單的線性累加,而是隨著支流向主河道轉(zhuǎn)換的聚合過程,呈現(xiàn)非線性的閾值響應(yīng)關(guān)系[67]。同時(shí),BMPs措施功效的發(fā)揮還會(huì)受到時(shí)間尺度變化影響,存在一定滯后效應(yīng)。導(dǎo)致流域尺度的BMPs優(yōu)化配置方案在地塊尺度的適用性低,而地塊尺度方案對(duì)流域整體污染控制功效的表征不夠準(zhǔn)確的問題。因此,在未來(lái)的研究中需要從流域整體角度統(tǒng)籌考慮面源污染配置方案的優(yōu)化技術(shù)流程及方案設(shè)計(jì)。

2 研究展望

以流域水環(huán)境質(zhì)量改善為核心,開展面源污染的防治工作已成為成為國(guó)內(nèi)外面源污染控制措施研究關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。BMPs作為一種有效的面源污染控制手段,如何從流域整體的角度對(duì)面源污染的傳輸遷移轉(zhuǎn)化等各個(gè)階段配置BMPs,并克服自然地理、空間尺度、人類活動(dòng)等因素對(duì)BMPs配置方案的污染物削減效率和成本投入產(chǎn)生的不確定性影響,實(shí)現(xiàn)在有限資金條件下BMPs的合理、高效配置,達(dá)到流域水環(huán)境整體改善的多目標(biāo)優(yōu)化,對(duì)實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境質(zhì)量改善具有重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義。

(1)流域面源污染關(guān)鍵源區(qū)的精準(zhǔn)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)BMPs多目標(biāo)優(yōu)化配置的第一個(gè)重要前提。在今后的研究中需要整合各種方法的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)研究區(qū)特征建立易于操作的綜合評(píng)價(jià)體系,統(tǒng)籌辨析子流域與田間地塊兩個(gè)尺度的污染物分布特征,考慮不同空間尺度下源因子、遷移過程、流域水環(huán)境、控制措施可行性等多種因素的影響,選擇合適的評(píng)估模型進(jìn)行耦合,以克服單一識(shí)別方法難以滿足不同區(qū)域、不同尺度的CSAs精準(zhǔn)識(shí)別的不足。

(2)BMPs削減效率的準(zhǔn)確評(píng)估是實(shí)現(xiàn)流域BMPs多目標(biāo)優(yōu)化配置第二個(gè)重要前提。而BMPs實(shí)施后污染物削減效率與水環(huán)境質(zhì)量改善之間響應(yīng)的滯后性、模型不確定性、時(shí)空尺度異質(zhì)性、污染物形態(tài)的轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)等均是今后BMPs削減效率評(píng)估中需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題。以小尺度區(qū)域?qū)嵉乇O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用“嵌套式流域”的構(gòu)建思路對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證將會(huì)是今后多尺度區(qū)域BMPs削減效率有效評(píng)估研究的發(fā)展方向。

(3)將BMPs數(shù)據(jù)庫(kù)、成本數(shù)據(jù)庫(kù)以及基于進(jìn)化算法的的優(yōu)化配置方案模擬模塊進(jìn)行耦合,進(jìn)而構(gòu)建有效界面友好化的決策支持系統(tǒng),以確定BMPs空間優(yōu)化配置方案及成本-效益最優(yōu)曲線,對(duì)于流域面源污染控制管理具有非常重要的意義。但是由于受尺度效應(yīng)的影響,在河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、重建過程中,水環(huán)境變化對(duì)人為干預(yù)的響應(yīng)幾乎均為非線性的(閾值效應(yīng))[68- 69]響應(yīng)關(guān)系,所以流域污染負(fù)荷的持續(xù)削減并不意味著河流環(huán)境質(zhì)量一定會(huì)持續(xù)改善[70]。因此,在未來(lái)的BMPs配置研究中,建立流域污染負(fù)荷削減比例與水質(zhì)改善之間的非線性響應(yīng)關(guān)系,對(duì)提高空間配置方案的實(shí)施效果評(píng)估準(zhǔn)確性是十分必要的。