易北河流域综合管理决策支持系统

胡苏萍

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210024)

2000年12月生效的欧盟水框架指令(WFD)倡导以流域为单元对水资源进行综合管理［1］，既要满足不断增长的社会经济发展需求，又要持续保护河流生态与景观;既要统筹兼顾水质、自然保护、生态、防洪、航运、工业、矿业、农业和旅游业等，又要公正协调不同利益集团的要求，因而流域的可持续性管理是一项极其复杂和艰巨的任务。要使人与自然和谐相处，决策者就必须了解各个领域的知识和信息，并且预先对人类活动可能造成的影响进行评估，从而作出正确的决策。

在“易北河生态研究”项目框架中，德国联邦教育与研究部自1997年以来资助了一系列有关河流和漫滩生态、流域内土地利用以及气候变化等课题的研究［2］，德国联邦水文研究所负责该项目的协调和技术指导。在对该项目研究成果进行总结的过程中，联邦水文研究所于2002年开始着手建立易北河流域综合管理决策支持系统，期望利用所取得的多学科研究成果为易北河流域规划和战略决策提供支持，并为其他流域提供借鉴。为此，联邦水文研究所与德国和荷兰的有关研究所和大学合作，成立了一个国际性的开发团队。

1 流域概述

易北河发源于捷克境内靠近捷克与波兰边境的巨人山南坡，全长1094 km，是中欧最重要的国际河流之一。其流域面积为148268 km2，大部分位于德国(65.5%)和捷克(33.7%)，极小部分位于奥地利(0.6%)和波兰(0.2%)。主要支流有莫尔道河、萨勒河、哈弗尔河、穆尔德河、施瓦策埃尔斯特河和埃格尔河。易北河流域分为3个自然区域，即北部高程最大为150m的更新世低地，中部高程为150～300m的黄土区以及南部高程达1500m的山区。

易北河径流情况明显受到南部中等高度山脉的影响，属于多雨型，冬季径流量较大，7～11月水位较低。由于缺少冰川融水、降雨量较小以及冰蚀谷中有大量松散物质，径流过程线极为平缓。流入北海的多年平均流量为844 m3/s。

流域人口为2450万，拥有化工业、褐煤矿、采矿业、制造业及农业。许多污染物诸如营养物、重金属、杀虫剂及其他工业、农业和家用化学品被排入易北河。尽管近年来通过改进污水处理技术和非工业化等措施使易北河污染明显降低，但易北河及其支流的化学和生态状况仍令人担忧。

流域的经济开发使水文条件发生了较大的变化。易北河的捷克部分以及德国境内较大的支流都通过筑坝进行调控，德国境内的易北河上建有172座坝，库容为15.3亿m3;捷克境内有120座坝，库容为25.6亿m3。堤防是德国境内易北河的一大特点，始于易北河97.7 km处，一直延伸至北海。因此滞洪面积由以前的6172 km2减小至838 km2。裁弯取直使河流长度减小，捷克境内长度缩短55 km，德国境内长度缩短60km，从而使流速增大。

2002年易北河特大洪水给德国造成约92亿欧元的损失。洪水把泥沙带入洪泛区，而泥沙颗粒中通常含有微生物和有毒化学品，如重金属和长效有机污染物，导致洪泛区大面积污染。2002年洪灾过后，德国联邦政府启动了一项行动计划，旨在减小未来的洪水风险及其影响。各种河流工程，如大规模的堤防后移、河道疏浚等进入设计和实施阶段，制定这些措施时通常只考虑了地方和部门的需求，而对于各种措施之间的相互作用及其对漫滩自然条件的影响却缺乏了解。此外，气候变化和土地利用等不确定的条件也可能影响工程的预期效果，而流域综合管理决策支持系统则可以为决策者提供有效的帮助。

2 决策支持系统的设计、模块结构与模型

2.1 系统设计

易北河决策支持系统是作为战略管理决策支持的工具而设计的，目前系统主要模拟德国境内的易北河流域，在某些研究领域扩充了易北河流域的捷克部分。该决策支持系统实际上是一个处理复杂问题的基于计算机的信息系统，用户可以使用通过决策支持系统特有工具整合的现有数据、知识和模型。易北河决策支持系统的应用环境参见图1。

图1 易北河决策支持系统的应用环境

实际上重要的过程通常都发生在一定的空间范围中，因此模拟的空间也是清晰的。从技术角度将地理信息系统的功能与模拟模型相耦合，这样除了空间分量之外，还可模拟时间分量。易北河决策支持系统集成了彼此耦合的模型，这些模型基于一个共同相容的数据库。将各模型原有的界面去除，把模型整合于一个统一的图形用户界面中。在知识库中提供所使用模型和数据的背景信息，说明其限制条件和适用范围，并指出获得详细信息的渠道。在决策系统内部有一整套工具可用于简单的空间分析和运算，如对结果进行比较或进行多目标的评价，其目的并非要取得尽可能精确的结果，而是对不同管理方案的影响进行比较。

基于耦合模型的决策支持系统可以模拟变化所造成的影响，事先确定的外部情景是用户无法改变的发展趋势，而拟采取的措施则可由用户施加影响，用户可以自由组合措施和外部情景。根据由模型变量得出的指标可以评价达到预定目标的程度。易北河决策支持系统未来用户的及早参与确保了系统的适用性，尤其是进程、目标、措施和情景的选择。

2.2 模 块

考虑到不同的空间尺度，系统设计采用了4个彼此连接的子模块，即流域模块(德国部分)、河网模块、干流模块(河流和河滩)以及河段模块(包括漫滩)，模块总系统参见图2。流域模块描述土地利用和人类活动对径流成分的影响;河网模块模拟德国境内的易北河流域40000km长的河网的水文和水质;干流模块描述易北河河湾及其邻近的漫滩和堤外地的生态;河段模块则详细模拟所选择河段的水文与生态关系。这些模块的空间和时间分辨率各不相同，各个模块通过接口相互连接，因而流域模块层上的影响可以作用至河段模块层。相关的措施、外部情景和管理目标可供用户选用，从而对系统施加影响，对有关问题进行探讨。

流域模块模拟是对径流水质水量具有决定性影响的过程。流域特征包括地形、土壤特性、降水量、土地利用和水文地质。另外还考虑了经过处理和未经处理的污水排放量，以及点源和扩散源污染物输移。气候变化和农业政策的变化会对流域特征产生影响，而人口变化则会对污染物排放产生影响。在流域模块中，唯一的管理目标就是要减少污染物排放。

河网模块研究河网中各河段的污染物输移和降解过程。数据库为德国联邦环保署提供的“联邦德国精细河网”提高版，该数字河网的精确度相当于1∶200000。由流域模块获得的流量和污染物输移量通过数字河网利用地理参考坐标系分配到各河段。河网模块中所考虑的一项重要措施就是改善河流的连通性，确保鱼类顺利洄游产卵，而不受堰坝和防洪闸的影响。在整个流域约80%的范围内鱼类不能自由洄游，因此不符合良好生态状况的要求。要确保鱼类洄游，必须拆除某些结构物或另建鱼道。河网模块的管理目标是减小极值流量和进入北海的污染物输移量，并达到和维持良好的生态状况。

图2 易北河决策支持系统的模块总系统

干流模块模拟从捷克边境处(易北河0km)至盖斯特哈赫特堰(易北河585 km)的河段，用于研究河漫滩的生态关系、淹没风险和易北河的适航性。生态状况通过特定群落生境的发展进行描述，主要取决于漫滩的淹没时间(年淹没天数)，淹没风险利用有资产价值的潜在相对损失表述。易北河的通航情况取决于水文条件和航道深度，适航性在决策支持系统中用德国联邦航运管理局确定的标准船舶的通航天数表示。

河段模块描述河流和漫滩之间的生态关系以及淹没破坏的风险。与干流模块的差别在于所模拟的进程更为详尽，例如采用二维模型，而不用一维模型。河段模块详细模拟易北河412～422 km长10km的河段。选择该河段作为研究区域，主要是基于在河流地貌学和生态方面所取得的大量试验研究成果以及对可能实施的堤坝后移所进行的大量研究。该模块的空间分辨率为10～50m，由于研究区域较小，可以运行复杂的模型，计算时间相对较短。

2.3 系统模型

易北河决策支持系统将经过校验的模型集成于统一的框架中，用于评价为达到管理目标所采取的措施的效用。通过对多个模型的评估［3］，在流域和河网层面上，易北河决策支持系统首先选用了3个模型，即HBV-D、MONERIS和GREAT-ER。

HBV-D用于降雨-径流模拟。针对德国境内易北河118个子流域对HBV-D进行了校验，利用该模型可以得到各子流域的日径流量或其他时间周期的径流量，并且可以对气候变化情景进行评估。

MONERIS用于计算子流域(约1000km2)内的点源和扩散源营养物负荷(磷、氮)，模拟营养物输移的多年平均状况。模型运行的基准单位为易北河德国境内的134个子流域。

GREAT-ER用于评估点源排放。利用该模型可以计算河网中的多年平均污染物浓度，并可以描述污水处理厂的去污状况以及河流中的输移和降解过程。

以上3个模型都用作长期预报，可提供多年平均值，但其运行尺度不同。HBV-D和MONERIS运行的空间尺度为约1000km2的子流域，而GREAT-ER则将河网分为许多约2 km长的河段。在德国境内大约有33500个河段(不包括受潮汐影响的子流域)，通过一种演算方法将这些河段彼此连接，并采用累积水流长度分布法将这些小河段与MONERIS耦合。通过2个模型的耦合，可以将MONERIS计算的扩散源营养物排放以及GREAT-ER计算的点源排放分配至河网，从而进一步计算污染物的消散和输移过程［4］。

易北河决策支持系统采用由荷兰知识系统研究院开发的决策支持系统生成程序——Geonamica®软件集成平台，从总体结构上看，系统由4个基本部分组成:用户界面、工具、模拟内核和模型以及地理信息系统/数据库。各部分通过Geonamica®的标准软件接口相连接，其中模拟内核和模型是决策支持系统的心脏。模拟内核处理来自用户界面的指令，控制模拟过程，识别所集成模型的结构，通过标准软件接口选择其模型模块，因此可以比较方便地更换各模型模块。开发易北河决策支持系统的一个重要目的就是要建立一个开放的系统，以便今后能不断对系统进行维护和扩充。

系统提供了一个统一的交互式用户界面，由此可以对措施和外部情景进行调整，对基础数据进行分析，启动和分析模型运行过程，以及调用关于模型可调性和数据的信息。利用对环境敏感的知识库功能，用户可以随时方便地获取有关易北河决策支持系统各方面的详细信息。所开发的易北河决策支持系统是在Windows NT/2000/XP环境下运行的PC机应用软件，其试验版已于2005年年底交付使用，目前正在接受终端用户的检验，并有待进一步完善。

3 结语

由德国联邦水文研究所主持开发的易北河流域管理决策支持系统集成了各种不同的模型，不仅整合了水质和水量，而且还纳入了土地利用和社会经济进程，可以为流域管理决策者综合考虑防洪、通航、生态、水文、自然保护等因素提供科技支撑，也可以作为科学工作者与利益相关者和政策制定者之间沟通的工具［5］。

系统基于德国联邦教育和研究部资助的易北河研究项目中所采集的数据及现有模型的耦合，实用性强。而空间决策支持系统本身具有通用性，可应用于其他流域，但前提是必须提供与其他流域相应的有效数据和模型，功能设置取决于用户需求和所存在的管理问题。

目前该系统自身还存在一定的局限性，例如复杂的高分辨率模型还只能用于特定河段(易北河412～422 km)，若资金有限则只能使用现有的模型。今后还需要根据用户需求对模块进行修改，即通过集成复杂的模型系统代替预先设置的情景，并整合最新的数据。要实现这一目标，技术方面也不存在大的问题。另外还计划与捷克合作，将已建的德国易北河决策支持系统推广应用于易北河流域的南部。近年还增加了成本-效益分析和多标准评价等功能，并将该决策支持系统应用于易北河环境友好型防洪措施的经济评估［6］。

［1］石秋池.欧盟水框架指令及其执行情况［J］.中国水利，2005，(22):65-66.

［2］Gruber B，Kofalk S，Kohmann F.Ökologische Forschung in der Stromlandschaft Elbe-Das Forschungsprogramm Elbe- Ökologie 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.Ökonomische Bewertung naturverträglicher Hochwasservorsorge an der Elbe［M］.Münster:Landwirtschaftsverlag Münster，2010:1-130.