国内外流域水环境模型法规化建设现状和对比研究*

赵琰鑫 赵翠平 陈 岩

(环境保护部环境规划院，北京 100012)

流域水环境模型是研究流域水环境问题的重要工具。它通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程定量化描述，识别污染物主要来源和迁移途径，估算污染负荷，评价其对流域水环境的影响，直接为流域规划与管理提供决策依据。

从20世纪20年代开始，国际上开始进行流域水环境模型的研究，经过近一个世纪的发展，已有数百种流域水环境模型问世，随着环境科学基础理论不断完善和发展，流域水环境模型的种类和数量还在进一步增加[1]。从欧美发达国家近年来流域水环境保护的实践经验上来看，流域水环境模型已在流域水污染防治和环境规划、污染物总量减排方案等具有法律效力的文件编制和实施过程中广泛应用[2]85。良好的流域水环境模型真实可信、一致性和可靠性良好，模拟成果不仅可为现有实际环境统计和监测结果提供必要的补充，从而能更加全面地反映流域水环境现状，深入解析流域水环境污染源特征，同时也可对未来拟实施的水环境保护、水污染防治具体措施的有效性展开评估，为拟定相关环境管理政策措施提供依据[3]。此外，流域水环境模型经法规化认证或推荐后，各国往往通过建立模型信息库、发布模型使用导则、模型案例库和最佳模型使用指南等来进一步规范流域水环境模型的合理使用，充分减少模型技术方法应用差异性造成的管理不公平因素，为流域水环境模型法规化应用中的科学性提供保证[4]。

从中国水环境保护的实践上看，目前中国解决流域水环境污染问题的主要方法依然是从污染源直接进行总量削减；建立在综合性流域水环境模型应用基础之上，依据流域尺度对水环境问题进行系统分析、预测、模拟和管理的容量-总量控制技术方法较匮乏[5-6]。与此同时，流域水环境管理和规划等工作的科学性、靶向化、定量化、精细化要求日益提高，重点流域水污染防治规划、“十三五”流域总量减排方案和区域水环境保护综合规划等法规性文件的编制、实施和评价都亟需流域水环境模型的支持[7]。

本研究系统梳理了国内外典型国家和地区的流域水环境模型的管理体系、制度建设和法规化应用的实际经验，分析了中国流域水环境模型的发展历程和应用现状，在总结中国流域水环境模型标准化和法规化应用的主要障碍和问题的基础上，提出中国流域水环境模型法规化的发展建议，以期为中国流域水环境模型法规化建设和环境管理提供参考和借鉴。

1 流域水环境法规化模型的定义

目前，中国尚无明确的“法规化模型”的概念界定。结合国内外水环境保护工作的实际经验，本研究认为，狭义而言，流域水环境法规化模型是指政府环境保护部门在环境影响评价、环境监测、环境功能区划等相关导则、标准和指南等法规性文件中指定、推荐或列入备选名单的模型。对于部分法规应用领域，如流域总量减排方案的确定、流域水环境保护规划编制等，虽然目前尚无导则等规范性文件，但因考虑到具体工作的规范性和权威性，需要保证模型应用具有科学、准确、公平、一致性的特征，所以广义而言，相关流域水环境法规化管理领域应用的推荐或备选模型均可认为是流域水环境法规化模型。

2 国外及其他地区流域水环境模型法规化实践

在流域水环境模型的法规化应用方面，欧美等发达国家和其他一些地区已达到较高水平。总结各国具体模型标准化和法规化方式和途径，具体包括：建立模型评估与管理专业机构、发布模型应用指南手册和说明书、鼓励和资助模型开发和模型更新、定期召开模型大会等多种[8-9]。本研究主要对比分析了一些典型国家和地区的流域水环境模型法规化技术和管理制度。

2.1 美 国

美国在流域水环境模型建设和法规化方面走在各国的最前列。1972年，美国发布《清洁水法》，并成为控制美国污水排放的基本法规。清洁水体主要以排放标准作为管理的基础，而针对受损水体则要制定和实施“最大日负荷总量”(TMDL)计划，以确保实现TMDL所对应的水质目标[10]。由于水体污染往往由流域内多个点源或非点源共同引起，或同时涉及多种类型污染物，美国环境保护署(EPA)推荐各州基于流域水环境模型制定TMDL，以便有效管理地表水质。为满足相关政策要求，EPA组织及委托相关科研机构、工程咨询公司开展了大量的研究工作，经过30多年的发展，在流域水环境模型的评价、选用、参数率定和实际应用等方面积累了丰富的经验，形成了一套较先进和实际的流域水环境模型管理制度。

在流域水环境模型的管理制度方面，EPA为美国流域水环境模型的主要管理机构，其科学咨询办公室(OSA)下设的法规环境模拟监管委员会(CREM)建立了较完善的模型信息库，目前已列入包括EPA、其他研究机构(如美国农业部、美国地质调查局、美国陆军工程兵团)或公司等开发的流域、生态、受纳水体等各类模型共计97套，并详细介绍了各模型一般性信息(如模型名称、简介、关键词、技术服务联络方式、模型开发者联系方式、模型网站、最新版本的实质性变化、未来模型开发的路线图)、模型用户信息(如模型运行的软硬件环境、下载链接、模型需要输入的数据类别、污染负荷的加载方式、模型输出数据的类别、用户手册、其他技术性文档、已有的技术服务机构、对用户的要求等)和模型结构信息(如模型所能解决的物理问题、模型结构及使用的理论方法、模型评估报告、模型使用的主要限制条件、模型案例链接等)。

在流域水环境模型法规化认证方面，目前EPA还没有建立系统的流域水环境模型法规化认证制度，同时即使流域水环境模型列入EPA模型信息库也并不代表其已被EPA所认证，也并不保证使用者在应用具体流域水环境模型时模拟结果的正确性和合理性。为了保证流域水环境模型的正确使用，EPA建议模型使用者自行通过收集、分析期刊发表的论文成果或成立专门的同行评审委员会，来对模型的有效性进行验证，同时尽可能使用公开的且源代码可得的流域水环境模型。为此，EPA积极资助大学、科研机构或公司进行相关模型的开发、测评和模型间比较等工作，为如何选择、应用合适的流域水环境模型解决具体类型环境问题提供建议。如针对TMDL计划，EPA资助德照科技公司(Tetra Tech，Inc.)开展了“TMDL模型评估与研究需求”研究项目，通过评估表格的形式对TMDL中可选用的60多种模型的模拟能力、适用性和适用范围等进行了详细的评估对比[11]。根据评估结果，EPA在2009年发布了《环境模型开发、评估及应用指南》，其附带模型评估的最佳实践说明详细描述了模型评估的方法、目标及流程等信息[12]。

在流域水环境模型的法规化应用方面，EPA积极指导各州、区、地方政府和流域机构等依据流域水环境模型技术实施流域水环境保护规划。EPA认为，模型的筛选应综合考虑模型的适用性、可靠性、可用性等相关因素[13]，但强调实际模型使用者在具体方案的选择上保留自由裁量权。EPA先后发布了《流域恢复与保护规划开发手册》、《TMDL模型评估与研究需求》等技术手册指导具体流域规划中模型的筛选和使用[14]。由于流域水环境模型所需的数据量巨大，EPA还编制了《项目规划建模型的质量保证指南》，指导用户根据模型特点和具体规划的应用需求，检验流域水环境模型的输入数据质量，保证模型方法的正确使用[15]。

在流域水环境模型的支持维护方面，EPA直接主持或资助了SWMM、SWAT、BASINS等众多适用于不同流域特征的模型系统的开发和版本维护、模型详细使用手册和技术说明书的发布更新等工作，还通过定期召开模型大会等形式积极推广模型应用，并为模型使用提供技术指导[16]。

2.2 欧 盟

欧盟在流域水环境模型的研究和实践领域也有较长历史，相关法律在流域水环境模型对水环境管理和规划的支撑作用方面也给予了充分的支持。2000年10月，欧盟通过的“水框架指令”(WFD)是欧洲水资源管理经验的集中体现，也是欧盟水环境保护最重要的一个基础性文件。WFD创造性地提出了基于河流自然地理和水文要素的流域水体管理方式，而不是基于国家行政与政治边界。同时，WFD明确了流域水环境模型对于环境规划的重要性，认为流域水环境模型能以一个相对结构化的有序方式，表现不同水资源系统控制结构和用户之间重要的互相依赖和交互作用，利用流域水环境模型可对备选的工程结构、不同的运行分配政策以及关于未来流量、技术、成本和社会法律要求的不同假设等的经济与物理结果进行评估，从而基于对这些目标和假设的考虑，确定最佳决策[17]。

在流域水环境模型的管理和法规化认证制度方面，考虑到欧盟各国在莱茵河、多瑙河等国际河流的水污染治理和流域管理等领域已有丰富的经验，流域水环境模型模拟技术应用已相当成熟，WFD并没有对流域水环境模型的法规化应用进一步列出模型清单或推荐模型。但从欧盟流域管理实践案例来看，欧盟内部主要应用的流域水环境模型为DRAINMODE、ECM、MIKE-11、SIMCAT、TOMACT、TOPCAT、QUAL2K等开源模型[2]87。相关流域水环境模型在空间上覆盖了流域陆地地表和水域，且能较综合和全面地模拟出流域水环境水体的各项指标。

在流域水环境模型应用技术和模型信息的交流方面，欧盟主要通过定期的模型研讨会等交换模型评估结果、模型参数等相关成果，保障流域水环境模型的正确、合理应用。

2.3 英 国

英国对流域水环境模型法规化的研究和管理也充分体现了自己的特色。英国环境保护政策的主管部门是英国环境、食品和农村事务部(DEFRA)，DEFRA下属英国环境署(EA)是英国最主要的环境保护和污染监管政府机构，也是英国最主要的模型支持和认证机构。

在流域水环境模型的管理制度方面，EA通过下设模型研发和评价方面的专门委员会，以一系列技术指南的形式评估了针对流域污染源对水环境潜在影响分析的主要预测模型及其适用条件。如《地表水和地下水污染影响评估指南》中推荐了54种适合河流、湖泊、水库、河口、海域等不同条件下的水环境预测的模型系统，同时较详细地列出了各模型的适用要求，以指导地方环境保护部门评估模拟需求和模型模拟能力，合理选择模型系统[18]。

在流域水环境模型的支持、维护方面，主要由英国政府支持的相关研究机构负责。如英国自然环境研究理事会(NERC)作为英国最重要的研究性公共组织之一，也是英国环境科学领域科研、培训与知识交流的主要资助、管理与战略指导机构。NERC在推进主要流域水环境模型相关的基金资助、研究管理、培训以及知识交流等方面也开展了大量的工作，其下属的生态与水文研究中心(CEH)推荐了一系列的流域水环境模型，如WINFAP-FEH、IH-FLOODS、HYDATA、HYRAD、Lake-Modeling、LOW-FLOWS-2000、PC-IHACRES、PC-QUASAR、QUESTOR、RAPID 2.1、ReFH、RFFS、RIVPACS、STARBUGS等，涵盖了洪水预估、降雨预测、河流与湖泊的水动力学特性、流域水质管理与生态评估等多个方面。

2.4 中国台湾地区

中国台湾地区在流域水环境模型法规化建设方面，充分借鉴了欧美的历史经验，体现了自己的水情社情，其主要特点是要求明确、宽严相济，具体工作由中国台湾地区行政院环境保护署明确负责。2011年，中国台湾地区行政院环境保护署颁布了《环境影响评估河川水质评估模式技术规范》，提出了为保证有关开发建设单位在河川水质评估模拟时有一致的步骤与方法，应综合考虑模拟区域水文和流域特性、开发行为与区域环境特性、模型的适用条件等因素，选用现阶段中国台湾地区行政院环境保护署认可的模型进行预测分析[19]。

在流域水环境模型的管理和认证方面，中国台湾地区行政院环境保护署基于美国的流域水环境模型应用实践经验，在《环境影响评估河川水质评估模式技术规范》中明确提出了台湾地区目前认可的流域水环境法规化模型清单，包括简单的质量平衡公式，以及BASINS、SWMM、QUAL2K、WASP等。相关流域水环境模型均技术成熟、应用历史较长，可充分满足流域管理和河流、湖泊等不同类型水体水质模拟的具体需求。

在流域水环境模型的支持方面，中国台湾地区行政院环境保护署结合台湾地区的实际流域特征，发布了各流域水环境模型使用指南和推荐参数等[20]，相关流域水环境模型在使用当中需遵照模型使用指南要求，合理选取模型参数，以保证相关流域水环境模型在环境影响评价和环境管理中的合理使用。

需要指出的是，中国台湾地区行政院环境保护署除认可的流域水环境法规化模型清单外，并不禁止选用流域水环境法规化模型清单外的其他模型，但要求在使用其他模型时应先报送相关技术材料至中国台湾地区行政院环境保护署进行模型评估和模型审查，具体包括模型程序、模型现有应用案例及其模拟与验证结果、其他模型与认可模型的比对结果等。

3 中国流域水环境模型法规化应用的问题

3.1 模型应用现状分析

中国流域水环境模型研究和应用的历史相对较短。长期以来，由于中国水环境领域基础理论研究不足，特别是开展流域水环境模型应用研究所必须的长系列的水文、水质监测数据不足等原因的限制，中国流域水环境模型研究工作和国外比依然有较大差距[21-22]。典型模型应用案例主要为直接利用国外现有的成熟机制模型，或根据课题需要，结合研究区具体特征对模型加以修正[23-25]。尽管出现了一些基于非点源污染发生机制的原发性模型成果，但往往对模型的后续讨论较少，研究缺乏连续性，实际应用远不及AGNPS、SWAT、BASINS等国外模型广泛[26]。

目前，中国流域水环境模型法规化制度尚是空白，也没有受纳水体、流域模拟等模型法规化认证方法和技术导则。本研究尝试通过文献调研摸清中国流域水环境模型应用现状，在此基础上，展开了全国范围内环境管理人员和技术人员的问卷调查，系统搜集国内相关环境保护管理部门和科研单位模型使用人员对模型应用的反馈意见，以总结分析中国流域水环境模型法规化应用所存在的障碍和困难。

3.1.1 文献调研结果

基于中国知网学术文献总库(CNKI)，以“篇名、关键词、摘要”为检索项，检索了2001年1月至2013年12月发表的流域水环境模型研究的全部文献，并且对无关文献进行剔除，提取流域水环境模型的中文文献共计1 151篇，然后将所得的文献提取相关信息建立流域水环境模型的文献数据库，以便于后续对文献进行系统的统计分析。

根据文献调研结果，目前中国水环境保护、水资源管理、水环境规划和流域总量控制等领域主要应用的流域水环境模型有SWAT、WEPP、AGNPS、AnnAGNPS、SWMM、TOPMODEL、HSPF、DRAINMOD、BASINS、HEC-HMS等，使用以上10个流域水环境模型的共发表文献1 071篇，占检索到的总发表文献数的93.0%。其中，使用SWAT模型的研究文献共检索出483篇，占全部检索结果的42.0%；使用WEPP模型的研究文献共检索出141篇，占全部检索结果的12.3%；使用AGNPS模型的研究文献共检索出110篇，占全部检索结果的9.6%；使用AnnAGNPS模型的研究文献共检索到110篇，占全部检索结果的9.6%；使用SWMM模型的研究文献共检索到74篇，占全部检索结果的6.4%。

此外，文献调研发现，目前中国流域水环境模型法规化制度尚是空白，模型的规范化、标准化和法规化研究与应用非常缺乏，尚无受纳水体、流域模拟等模型法规化认证方法、推荐模型库和必要的模型支持技术体系建设的相关研究成果。

3.1.2 问卷调查结果

问卷调查时间为2014年3月15日至6月20日。问卷调查涉及各省环境保护厅、各市环境保护局相关环境管理人员以及环境保护部环境规划院、中国环境科学研究院、各省市环境科学研究院等从事环境保护规划科研单位的一线模型应用与环境规划技术人员，包括本科、硕士、博士不同学历和初级、中级、副高和高级等不同职称的专业人员。

经过问卷筛选，累计有效问卷122份。其中，环境管理人员反馈问卷共54份，模型应用与环境规划技术人员反馈问卷共68份。

根据问卷统计结果，环境管理人员以及模型应用与环境规划技术人员均认为当前流域水环境模拟的首要问题包括：模型软件较复杂，难以熟练掌握和使用；参数未经过本土化验证；不同模型之间的预测结果差异太大；无法选择合适的模型。模型应用中主要难点包括：模型数据(特别是水文数据)获取困难；模型参数率定与验证困难；缺乏相应的模型及时交流机制或平台。

3.2 模型法规化问题总结

基于中国流域水环境模型应用现状的调研总结，对比发达国家和地区流域水环境模型法规化体系建设的经验，梳理影响中国流域水环境模型法规化应用的主要问题和障碍。

(1) 直接采用了EPA或欧盟等发达国家研发的流域水环境模型成果，中国原发性的流域水环境模型研究不足。

(2) 由于中国特殊的地理和气候特征，国外应用的流域水环境模型参数往往不能满足中国流域水环境模拟的需求，需要使用者结合案例区实际情况，重新进行参数的校验工作。同时，因缺少系统的参数中国化工作，各流域水环境模型在中国应用的实际精度评价和不确定性尚无法进行全面评估。

(3) 国家环境信息数据库没有构建，流域水环境模型在构建和使用过程中缺少大量的河网数据、污染源数据、监测数据、空间属性数据、水文数据、土壤数据等基础数据库的支持。输入数据的准确度以及标准化程度较低，对流域水环境模型的使用结果产生不利影响。

(4) 缺少对流域水环境模型的适用范围、选择依据、模型校验、精度评价等进行规范的行业标准或技术指南。

4 中国流域水环境模型法规化的发展建议

中国在流域水环境模型法规化建设方面还处于摸索阶段，具有法规化意义的模型技术指导体系尚空白，流域水环境模型的标准化和法规化应用还面临着种种困难和障碍，为此应充分学习借鉴典型国家和地区的先进经验，积极探索出一条适宜中国国情的流域水环境模型标准化与法规化应用道路。

(1) 启动流域水环境模型的标准化和规范化工作。系统整理国内外流域水环境模型的研究成果，分析具体模型应用案例，建立模型库和模型应用的案例库。结合流域水环境模型模拟特征及应用条件，基于不同尺度流域模拟需求，优选流域水环境模型进行试点应用，评估其在中国流域水环境管理和规划、流域总量减排等领域的适用性，提出适用于中国国情和流域特征的标准化模型体系，同时应注重加强流域特征及模型复杂度间的匹配分析，完善流域水环境模型的规范化应用步骤。综合中国流域管理的实际需求，建议中国可基于流域—控制区—控制单元分区体系，以中等复杂度的流域水环境模型的标准化参数率定和法规化应用为主(如可采用ECM与QUAL2K模型、GWLF与QUAL2K模型、SPARROW与BATHTUB模型耦合使用，以适应我国目前基础数据不足、模型应用经验较薄弱等现状尽快展开模型应用)，建立针对中国流域、气象、社会经济特征的标准化模型参数库，同时积极推进适用于中国国情的中等复杂度的流域水环境模型原发性成果的开发。在此基础上，积极展开BASINS、SWAT、WASP、EFDC等复杂流域水环境模型或模型系统研究和中国化、法规化工作，不断提高中国流域水环境模型的法规化应用水平。

(2) 加强基础信息数据库建设。流域水环境模型在构建和使用过程中需要大量的河网数据、污染源数据、水质水文监测数据、空间属性数据、土壤数据等，数据的精度、准确度以及匹配程度等均会对流域水环境模型的使用结果产生重要影响。为提高流域水环境模型模拟的精度，需尽快开展基础信息的监测、统计、处理和分析，建立中国的流域水环境基础信息数据库，为流域水环境模型法规化建设和应用提供技术支撑。

(3) 推动流域水环境模型法规化应用，发挥流域水环境模型对管理决策的支撑作用。积极推进流域水环境模型在环境管理与规划中的应用，以导则或指南的形式形成具体应用规范，促进流域水环境模型应用的程序化和标准化，实现相关流域水环境模型对流域水质多情景的预测、判断和分析，为环境管理决策者提供借鉴和思考，发挥流域水环境模型对具体流域规划、流域管理和总量减排目标的确定等行政决策的支撑作用。

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