最佳流域管理措施空間配置

一方面要考慮BMPs的生態(tài)環(huán)境效益，另一方面要考慮農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，因此流域管理決策者需要對(duì)這些措施進(jìn)行空間配置優(yōu)化。

最佳管理措施空間配置優(yōu)化是基于專家經(jīng)驗(yàn)或者利用優(yōu)化算法而得出的方案，并通過(guò)流域模型和經(jīng)濟(jì)模型評(píng)價(jià)其環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，最后選擇效益最優(yōu)的方案，這也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染和水環(huán)境保護(hù)研究的前沿和熱點(diǎn)。

BMPs實(shí)施過(guò)程中，一方面，為達(dá)到非點(diǎn)源污染控制的環(huán)境目標(biāo)(如N、P 負(fù)荷削減30%)，需要投入一定的建設(shè)費(fèi)、管理費(fèi)等經(jīng)濟(jì)成本；另一方面，相同經(jīng)濟(jì)成本但不同空間配置的方案具有不同的環(huán)境效益。因此，在實(shí)施前有必要對(duì)這些方案的效益進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以選擇效益最高(經(jīng)濟(jì)成本最小、污染負(fù)荷削減最大)的方案(Merrimanet al, 2009)。

隨著人口增長(zhǎng)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展，水環(huán)境惡化已成為許多國(guó)家和地區(qū)發(fā)展的瓶頸，其中由農(nóng)業(yè)活動(dòng)引起的非點(diǎn)源污染是流域水環(huán)境惡化難以得到有效遏制的重要原因(Chen et al, 2008)。近年來(lái)，在利用最佳管理措施對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行治理方面，一些歐美國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了許多深入的研究。例如美國(guó)的CEAP(Conservation Effect Assessment Project)項(xiàng)目(Gitau et al, 2010)、加拿大的WEBs(Watershed Evaluationof Beneficial Management Practices)項(xiàng)目(劉永波等, 2012)，以及歐盟的AgriBMPWater(SystemsApproach to Environmentally Acceptable Farming)項(xiàng)目(Turpin et al, 2005)。這些項(xiàng)目的開(kāi)展，一方面促進(jìn)了BMPs在這些國(guó)家和地區(qū)的廣泛應(yīng)用；另一方面，經(jīng)過(guò)多年的研究，一些學(xué)者提出了BMPs在流域管理決策的新技術(shù)和新方法。

BMPs 分為兩類：工程措施和非工程措施(管理措施)。

工程措施主要指用于減污、減沙、洪水排控等具有一定物理結(jié)構(gòu)的措施，如沉沙池、過(guò)濾帶，濕地緩沖區(qū)，植物籬等；

非工程措施是一些新管理措施的操作程序或現(xiàn)有管理措施的改進(jìn)，如耕作管理、養(yǎng)分管理、景觀管理等。

BMPs 效益評(píng)價(jià)包括兩個(gè)方面：環(huán)境效益評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。環(huán)境效益評(píng)價(jià)主要有定點(diǎn)觀測(cè)和模型模擬兩種方法。定點(diǎn)觀測(cè)通過(guò)觀測(cè)比較實(shí)施治理措施和未實(shí)施治理措施時(shí)的流域產(chǎn)出(泥沙、氮、磷等污染負(fù)荷)來(lái)評(píng)價(jià)措施有效性，但這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，資金、人力、技術(shù)投入大，在流域尺度的應(yīng)用尤其困難(Srivastava et al, 2003)。利用模型模擬方法，在模型參數(shù)率定和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分別對(duì)未實(shí)施BMPs和實(shí)施BMPs的兩種情景進(jìn)行對(duì)照模擬，根據(jù)模擬結(jié)果評(píng)價(jià)措施的有效性；減污率越高，環(huán)境效益越好。這種方法耗時(shí)短，適合于流域尺度的應(yīng)用，具有靈活性和預(yù)測(cè)性。因此，采用模型模擬方法對(duì)BMPs進(jìn)行評(píng)價(jià)，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)最佳管理措施和非點(diǎn)源污染控制研究中廣泛采用的方法(Nendel, 2009)。BMPs經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)包括BMPs成本(如建設(shè)費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等)和農(nóng)戶實(shí)施BMPs 后收益變化(經(jīng)濟(jì)收入的增加或減少)兩方面。但由于農(nóng)戶收入經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)難以獲取，一般只考慮BMPs成本的計(jì)算，成本越小，則經(jīng)濟(jì)效益越高。

BMPs的環(huán)境效益評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)分別涉及流域模型和經(jīng)濟(jì)模型。

流域模型是對(duì)流域水文、生態(tài)、侵蝕、養(yǎng)分循環(huán)等過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)。根據(jù)其建立的途徑和所模擬的過(guò)程，通?？煞譃榻?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?empirical model)和物理模型(physically-based model) 或過(guò)程模型(process-based model)等。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃谵r(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究中依據(jù)因果分析和統(tǒng)計(jì)分析方法建模，以此構(gòu)建污染負(fù)荷與流域土地利用或徑流量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，因而這類模型對(duì)數(shù)據(jù)的要求比較低，實(shí)用性較好，但由于其難以描述污染物遷移的路徑和轉(zhuǎn)化機(jī)理，致使模型的進(jìn)一步應(yīng)用受到了較大的限制。過(guò)程模型以降雨、蒸發(fā)、入滲、產(chǎn)匯流等水文過(guò)程為基礎(chǔ)，以水為載體描述污染物的輸移，同時(shí)模擬植被生長(zhǎng)、土壤侵蝕、養(yǎng)分循環(huán)等過(guò)程。雖然過(guò)程模型能夠較好的描述污染物遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程，但是，由于過(guò)程模型在建模時(shí)需要的輸入數(shù)據(jù)種類更多(如降水、氣溫、蒸發(fā)、地形、土壤、土地利用、農(nóng)業(yè)管理等數(shù)據(jù))，對(duì)時(shí)間、空間分辨率要求更精細(xì)，參數(shù)的設(shè)置也需要一定的專業(yè)背景，因而它的廣泛應(yīng)用也受到了限制。

從反映水流運(yùn)動(dòng)空間變化的能力而言，流域水文模型又分為集總式模型(lumped model)、半分布式模型(semi-distributed model)和全分布式模型(fullydistributed model)。集總式模型認(rèn)為流域表面上各點(diǎn)的水力特征是均勻分布的，對(duì)流域表面任何一點(diǎn)上的降雨，其產(chǎn)流、下滲、滲漏等縱向水流運(yùn)動(dòng)是相同和平行的，不和周圍的水流運(yùn)動(dòng)發(fā)生任何聯(lián)系，因此整個(gè)流域被當(dāng)做一個(gè)單元體，沒(méi)有考慮水流在單元體內(nèi)的橫向水流運(yùn)動(dòng)。全分布式模型認(rèn)為流域表面單元上各點(diǎn)的水力學(xué)特征是非均勻分布的，水流在流域表面上分布是非均一的，應(yīng)將流域劃分為很多個(gè)小單元，考慮水流在每個(gè)小單元體內(nèi)的縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，也應(yīng)考慮各個(gè)小單元之間水量的橫向交換。半分布式模型介于集總式模型和全分布式模型之間，典型代表有TOPMODEL(Beven etal, 1979)、SWAT(Hormann et al, 2009)等模型。 2100433B