面向管理決策的標(biāo)準(zhǔn)化流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架研究

秦成新，李志一，榮易，孫傅，杜鵬飛＊

（1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.北京清環(huán)智慧水務(wù)科技有限公司，北京 100085）

引言

隨著我國全面加強(qiáng)水環(huán)境綜合治理和保護(hù)，流域水環(huán)境模型被越來越廣泛地應(yīng)用于環(huán)境規(guī)劃與管理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多的模型存在不確定性，不規(guī)范地模型應(yīng)用（缺乏輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、未開展參數(shù)率定和模型驗(yàn)證等）可能增加決策風(fēng)險(xiǎn)，限制了模型在更大范圍和更深層次上的作用。因此，如何通過過程管理，形成標(biāo)準(zhǔn)化的模型評估驗(yàn)證技術(shù)流程，使模型的應(yīng)用規(guī)范化，成為水環(huán)境管理領(lǐng)域的重要議題。

流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證的目的在于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠襁m宜支持管理決策實(shí)踐。隨著模型技術(shù)的不斷發(fā)展，模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不斷增加，模型引入了大量有明確物理意義或無明確物理意義、可觀測或不可觀測的模型參數(shù)和求解條件，對模型評估驗(yàn)證提出了更高要求。近年來國內(nèi)外開展了大量研究，形成了結(jié)構(gòu)合理性評估[1]、模型參數(shù)識別與靈敏度分析[2]、模型模擬效果評估[3]、模型不確定性分析[4,5]等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。然而針對流域水環(huán)境模型的評估與驗(yàn)證大多是基于特定模型和特定區(qū)域開展的，模型的類型和決策功能不盡相同，評估驗(yàn)證的內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異。

國外從通用模型評估方案出發(fā)[6]，針對影響環(huán)境模型使用的關(guān)鍵問題[7]，制定了模型使用可接受性、模型質(zhì)量保證體系、常用模型清單、同行評審等技術(shù)指南[8-10]，保障了環(huán)境模型從開發(fā)到應(yīng)用全生命周期的規(guī)范化使用。在此基礎(chǔ)上，美國國家環(huán)保局于2009 年發(fā)布環(huán)境模型開發(fā)、評估和應(yīng)用指南的最終版本[11]，提出了由同行評議、質(zhì)量保證、驗(yàn)證、敏感性分析、不確定性分析組成的模型評估最佳實(shí)踐。與此同時(shí)，歐盟遵循由模型描述、數(shù)據(jù)庫描述、科學(xué)評估、代碼驗(yàn)證、模型驗(yàn)證、面向用戶評估組成的綜合驗(yàn)證框架[12]，以重大風(fēng)險(xiǎn)源為著力點(diǎn)，在稠密氣體擴(kuò)散、計(jì)算流體力學(xué)和瓦斯爆炸領(lǐng)域編制了更專業(yè)的模型評估技術(shù)指南[13-15]。綜合來看，國外管理辦法側(cè)重于給出環(huán)境模型使用的原則性建議或特定應(yīng)用場景下模型的技術(shù)性說明，然而兼顧多種模型類型和決策需求的流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架尚不多見。

我國流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證的規(guī)范化管理起步相對較晚。2018 年修訂發(fā)布的《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境 HJ2.3—2018》強(qiáng)調(diào)了數(shù)值模型的定量評價(jià)，規(guī)定了模型的初始條件、邊界條件、參數(shù)率定與驗(yàn)證、結(jié)果合理性等一般性原則[16]。然而由于長時(shí)序數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱、模型法規(guī)化制度沒有建立等原因，我國針對流域水環(huán)境模型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)仍處于較低水平，制約了環(huán)境規(guī)劃與管理研究的發(fā)展。

本文將從框架制定的基本原則出發(fā)，針對模型類型、決策功能等特征，提出模型結(jié)構(gòu)特征、數(shù)據(jù)質(zhì)量、模擬性能、決策功能評估等技術(shù)要求，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架，期望其能推進(jìn)我國流域水環(huán)境模型應(yīng)用的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和本地化。

1 基本原則

流域水環(huán)境模型是流域控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理的重要工具，其模擬結(jié)果支持了水環(huán)境問題診斷、容量總量分配、排污許可管理、污染源—水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系分析等諸多水環(huán)境管理實(shí)踐。模型模擬結(jié)果是否可靠，是否適用于典型的管理實(shí)踐？在科學(xué)問題導(dǎo)向和管理需求導(dǎo)向的引領(lǐng)下，流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架應(yīng)滿足以下基本原則：

（1）需求導(dǎo)向。流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證的目的在于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠襁m宜支持管理決策。不同的決策需求對模型功能要求不同，例如，適用于重大風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)時(shí)決策支持系統(tǒng)的流域水環(huán)境模型應(yīng)具有嚴(yán)格的運(yùn)算速度要求。因此，模型評估驗(yàn)證的內(nèi)容和技術(shù)要求等應(yīng)與決策需求相適應(yīng)。

（2）風(fēng)險(xiǎn)管控。流域水環(huán)境模型的開發(fā)和應(yīng)用過程存在不確定性，以此作為工具開展管理決策存在風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)集中體現(xiàn)在模型是否適合、模擬結(jié)果是否正確這兩個(gè)關(guān)鍵問題上，進(jìn)而影響模型適宜的決策支持功能認(rèn)定以及參數(shù)本地化取值建議。因此模型評估驗(yàn)證的內(nèi)容和技術(shù)要求等應(yīng)與決策風(fēng)險(xiǎn)的影響范圍、嚴(yán)重程度等相適應(yīng)。

（3）分類評估。流域水環(huán)境模型類型多樣，其模擬對象、建模方法、開發(fā)和應(yīng)用基礎(chǔ)等存在較大差異。按照計(jì)算思路，流域水環(huán)境模型分為系數(shù)模型、統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)理模型。各類模型對水文循環(huán)過程和污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理的解釋程度不同，產(chǎn)生的適用性評估結(jié)果不同。因此，模型評估驗(yàn)證的內(nèi)容和技術(shù)要求等應(yīng)與模擬對象、模型自身特點(diǎn)等相適應(yīng)。

（4）應(yīng)用支撐。流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證除了做出模型是否適宜支持管理決策的結(jié)論之外，還應(yīng)著眼于模型應(yīng)用的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與本地化，結(jié)合評估驗(yàn)證過程得到的結(jié)果為模型在實(shí)際決策中的合理、規(guī)范應(yīng)用提供技術(shù)建議。

2 流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架

在國外模型綜合驗(yàn)證管理框架和通用模型評估驗(yàn)證方法[11,12]的基礎(chǔ)上，依據(jù)我國流域水環(huán)境管理需求導(dǎo)向等基本原則，本文構(gòu)建了一種兼顧多種模型類型和決策需求的流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架。模型開發(fā)者和使用者應(yīng)參考如圖1 所示的技術(shù)框架開展模型評估驗(yàn)證，評價(jià)模型對相應(yīng)管理決策目標(biāo)的適用性。

如圖1 所示，流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證過程遵循“定義目標(biāo)→初步評估→模型結(jié)構(gòu)→數(shù)據(jù)質(zhì)量→模擬性能→決策功能→綜合評價(jià)”7 個(gè)步驟。

圖1 流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架

在遍歷7 個(gè)步驟后，模型開發(fā)者和使用者綜合評估候選模型對于管理決策目標(biāo)的適用性，在評估驗(yàn)證報(bào)告中明確給出模型是否適用的結(jié)論。

技術(shù)框架適用的用戶主體是流域管理決策的利益相關(guān)者，包括模型開發(fā)者、使用模型的政策制定者等；適用的模型包括但不限于非點(diǎn)源污染模型、河流和湖庫水質(zhì)模型等；適用的管理決策包括但不限于生態(tài)環(huán)境管理部門開展的，與環(huán)境規(guī)劃和功能區(qū)劃、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、污染物排放總量控制和排污許可、環(huán)境影響評價(jià)、環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報(bào)預(yù)警、環(huán)境應(yīng)急預(yù)案、環(huán)境污染事件處置等有關(guān)的政策和方案制定。

3 流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)要求

3.1 定義流域水環(huán)境管理決策目標(biāo)

在時(shí)間維度上，流域水環(huán)境管理涉及歷史回顧、現(xiàn)狀分析、未來預(yù)測等決策場景。根據(jù)其不同決策場景，界定出不同的決策目標(biāo)。它們對非點(diǎn)源、河流、湖庫等典型模型性能的要求詳見表1。

歷史回顧評價(jià)是指利用流域或水體的歷史數(shù)據(jù)，對水量、水質(zhì)、污染物排放狀況及其時(shí)空變化特征等開展回顧性分析，針對污染源貢獻(xiàn)、水環(huán)境容量、污染防治效果等做出評價(jià)和決策。例如，運(yùn)用湖庫水質(zhì)模型The Environmental Fluid Dynamics Code（EFDC）定量表征流域污染源對巢湖藍(lán)藻水華的影響[17]。

實(shí)時(shí)預(yù)警應(yīng)急是指利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、污染溯源等機(jī)制，快速準(zhǔn)確地識別或預(yù)警流域或水體污染事件，預(yù)測污染事件演化趨勢及其影響，評估各類應(yīng)急預(yù)案的效果，針對污染事件影響、應(yīng)急預(yù)案實(shí)施等做出評價(jià)和決策。此類決策對模型計(jì)算效率的要求極高，如三峽庫區(qū)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)警平臺將環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間縮短至20 分鐘內(nèi)[18]。

未來規(guī)劃評估是指利用流域或區(qū)域的水資源、水環(huán)境和水生態(tài)現(xiàn)狀條件，分析經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相關(guān)政策、規(guī)劃等對流域或水體的影響，評估污染防治措施的必要性和效果，針對政策和規(guī)劃的環(huán)境影響、污染防治措施等做出評價(jià)和決策。例如，非點(diǎn)源模型Soil and Water Assessment Tool（SWAT）用于識別氣候變化情景對西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水文過程的影響[19]。

3.2 初步評估候選流域水環(huán)境模型的適用性

在模型模擬之前，分析候選模型的適用條件和基本性能，包括模擬變量、適用的土地利用類型和時(shí)空尺度等，并與管理決策目標(biāo)對模型性能的要求相比較，初步評估候選模型的適用性。如果候選模型適用或經(jīng)過二次開發(fā)后可以適用，則進(jìn)入下一個(gè)評估步驟。

3.3 模型結(jié)構(gòu)特征評估

流域水環(huán)境模型的本質(zhì)是具有數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的一種抽象表述，構(gòu)建這種抽象表述所需的知識基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)表達(dá)與求解方法是模型結(jié)構(gòu)特征評估的主要內(nèi)容。針對“初步評估”產(chǎn)生的候選模型，需按照機(jī)理的完備程度，判定成熟模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜕虡I(yè)軟件的結(jié)構(gòu)特征。

3.3.1 建模機(jī)理

（1）模型概化。流域水環(huán)境模型建立時(shí)，空間和時(shí)間的概化方式應(yīng)合理且能夠響應(yīng)管理決策目標(biāo)的需求，主要評估內(nèi)容包括模擬對象的空間離散方式、模擬空間維度、源匯項(xiàng)空間和時(shí)間分布特征等。

（2）模型機(jī)理。流域水環(huán)境模型的機(jī)理表達(dá)應(yīng)與現(xiàn)有理論和知識相符，缺少現(xiàn)有理論和知識依據(jù)時(shí)，應(yīng)有充分的觀測數(shù)據(jù)支持或經(jīng)過模型應(yīng)用檢驗(yàn)被證明合理。模型機(jī)理表達(dá)一方面應(yīng)能夠涵蓋模擬對象涉及的主要過程和行為，具有較好的完備性；另一方面應(yīng)能響應(yīng)管理決策目標(biāo)，有針對性細(xì)化或簡化部分過程和行為的機(jī)理表達(dá)，以使模型保持適宜的復(fù)雜度。如產(chǎn)流作為關(guān)鍵的水文過程，常用機(jī)理表達(dá)有入滲方程（如Green-Ampt 方程）、徑流曲線數(shù)方程等形式。

表1 流域水環(huán)境管理決策對模型性能的要求

3.3.2 數(shù)學(xué)表達(dá)

（1）數(shù)學(xué)表達(dá)形式。流域水環(huán)境模型的數(shù)學(xué)表達(dá)形式應(yīng)與模型概化和機(jī)理設(shè)計(jì)相符，具有充分的理論或觀測數(shù)據(jù)支持，或者經(jīng)過模型應(yīng)用檢驗(yàn)被證明合理。如同“模型機(jī)理”所述，描述產(chǎn)流過程的徑流曲線數(shù)方程如下：

式中，S為潛在蓄水能力，單位為mm；CN 為徑流曲線數(shù)。

（2）變量和參數(shù)定義。流域水環(huán)境模型的輸出變量應(yīng)與管理決策目標(biāo)直接相關(guān)，輸入、輸出以及其他中間過程變量都應(yīng)具有足夠的觀測數(shù)據(jù)支持。模型參數(shù)應(yīng)相互獨(dú)立，宜使用具有明確物理意義且可被觀測的參數(shù)。如同式（1）所示，CN 是徑流曲線數(shù)方程的主要參數(shù)。

3.3.3 求解算法

優(yōu)先求解流域水環(huán)境模型的解析解。當(dāng)模型數(shù)學(xué)表達(dá)復(fù)雜、難以求得解析解時(shí)，應(yīng)使用數(shù)值算法求解。選擇數(shù)值求解算法時(shí)，應(yīng)兼顧算法的計(jì)算效率和求解穩(wěn)定性，使之與管理決策要求的計(jì)算效率和模型精度相匹配。比如在計(jì)算基于圣維南方程組的流域匯流時(shí)，顯式差分法的計(jì)算效率高，求解穩(wěn)定性較差；相對而言，隱式差分法的求解穩(wěn)定性好，計(jì)算效率較低。

3.3.4 成熟模型的結(jié)構(gòu)特征評估

對于在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的成熟的流域水環(huán)境模型，可省略或適當(dāng)簡化模型結(jié)構(gòu)特征評估?；诔墒炷Ｐ投伍_發(fā)得到的模型，則根據(jù)其二次開發(fā)是否涉及模型結(jié)構(gòu)特征變化做出具體判斷。若二次開發(fā)僅涉及輸入數(shù)據(jù)制備、輸出結(jié)果可視化等，而未修改建模機(jī)理、數(shù)學(xué)表達(dá)、求解算法，則可省略或適當(dāng)簡化模型結(jié)構(gòu)特征評估；若二次開發(fā)修改了建模機(jī)理、數(shù)學(xué)表達(dá)或求解算法，則應(yīng)根據(jù)修改涉及的范圍，開展相應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)特征評估。

3.3.5 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)特征評估

對于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ缦禂?shù)模型、統(tǒng)計(jì)模型），需開展模型結(jié)構(gòu)特征評估，可通過數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)方法分析模型模擬變量之間的內(nèi)在關(guān)系是否與現(xiàn)有理論和知識相符、是否存在過擬合或欠擬合等，以此評估模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理性。

3.3.6 商業(yè)軟件的結(jié)構(gòu)特征評估

對于商業(yè)軟件，可根據(jù)軟件說明書及其他公開發(fā)表資料提供的模型建模機(jī)理、數(shù)學(xué)表達(dá)和求解算法，評估模型結(jié)構(gòu)的合理性。對于已得到廣泛應(yīng)用的商業(yè)軟件，可參照成熟模型省略或適當(dāng)簡化模型結(jié)構(gòu)特征評估。

3.4 模型數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

模擬效果受數(shù)據(jù)的影響較大，對觀測數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)和求解條件等典型模型數(shù)據(jù)而言，充分的代表性和全面的質(zhì)量控制是結(jié)果分析可靠性的必要保障。

3.4.1 觀測數(shù)據(jù)

（1）數(shù)據(jù)代表性。用于流域水環(huán)境模型評估的觀測數(shù)據(jù)應(yīng)具有充分的時(shí)間和空間代表性，且不同類型的觀測數(shù)據(jù)（如水量、水質(zhì)）宜在時(shí)間和空間上相互匹配。

觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間頻率宜與模擬變量的輸出頻率相當(dāng)，同時(shí)觀測數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋足夠長的時(shí)段（如包含豐、平、枯不同水文年份），充分體現(xiàn)主要模擬變量的變化范圍。

觀測數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋模擬對象的主要控制點(diǎn)位（如系統(tǒng)邊界）和系統(tǒng)過程（如污染源和水體）。此外，觀測數(shù)據(jù)包含的模型變量宜多樣化，涉及模擬對象的不同系統(tǒng)過程。

（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量。流域水環(huán)境模型模擬變量、參數(shù)等的觀測數(shù)據(jù)獲取方式（如采樣布點(diǎn)、檢測方法、質(zhì)量控制等）應(yīng)符合國家或相關(guān)部門制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。確無條件的，可采用非標(biāo)準(zhǔn)方法獲取的數(shù)據(jù)，但應(yīng)標(biāo)明數(shù)據(jù)獲取的具體技術(shù)方法，以備查證。在使用觀測數(shù)據(jù)前，宜評價(jià)數(shù)據(jù)的完備度、準(zhǔn)確度和精密度。數(shù)據(jù)完備度宜定性評價(jià)，取數(shù)據(jù)量、代表性、匹配性和觀測質(zhì)量4 個(gè)維度的最低等級作為整體評價(jià)結(jié)果；數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度通過均值、中位數(shù)等判據(jù)定量表達(dá)；數(shù)據(jù)精密度運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差、四分位距等指標(biāo)反映。

3.4.2 輸入數(shù)據(jù)

（1）數(shù)據(jù)代表性。流域水環(huán)境模型的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)能夠滿足模型的基本計(jì)算需求，且在時(shí)間和空間上相互匹配，輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間精度應(yīng)不低于模型模擬和結(jié)果輸出的精度要求。常見的輸入數(shù)據(jù)有土地利用分布數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、水系分布數(shù)據(jù)、氣象資料、污染源資料等。

在模型模擬時(shí)段內(nèi)，模擬對象特征發(fā)生重大變化（如城鎮(zhèn)化導(dǎo)致明顯的土地利用變化）時(shí)，應(yīng)使用相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)（如城鎮(zhèn)化前后兩個(gè)時(shí)期的土地利用圖），分階段開展模型模擬。

當(dāng)模型所需要的輸入數(shù)據(jù)確無條件獲取時(shí)，可通過使用模型默認(rèn)值、參考相似模擬對象數(shù)據(jù)等方式進(jìn)行替代，但必須評估數(shù)據(jù)替代對模型模擬結(jié)果的影響。

（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量。流域水環(huán)境模型的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)采用國家權(quán)威部門或機(jī)構(gòu)提供的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，確無條件的，可使用其他途徑獲取的數(shù)據(jù)，但應(yīng)標(biāo)明數(shù)據(jù)的具體來源，以備查證。

如輸入數(shù)據(jù)為模型開發(fā)者或使用者自行調(diào)查或監(jiān)測獲得，則其調(diào)查或監(jiān)測方法應(yīng)符合國家或相關(guān)部門制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并提供調(diào)查或監(jiān)測的具體信息（如時(shí)間、地點(diǎn)、參與機(jī)構(gòu)和人員及其資質(zhì)等）及相應(yīng)證明材料。

3.4.3 求解數(shù)據(jù)

（1）邊界條件。流域水環(huán)境模型求解的邊界條件應(yīng)貼近模擬對象的實(shí)際狀況。在開展歷史回顧評價(jià)、實(shí)時(shí)預(yù)警應(yīng)急等決策時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用觀測數(shù)據(jù)作為邊界條件；在開展未來規(guī)劃評估時(shí)，可參照模擬對象的歷史數(shù)據(jù)或使用其他模型得到的模擬結(jié)果設(shè)置邊界條件，同時(shí)考慮邊界條件可能出現(xiàn)的極端情況。

（2）初始條件。流域水環(huán)境模型模擬的初始條件應(yīng)采用觀測數(shù)據(jù)以符合模擬對象的實(shí)際狀況。對于可開展連續(xù)模擬的模型，如初始條件觀測數(shù)據(jù)獲取困難，可通過在模擬時(shí)段前設(shè)置模型預(yù)熱期降低初始條件對后續(xù)模擬的影響。

（3）缺失數(shù)據(jù)或無資料。確因條件限制，流域水環(huán)境模型所需的基本數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失時(shí)，可暫時(shí)使用其他數(shù)據(jù)替代，例如使用模型參數(shù)默認(rèn)值或鄰近相似區(qū)域的模型參數(shù)取值等[20]。同時(shí)，必須評估缺失數(shù)據(jù)替代對模型模擬結(jié)果的影響，并及時(shí)開展調(diào)查或監(jiān)測獲取缺失數(shù)據(jù)。

3.5 模型模擬性能評估

流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證的核心是模擬結(jié)果的評估。針對模擬獲得的參數(shù)估計(jì)和變量輸出結(jié)果，重點(diǎn)識別靈敏參數(shù)，確定參數(shù)本地化取值，評價(jià)模型模擬精度。

3.5.1 模型參數(shù)

（1）參數(shù)率定方法。參數(shù)率定可采用基于定向搜索和最優(yōu)化以獲得單一“最優(yōu)”參數(shù)組的識別方法，或者基于采樣及貝葉斯理論以獲取各參數(shù)后驗(yàn)分布的識別方法。兩類方法的技術(shù)特點(diǎn)詳見表2[4,21]。

表2 參數(shù)率定方法的技術(shù)特點(diǎn)

使用基于定向搜索和最優(yōu)化的識別方法能夠獲得單一參數(shù)組，易將通過率定驗(yàn)證的模型用于決策目標(biāo)分析，但模擬結(jié)果易受“異參同效”現(xiàn)象的影響。可盡量采取物理方法確定參數(shù)取值，采取增加模擬對象不同過程、不同類型、不同點(diǎn)位的觀測數(shù)據(jù)，減少這些數(shù)據(jù)的誤差，增加不同種類模擬效果評估指標(biāo)等方法，降低“異參同效”現(xiàn)象的影響[22,23]。

使用基于采樣及貝葉斯理論的識別方法可在一定程度上規(guī)避“異參同效”現(xiàn)象的產(chǎn)生，但由于獲得多組參數(shù)組，在進(jìn)行流域水環(huán)境管理決策目標(biāo)分析時(shí)會增加計(jì)算量。使用該方法時(shí)，可參考現(xiàn)有模型和實(shí)驗(yàn)研究成果，特別是針對同一流域或相似流域的研究成果設(shè)置模型參數(shù)初值或初始范圍。

（2）參數(shù)率定結(jié)果。應(yīng)通過結(jié)果比較的方式，比較同一流域或類似流域中使用相同模型或概化方式和數(shù)學(xué)表達(dá)相同的其他機(jī)理模型產(chǎn)生的模擬結(jié)果，評估流域水環(huán)境模型參數(shù)率定結(jié)果的合理性。有條件時(shí)，宜與實(shí)驗(yàn)室單一機(jī)理實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)數(shù)值進(jìn)行比較。當(dāng)差異較大時(shí)，應(yīng)對模型參數(shù)率定結(jié)果開展深入分析，查明偏差產(chǎn)生的原因，并決定是否重新開展參數(shù)率定。

當(dāng)模型受輸入影響的程度較大時(shí)，可采用“動態(tài)參數(shù)”的方法[24,25]，即將參數(shù)視為可能隨時(shí)間變化的量，運(yùn)用數(shù)據(jù)同化等手段從觀測數(shù)據(jù)提取參數(shù)變化規(guī)律，評估參數(shù)率定結(jié)果的合理性。

（3）參數(shù)靈敏度和可識別性。應(yīng)分析流域水環(huán)境模型的參數(shù)靈敏度和可識別性。結(jié)構(gòu)簡單的模型應(yīng)開展局部、區(qū)域或全局靈敏度分析，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型可針對部分參數(shù)開展靈敏度分析。常用的靈敏度分析技術(shù)詳見表3[26,27]。

表3 常用的靈敏度分析技術(shù)

參數(shù)靈敏度既可以指示模型結(jié)構(gòu)的合理性，也可以指示模擬結(jié)果的可靠性。例如，低靈敏度模型參數(shù)的數(shù)量過多，則模型結(jié)構(gòu)存在過參數(shù)化的問題；高靈敏度模型參數(shù)對應(yīng)的系統(tǒng)過程如不是系統(tǒng)關(guān)鍵過程，則模型結(jié)構(gòu)可能存在問題；高靈敏度模型參數(shù)如可直接觀測或被較好識別，則模擬結(jié)果的可靠性更高。

靈敏參數(shù)應(yīng)具有較高的參數(shù)可識別性?？梢罁?jù)貝葉斯概率理論相對性地比較參數(shù)后驗(yàn)分布與先驗(yàn)分布的差異，差異越大，參數(shù)可識別性越高。

高靈敏度且可識別的模型參數(shù)是模型“本地化”處理的關(guān)鍵[28]?？山Y(jié)合“動態(tài)參數(shù)”或原位試驗(yàn)資料等方法，進(jìn)一步訂正參數(shù)率定結(jié)果，提高模型在本地應(yīng)用中的表現(xiàn)。

3.5.2 模擬結(jié)果

（1）模型率定和驗(yàn)證結(jié)果。在模型參數(shù)率定過程中，流域水環(huán)境模型的模擬值應(yīng)與觀測值較好地吻合，誤差應(yīng)能夠滿足管理決策目標(biāo)的要求。進(jìn)而借助率定得到的模型參數(shù)，利用獨(dú)立于率定數(shù)據(jù)的觀測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M結(jié)果時(shí)，模型模擬值與觀測值之間的誤差也應(yīng)能夠滿足決策的精度要求。

應(yīng)盡可能利用模擬對象不同系統(tǒng)過程中多個(gè)變量的觀測數(shù)據(jù)評估模型模擬效果。應(yīng)根據(jù)管理決策目標(biāo)需求，從如表4 所示的圖示評價(jià)、誤差評價(jià)、分布匹配度評價(jià)、多模型評價(jià)四類模擬效果評估技術(shù)選擇[3]，制定諸如優(yōu)秀、良好、及格和不及格等級的精度要求。

（2）模擬結(jié)果的不確定性。應(yīng)分析流域水環(huán)境模型輸入、參數(shù)等不確定性對模型模擬結(jié)果不確定性的影響，并對模型是否足以支撐管理決策進(jìn)行評價(jià)?？梢砸氩煌瑧?yīng)用場景、引入更多輸入數(shù)據(jù)或施加不同程度的輸入擾動，分析模型輸出與觀測結(jié)果的擬合程度，綜合評估模型可靠性和魯棒性等特征。例如根據(jù)模型模擬結(jié)果的置信區(qū)間，給出管理決策風(fēng)險(xiǎn)。條件允許時(shí)，應(yīng)提出降低模擬結(jié)果不確定性的措施[4]。

（3）多模型多案例模擬結(jié)果。針對候選流域水環(huán)境模型應(yīng)用的決策案例，宜選擇具有相似模擬能力的、國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的主流模型，將其應(yīng)用于該案例，比較候選模型和主流模型模擬效果的差異。當(dāng)候選模型的前期決策應(yīng)用案例較少時(shí)，宜補(bǔ)充管理決策目標(biāo)相似的案例，利用候選模型開展模擬，評估候選模型在相似決策案例中的模擬效果。當(dāng)管理決策可能存在重大經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境影響時(shí)，必須進(jìn)行多模型、多案例模擬評估。

3.6 模型決策功能評估

針對候選模型對于流域水環(huán)境管理決策目標(biāo)的適用性，不僅要從技術(shù)層面評估模型模擬結(jié)果的可靠性，也要注重決策實(shí)用性和應(yīng)用便利性。

3.6.1 決策實(shí)用性

（1）計(jì)算效率。流域水環(huán)境模型的計(jì)算效率應(yīng)滿足管理決策的時(shí)效性要求。評價(jià)模型的計(jì)算效率，需要將其與另外一個(gè)具有相同決策功能的模型進(jìn)行比較。引入算法時(shí)間復(fù)雜度的概念來衡量模型計(jì)算效率[29]，分析隨著操作數(shù)（模型輸入或輸出）的增加，模型運(yùn)行時(shí)間增加的變化趨勢。根據(jù)模型所需操作數(shù)與兩條時(shí)間復(fù)雜度曲線在“操作數(shù)—運(yùn)行時(shí)間”二維空間中的位置關(guān)系，判定計(jì)算效率較高的模型。

（2）數(shù)據(jù)需求。對于需要長期服務(wù)的管理決策目標(biāo)，應(yīng)評估在正常業(yè)務(wù)狀態(tài)下流域水環(huán)境模型所需各項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新頻率是否能夠滿足決策需求。本文以中等發(fā)達(dá)的社會發(fā)展水平為基準(zhǔn)，提出模型數(shù)據(jù)更新頻率的建議[30,31]，詳見表5。

（3）軟硬件要求。對于需要長期服務(wù)的管理決策目標(biāo)，應(yīng)評估在正常業(yè)務(wù)狀態(tài)下是否具備流域水環(huán)境模型應(yīng)用所需的計(jì)算機(jī)軟件和硬件、技術(shù)人員等條件。

3.6.2 應(yīng)用便利性

（1）操作便利程度。流域水環(huán)境模型宜擁有可視化及自動化輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊，如自動實(shí)現(xiàn)模擬區(qū)域空間細(xì)化等功能，以降低模型使用者操作難度；宜具有標(biāo)準(zhǔn)化且易于讀寫的輸入、輸出文件格式，以及模擬結(jié)果圖表化和可視化模塊，輔助模型使用者分析模擬結(jié)果。

表4 模擬效果評價(jià)技術(shù)體系

表5 不同的流域水環(huán)境管理決策目標(biāo)下模型數(shù)據(jù)更新頻率的建議

（2）技術(shù)服務(wù)支撐。流域水環(huán)境模型應(yīng)具備模型機(jī)理說明書和模型使用說明書，為模型使用者理解模型運(yùn)算過程和使用模型提供幫助。條件允許時(shí)，模型開發(fā)者或開發(fā)團(tuán)隊(duì)可組建客戶服務(wù)團(tuán)隊(duì)，并可通過會議、網(wǎng)絡(luò)等方式推廣模型使用。模型開發(fā)者或開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)對業(yè)務(wù)化運(yùn)行模型的模擬效果進(jìn)行定期評估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正模型應(yīng)用可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）模型可擴(kuò)展性。流域水環(huán)境模型宜具有良好的可擴(kuò)展性，如具有標(biāo)準(zhǔn)化接口及標(biāo)準(zhǔn)化輸入、輸出文件等。推薦采用模塊化方式構(gòu)建模型，將模型的每個(gè)模擬過程設(shè)計(jì)為單一模塊，模塊間通過變量、參數(shù)等相互連接，運(yùn)算時(shí)互不干擾，便于模型使用者根據(jù)具體決策需求關(guān)閉無關(guān)模塊，提高運(yùn)算效率。模型代碼宜為開源代碼，以便其他模型使用者進(jìn)行二次開發(fā)[10]。

3.7 編制評估驗(yàn)證報(bào)告

綜合3.1 至3.6 節(jié)評估結(jié)果，從模型結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、模擬性能、決策功能等方面評價(jià)候選模型對于特定管理決策目標(biāo)的適用性，明確給出模型是否適用的結(jié)論。該報(bào)告可供同行評議，也可作為生態(tài)環(huán)境管理部門在管理決策中采納該候選模型及其模擬結(jié)果的主要依據(jù)。

4 案例分析

本文選取龍津溪流域多模型耦合模擬系統(tǒng)[4]作為實(shí)際案例介紹模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架的應(yīng)用，分析其適用性。龍津溪發(fā)源于福建泉州，是九龍江的支流，流域面積894 km2，上游以林地為主，中下游地區(qū)多為農(nóng)田和果林。龍津溪全長約80km，主要為天然河道，受人為干擾較少，上游干流和支流河道較窄，下游干流河道寬度近400m。龍津溪多年平均徑流量為8.6億m3。

（1）定義流域水環(huán)境管理決策目標(biāo)。龍津溪流域模型的管理決策目標(biāo)在于，通過歷史回顧評價(jià)，識別流域水量和水質(zhì)的時(shí)空變化特征，輔助了解流域水環(huán)境模擬系統(tǒng)不確定性，降低決策風(fēng)險(xiǎn)。

（2）初步評估候選流域水環(huán)境模型的適用性。龍津溪流域的水文水質(zhì)資料較為稀缺，擬選用廣泛應(yīng)用的成熟模型實(shí)現(xiàn)逐日流量和氨氮濃度的模擬需求。將龍津溪所在的流域水系統(tǒng)概化為非點(diǎn)源子系統(tǒng)和河道子系統(tǒng)，其中非點(diǎn)源子系統(tǒng)候選模型有暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）、SWAT 等，河道子系統(tǒng)候選模型有EFDC、水質(zhì)分析模擬程序（The Water Quality Analysis Simulation Program，WASP）等。候選模型使用條件和基本性能的比較詳見表6。

由于流域現(xiàn)有數(shù)據(jù)條件較難達(dá)到SWAT模型需求，所以非點(diǎn)源子系統(tǒng)選用SWMM 模型。又因?yàn)楫?dāng)?shù)丨h(huán)境管理決策對于污染物模擬有較高要求，所以河道子系統(tǒng)將使用EFDC 模型建立水動力模塊，使用WASP模型建立水質(zhì)模塊。

（3）模型結(jié)構(gòu)特征評估。由于候選模型的二次開發(fā)未涉及建模機(jī)理、數(shù)學(xué)表達(dá)和求解算法，所以適當(dāng)簡化模型結(jié)構(gòu)特征的評估。耦合系統(tǒng)的建立采用松散耦合的方式，非點(diǎn)源子系統(tǒng)和上游較窄的河道（一維明渠流）采用SWMM 模型模擬，模擬結(jié)果單向傳輸給EFDC 和WASP 建立的二維河流子系統(tǒng)；耦合系統(tǒng)的時(shí)空概化方式依據(jù)流域水文特征，流域空間離散為23 個(gè)子流域和79 個(gè)河流網(wǎng)格，模擬時(shí)間步長為6 小時(shí)（非點(diǎn)源子系統(tǒng)）和18 分鐘（河流子系統(tǒng)）。

表6 候選模型的適用性分析

（4）模型數(shù)據(jù)質(zhì)量評估。將觀測數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)和求解條件等模型數(shù)據(jù)按類別劃分為地形數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)管理措施數(shù)據(jù)、河流水文和水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，數(shù)據(jù)均具有充分的時(shí)間和空間代表性，地形數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，其他類型數(shù)據(jù)為調(diào)研數(shù)據(jù)；引入不確定性輸入概念，加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，針對驅(qū)動非點(diǎn)源模型的降雨數(shù)據(jù)，設(shè)置降雨不確定性輸入因子為一個(gè)99.7%概率在-0.9 到0.9 的正態(tài)分布，針對模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)，運(yùn)用GLUE 算法似然度函數(shù)對模型參數(shù)進(jìn)行識別和驗(yàn)證。

（5）模型模擬性能評估。針對耦合模擬系統(tǒng)中與流量模擬和氨氮模擬的21 個(gè)參數(shù)，應(yīng)用Morris 方法計(jì)算參數(shù)局部靈敏度，對比參數(shù)先驗(yàn)分布和后驗(yàn)分布的差異，分析參數(shù)可識別性。參數(shù)分析結(jié)果見表7。

耦合模擬系統(tǒng)的靈敏參數(shù)共4 個(gè)，可識別性高的參數(shù)共6 個(gè)。不靈敏參數(shù)有5 個(gè)，占總數(shù)的24%，系統(tǒng)不存在明顯的過參數(shù)化和冗余參數(shù)問題；可識別性低的參數(shù)有6 個(gè)，占總數(shù)的29%，系統(tǒng)整體的可識別性較好。

針對耦合模擬系統(tǒng)的流量模擬和氨氮濃度模擬，應(yīng)用基于Sobol 序列采樣的GLUE 算法進(jìn)行模擬計(jì)算，采樣10 000 次，取累積似然度達(dá)到90%的模擬數(shù)據(jù)，獲得1950 次結(jié)果，模擬輸出效果用涵蓋率和不確定度表征，統(tǒng)計(jì)分析得到變量輸出的后驗(yàn)分布，詳見圖2。

耦合模擬系統(tǒng)輸出結(jié)果可以涵蓋流量95.0%和氨氮92.9%的實(shí)測結(jié)果，流量和氨氮的不確定度分別是0.346 和0.307，模擬效果較好，耦合系統(tǒng)傳遞過程累積的不確定性增加了模擬結(jié)果的不確定度，精密的空間劃分方式可以降低模擬結(jié)果的不確定性。

（6）模型決策功能評估。從技術(shù)層面評估耦合模擬系統(tǒng)決策的實(shí)用性，開展270 天的模擬耗時(shí)378分鐘，計(jì)算效率較高；從應(yīng)用層面分析耦合模擬系統(tǒng)應(yīng)用的便利性，采用模塊化方式構(gòu)建，可擴(kuò)展性良好。

（7）編制評估驗(yàn)證報(bào)告。綜合以上6 個(gè)步驟的評估結(jié)果，龍津溪流域多模型耦合模擬系統(tǒng)適用于歷史回顧評價(jià)。后續(xù)建議補(bǔ)充觀測數(shù)據(jù)，長時(shí)段率定驗(yàn)證期數(shù)據(jù)可以提高模型模擬效果。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種兼顧多種模型類型和決策需求的流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架，在理論探討和技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面具備明確的可行性。該技術(shù)框架借鑒國外環(huán)境模型的管理思路和通用的模型評估驗(yàn)證研究方法，參考從開發(fā)到應(yīng)用全生命周期的規(guī)范化使用方法，融合質(zhì)量保證、同行評審等過程控制環(huán)節(jié)，吸收特定應(yīng)用場景技術(shù)說明的經(jīng)驗(yàn)，將模型評估驗(yàn)證流程解構(gòu)為一個(gè)多過程集成的標(biāo)準(zhǔn)化框架，涵蓋了模型評估驗(yàn)證的主要步驟；引入了結(jié)構(gòu)合理性評估、參數(shù)識別與靈敏度分析、模擬效果評估、不確定性分析等成熟技術(shù)，依據(jù)不同模型類型和決策功能的需求，針對流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證過程給出原則性的技術(shù)要求和應(yīng)用建議。因此，這種標(biāo)準(zhǔn)化的框架明確了開展流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證的分類方法、評估驗(yàn)證內(nèi)容、技術(shù)方法、工作程序、文檔規(guī)范等，界定了模型開發(fā)者、使用模型的政策制定者等在流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證工作中的責(zé)權(quán)。此外該技術(shù)框架還提出了降低“異參同效”現(xiàn)象影響、分析參數(shù)可識別性和模型魯棒性的建議，拓展了技術(shù)框架應(yīng)用的廣度和深度。

表7 龍津溪流域耦合模擬系統(tǒng)參數(shù)靈敏度分析結(jié)果

圖2 龍津溪流域耦合模擬系統(tǒng)模擬輸出后驗(yàn)分布

流域水環(huán)境模型評估驗(yàn)證技術(shù)框架的用戶主體是流域管理決策的利益相關(guān)者，包括模型開發(fā)者、使用模型的政策制定者等。該技術(shù)框架提出了“本地化參數(shù)”“動態(tài)參數(shù)”“缺失數(shù)據(jù)或無資料”等改進(jìn)模擬效果的方法，與我國現(xiàn)階段環(huán)境模擬技術(shù)要求、環(huán)境監(jiān)測能力和數(shù)據(jù)條件相適應(yīng)。技術(shù)框架適用的模型包括但不限于非點(diǎn)源污染模型、河流和湖庫水質(zhì)模型等，適用的管理決策包括但不限于生態(tài)環(huán)境管理部門開展的與環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境功能區(qū)劃、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、污染物排放總量控制、排污許可、環(huán)境影響評價(jià)、環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報(bào)預(yù)警、環(huán)境應(yīng)急預(yù)案、環(huán)境污染事件處置等有關(guān)的政策和方案制定。

目前我國流域水環(huán)境模型標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用程度較低，未來推進(jìn)模型應(yīng)用面臨著缺乏法規(guī)化模型體系等較多挑戰(zhàn)，為此應(yīng)充分借鑒先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)，探索建立規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與本地化的模型應(yīng)用體系。建議制定適用于特定決策目標(biāo)的模型清單，以導(dǎo)則或技術(shù)指南的形式發(fā)布模型應(yīng)用規(guī)范，支持科研機(jī)構(gòu)利用標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)框架，系統(tǒng)開展模型評估和驗(yàn)證研究，集成我國典型流域候選模型的模擬結(jié)果，對比分析候選模型的適用性，提出在典型流域使用模型的技術(shù)要求以及本地化參數(shù)取值建議；建議加強(qiáng)流域水環(huán)境基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)，持續(xù)推進(jìn)數(shù)字高程模型、河網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)共享。