考虑上下游关系的流域最佳管理措施空间配置优化研究

The best management practices (BMPs) are an effective way to control the non-point source pollution in a watershed. The spatial configuration of BMPs refers to which kind of BMPs where to be implemented. How to optimize the spatial configuration of BMPs to achieve the maximum environmental benefits with the minimum economic cost has important theoretical and practical significance. At present, due to the lack of full consideration of the upslope-downslope relationship of BMPs configuration in real applications, the potential of BMPs pollution reduction is not fully achieved, which leads to the repeated implementation and low efficiency of BMPs optimization. Thus, this project aims to propose a new method for BMPs optimization fully considering the upslope-downslope relationship at watershed scale. The research contents include: firstly, to describe the interaction mechanism of BMPs based on the divided fields of upslope-downslope relationship and the spatial distribution of non-point source pollution; second, to construct the BMPs optimization method considering the relationship between upslope-downslope fields and the interaction mechanism of BMPs; last, to apply and verify the proposed method by a contrast experiment. In this project, the upslope-downslope relationship and rules of BMPs spatial interaction are introduced, and the BMPs optimization method considering the upslope-downslope relationship is proposed, which can avoid the repetition of BMPs implementation and improve the efficiency of the optimization algorithm, and thus to provide support for the precision management of watershed and green prevention of ecological environment.

最佳管理措施（BMPs）是流域非点源污染控制的有效方法。BMPs空间配置是指在哪个空间位置（管理单元）实施哪种措施。如何优化BMPs空间配置以达到环境-经济效益最优，其研究具有重要意义。目前，流域尺度的BMPs优化应用，由于没有充分考虑BMPs布设的上下游关系，使得BMPs的综合减污潜力没有充分发挥，导致措施布设重复、优化效率低下等问题。本项目旨在流域尺度下，充分考虑上下游关系进行BMPs优化。首先，将流域按照水文关联划分成具有上下游关系的地块，并结合污染关键区域的空间分布信息，刻画BMPs空间相互作用机理；其次，建立考虑空间相互作用的BMPs配置规则，构建考虑上下游关系的BMPs优化方法；最后，通过对比实验验证该方法。本项目引入上下游关系，构建考虑上下游关系的BMPs优化方法，既可以避免措施布设重复问题，又可以提高优化算法效率，为流域精准管理和生态环境绿色防控提供方法支持。

项目背景：最佳管理措施（BMPs）是流域非点源污染控制的有效方法。BMPs空间配置是指在哪个空间位置（管理单元）实施哪种措施。如何优化BMPs空间配置以达到环境-经济效益最优，其研究具有重要意义。目前，流域尺度的BMPs优化应用，由于没有充分考虑BMPs布设的上下游关系，使得BMPs的综合减污潜力没有充分发挥，导致措施布设重复、优化效率低下等问题。主要研究内容：本项目旨在流域尺度下，充分考虑上下游关系进行BMPs优化。首先，将流域按照水文关联划分成具有上下游关系的地块，并结合污染关键区域的空间分布信息，刻画BMPs空间相互作用机理；其次，建立考虑空间相互作用的BMPs配置规则，构建考虑上下游关系的BMPs优化方法；最后，通过对比实验验证该方法。本项目创新之处是引入上下游关系，构建考虑上下游关系的BMPs优化方法，既可以避免措施布设重复问题，又可以提高优化算法效率，为流域精准管理和生态环境绿色防控提供方法支持。重要结果及关键数据：①完成了全套考虑地块上下游关系的BMPs优化方法的数据集；②实现了考虑上下游关系的地块划分方法；③实现了BMPs空间相互作用强度量化方法；④实现了考虑上下游关系的BMPs配置规则算法；⑤实现了考虑地块拓扑关系的流域BMPs优化方法；⑥选择了2个研究区小流域，对本研究的方法进行了对比实验验证，实验结果表明，本项目提出的方法比没有考虑上下游关系的优化方法好。科学意义：本项目研究依据水流方向和土地利用方式，提出了一种具有上下游关系的地块划分方法，实现了BMP措施在全分布式模型中的表达；同时，提出了一种考虑地块上下游关系和成本效益的多目标BMP优化方法，通过对比实验验证了该方法的有效性。通过本项目研究，发现在复杂地学计算过程中，需要深入理解地学过程和自然规律，遵循其内在规律，设计计算方法或改进现有算法，会有意想不到的创新结果，这也是科学研究的意义所在。