基于SWAT模型的水資源與水環境綜合管理規劃研究——以臨漳縣為例

張曉穎，袁 剛，裴 浩，武軍艦

（1.河北工程大學，河北 邯鄲 056038；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

基于SWAT模型的水資源與水環境綜合管理規劃研究
——以臨漳縣為例

張曉穎1，袁 剛2，裴 浩1，武軍艦1

（1.河北工程大學，河北 邯鄲 056038；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

分析SWAT模型在臨漳縣的水資源與水環境綜合管理規劃中的運用。通過對模型參數的率定，結合臨漳縣實際的種植情況和遙感監測的ET，進行了臨漳縣水量組合方案的制定與情景模擬,并由此提出臨漳水資源與水環境綜合管理的優選方案。

SWAT；水資源；水環境；管理

水資源與水環境綜合管理包括兩個方面的含義：

（1）水資源與水環境綜合管理要考慮兩者之間相互影響的關系。從供水來說，由于不同用戶對水質的要求不同，所以配置需要綜合考慮用戶要求和水體水質條件，實現分質供水、優水優供；而要達到水資源要求，污染排放應按照水體水質要求進行嚴格控制，確保水質安全。從污染控制來說，一方面需要根據不同水體對水質的要求，按照環境容量大小進行消減，實現總量控制基礎上的達標排放；另一方面，在水資源配置過程中要留足環境容量，以使得污染消減的代價切實可行；這兩方面綜合考慮，確定最佳平衡點。

（2）水資源管理與水環境管理基于水循環與污染遷移轉化基礎。水循環和伴隨水循環的污染物遷移轉化過程密不可分，這是水資源具有量和質兩方面屬性的基礎，也是水資源與水環境綜合管理的基礎。因此，只有在充分分析水循環過程與污染遷移轉化過程的基礎上，才能保證水資源與水環境管理的科學性。

1 水資源與水環境綜合管理規劃（IWEMP）的目標與理念

1.1 總體目標

IWEMP的總體目標是改變當前經濟發展依賴水資源過度開發、破壞生態環境的不可持續發展模式，要使水資源的開發利用變得可持續性，生態環境得到有效的保護。

（1）實現水資源可持續發展（水量）。到2015年，使地下水超采的狀況至少減少10%，最終到2030年，實現地下水采補平衡。消除開采深層地下水進行農業灌溉的現象，從流域生態要求上保證下游的合理流量。

（2）維護良好的生態環境（水質）。到2015年，使污染物的排放總量降低至少10%，最終到2030年，水質達到功能區標準。這要求有嚴格的排放標準，另外，河道中要保持一定的環境流量進行稀釋，采取一定的措施改善河道水質。

1.2 行動理念

為了實現水量目標，“耗水控制”的概念要代替 “用水控制”，這一理念需要得到水文專家和學者的充分理解和接受。在這一點上，應當進行“耗水平衡”分析，而不是傳統的“供需平衡”分析。“耗水平衡”分析是指在實際水資源消耗量和總的目標消耗量（或稱之為水資源允許最大消耗量）間的平衡，實際水資源消耗量等于農業區域的蒸騰蒸發量（ET）和城市區域的耗水量之和。2020年的目標消耗量可以從公式中P+I－OET=ΔG計算獲得，令淺層地下水超采量為0，因此目標水資源消耗量等于入流量加降雨，減出流（包括環境流量和ET）。縣級目標水資源消耗量應當以ET的方式分配到每個鄉鎮或行政村，縣、鄉、村要采取一套行得通的、可操作的措施，來降低實際水資源消耗量，使得實際水資源消耗量小于目標水資源消耗量。這些備選的措施情景方案分析，可以通過SWAT模型進行模擬預測，通過其他的系統進行調整，以確保實際水資源消耗量不大于目標水資源消耗量。

2 構建SWAT模型

2.1 SWAT模型簡介

SWAT模型是由美國農業部開發的，模型開發的最初目的是為了預測在大流域復雜多變的土壤類型、土地利用方式和管理措施條件下，土地管理對水分、泥沙和化學物質的長期影響。對大多數的流域來講，河網、地形和氣象條件多較為復雜，土地類型、土地利用等變化將影響流域的水文狀況，因此計算模型要將流域劃分為一些子流域。對每一個子流域又可以根據其中的土壤類型、土地利用和管理措施組合情況，進一步劃分單個或多個水文響應單元。水文響應單元是一種單一的土壤類型、土地利用和管理措施的組合，但是并不要求在空間上真正聯系在一起。對于任何一個水文響應單元，在水量模擬方面，SWAT提供了2種方法計算地表徑流：SCS徑流曲線數的方法和Grenn&Ampt入滲法；對于蒸散發的計算SWAT選擇了Penman-monteith法，Priestley-Taylor法和Hargreaves法3種方法；對于地下水的模擬SWAT能模擬2個含水層即淺層含水層和深層含水層；水質模擬方面，SWAT模擬了氮、磷完整的營養物循環過程和應用農藥的降解過程。

2.2 建立SWAT模型需要的數據

SWAT是一個需要大量基礎數據才可以運行的水文模型，所需數據主要包括基礎地理信息、氣象信息、雨水情信息、地下水信息、水質信息、用水信息、遙感信息、社會經濟信息等內容。

2.3 流域模型構建

模型建立的第1步就是把研究區域分成若干個子流域，子流域占據一個地理位置并和其他子流域在空間上有水力聯系。子流域可以根據其中的土壤類型、土地利用和水力條件等予以劃分。每一個子流域可以包含至少一個水文響應單元。

一個水文響應單元并不等同于某一塊地而是占據特殊的土壤類型、土地利用或管理模式的土地的總和。在子流域中水文響應單元是獨立的，彼此之間并沒有聯系，每一個單元分別計算自己的輸出結果，最后總和起來得出子流域的結果。水文響應單元的引用提高了模型的計算精度。

2.4 數據輸入

（1）氣象數據。SWAT模型需要的氣象參數主要包括日降雨量、日最高最低溫度、太陽輻射、風速和相對濕度。這些數據既可以是實測資料，也可以是由模型自動生成的資料，但為了模型更好的反映實際情況，最好是盡可能多地使用實測資料。

（2）水文數據包括植物截流、下滲、蒸發、土壤結構。

（3）養份和農藥數據包括氮、磷、農藥等數據。

（4）管理措施。管理措施主要是通過農業措施、工程措施來解決，可以通過調整模型的種植結構、灌水次數、灌水定額等來實現。

2.5 模型參數的率定

SWAT模型參數的率定主要是水量、徑流的調整。

水量調整以水量平衡為基準，以實測水量為參考，先使計算的多年平均情況與實測值相接近，再縮短步長，使月或天的結果符合實測值。

徑流的調整主要是與實測流量過程相統一，先上游后下游，從高到低逐個實測站點的調整，使模擬河道流量在每一個監測斷面與實測值相一致。

經過模型參數的率定，模型的計算結果就能比較真實地反映實際情況，就可以通過模型來對現在規劃進行效果驗證和對未來情況進行情景預測，使水資源與水環境的管理更科學合理。

3 臨漳縣水資源概況

3.1 水資源可利用量

臨漳縣多年平均地表水水資源（包括入境水量）可利用量為3321.7萬m3，其中包括：①區域自產地表徑流423萬m3；②臨漳引用民有渠水量2898.7萬m3。多年平均地下水水資源可開采量9289.4萬m3，占總補給量的90%。多年平均水資源可利用量12611.1萬m3。

2014年以后，臨漳縣可引用南水北調水560萬m3，多年平均水資源可利用量13171.1萬m3。

3.2 臨漳縣的三生用水量分析

參照《臨漳縣水利年報》、2005年《河北省臨漳縣國民經濟統計資料》及實際統計數據，2005年全縣有機井8443眼，其中淺井8413眼，深井30眼，機井密度11.35眼/km2。全年用水量13485萬m3，其中農業灌溉用水量10798萬m3，占總用水量的80.1%；農村人畜用水量997萬m3，占總用水量的7.4%；城鎮居民用水量202.5萬m3，占總用水量的1.5%；工業用水量1487.5萬m3，占總用水量的11%。

4SWAT模型在IWEMP中的應用

本次研究的重點就是結合遙感監測ET值，提出臨漳水資源與水環境綜合管理方案。而其關鍵問題是對臨漳水循環過程（水量和水質）進行精確的描述和研究。SWAT模型作為一個分布式水文模型在這方面可以很好地解決所遇問題。在給定ET值的情況下，模擬多種不同的管理方案，以使區域水量達到供耗平衡。

由于臨漳縣實際監測數據非常少，主要以2002～2005年遙感監測ET值數據來率定模型參數。臨漳縣SWAT模型參數率定主要分為兩大部分：水量部分參數率定和水質部分參數率定。率定原則是先調水量后調水質，先依水利關系從上游調參，然后依次調整下游。

臨漳SWAT模型數據分析從2002年開始計算。臨漳縣全縣2002、2003、2004和2005年模擬計算ET值分別為575.7，720.0，580.0，669.6 mm。2002～2005年平均ET值為636.3 mm。計算結果見表1。

表1 臨漳縣模擬、遙感ET值對比 單位：mm

通過SWAT模型的計算，1995～2005年平均ET值為573.4 mm，規劃目標ET值為573.2 mm。本次研究所擬采用的水資源與水環境綜合管理措施，可以很好地達到減少ET值蒸發量和區域水量供耗平衡的目的。計算ET值見圖1。

圖1 臨漳縣1995～2005年各年模擬計算ET值

5 情景模擬與方案優化

SWAT模型具有強大的情景模擬功能，SWAT能有效模擬多種農業管理措施、排污措施對水資源和水環境的影響。本次臨漳縣SWAT模型設置了多種情景進行模擬，主要包括調整灌溉水量、調整種植結構。

5.1 調整灌溉水量

調整灌溉水量對ET和作物的產量都有影響。減少灌溉水量后ET值和作物產量都會減少（見圖2）。

圖2 臨漳縣不同灌溉量對ET值的影響

5.2 調整種植結構

適當調整作物種植結構也會降低ET值，見圖3。

根據SWAT模型對灌溉水量和種植結構的情景模擬，將調整灌溉水量和調整種植結構進行組合，由于調整灌溉水量包括兩種情況：灌溉水量減少37%、灌溉水量減少40%；調整種植結構包括4種情況：小麥、玉米種植面積減少3.3%，加到棉花上；小麥玉米種植面積減少5%，加到棉花上；小麥、玉米種植面積減少3.3%，棉花種植面積不變；小麥、玉米種植面積減少5%，棉花種植面積不變。所以共得到8種方案：

圖3 臨漳縣調整作物種植結構前后ET值對比

對以上8種組合方案進行對比分析，以目標ET值為基準，推薦兩種最優方案，即方案4和方案5。

方案4：小麥、玉米和棉花灌水量減少37%；同時小麥、玉米面積減少5%，棉花面積不變。

方案5：小麥、玉米和棉花灌水量減少40%；同時小麥、玉米面積減少3.3%，棉花面積增加3.3%。

上述兩種方案雖然在多年平均ET值上符合目標ET值要求，但方案4使部分耕地閑置，影響了農民的經濟收入；方案5減少灌溉水量太多，現實操作起來很困難。最后結合兩種方案的優點，摒棄其中的不足，確定方案為：小麥、玉米和棉花灌水量減少37%，玉米、小麥耕地面積減少3.3%全部變為棉花。

6 結語

根據SWAT模型在臨漳縣的水資源與水環境綜合管理中的運用模擬，進行了灌溉水量和種植結構兩個因素的情景模擬。通過對SWAT模型的相關參數的率定和求解計算，得到了兩組多年平均ET符合目標ET要求的方案，說明SWAT模型在臨漳縣水資源與水環境綜合管理研究中的有效性。但是本文在對于不同地下水開采量、不同的減污措施、外流域調水、社會發展等幾種情景沒有進行模擬，這也是本論文以后研究和完善的方向。

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Comprehensive Management Planning and Research of Water Resources and Water Environment based on SWAT Model——The Application of Linzhang County as An Example

ZHANG Xiao-ying1,YUAN Gang2,PEI Hao1,WU Jun-jian1
（1.Hebei University of Engineering,Handan 056038,China;2.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydrepower,Tianjin 300250,China）

This paper analyzes the application of SWAT model in water resources and water environmental management and planning in Linzhang county.Though testing the rate of the model parameters,combining with the actual cultivation in Linzhang county and remote sensing monitoring of ET,making water program development and scenario simulation in Linzhang county,proposing the optimum planning of water resources and water environment in Linzhang county.

SWAT;water resources;water environment;management

TV213

A

1672-9900（2011）03-0011-03

2011-03-08

張曉穎（1986—），女（漢族），天津人，碩士，主要從事水資源規劃與管理研究，（Tel）13730080164。