基于改進SWAT模型的縣級綜合管理工具在項目縣IWEMP中的應用

楊 威，薛麗娟，于 磊

（天津市龍網科技發展有限公司，天津 300181）

海河流域水資源短缺，供需矛盾突出，存在著地下水超采、河道斷流、水質惡化等一系列生態環境問題。針對上述問題，全球環境基金開展了旨在推進海河流域水資源與水環境綜合管理（IWEM）的GEF海河項目。其中，在海河流域最基本單位開展的縣級水資源與水環境綜合管理規劃是項目的重要組成部分。

進行縣級水資源與水環境綜合管理的核心問題之一就是對研究區水循環過程（包括水量和水質）進行盡可能精確的描述和研究，分布式水文模型為解決該問題提供了新的支持手段。目前，國際上分布式水文模擬模型數量眾多，已在世界諸多流域的徑流與非點源污染模擬研究方面得到了應用[1-4]，但由于這些模型復雜的操作程序，尤其是國外軟件的英文界面，使得大部分模型在我國還主要處于被科研院校作研究應用的階段，真正地服務于基層水資源與水環境管理的實踐極為少見。因此，基于分布式水文模型開發一套適合我國管理需求的分析工具成為一項重要的研究課題。

1 工具開發

綜合考慮我國水資源管理特點與GEF項目需求，基于SWAT2000源代碼，面向縣級管理人員開發了縣級水資源與水環境綜合管理工具。工具具有數據輸入、工具運行、結果輸出和情景模擬等功能，且界面友好、操作方便，非常適合縣級管理人員使用，如圖1-2所示。

利用縣級水資源與水環境綜合管理工具能夠基于項目縣DEM、土壤、土地利用等基本信息，構建項目縣分布式水循環模型，實現對項目縣地表水、地下水以及水質時空變化過程的模擬以及對不同規劃方案包括節水措施（調整作物種植結構、優化灌溉水量、調整灌溉水源等）和減污措施（點源、面源）的情景預測，模擬分析結果為縣級水資源與水環境綜合管理規劃的制定與選取提供數據支撐。

2 工具應用

目前，工具已經成功應用于GEF海河項目臨漳縣、館陶縣、涉縣、肥鄉縣、成安縣及德州市德城區的水資源與水環境綜合管理規劃子項目中。在項目中，根據各項目縣不同的自然環境特點，從農業真實節水、提升地下水位和改善當地生態環境角度出發，利用工具分別對各項目縣不同規劃方案的節水治污效果進行了情景預測與分析。

2.1 節水措施情景模擬

2.1.1 調整作物種植結構——以成安縣為例

成安縣種植有大面積的小麥—玉米輪作高耗水作物，導致縣內的蒸騰蒸發量（耗水量）過高。為有效降低ET，實現農業真實節水，在保證糧食安全前提下，將現狀成安縣小麥—玉米輪作種植面積的20%、40%、60%和80%改為棉花種植，模擬結果如圖3-4所示。

模擬結果表明：在豐水年份（2003年），各類型作物ET都較高；在降水量較少的枯水年份（2006年），各類型作物ET都相對較低；但總體來看，玉米—小麥輪作的蒸騰蒸發量高于菜地，菜地的蒸騰蒸發量高于棉花。將耗水作物小麥—玉米輪作改為棉花種植后，各年份全縣ET都明顯降低；將小麥—玉米輪作面積的20%、40%、60%和80%改為棉花種植后，全縣ET平均下降了 1.96%、3.92%、5.89%和7.85%。

2.1.2 優化灌溉水量——以館陶縣為例

目前，館陶縣進行農業灌溉主要采用灌水定額的方式，每次灌溉相同的定額水量（70 mm）增加了無效蒸騰蒸發量（耗水量），造成了水資源的浪費。現利用工具進行館陶縣灌溉制度的優化，設置情景為：在館陶縣現狀灌溉水量基礎上分別將灌溉水量減少20%和50%，模擬結果如圖5-6所示。模擬結果表明：減少灌溉量對于降低ET作用顯著，在減少20%和50%的灌溉量后，ET可以降低的百分比分別為2.3%和12.6%。

2.1.3 調整灌溉水源——以肥鄉縣為例

肥鄉縣東北部為有咸水區，主要依靠開采深層地下水進行農業灌溉，造成深層地下水水位下降明顯。為實現GEF項目的農業灌溉深層地下水零開采目標，根據肥鄉縣水資源與水環境綜合管理規劃，設置了外流域調水治理方案情景：將肥鄉縣現狀條件下部分開采深層地下水進行農業灌溉的子流域（主要是有咸水區）改為外流域調水灌溉，外流域調水量約3 000萬m3。以2002年枯水年份模擬結果為例說明外流域調水對地下水位變幅的影響，如圖7-8所示。

圖7 現狀深層地下水水位降幅分布

從以上的模擬結果中可以看出，通過引用外來水源對于改善肥鄉縣東部地區的有咸水區地下水位效果顯著：外流域調水主要用來補充有咸水區深層地下水開采，因此以舊店鄉、東漳堡鄉為代表的鄉鎮深層地下水位在外流域調水后得到明顯回升；而毛演堡鄉外流域調水量相對有咸水區偏少，使得水位仍呈下降趨勢，但是下降幅度也有所減緩。外流域調水對西部以開發淺層地下水為主的鄉鎮略有影響，但影響不大。

2.2 治污措施情景模擬

2.2.1 點源治污情景——以涉縣為例

涉縣是一個以工業為主的項目縣，縣內工業廢水排放量高，工業點源污染嚴重。針對點源污染現狀，從改善涉縣水環境質量出發，共設置以下兩種情景，并選擇匡門口水文站進行統計分析。

情景1：重點企業污水按污水排放二級標準排污，即COD排放濃度為120 mg/L、氨氮排放濃度為50 mg/L。

情景2：重點企業污水按污水排放一級標準排污，即COD排放濃度為60 mg/L、氨氮排放濃度為15 mg/L。

模型模擬各種情景下的氨氮和CODMn削減變化情況如圖9所示。

從圖9中可以看出，按二級污水排放標準進行排污，匡門口模擬結果與現狀相比，COD濃度削減了25%，氨氮濃度削減了55%；按一級污水排放標準進行排污，與情景1相比各水質指標濃度進一步降低，其中COD濃度相對情景1又削減了23.6%、氨氮濃度相對情景1又削減了31.0%。

2.2.2 面源治污情景——以臨漳縣為例

臨漳縣是以農業為主的項目縣，近年來隨著農藥化肥的大量施用，農業面源產出日益增多，加速了當地的環境惡化。從降低面源產出、改善生態環境角度出發，在臨漳縣現狀施肥量基礎上設置了兩類情景：將現狀施肥量分別減少20%、40%，有機氮、有機磷的產出對比結果如圖10-11所示。可以看出，施肥量減少20%和40%后，臨漳縣有機氮、有機磷產出較現狀均降低較為明顯；尤其是施肥量減少40%以后，在豐水年份有機氮的產出減少了30%左右，而有機磷的產出高達40%以上。

3 工具效益分析

基于項目縣基礎信息，利用縣級水資源與水環境綜合管理工具分別構建了符合各項目縣實際情況的分布式模擬模型，模擬分析了各種規劃方案對改善地下水位、修復生態環境帶來的積極影響，為各項目縣規劃方案的順利制定提供了強有力的分析平臺，取得了十分顯著的經濟社會環境效益。

（1）經濟效益：應用縣級水資源與水環境綜合管理工具，在短時間內對項目縣及IWEMP承擔單位提出的大量節水和治污措施進行了情景模擬分析，提高了規劃制定的工作效率，降低了工作成本，為各項目縣帶來了顯著的經濟效益。

（2）社會效益：各項目縣通過實施水資源與水環境綜合管理工具，收集了縣內水資源、水環境以及農業管理措施等方面的大量數據信息，提高了各縣水資源與水環境的信息化管理水平，并為其他相似項目縣提供了技術參考和借鑒經驗，帶來的社會效益明顯。

（3）環境效益：應用縣級水資源與水環境綜合管理工具對各項目縣的水量水質狀況進行了評價，基于評價結果協助IWEMP承擔單位制定了不同的節水治污措施，這些措施有利于改善各項目縣生態環境，確保各項目縣水資源與水環境可持續發展的目標，將在今后很長時期產生巨大的環境效益。

4 結論

基于SWAT2000源代碼開發的縣級水資源與水環境綜合管理工具，可根據項目縣土壤、土地利用、水利工程等下墊面信息構建分布式水文循環模型，實現對不同管理措施節水治污效果的情景預測，并具有界面友好、操作方便等特點，可以滿足我國縣級層面的水資源與水環境管理需求。

工具作為縣級水資源與水環境綜合管理規劃的核心管理平臺，已經在河北省臨漳縣、館陶縣、涉縣、肥鄉縣、成安縣及德州市德城區得到了廣泛應用，應用結果為項目縣規劃方案的制定與選取提供了科學依據。通過工具在規劃制定中的應用，促進了項目縣地下水位的改善、生態環境的修復，其帶來的社會經濟環境效益顯著。在今后的工作中，將會結合水資源管理實際，進一步加強工具后期維護與技術支持工作，以保證工具持續運行和推廣應用，發揮更大的效益。

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[3]李丹，薛聯青，郝振純.基于SWAT模型的流域面源污染模擬影響分析[J].環境污染與防治，2008，30（3）：4-7.

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