SWAT模型在我國水生態文明建設中的應用

戴 勁，章 浩 (首都經濟貿易大學城市經濟與公共管理學院，北京100070)

近年來，生態文明建設逐步融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設的各個方面。生態文明建設是人與自然和諧發展、環境友好型經濟發展的必要條件。水是生命之源，生產之要，生態之基。我國水生態問題十分嚴峻，水資源數量有限、質量較低、生物多樣性退化等一系列問題仍未得到有效解決。由于水生態具有污染物難以實時監測、流域水質水量影響因素復雜等特點，對區域水系進行徑流量、物質循環、水土流失等方面的量化研究能直觀、有效預測一定期限內水生態系統的基本狀況。SWAT模型在模擬流域徑流量、污染物負荷、土地利用的水生態影響等方面的研究已經有了一定成果，能較準確預測流域基本狀況，對農業生產中農藥化肥投入量進行科學指導。筆者分析了國內水生態主要問題，根據SWAT模型在以往的各種模擬、研究中的成果，提出在水利工作、規劃工作中普及SWAT模型的使用與發展，地方水利、規劃部門開發適用于各個地區的新模塊以適應不同地區不同流域，為水生態文明建設提供技術基礎、科學建議和規劃基礎。

1 水生態文明及其建設迫切性

1.1 水生態及其功能 1936年Arthur Tansley提出生態系統的概念，生態系統是指在一定的空間內生物成分和非生物成分通過物質循環和能量流動而互相作用、互相依存而構成的一個生態學功能單位［1］。水生態是從生態系統中細分出來的具體的一部分，無論在物質循環還是生命新城代謝的過程中，水都占據著不可替代的地位。總的來說，水生態可以被概括為環境水因子對生物的影響和生物對各種水分條件的適應。根據生態學的概念，可以簡單將水生態的功能總結為3個主要功能:一是為水生生物提供生存環境和物質基礎;二是為區域內生物提供水資源;三是調節區域氣候。歐陽志云等根據水生態系統所提供服務的類型、機制及效用，把水生態系統的服務功能劃分為提供產品、調節功能、文化功能和生命支持功能四大類［2］。支持功能是各項功能的基礎;提供產品的功能主要是人類對水資源利用方面，水生態將水提供給人類使用，進行生產生活;調節功能主要是水生態對整個生態系統、整個環境的調節功能;文化功能則是水系、流域產生的不同文化產物及旅游產業。

1.2 水生態問題 現代人類生活發展對水資源的需求遠遠大于農業社會時期，隨著社會的發展、工業化進程和城鎮化進程的加速，人類活動導致水資源減少、水污染加重、水生物多樣性減少，逐漸超出了水生態系統的自我調節能力范圍。我國水生態問題主要體現在水資源數量有限、質量不高和生態系統退化等方面。

1.2.1 水資源數量有限。我國人口眾多，人均資源數量有限。粗放型發展模式導致水資源利用效率較低，水資源浪費嚴重。據統計，2013年我國水資源總量約為27 957.86億m3，占世界徑流資源總量的6%;由于人口眾多，我國是用水量最多的國家，當前我國人均水資源占有量為2 059.69 m3，僅為世界人均占有量的1/4，排名百位之后。從2008年開始，水資源利用效率明顯下降。在空間上，我國東、中、西部水資源利用效率處于3個明顯不同級別，東部省份水資源利用效率最高，平均水平為0.8左右;其次是中部，平均水平為0.6左右;西部水資源利用效率最低，平均水平為0.4左右［3］。我國水環境中生物多樣性也隨著水量減少、水質下降等因素逐漸下降。以北京市為例，近年來區域內野生魚類種類數量銳減。據統計，20世紀70年代末～80年代初之前，區域內尚可見到土著魚類70種左右，到2010年已降至30多種［4］。北京及其鄰近地區原生野生魚類消失率統計見表1。北京曾經也是生態環境友好的城市，如今不僅流域面積銳減、水生生物多樣性大幅度減少，而且城市及周邊農村生態景觀發生較大變化。

表1 北京及其鄰近地區原生野生魚類消失率

1.2.2 水資源質量不高。水體生物多樣性降低使水體的凈化能力減弱。我國水質問題主要體現在3個方面:流域水質不高;有的河段水體有機物污染嚴重;飲用水安全受到威脅。環保部監測結果顯示，2014年我國地表水劣V類水占10%，部分流域污染更嚴重。流經城鄉交界處等地區的流域管理不善，有機污染物含量很高，常出現“黑臭”水體。水污染導致的飲用水安全問題頻頻出現，突發事件直接影響居民健康。

1.2.3 生態系統退化。水生態問題導致水生態調節功能的下降。水資源數量減少，沼澤、濕地、湖泊面積縮小，河道干涸，水生態對氣候的調節能力降低，水生生物失去棲息地，導致生物多樣性減少，水體自我調節功能隨之削弱，難以應對日益嚴重的水污染問題，產生惡性循環。

1.3 水生態文明建設的迫切性 水生態文明是源自于人類社會的概念，是聯系水生態系統與人類活動、社會發展、經濟發展的思想紐帶。左其亭把水生態文明定義為人類遵循人水和諧的理念，以實現水資源可持續利用，支撐經濟社會和諧發展，保障生態系統良性循環為主體的人水和諧文化倫理形態［5］。王文珂認為，水生態文明是以科學發展觀為指導，遵循人、水、社會和諧發展客觀規律，推動經濟社會發展與水資源和水環境承載力相協調，建設永續的水資源保障、完整的水生態體系和先進的水科技文化所取得的物質、精神、制度方面成果的總和［6］。水生態文明的建設是人類主觀意識對自然的積極改造。在水資源利用規劃、水污染防治、水生態系統修復等工作中，水生態文明建設的思想貫穿其中。陳進認為，水生態文明建設的主要目標可以概括為3個方面:人民的生命安全和幸福生活、水資源可持續利用、水生態系統良好［7］。主要目標人與自然和諧，人與人在利用自然、保護自然過程中的和諧。水利部提出的水生態文明建設的指導思想中要求，把生態文明理念融入到水資源開發、利用、治理、配置、節約、保護的各方面和水利規劃、建設、管理的各環節［8］。這就需要在水資源的各個環節都有良好的檢測與控制系統，要求在水源保護、污染防治、生態修復等一系列問題中都能得到實時監控。無論是水資源數量的匱乏還是水資源質量的下降，最后都直接影響人類的生存與發展，倡導水生態文明建設是我國人民發展，保障國家水安全的有效途徑。只有在水生態文明建設的要求下，才能實現人與水生態系統、乃至整個生態系統的和諧統一。

2 SWAT模型及其應用

2.1 SWAT模型開發與結構 SWAT(Soil－Water－Assessment－Tool)模型由美國農業部(USDA)農業研究中心Jeff Arnold博士開發。該模型開發的最初目的是在具有不同土壤類型、土地利用和管理條件特征的大尺度復雜流域內，預測評價土地利用管理等人類活動對流域水循環、泥沙、農業污染物質遷移的長期影響和作用。模型主要由3個子模型構成:水文過程子模型、土壤侵蝕子模型和污染負荷子模型。其中，水文過程子模型包括水文循環陸地階段、水文循環演算和水文循環的匯流階段3部分。模型基于物理機制，且介于物理與概念之間，具有很強的物理基礎，能夠考慮天氣、土壤性質、地形、植被、人類土地管理的綜合作用，同時能夠靈活處理各種復雜應用條件。由于介于物理－概念模型之間，為半分布式模型，使該模型計算效率較高，可以模擬較大的流域或多種管理方案。模擬水文循環陸地部分是一個十分復雜的過程，受到許多因素影響，該部分由水文、天氣、沉積、土壤溫度、作物產量、營養物質和農業管理等部分組成(圖1)。

2.2 SWAT模型應用 SWAT模型能夠考慮天氣、土壤性質、地形、植被、人類土地管理的綜合作用，能夠靈活處理各種復雜應用形態。

2.2.1 徑流影響因素解析。水文循環是一個較為復雜的過程，氣候、植被覆蓋等因素都會對水文循環產生很大影響，但這種影響不是直觀的，通過SWAT模型的模擬可以直觀反映這些因素變化對水循環的影響。2000年以來，SWAT模型在我國的流域模擬中就不斷被證明能很好地預測流域徑流。張利平等認為，SWAT模型基本上反映了白蓮河流域的徑流過程，模擬出來的流量過程與實測的總體趨勢一致［9］。劉晉等對比了SWAT模型與典型集總式水文模型新安江模型的徑流模擬能力，結果表明，SWAT模型在錢塘江支流密賽流域的月尺度徑流模擬中更具優勢，由此可見SWAT模型在我國徑流模擬中具有良好的適應性［10］。Li等在氣候變化對黃土高原黑河流域水資源影響的評估與調控的研究中，認為水文過程要結合降水、溫度和CO2濃度等多個要素的共同作用，降水變化通常會被放大到徑流變化中;溫度的變化對飽和水汽壓、雪的消融和積累以及蒸散等變量的影響十分顯著;CO2濃度升高將直接改變植物生長并進而影響水文狀況［11］。于磊等對漳衛南流域的模擬結果顯示，隨著流域降水量增加，流域騰發量、徑流量和產水量相應增加;隨著流域氣溫增加，騰發量相應增加，但徑流量和產水量相應降低［12］。朱利等研究了漢江流域徑流及實際蒸發的響應，分析指出漢江流域降水變化對水資源的影響要大于氣溫變化對水資源的影響［13］。王磊等在氣候因素對蒲河流域徑流模擬影響的研究中，驗證了降雨因素比氣溫因素更顯著地影響河流流域的徑流變化［14］。徑流量的變化不僅是各個因素分別產生的影響，更多情況下是多個因素共同作用的結果。面對各種不同復雜因素的影響，SWAT模型都能較好地模擬并預測流域徑流量等數據，適合于長時間尺度下水文循環和物質循環研究，能為流域規劃和管理提供決策依據，及時了解流域徑流量變化的原因，有利于提高經濟可持續發展的綜合效益，對該地區生產生活用水計劃、洪澇災害預防、水庫調度、航運等方面也起到重要作用。

2.2.2 流域物質循環模擬。SWAT模型不僅模擬水循環過程，還能以水循環為載體，模擬水土流失、營養物質輸移、農藥、病原菌等物質循環過程。水文循環部分中，營養物質、殺蟲劑、農業管理等模塊也在我國有很好的實踐。史偉達等以我國南方典型水稻種植區漳河灌區的小流域作為研究區域，基于改進的SWAT模型，模擬分析了不同施肥制度下氮磷負荷的排放規律，結果表明，減少水稻田的施肥量和增加施肥次數可以有效地降低稻田氮磷污染負荷的排放量以及楊樹垱水庫的入庫負荷［15］。程紅光等運用SWAT模型成功模擬了我國黑河流域NH3-N流失量，并對不同土地利用類型的各子流域氮元素在不同降水條件下的入河系數進行研究［16］。黃仲冬在對寧夏青銅峽灌區典型排水區域——西排水溝的農田退水污染監測試驗中設定了6種施氮情景，灌溉等其他管理措施相同的情況下，利用校準后的SWAT模型計算了不同情景下稻田退水中單位面積的TN負荷和產量(表2)。由表2可知，情景3(減氮20%)的收益較大，與現狀條件相比，其TN負荷減少了24.3%，而產量僅降低了4.4%，且產量在9 000 kg/hm2以上，對該研究區域糧食產量也是一個保證［17］。SWAT模型利用 GIS技術，能對流域系統中的非點源污染進行模擬，通過對污染過程的定量描述，分析非點源污染產生的時空特征，發現污染物的來源及擴散路徑，并預測污染物對水體產生的負荷。利用這種模擬計算評估土地利用方式及管理手段、技術措施的變化對非點源污染負荷和水體的影響。

表2 不同施氮量條件下稻田單位面積TN負荷和產量kg/hm2

2.2.3 土地利用的生態影響模擬。不合理的土地利用方式及農業生產的污染等因素，會導致流域水量的下降及水資源質量惡化。自 2004 年，郝芳華等［18］、陳軍峰等［19］分別研究了土地利用方式對產流產沙的影響及不同植被覆蓋的情況下徑流深與蒸發量的變化。趙永宏等在對我國農業面源污染現狀與控制技術的研究中提出，利用遙感及全球定位系統獲取的數據，可為污染治理提供準確、可靠的信息。利用模型模擬各影響因子以及非點源污染的空間分布，對不同條件下的污染狀況進行識別和管理的技術措施在控制面源污染面源的工作中發揮重要作用［20］。陳軍鋒等通過SWAT模型對梭磨河進行水量計算，結果表明，當土地覆被情況由沒有植被轉變為全部有林地覆蓋時，蒸發量增加，徑流深減小［21］。張皓天等研究了流域內1993～2001年不同土地利用類型非點源污染單位面積負荷，結果表明，不同土地利用類型的非點源污染負荷量不同，耕地的單位面積非點源污染負荷最高，疏林地次之，林地、草地等其他土地利用類型較小，這與李俊然等［22］的研究結果一致。因此，退耕還林、等高耕作等水土保持措施［23］，注意耕地中農藥化肥的合理施用［24］，能有效控制區域內非點源污染。郝振純等在對阜平流域的研究中發現，多年降水量變化不顯著，而徑流量呈顯著下降趨勢，主要原因是流域林地面積增加(草地轉林地)［25］。由此可見，土地利用方式不合理極易造成生態失衡，在土地利用規劃工作中，要正確認識人類活動對生態系統、水文環境的影響，兼顧水生態效益和經濟效益發展。借助SWAT模型對因素變化進行模擬，可以直觀反映在土地利用過程中農業活動對水質的影響，為決策者及規劃部門提供了科學的發展建議。與點源污染相比，非點源污染起源于分散、多樣的地區，地理邊界和發生位置難以識別和確定，隨機性強、成因復雜、潛伏周期長，因而防治十分困難。模型輸入變量易于獲取，所需基本數據基本可以通過政府部門獲得，大大降低了傳統面源污染防治帶來的人力、財力、物力投入。

3 SWAT模型在水生態文明建設中的應用

3.1 加強徑流量預測，做好水資源利用規劃 我國水資源數量貧乏，水資源利用效率較低，存在大量浪費現象。然而水資源數量匱乏的問題是持續存在的，沒有立竿見影的辦法，因此不同地區流域徑流量預測變得十分重要。根據模擬結果，科學安排水利工程、工作，計算資源承載能力。隨著模型使用的普及，各個區域建立起越來越全面、完整的氣象、土壤等參數數據庫，氣象情景預測、日降雨細化分布等模塊，對未來徑流量預測都能得到較準確的模擬結果。在流域徑流量發生較大變化時，利用模型找到主要影響因素并及時作出反應。在對流域整體進行分析時，利用模型計算匯流時間，對防洪防災建設和水電工程設計也有非常重要的指導作用。對地下水蓄水量及枯水季徑流進行模擬，對地下水水位變化進行監測，保證區域水資源數量。根據徑流量預測結果，協調區域調水工作，制定用水規劃，加強區域間資源互補，協調區域發展。

3.2 加強污染物質循環模擬，做好水污染防治規劃 點源污染通常有固定的排污口集中排放，在包括我國在內的許多國家已經得到較好的控制和治理;而非點源污染從非特定的地點，在降水(或融雪)沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體(包括河流、湖泊、水庫和海灣等)，并引起水體的富營養化或其他形式的污染［26］，由于涉及范圍廣、控制難度大，目前已成為影響水體環境質量的重要污染源。SWAT模型對流域水質進行評測時，點源污染根據已知的排污口，添加到模型中可計算出污染物在整個流域中的影響，并以流域污染物含量變化為準調整企業排污量標準。生活污水排放點也是運用該方法，規劃合理的排放口布局，緩解區域流域水環境壓力。并能根據流域水質監測及時發現違規排污事件，有效處理整治。對水體氮磷含量進行監測，對農業生產肥料投入量、禽畜養殖廢物排放等農業生產過程中帶來的土地及水體污染有全面的了解。根據區域水體物質循環檢測結果，指導農業生產中合理使用肥料，對農業生產、農村生活污染物處理水平有了更高的要求。

3.3 加強水土結合模擬分析，做好土地利用規劃 土地利用方式不合理導致水土流失、河道干涸，這在我國西北地區十分常見。合理的土地利用方式無論對土地還是水資源保護都有重要意義。利用SWAT模型對水土流失進行模擬，得到現階段土地利用方式對未來可能造成的結果，為規避不良結果提供科學的意見。根據多年來SWAT模型的模擬結果，已經得到不同土地利用方式下不同植被覆蓋密度對流域徑流量的影響。在水資源問題嚴峻的地區，用水安全的重要性遠高于土地利用帶來的經濟效益。SWAT模型可對不限數量的水庫進行模擬，對區域水庫建設規劃提供了可靠依據。模擬出各個區域(水文響應單元)水土流失和泥沙的產生，預測降水和徑流產生的土壤侵蝕量，為土地沙化嚴重的干旱地區水利工程建設提供建設性的指導意見。不僅在水利工程方面，在農業耕種活動中，通過試驗找到生態效益和經濟效益的綜合效益最大化時的生產模式，規劃農村土地使用強度、輪作次數以及區域禽畜養殖用地合理定位。以模型模擬結果作為農業種植建議，向農民、承包戶提出生態文明建設的要求，促進農業可持續發展。

3.4 加強SWAT模型應用開發，建立技術平臺 SWAT模型的模擬可以根據不同地區不同氣候條件、土壤條件，設定不同的計算方式。我國國土面積大，各個地區土地、水系狀況有顯著差異。各個地方利用該地氣候狀況、土壤狀況、土地利用狀況等基礎數據，對SWAT模型進行適應于當地的計算方法。通過對往年水生態狀況的模擬進行參數率定，選取合適的模型參數，運用到以后的預測工作中。各個地方水利、規劃部門組建技術團隊，區域間建立技術平臺，可以及時分享模型開發成果，為相似的地區、流域提供技術共享。對于一個地區來說，模型開發、建立技術平臺的工作量十分客觀，但是對未來的用水規劃、用地規劃、水生態修復等工作都有重要意義，是我國建設水生態文明的重要途徑。

4 結語

目前我國SWAT模型在水生態中的應用仍然不夠。水生態文明建設過程中，利用SWAT模型可以及時準確地對水資源數量、質量進行控制，對相關經濟活動進行合理規劃，無論是水利工程規劃、土地利用方式及強度規劃，還是水資源污染監測，SWAT模型都可以提供量化的科學依據。在水生態文明的建設過程中，規劃部門應更普及SWAT模型配套設施，加強基層工作者對SWAT模型的學習，掌握模型開發技術。根據我國各區域的現實狀況對模型進行開發設計，更好地為我國水生態系統模擬、預測服務，促進我國水生態文明建設的發展。

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