基于二元水循環的水量-水質-水效聯合調控模型開發與應用

裴源生，許繼軍，肖偉華，楊明智，，侯保燈

（1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.長江水利委員會長江科學院水資源綜合利用研究所，湖北武漢 430010）

1 研究背景

用水總量、用水效率和水功能區納污總量三者之間相互聯系、相互影響，存在著“此消彼長”或“同消同長”的動態響應關系［1］。人類生產活動打破了原有的自然水循環演變規律，產生了以取-用-耗-排水為特征的人工側支水循環通量與路徑，同時也改變了氮、磷等營養物質在大氣、土壤、水體中的遷移轉化過程，使水循環附有了顯著的“自然-人工”二元特性［2］。人為地割裂二者之間的聯系必然難以準確描述人工擾動下的水循環及其伴生的水化學過程，影響“三條紅線”控制指標確定結果的科學性與合理性。只有將最嚴格水資源管理制度與對二元水循環的認識與研究相結合，深入研究人類活動干擾情況下的水循環規律，才能對“三條紅線”進行科學制定。這涉及經濟社會發展模擬、河流水質過程模擬、水循環以及與之緊密聯系的供-用-耗-排水過程模擬等多個方面。因此，開發出基于物理機制的、可操作性強且功能完善的二元水循環模型工具是科學合理地劃定“三條紅線”控制指標的必要手段。

水文模型已成為探索復雜水循環機理的有效工具，在水資源管理、人類生產活動對水循環的影響等方面的研究中發揮了不可替代的作用。目前具有代表性的水文模型有SWAT模型［3］、MODFLOW模型［4］，MIKESHE模型［5］和VIC模型［6］等。隨著人類活動對水循環干預的增強，傳統的水文模型已經難以適應這種基于強人類擾動過程的精細化模擬需求。眾多專家學者開始嘗試在傳統的水文模型框架上尋求新的突破。部分學者通過改進原有的水文模型，增加人工用水模塊［7-9］，研究人類擾動下的水循環演變規律；部分學者通過自主研發，在模型設計中將自然水循環模擬與人工取-用-耗-排水過程模擬相耦合，先后提出了多種分布式水循環模型。如賈仰文等［10］提出了WEP-L模型，在黃河流域進行了應用；趙勇等［11］提出了適用于平原區的分布式水循環模型WACM，在寧夏地區進行了應用；陸垂裕等［12］提出了面向OPP 的分布式模型MODCYLE，并先后在海河、淮河等地區進行了應用［13-14］；桑學鋒等［15-16］將水文模擬和人工調配模擬相結合，構建了概念性分布式水資源綜合模擬與調配模型WAS，實現了自然-社會水循環過程的實時聯動互饋模擬。

SWAT模型是目前最為經典的、在世界范圍內使用最廣的分布式水文模型之一［7］。SWAT模型不僅能夠利用遙感和地理信息系統提供的空間信息模擬流域中復雜的徑流、蒸發等水文過程，而且可以模擬氮、磷等多種營養物質從陸面到河道的遷移、降解與轉化過程，分析農業面源污染、水土流失、營養物質的遷移轉化和大規模農業管理活動等［17］。強大的功能是SWAT 模型在世界范圍內的諸多科學領域被使用的重要原因。盡管如此，SWAT模型在一些功能方面存在著不足，難以滿足本研究的需求，主要有以下幾點：（1）SWAT 無法體現經濟結構調整、節水與減排等措施對國民經濟用水、污染排放的調控。因為SWAT 模型無法直接使用經濟社會數據，只能以人工用水量、點源排放量作為邊界條件進行輸入。用戶必須事先做好調查統計，確定用水總量和排污總量，再細化分配到每個供水水源和點源中，這樣的處理方式不僅操作繁瑣，還極易造成誤差。（2）SWAT對社會水循環模擬刻畫不足。雖然SWAT在自然產匯流方面有著較好的模擬效果，但SWAT對人工“取-用-耗-排”過程模擬有著明顯短板。模型不考慮用水戶分類，僅以水源取水量作為邊界條件進行輸入，且取水設計不考慮年際變化，只取一個多年平均值，這在高速經濟發展地區的應用中會產生較大誤差［7］。（3）SWAT只能采用天然子流域劃分方法。這種以自然分水嶺線的延伸方向劃分的方法可以合理反應地貌特征，但是天然子流域邊界、行政區邊界、灌區邊界之間相互交疊，并不重合。這導致所劃分的計算單元在空間位置上與行政區、灌區邊界難以對應，對行政區和灌區用、排水模擬產生影響。（4）SWAT模型不統計人工用水量和河道水質情況。模型計算的人工取用水量僅是水文過程模擬中的過程量，并不作為最終結果進行統計與輸出；模型雖然輸出河道斷面水質濃度，但斷面是否達標需要人工檢驗，對數量眾多的監測斷面進行一一判別，工作量繁巨。

基于以上方面的不足，本研究對SWAT模型進行改進，以期實現以下3個目標：

（1）銜接性目標：通過增加經濟社會模塊與人工用水模塊，實現需-供-用-耗-排水的銜接模擬；

（2）可調性目標：通過節水與減排預案設置，實現模擬過程對用水總量和排污量的調控；

（3）便捷性目標：通過增加河道水質判斷功能，實現水功能區水質達標智能判別與結果輸出。

本文針對SWAT 模型在人工側枝水循環模擬方面的不足，在現有模型的基礎上進行改進，開發基于SWAT 的水量-水質-水效聯合調控模型（Water Amount，Quality and Efficiency Regulation model based on the SWAT，SWAT_WAQER）。通過經濟社會模型、水文模型與人工用水模型的耦合，使其具有經濟社會發展與需水預測模擬、自然-人工水循環耦合模擬、水量水質聯合模擬等功能。并以廣西南流江流域為研究對象，通過模型分析國民經濟用水量、污染物入河排放量、水功能區水質達標情況，劃定2030年“三條紅線”控制指標，為落實最嚴格水資源管理提供科學支撐。

2 模型開發

2.1 模型結構SWAT_WAQER 模型由經濟社會模塊、水文模塊和人工用水模塊三個子模型耦合而成。經濟社會模塊以人口增長、經濟發展和用水效率信息作為輸入條件，計算并傳遞經濟社會需水量，可以靈活體現調控決策對經濟社會用水需求的調節；人工用水模塊以需水數據和設置的污染排放預案作為邊界條件控制水與污染物質在人工調控下的輸運過程，提供實時的取、用、耗、排水和排污等社會水循環信息，傳遞給水文模型；水文模型以SWAT 模型為基礎，通過設置灌溉預案，對人工取-用-耗-排調控后的水量和水質做出響應，刻畫水循環過程和各時段轉化通量。三個模塊有機結合，通過信息交互，構成了完整的自然-人工水循環模型。三個模塊的耦合關系見圖1所示。

三個子模型的基本功能如下：（1）經濟社會模塊。通過輸入的人口與經濟發展預案和用水效率預案驅動模塊運行。經濟社會模型以行政區劃為基本單元，通過輸入行政區人口與經濟數據，進行人口和宏觀經濟發展預測，并且將行政區數據進行時空展布并傳遞到水文模型的子流域上，展布結果與所輸入的生活、工業、農業用水效率數據計算各單元的需水量。（2）水文模塊。水文模型由SWAT 的各水文模塊組成，通過輸入氣象信息、下墊面信息以及灌溉預案信息模擬區域的徑流、蒸發、入滲、營養物質輸移等復雜的水循環及伴生過程。（3）人工用水模塊。將水、污染物質在模擬過程中傳遞關系進行清晰描述，實現逐日的人工取、用、耗、排水數據傳遞，真實體現經濟社會活動對水循環的影響。

圖1 模塊的耦合關系

2.2 耦合方法

（1）計算單元劃分。水文模型的常見的計算單元劃分方式有地貌單元劃分法（如WEP模型）、自然分水嶺劃分法（如SWAT 模型）［18］等，都有各自的優點。地貌單元劃分法可以合理地反應研究區的地貌特征，自然分水嶺劃分法以山脊線作為匯流邊界，這些方法對模擬流域的河道徑流過程是合適的。但水文模型以自然分水嶺線的延伸方向劃分天然子流域，灌區、行政區邊界和水功能區邊界一般不與自然地貌重合。這導致所劃分的計算單元在空間位置上與行政區、灌區邊界難以對應，影響行政區和灌區的用、排水過程模擬。本次采取子流域-灌區-行政區-水功能區嵌套式計算單元劃分方法。該方法既能體現傳統水文模型的計算單元劃分特點，也能滿足流域與行政區水資源管理的需求。灌溉農田大多集中在水利工程和配套工程體系較為完善的灌區范圍內，因而需要對灌區范圍進行識別，即根據灌區的分布，將灌區與已劃分好的子流域進行疊加，以便于識別灌溉農田范圍，保證灌溉面積的模擬準確性；考慮到經濟社會信息都是以行政區為單位進行統計的，行政區疊加便于將行政區經濟社會信息數據展布以及后續的水功能區水質達標識別，進一步將天然子流域套上行政區和水功能區邊界，并將分割后的子流域賦予相應的灌區、行政區及水功能區屬性。計算單元劃分流程見圖2所示。

圖2 計算單元劃分流程

（2）經濟社會模塊與水文模塊的耦合。由于我國社會經濟數據（如城鎮人口、工業和服務業產值、農村人口、牲畜數量等）都是以行政區為單位進行統計和對外發布的，故經濟社會模型以行政區劃為基本單元進行經濟社會數據輸入。根據行政區內的城市、鄉鎮、農村居工地分布和面積比例進行數據分解，并將分解的數據展布到相應的子流域上，同時考慮到了城市和鄉鎮人口密度的不同，引入權重因子對城市和鄉鎮人口數量、工業和服務業產值的分配進行適當調整。將經濟社會數據分配到各子流域上后，根據輸入的城鎮居民生活用水定額、農村生活用水定額、萬元工業增加值用水量等用水效率參數進行需水量計算，獲得子流域需水量。需水量數據將傳遞到水文子模型的水源模塊進行取用水模擬。數據的空間展布流程見圖3所示。

（3）人工用水模塊與水文模塊的耦合。人工用水模塊可以對取水、用水、耗水、排水、排污等社會水循環過程進行詳細刻畫（圖4）。模型以子流域為單位指定取水水源（河道水、水庫水、地下水、流域外水源），每個子流域根據當日用水需求從指定的水源進行取水，經濟社會模型將計算的需水量數據傳遞給水文模型的水源模塊（河道模塊、水庫模塊、地下水模塊和外調水模塊等）進行取水計算；水源模塊將供水數據傳遞回人工用水模塊，通過用水模塊計算子流域內的各類行業分配水量，之后數據依次傳遞給耗水模塊和排水模塊進行耗水量、排水量和排污量計算；最后，排水、排污數據將傳遞給水文模型的點源和面源模塊，進行污染排放計算。模型設定污染排放存在時間差，數據采用錯日傳遞，也即是將產生的污水安排在下一日模擬時排放。

圖3 行政區經濟社會數據空間展布

圖4 取-用-耗-排水銜接計算流程圖

2.3 主要原理

（1）經濟社會發展預測。包括人口發展預測、宏觀經濟發展預測以及畜禽增長預測等內容。模型根據預測年數和增長率來計算指定未來年份的人口和GDP發展結果，城鎮人口數量根據未來年城鎮化率計算，三次產業的產值將根據產業結構進行劃分。作物播種和灌溉模擬需要在水文模型構建過程中實現，不再設置農業播種面積與灌溉面積預測功能。

未來行政區人口發展數量采用指數發展模型預測：

式中：m為行政區代碼；Pt為預測年t的人口數量，萬人；P0為基準年的人口數量，萬人；am為行政區m的人口綜合年均增長率；n為預測年數；Purb,m,t、Prur,m,t分別為行政區m在預測年t的城鎮、農村人口數量；ηm,t為行政區m在預測年t的城鎮化率。

未來行政區GDP總量也采用指數發展模型預測，預測模型公式為：

式中：m為行政區代碼；GDPt為預測年t的GDP總量，億元；GDP0為基準年的GDP總量，億元；γm為行政區m的GDP年均增速（以不變價計）；n為預測年數。

模型通過行政區的產業結構預測第一產業、第二產業和第三產業的增加值，計算如下：

式中：m為行政區代碼；GDPt為預測年t的GDP 總量，億元；GDP1、GDP2、GDP3分別為預測年t的第一產業、第二產業和第三產業的增加值，億元；α1,m、α2,m、α3,m分別為行政區m的第一產業、第二產業和第三產業的增加值占GDP的百分率。

（2）需水計算。需水計算包括生活需水計算、工業需水計算、服務業需水計算和農業灌溉需水計算，均采用定額計算法。模型假定，除農業灌溉之外，生活、工業和服務業的日需水量在年內是恒定的。

生活需水包括城鎮生活需水和農村生活需水，均采用人均日用水量法進行計算，計算公式如下：

式中：i為行政區代碼，WDurban為生活用水量，m3；Popurban和Poprural分別為城鎮和農村人口，人；γurban和γrural分別為城鎮和農村人口用水定額，m3/人；θpipe,i為管網漏損率。

工業需水和服務業需水依據規劃年產業增加值和需水定額計算，計算公式如下：

式中：WDsec為工業/服務業需水量，m3；Addsec為產業增加值，萬元；ηsec為萬元產業增加值用水量，m3/萬元；θpipe為管網漏損率。

農田灌溉需水量是由SWAT 建模時所設置的灌溉日期、單次灌溉量和灌溉水有效利用系數決定，采用以下公式計算：

式中：WDIrr為灌溉用水，m3；m為灌溉作物的種類；Areai為第i種作物的灌溉面積，hm2；Irri為第i種作物的凈灌溉定額，m3/hm2；ηIrr為灌溉水有效利用系數。

（3）取水模擬。模型以子流域為單位指定其取水水源，每個子流域根據當日用水需求從指定的水源進行取水，實際取水量取決于當日需水量和水源的可利用水量。

式中：i為第i個子流域；j為第j天；WSP為取水量；WD為需水量；WS為水源的可利用水量。

（4）行業用水模擬。在取水后，子流域內各用水部門對水量的分配存在優先順序要求，設定用水優先序依次為生活用水、工業用水，最后是農業灌溉用水。程序根據取水量依次分配給各用水部門，直至分配完畢為止。用水計算步驟如圖5所示。

式中：i為子流域內優先序為i的用水部門；WSP為子流域的日取水總量；WD為用水部門的日需水量；WU為用水部門的日實際用水量。

圖5 人工用水計算流程圖

（5）耗水與排水模擬。各行業用水過程會出現水資源消耗，各部門的用水數據將依次傳遞到耗水模塊和排水模塊中，進行耗水和排水模擬。生活、工業和畜禽養殖耗水由用水量乘以耗水系數計算。排水包括生活污水、畜禽養殖污水、工業廢水和農田灌溉退水三部分。由于篇幅限制，這里列出排水計算過程如下：

其中：WRdom為生活日排水量，萬m3；WRind為工業日排水量，萬m3；WRani為畜禽養殖日排水量，萬m3；τurban、τrural、τind和τani分別為城鎮生活耗水率、農村生活耗水率、工業耗水率和畜禽養殖耗水率。生活和工業日排水量數據將傳遞給點源模塊進行排水模擬。

農田蒸散發和產流與氣溫、降水、灌溉、土壤性質及農田管理等多種因素密切聯系，SWAT_WAQER模型采用SWAT自帶的產流模塊和灌溉模塊模擬農田蒸散發和產流過程。

（6）污染排放模擬。污染物計算主要考慮城鎮生活污染、工業污染和農村生活污染。

城鎮生活污染排放量計算公式為：

式中：Pdom為生活污染日排放量，t/d；α為污水處理廠的污水處理率；c0為未處理的污染物排放濃度，mg/L，一般通過調查取值；c1為經過處理后的污染物達標排放濃度，mg/L；WRdom為生活污水日排放量，萬m3/d。

工業污染計算結合生產規模、工業耗排水和生產工藝等情況估算，排放濃度參考環保部門相關監測資料以及相應行業的污染物排放標準。計算公式為：

式中：Pind為工業污染物日排放量，t/d；α為工業廢水處理率；c0為未處理的污染物排放濃度，mg/L；c1為經過處理后的污染物達標排放濃度，mg/L；WDind為工業廢水日排放量，萬m3/d。

農村生活污染包括農村居民生活污染和畜禽養殖污染，通過計入施肥的方式進行模擬。

（7）水功能區水質達標識別。每個水功能區都有相應的水質控制目標，模型根據模擬的當月或當日河段出口斷面的水質濃度，識別其水質類別，判斷是否超過水質控制目標。如果超過，則判別當月/當日該河段斷面水質不達標；反之，則當月/當日該河段斷面水質達標，程序記錄達標次數；年度水功能區水質達標與否依據該水功能區的目標水質達標率進行判別。水功能區水質達標識別流程如圖6所示。

圖6 水功能區達標識別流程

3 案例應用

3.1 研究區概況將開發的SWAT_WAQER 模型應用于水資源開發強度大、水污染嚴重的廣西南流江流域，進行流域“三條紅線”控制指標劃分研究。南流江流域地處廣西壯族自治區東南部，全流域面積9565 km2（圖7），屬于南亞熱帶季風氣候，降水豐富，流域多年平均年徑流總量為74.94億m3（常樂站以上）。南流江流域境內共有北流市、玉州區、博白縣、合浦縣等10個市縣級單位。近十幾年，流域經濟社會發展十分迅速，2016年流域內人口為461.6 萬人，流域GDP為607.04億元，三次產業增加值比重為22.1∶41.4∶36.5。但由于水資源不合理的開發利用，流域內水環境狀況不容樂觀。通過對流域境內多個監測斷面的水質情況分析，Ⅲ類水斷面僅占評價斷面的12.5%，Ⅳ類水斷面達到62.5%，Ⅴ類和劣Ⅴ類水斷面占25.0%。超標污染物主要為氨氮和總磷。

3.2 模型構建

3.2.1 單元劃分 本文采取子流域-灌區-行政區-水功能區嵌套式單元劃分方法。首先，對南流江流域進行河網提取，根據地形情況劃分天然子流域。之后，將子流域依次套上灌區（圖8（a））、行政區（圖8（b））和水功能區邊界（圖8（c）），并將分割后的子流域賦予相應的灌區、行政區及水功能區屬性。最后，根據坡度、土壤類型及土地利用等情況完成水文響應單元劃分。通過以上處理，全流域共分成了269個子流域，4178個水文響應單元。子流域劃分結果見圖8（d）所示。

3.2.2 數據輸入 模型構建所需要的數據有空間數據，包括DEM數據（90 m×90 m），土地利用圖（1∶10萬）、土壤分布圖（1∶100萬）、行政區分布圖、灌區分布圖、水功能區區劃圖以及南流江流域水系圖等；氣象數據，包括靈山、玉林、欽州、北海4個站點的逐日降水、氣溫、風速、太陽輻射和相對濕度；水利工程數據，包括18座大中型水庫死庫容、興利庫容、總庫容等參數數據，小江水庫等3座大型水庫的逐月入、出庫流量數據；南流江流域國民經濟數據，包括各行政分區的人口、城鎮化率、GDP、產業結構、耕地面積和灌溉面積等；用水效率數據，包括城鎮居民生活用水定額、農村生活用水定額、畜禽用水定額、管網漏損率、萬元工業增加值用水量、灌溉水有效利用系數等；污染控制信息，包括城鎮與農村居民污染物排放強度、畜禽污染物排放強度、生活污水處理率、工業污染物排放濃度、工業廢水處理率等；橫江、博白、常樂水文站逐月流量數據；嶺塘、博白和常樂水質測站的水質觀測數據等。此外，還有與作物管理措施有關的灌溉制度、灌溉水源、農田耕作、施肥量等各項參數等。

圖7 研究區地理位置

3.3 模型校驗傳統水文模型的校驗一般采用觀測徑流校驗，按照SWAT_WAQER 模型的功能和特點，本文所構建的模型需要分別對河道徑流、水質、國民經濟用水量、水功能區水質達標等情況等進行校驗。

3.3.1 國民經濟用水校驗 SWAT_WAQER模型具有人工用水模塊，能夠根據輸入的經濟社會數據和用水效率數據進行用水模擬。有必要對國民經濟用水結果的合理性進行分析校驗。由于國民經濟用水數據以行政區為單位發布，缺乏南流江流域內各行政分區的連續資料，本次僅采用《南流江水量分配方案》報告中的2010年流域的國民經濟社會實際用水數據，對南流江流域的國民經濟用水量進行校驗，模擬誤差結果見圖9所示。可以看出，流域用水總量模擬誤差在5%以下，除浦北縣生態用水和農業用水、靈山縣的生態用水以及欽南區生活用水的模擬誤差高于10%以外，10個行政分區的各類用水指標模擬值與實測值誤差均在10%以內。欽南區、浦北縣和靈山縣的用水量相對較小，因此沒有影響流域的整體模擬結果，流域用水總量誤差很小。總體上，模擬結果基本能夠反映南流江流域實際用水情況。

3.3.2 徑流校驗 以橫江、博白、常樂為代表的南流江主要水文站實測流量數據為基準，取橫江站和博白站2002—2007年的月徑流數據進行率定，取2008—2016年的月徑流數據進行驗證；取常樂站2006—2010年的月徑流數據進行率定，取2011—2016年的月徑流數據進行驗證。校準結果如表1和圖10所示（篇幅限制，僅給出博白站校驗結果）。可以看出，南流江流域各水文站的月徑流模擬值與實測值流量過程線擬合程度較好。率定期月徑流模擬值和實測值的相關系數R2和納什效率系數Ens全部在0.75以上；驗證期內各水文站的納什效率系數Ens和相關系數R2也都在0.70以上，可以看出，模型的模擬效果較好，滿足模擬精度要求。

圖8 南流江流域

圖9 南流江流域國民經濟用水實際值與模擬值對比

3.3.3 水質校驗 在水文過程模擬合理的基礎上，再進行氨氮與總磷的模擬校驗。由于南流江流域各水質監測站點的資料有限，本次僅采用2010年為率定期，2014年為驗證期，對南流江流域的嶺塘、博白和常樂三個主要的水質測站有限的水質監測資料進行校驗。由于篇幅限制，僅給出常樂站校驗結果，見圖11所示。總體上，各水質測站的水質模擬值與實測值擬合程度良好，基本能夠反映各斷面水質濃度的變化過程。

表1 各測站的月徑流模擬結果

圖10 博白站的實測與模擬月徑流過程對比

圖11 常樂站的2010年和2014年水質模擬結果對比

3.3.4 水功能區水質達標判斷結果校驗 在水質模擬結果合理的基礎上，再進行南流江流域水功能區水質達標判斷結果校驗。本次采用南流江流域2010年水功能區水質達標實際情況進行校驗，SWAT_WAQER模擬結果與實際結果對比見圖12所示。從圖中可以看到，全流域26個水功能區中有24個水功能區的水質達標判斷結果與實際情況相符。可見，SWAT_WAQER 模型基本能夠反映水功能區水質達標的實際情況。

3.4 “三條紅線”指標劃分通過《廣西水資源綜合規劃報告》《廣西灌溉發展總體規劃報告》以及玉林、欽州、北海市的水資源綜合規劃報告等資料，搜集2030年玉林、欽州、北海市的社會經濟發展信息（主要包括人口數量、城市化率、工業產值、農業種植面積以及灌溉面積等），輸入到SWAT_WAQER 模型中。采用1957—2016年的長系列氣象數據驅動模型，對南流江流域2030年“三條紅線”控制指標進行劃分。設定的用水效率參數包括城鎮居民生活用水定額、農村生活用水定額、萬元工業增加值用水量、灌溉水有效利用系數等。

圖12 2010年南流江流域水功能區水質達標模擬與實況的對比

通過模型模擬，將得出各水功能區的水質達標情況與水功能區水質目標對比，判斷各行政區水功能區水質達標率。若水功能區達標率未達到目標值，調整工業和農業灌溉用水效率，重新進行模擬計算，直至實現該行政區的水功能區水質達標，此時計算出的用水總量和入河污染物排放量，即為該行政區的用水總量控制指標和污染排放總量控制指標。依照從上游至下游的原則依次調節各行政區，最終確定南流江流域2030年“三條紅線”控制指標，如表2所示。（1）用水總量控制指標。根據國民經濟發展目標和各區縣水資源條件，2030水平年南流江流域經濟社會平均用水總量控制指標為23.76 億m3，其中，玉林市、北海市和欽州市的用水總量控制指標分別為15.07 億m3、5.66 億m3和3.02億m3，各區縣的國民經濟用水總量控制指標見表2所示。（2）用水效率控制指標。2030水平年南流江流域萬元工業增加值用水量為63 m3，灌溉水有效利用系數為0.594。其中，玉林市、北海市和欽州市的萬元工業增加值用水量分別為64、66和48 m3，灌溉水有效利用系數分別為0.592、0.608和0.57。各區縣的萬元工業增加值用水量和灌溉水有效利用系數見表2所示。（3）污染排放總量控制指標。2030水平年南流江流域氨氮排放總量控制指標為1436 t，總磷排放總量為138 t。其中，玉林市、北海市和欽州市的氨氮排放總量控制指標分別為957、258和222 t，氨總磷排放總量控制指標分別為80、23和34 t。各區縣的氨氮和總磷排放總量控制指標見表2所示。

表2 南流江流域2030年“三條紅線”控制指標劃分結果

4 結論

本文通過改進SWAT 模型，開發了基于二元水循環的水量-水質-水效聯合調控模型SWAT_WAQER，使其在功能上和模擬方法上具有了鮮明的特色：（1）采用子流域-灌區-行政區-水功能區嵌套式單元劃分方法，很好地處理了天然子流域邊界、行政區邊界、灌區邊界互不重合的問題，方便了節水、污染控制等預案的設置、行政區用水統計以及水功能區水質達標識別；（2）耦合了國民經濟發展與需水預測模型，可以預測未來人口發展和國民經濟發展以及生活、生產需水；（3）實現行政區數據自動化空間展布，彌補了SWAT 模型無法體現經濟結構調整、節水與減排等措施對國民經濟用水、排污的調控的不足，使行政區數據細化到計算單元中，提高了建模效率和模擬精度；（4）通過添加人工用水模塊，實現了人工取水-用水-耗水-排水和排污過程的逐日銜接模擬，彌補了SWAT在人工側枝水循環模擬方面的短板，實現了自然-人工二元水循環耦合模擬；（5）實現了行政區國民經濟用水量的統計、水功能區水質達標自動識別的結果輸出；（6）本文將SWAT_WAQER模型應用于廣西南流江流域，劃分了流域2030年“三條紅線”控制指標，實現了最嚴格水資源管理制度的實踐與二元水循環理論的結合，提高了“三條紅線”的科學性與合理性。結果表明，SWAT_WAQER模型性能可靠，能夠輸出國民經濟各部門用水量、污染物入河排放量、水功能區水質達標判別等結果，可以作為科學制定區域“三條紅線”指標的有力支撐工具。