SWAT模型在海河流域水資源管理中的應(yīng)用

李建新，朱新軍，于 磊

（1.水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170；2.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300170）

1 引言

1.1 海河流域水資源利用現(xiàn)狀

海河流域地處京畿要地，是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展地區(qū)。屬于溫帶半濕潤(rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量535 mm，多年平均水資源總量370億m3，人均水資源占有量293 m3，屬于嚴(yán)重資源性缺水地區(qū)。海河流域以其僅占全國(guó)1.5%的有限水資源承擔(dān)著11%的耕地面積和10%的人口以及京、津等幾十座城市的供水任務(wù)，水資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用水需要，處于供需嚴(yán)重失衡狀態(tài)。

海河流域已初步建成較為完整的水利工程體系，2005年總供用水量383.2億m3，地下水占供水量的2/3，農(nóng)村生活、灌溉和林牧魚等農(nóng)業(yè)用水占70.8%。流域水資源總開發(fā)利用程度已達(dá)98%。

由于流域水資源的過(guò)度開發(fā)，流域生態(tài)和環(huán)境發(fā)生了顯著的負(fù)面變化，如河道斷流與干涸、濕地萎縮、河口生態(tài)惡化、地下水位下降、水污染加劇等。入渤海流量由20世紀(jì)70年代的116億m3減少到2005年的8億m3。2005年地下水超采量達(dá)73億m3，形成了6萬(wàn)km2的淺層和5.6萬(wàn)km2的深層水超采區(qū)。全流域河流受污染程度2005年達(dá)到60%，淺層地下水污染面積達(dá)6萬(wàn)km2。

海河流域面臨嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)利用必須實(shí)行最嚴(yán)格的三條“紅線”水資源管理制度，對(duì)水資源進(jìn)行合理配置，實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用。

1.2 水文模型在水資源管理中的作用

水文模型是對(duì)研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生的降雨徑流這一特定的水文過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，建立降雨－蒸發(fā)－地表水－土壤水－地下水相互轉(zhuǎn)化的機(jī)理機(jī)制，揭示自然條件和人為開采作用下的水循環(huán)過(guò)程，定量模擬流域內(nèi)地表水、土壤水、地下水的空間分布、儲(chǔ)存形態(tài)及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。水文模型可以根據(jù)過(guò)去、現(xiàn)狀水資源水環(huán)境的變化過(guò)程，預(yù)測(cè)未來(lái)各種情景下的水資源水環(huán)境狀況，為水資源管理提供科學(xué)依據(jù)，如圖1所示。

從對(duì)水文過(guò)程描述的離散程度看，水文模型主要有兩種類型：集總式和分布式模型。集總式模型不考慮流域特征參數(shù)在空間上的變化，用空間參數(shù)的平均值計(jì)算整個(gè)流域。隨著流域變量的增加，模型預(yù)測(cè)的可信度和準(zhǔn)確性下降，其缺點(diǎn)在于不能對(duì)特定位置做出預(yù)測(cè)，因此會(huì)忽略一些重要的潛在的環(huán)境問(wèn)題，如 USLE、HEC-1、中國(guó)的新安江模型、WRAP、WEAP模型、日本的水箱模型等。分布式水文模型是將流域劃分成若干個(gè)小的計(jì)算單元，清楚地考慮了流域下墊面及水文過(guò)程的空間變化，它不僅能給出水文過(guò)程的結(jié)果，而且能給出水文過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，這對(duì)于水文過(guò)程的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)及提高水文預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性具有重要的意義，該類模型有SHE、AGNPS、ANSWERS、MATSALU、SWAT、STREAM、SWIM、TOPMODEL、GBHM2等。

2SWAT模型功能

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)中心研制開發(fā)的分布式流域水文模型，其主要目的是模擬預(yù)測(cè)土地利用、土地管理方式等對(duì)流域水量、水質(zhì)等方面的影響。SWAT模型具有很強(qiáng)的物理機(jī)制，它能夠利用遙感和地理信息系統(tǒng)提供的空間信息模擬多種不同的水文、物理、化學(xué)過(guò)程，如水量、水質(zhì)以及殺蟲劑的輸移與轉(zhuǎn)化過(guò)程，尤其在非點(diǎn)源污染、水土流失、土地利用和農(nóng)業(yè)管理等研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

SWAT模型對(duì)水文過(guò)程的模擬是通過(guò)植被截留、蒸散發(fā)、地表徑流、入滲、回歸流、地下徑流和河流演進(jìn)過(guò)程的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，可用來(lái)預(yù)測(cè)降水、蒸發(fā)等氣候因素和土地利用、土壤性質(zhì)等下墊面因素的空間變化及人類活動(dòng)的行為（氣候和植被變化、水庫(kù)管理、地下水抽取、調(diào)水）對(duì)水循環(huán)、沉積物和化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)量的影響，該模型物理精度較高。SWAT模型應(yīng)用于水資源管理的各個(gè)方面：水資源評(píng)價(jià)、點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染、土壤侵蝕與水土流失、土地利用與農(nóng)業(yè)節(jié)水等方面，如圖2-3所示。

3SWAT模型應(yīng)用

3.1 海河流域水平衡分析

3.1.1 模型構(gòu)建

在海河流域DEM的基礎(chǔ)上，綜合考慮流域自然水文特性、水資源區(qū)劃、省市行政區(qū)劃、水文測(cè)站與水庫(kù)的分布情況，將海河流域劃分為283個(gè)子流域、2 100個(gè) HRU （Hydrologic Response Unit）， 包含了17個(gè)入海河口、48座大中型水庫(kù)，結(jié)合水文氣象、土地利用、土壤分布、取用水等信息，構(gòu)建海河流域SWAT模型。如圖4所示。

3.1.2 水循環(huán)要素分析

水循環(huán)涉及多種水文要素，如蒸發(fā)、降水、地表徑流、地下徑流、下滲量、土壤蓄變等要素，這些要素是水資源管理的基礎(chǔ)信息。圖5是海河流域2002年降水量、蒸散量、產(chǎn)流量的空間分布圖。

3.1.3 水量平衡分析

表1是利用海河流域SWAT模型分析的海河流域2000―2005的水平衡分析表，有虧有盈，總的來(lái)說(shuō)水資源利用過(guò)度，入海流量少，地下水超采過(guò)多。要實(shí)現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)利用，必須降低蒸散發(fā)（ET），提高水資源利用效率。

表1 海河流域水平衡分析結(jié)果 億m3

3.2 漳衛(wèi)南子流域水循環(huán)分析

3.2.1 模型構(gòu)建

綜合漳衛(wèi)南子流域的自然特性、水文測(cè)站、水庫(kù)分布等情況，將其劃分為110個(gè)子流域、409個(gè)HRU。模型采用了89個(gè)雨量站、14個(gè)氣象站、110個(gè)點(diǎn)源污染、10個(gè)水文站及土地利用、土壤分布、取用水等信息，構(gòu)建子流域SWAT模型。如圖6所示。

3.2.2 水平衡分析

表2是利用漳衛(wèi)南子流域SWAT模型分析的2004年分區(qū)的水平衡分析狀況，可以看出漳衛(wèi)南子流域山區(qū)降水量高于蒸散量，水分處于盈余狀態(tài)，有35.64億m3的水量盈余；平原區(qū)蒸散量基本高于降水量，水分處于虧損狀態(tài)，有12.24億m3的水量虧損；總的來(lái)說(shuō)，2004年漳衛(wèi)南子流域水量盈余23.4億m3。

表2 2004年漳衛(wèi)南子流域分區(qū)水平衡分析

3.2.3 水環(huán)境分析

SWAT模型在水環(huán)境污染研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于模擬流域內(nèi)主要非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程，定量評(píng)價(jià)流域非點(diǎn)源污染狀況以及分析和預(yù)測(cè)污染控制管理措施對(duì)水污染的影響。圖7是漳衛(wèi)南子流域SWAT模型模擬的2003年總氮、總磷空間分布圖。

3.3 縣域水資源管理

3.3.1 SWAT模型改進(jìn)

海河流域的縣域水資源管理涉及“節(jié)水、治污”問(wèn)題。節(jié)水主要是指控制農(nóng)田作物蒸騰和地面蒸發(fā)，主要有三大類技術(shù)措施，即農(nóng)藝措施、工程措施和管理措施。治污主要是通過(guò)對(duì)污染源的點(diǎn)源達(dá)標(biāo)排放、面源污染控制等措施，改善水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)地表、地下水體的各項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)到環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)縣域水資源管理特點(diǎn)，在引進(jìn)的SWAT模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了縣域水資源水環(huán)境綜合管理工具，包括模型輸入、運(yùn)行模型、分區(qū)統(tǒng)計(jì)、情景分析等模塊，其中情景分析主要設(shè)置了4種模式：調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、調(diào)整灌溉方式、采取覆蓋保墑、污染治理措施。如圖8所示。

3.3.2 模型構(gòu)建

肥鄉(xiāng)縣位于河北省南部平原區(qū)，主要是淺層地下水灌溉。肥鄉(xiāng)縣SWAT模型共劃分了40個(gè)子流域，同時(shí)根據(jù)土壤和土地利用情況又細(xì)分為280個(gè)HRU。如圖9所示。

3.3.3 模型應(yīng)用

（1）現(xiàn)狀分析：肥鄉(xiāng)縣作物種植結(jié)構(gòu)主要有玉米－小麥輪作、棉花，還有部分蔬菜地。模型模擬了肥鄉(xiāng)縣不同作物結(jié)構(gòu)在2002—2005年的蒸散耗水變化情況，如圖10所示，蒸散量降水量正相關(guān)，同時(shí)與作物也緊密相關(guān)：玉米－小麥輪作＞小麥＞菜地＞棉花＞玉米。

肥鄉(xiāng)縣非點(diǎn)源產(chǎn)出不僅與農(nóng)業(yè)管理措施、農(nóng)藥化肥使用等因素相關(guān)，還與降雨產(chǎn)流有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，如圖10所示，降水較為豐沛的2003年非點(diǎn)源產(chǎn)出遠(yuǎn)高于枯水的2002、2004年，總體看來(lái)由于肥鄉(xiāng)各年份產(chǎn)流很小，導(dǎo)致非點(diǎn)源負(fù)荷較小。

（2）情景分析：為改善肥鄉(xiāng)縣地下水超采和水環(huán)境污染狀況，采用肥鄉(xiāng)縣SWAT模型模擬不同節(jié)水措施和不同施肥措施對(duì)水資源和水環(huán)境的影響。

方案1：節(jié)約水資源，調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別將小麥玉米輪作面積的20%、40%、60%和80%改為種植棉花，全縣ET 平均下降了 2.3%、4.6%、6.9%和 9.3%， 如圖11所示。

方案2：改善面源污染，調(diào)整農(nóng)業(yè)施肥量。在現(xiàn)狀化肥農(nóng)藥施用量的基礎(chǔ)上，分別減少20%和40%，總磷產(chǎn)出多年平均下降了 13.2%、28.6%，如圖12所示。

4 結(jié)語(yǔ)

圖12 不同施肥措施的總磷產(chǎn)出對(duì)比

本文構(gòu)建了不同層次：海河流域SWAT模型、漳衛(wèi)南子流域SWAT模型、肥鄉(xiāng)縣SWAT模型，分析了在氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響下的流域與區(qū)域水循環(huán)特征，分析了流域與區(qū)域水資源及水環(huán)境變化狀況及水資源綜合管理措施的實(shí)施效果。SWAT模型可廣泛應(yīng)用于流域、子流域、縣域不同層次的水循環(huán)過(guò)程模擬，預(yù)測(cè)未來(lái)各種情景下的水資源水環(huán)境變化狀況，為流域、區(qū)域的水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。