基于SWAT模型的水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)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(xué)，河北 邯鄲 056038；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

基于SWAT模型的水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)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(xué)，河北 邯鄲 056038；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

分析SWAT模型在臨漳縣的水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃中的運(yùn)用。通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的率定，結(jié)合臨漳縣實(shí)際的種植情況和遙感監(jiān)測(cè)的ET，進(jìn)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(huán)境綜合管理的優(yōu)選方案。

SWAT；水資源；水環(huán)境；管理

水資源與水環(huán)境綜合管理包括兩個(gè)方面的含義：

（1）水資源與水環(huán)境綜合管理要考慮兩者之間相互影響的關(guān)系。從供水來(lái)說(shuō)，由于不同用戶(hù)對(duì)水質(zhì)的要求不同，所以配置需要綜合考慮用戶(hù)要求和水體水質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水、優(yōu)水優(yōu)供；而要達(dá)到水資源要求，污染排放應(yīng)按照水體水質(zhì)要求進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保水質(zhì)安全。從污染控制來(lái)說(shuō)，一方面需要根據(jù)不同水體對(duì)水質(zhì)的要求，按照環(huán)境容量大小進(jìn)行消減，實(shí)現(xiàn)總量控制基礎(chǔ)上的達(dá)標(biāo)排放；另一方面，在水資源配置過(guò)程中要留足環(huán)境容量，以使得污染消減的代價(jià)切實(shí)可行；這兩方面綜合考慮，確定最佳平衡點(diǎn)。

（2）水資源管理與水環(huán)境管理基于水循環(huán)與污染遷移轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)。水循環(huán)和伴隨水循環(huán)的污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程密不可分，這是水資源具有量和質(zhì)兩方面屬性的基礎(chǔ)，也是水資源與水環(huán)境綜合管理的基礎(chǔ)。因此，只有在充分分析水循環(huán)過(guò)程與污染遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的基礎(chǔ)上，才能保證水資源與水環(huán)境管理的科學(xué)性。

1 水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃（IWEMP）的目標(biāo)與理念

1.1 總體目標(biāo)

IWEMP的總體目標(biāo)是改變當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展依賴(lài)水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)、破壞生態(tài)環(huán)境的不可持續(xù)發(fā)展模式，要使水資源的開(kāi)發(fā)利用變得可持續(xù)性，生態(tài)環(huán)境得到有效的保護(hù)。

（1）實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)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(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡。消除開(kāi)采深層地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉的現(xiàn)象，從流域生態(tài)要求上保證下游的合理流量。

（2）維護(hù)良好的生態(tài)環(huán)境（水質(zhì)）。到2015年，使污染物的排放總量降低至少10%，最終到2030年，水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。這要求有嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，另外，河道中要保持一定的環(huán)境流量進(jìn)行稀釋?zhuān)扇∫欢ǖ拇胧└纳坪拥浪|(zhì)。

1.2 行動(dòng)理念

為了實(shí)現(xiàn)水量目標(biāo)，“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(zhuān)家和學(xué)者的充分理解和接受。在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行“耗水平衡”分析，而不是傳統(tǒng)的“供需平衡”分析。“耗水平衡”分析是指在實(shí)際水資源消耗量和總的目標(biāo)消耗量（或稱(chēng)之為水資源允許最大消耗量）間的平衡，實(shí)際水資源消耗量等于農(nóng)業(yè)區(qū)域的蒸騰蒸發(fā)量（ET）和城市區(qū)域的耗水量之和。2020年的目標(biāo)消耗量可以從公式中P+I－OET=ΔG計(jì)算獲得，令淺層地下水超采量為0，因此目標(biāo)水資源消耗量等于入流量加降雨，減出流（包括環(huán)境流量和ET）?？h級(jí)目標(biāo)水資源消耗量應(yīng)當(dāng)以ET的方式分配到每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)或行政村，縣、鄉(xiāng)、村要采取一套行得通的、可操作的措施，來(lái)降低實(shí)際水資源消耗量，使得實(shí)際水資源消耗量小于目標(biāo)水資源消耗量。這些備選的措施情景方案分析，可以通過(guò)SWAT模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，通過(guò)其他的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以確保實(shí)際水資源消耗量不大于目標(biāo)水資源消耗量。

2 構(gòu)建SWAT模型

2.1 SWAT模型簡(jiǎn)介

SWAT模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的，模型開(kāi)發(fā)的最初目的是為了預(yù)測(cè)在大流域復(fù)雜多變的土壤類(lèi)型、土地利用方式和管理措施條件下，土地管理對(duì)水分、泥沙和化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期影響。對(duì)大多數(shù)的流域來(lái)講，河網(wǎng)、地形和氣象條件多較為復(fù)雜，土地類(lèi)型、土地利用等變化將影響流域的水文狀況，因此計(jì)算模型要將流域劃分為一些子流域。對(duì)每一個(gè)子流域又可以根據(jù)其中的土壤類(lèi)型、土地利用和管理措施組合情況，進(jìn)一步劃分單個(gè)或多個(gè)水文響應(yīng)單元。水文響應(yīng)單元是一種單一的土壤類(lèi)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(lián)系在一起。對(duì)于任何一個(gè)水文響應(yīng)單元，在水量模擬方面，SWAT提供了2種方法計(jì)算地表徑流：SCS徑流曲線(xiàn)數(shù)的方法和Grenn&Ampt入滲法；對(duì)于蒸散發(fā)的計(jì)算SWAT選擇了Penman-monteith法，Priestley-Taylor法和Hargreaves法3種方法；對(duì)于地下水的模擬SWAT能模擬2個(gè)含水層即淺層含水層和深層含水層；水質(zhì)模擬方面，SWAT模擬了氮、磷完整的營(yíng)養(yǎng)物循環(huán)過(guò)程和應(yīng)用農(nóng)藥的降解過(guò)程。

2.2 建立SWAT模型需要的數(shù)據(jù)

SWAT是一個(gè)需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)才可以運(yùn)行的水文模型，所需數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理信息、氣象信息、雨水情信息、地下水信息、水質(zhì)信息、用水信息、遙感信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等內(nèi)容。

2.3 流域模型構(gòu)建

模型建立的第1步就是把研究區(qū)域分成若干個(gè)子流域，子流域占據(jù)一個(gè)地理位置并和其他子流域在空間上有水力聯(lián)系。子流域可以根據(jù)其中的土壤類(lèi)型、土地利用和水力條件等予以劃分。每一個(gè)子流域可以包含至少一個(gè)水文響應(yīng)單元。

一個(gè)水文響應(yīng)單元并不等同于某一塊地而是占據(jù)特殊的土壤類(lèi)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(yīng)單元是獨(dú)立的，彼此之間并沒(méi)有聯(lián)系，每一個(gè)單元分別計(jì)算自己的輸出結(jié)果，最后總和起來(lái)得出子流域的結(jié)果。水文響應(yīng)單元的引用提高了模型的計(jì)算精度。

2.4 數(shù)據(jù)輸入

（1）氣象數(shù)據(jù)。SWAT模型需要的氣象參數(shù)主要包括日降雨量、日最高最低溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和相對(duì)濕度。這些數(shù)據(jù)既可以是實(shí)測(cè)資料，也可以是由模型自動(dòng)生成的資料，但為了模型更好的反映實(shí)際情況，最好是盡可能多地使用實(shí)測(cè)資料。

（2）水文數(shù)據(jù)包括植物截流、下滲、蒸發(fā)、土壤結(jié)構(gòu)。

（3）養(yǎng)份和農(nóng)藥數(shù)據(jù)包括氮、磷、農(nóng)藥等數(shù)據(jù)。

（4）管理措施。管理措施主要是通過(guò)農(nóng)業(yè)措施、工程措施來(lái)解決，可以通過(guò)調(diào)整模型的種植結(jié)構(gòu)、灌水次數(shù)、灌水定額等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 模型參數(shù)的率定

SWAT模型參數(shù)的率定主要是水量、徑流的調(diào)整。

水量調(diào)整以水量平衡為基準(zhǔn)，以實(shí)測(cè)水量為參考，先使計(jì)算的多年平均情況與實(shí)測(cè)值相接近，再縮短步長(zhǎng)，使月或天的結(jié)果符合實(shí)測(cè)值。

徑流的調(diào)整主要是與實(shí)測(cè)流量過(guò)程相統(tǒng)一，先上游后下游，從高到低逐個(gè)實(shí)測(cè)站點(diǎn)的調(diào)整，使模擬河道流量在每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面與實(shí)測(cè)值相一致。

經(jīng)過(guò)模型參數(shù)的率定，模型的計(jì)算結(jié)果就能比較真實(shí)地反映實(shí)際情況，就可以通過(guò)模型來(lái)對(duì)現(xiàn)在規(guī)劃進(jìn)行效果驗(yàn)證和對(duì)未來(lái)情況進(jìn)行情景預(yù)測(cè)，使水資源與水環(huán)境的管理更科學(xué)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(wàn)m3，其中包括：①區(qū)域自產(chǎn)地表徑流423萬(wàn)m3；②臨漳引用民有渠水量2898.7萬(wàn)m3。多年平均地下水水資源可開(kāi)采量9289.4萬(wàn)m3，占總補(bǔ)給量的90%。多年平均水資源可利用量12611.1萬(wàn)m3。

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

3.2 臨漳縣的三生用水量分析

參照《臨漳縣水利年報(bào)》、2005年《河北省臨漳縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料》及實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2005年全縣有機(jī)井8443眼，其中淺井8413眼，深井30眼，機(jī)井密度11.35眼/km2。全年用水量13485萬(wàn)m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水量10798萬(wàn)m3，占總用水量的80.1%；農(nóng)村人畜用水量997萬(wàn)m3，占總用水量的7.4%；城鎮(zhèn)居民用水量202.5萬(wàn)m3，占總用水量的1.5%；工業(yè)用水量1487.5萬(wàn)m3，占總用水量的11%。

4SWAT模型在IWEMP中的應(yīng)用

本次研究的重點(diǎn)就是結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)ET值，提出臨漳水資源與水環(huán)境綜合管理方案。而其關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)臨漳水循環(huán)過(guò)程（水量和水質(zhì)）進(jìn)行精確的描述和研究。SWAT模型作為一個(gè)分布式水文模型在這方面可以很好地解決所遇問(wèn)題。在給定ET值的情況下，模擬多種不同的管理方案，以使區(qū)域水量達(dá)到供耗平衡。

由于臨漳縣實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非常少，主要以2002～2005年遙感監(jiān)測(cè)ET值數(shù)據(jù)來(lái)率定模型參數(shù)。臨漳縣SWAT模型參數(shù)率定主要分為兩大部分：水量部分參數(shù)率定和水質(zhì)部分參數(shù)率定。率定原則是先調(diào)水量后調(diào)水質(zhì)，先依水利關(guān)系從上游調(diào)參，然后依次調(diào)整下游。

臨漳SWAT模型數(shù)據(jù)分析從2002年開(kāi)始計(jì)算。臨漳縣全縣2002、2003、2004和2005年模擬計(jì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 臨漳縣模擬、遙感ET值對(duì)比 單位：mm

通過(guò)SWAT模型的計(jì)算，1995～2005年平均ET值為573.4 mm，規(guī)劃目標(biāo)ET值為573.2 mm。本次研究所擬采用的水資源與水環(huán)境綜合管理措施，可以很好地達(dá)到減少ET值蒸發(fā)量和區(qū)域水量供耗平衡的目的。計(jì)算ET值見(jiàn)圖1。

圖1 臨漳縣1995～2005年各年模擬計(jì)算ET值

5 情景模擬與方案優(yōu)化

SWAT模型具有強(qiáng)大的情景模擬功能，SWAT能有效模擬多種農(nóng)業(yè)管理措施、排污措施對(duì)水資源和水環(huán)境的影響。本次臨漳縣SWAT模型設(shè)置了多種情景進(jìn)行模擬，主要包括調(diào)整灌溉水量、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)。

5.1 調(diào)整灌溉水量

調(diào)整灌溉水量對(duì)ET和作物的產(chǎn)量都有影響。減少灌溉水量后ET值和作物產(chǎn)量都會(huì)減少（見(jiàn)圖2）。

圖2 臨漳縣不同灌溉量對(duì)ET值的影響

5.2 調(diào)整種植結(jié)構(gòu)

適當(dāng)調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)也會(huì)降低ET值，見(jiàn)圖3。

根據(jù)SWAT模型對(duì)灌溉水量和種植結(jié)構(gòu)的情景模擬，將調(diào)整灌溉水量和調(diào)整種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，由于調(diào)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(diào)整種植結(jié)構(gòu)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(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)前后ET值對(duì)比

對(duì)以上8種組合方案進(jìn)行對(duì)比分析，以目標(biāo)ET值為基準(zhǔn)，推薦兩種最優(yōu)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(shí)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(shí)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(biāo)ET值要求，但方案4使部分耕地閑置，影響了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入；方案5減少灌溉水量太多，現(xiàn)實(shí)操作起來(lái)很困難。最后結(jié)合兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，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?yōu)槊藁ā?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)SWAT模型在臨漳縣的水資源與水環(huán)境綜合管理中的運(yùn)用模擬，進(jìn)行了灌溉水量和種植結(jié)構(gòu)兩個(gè)因素的情景模擬。通過(guò)對(duì)SWAT模型的相關(guān)參數(shù)的率定和求解計(jì)算，得到了兩組多年平均ET符合目標(biāo)ET要求的方案，說(shuō)明SWAT模型在臨漳縣水資源與水環(huán)境綜合管理研究中的有效性。但是本文在對(duì)于不同地下水開(kāi)采量、不同的減污措施、外流域調(diào)水、社會(huì)發(fā)展等幾種情景沒(méi)有進(jìn)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(guī)劃與管理研究，（Tel）13730080164。