基于SWAT模型的水環(huán)境管理系統(tǒng)

摘要：選取新鄉(xiāng)縣作為典型研究區(qū)域，以物理概念模型SWAT模型機(jī)理為基礎(chǔ)，分析出各種驅(qū)動力、驅(qū)動因子對非點源污染負(fù)荷的影響，為新鄉(xiāng)縣非點源污染控制措施提供支持

關(guān)鍵詞：SWAT；非點源；水污染

科學(xué)合理地控制非點源污染，實現(xiàn)水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，是目前我國保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基本措施，目前雖有許多軟件可以模擬并預(yù)測水環(huán)境的發(fā)展趨勢，但大多具有一定的局限性。本文以新鄉(xiāng)縣為例，根據(jù)DEM、河道、土壤類型、土地利用、氣象資料等數(shù)據(jù)，在ArcMap環(huán)境中運用ArcSWAT模塊建立新鄉(xiāng)縣分布式水文模型，在此基礎(chǔ)上，采用C#和ArcEngine設(shè)計開發(fā)可視化界面，對SWAT模型進(jìn)行改進(jìn)，以新鄉(xiāng)縣2004年—2008年的現(xiàn)狀水文數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，直到SWAT模型的模擬數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)接近，并根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)繪制折線圖、直方圖、在新鄉(xiāng)縣行政分區(qū)圖、河網(wǎng)圖上空間展示出來。該系統(tǒng)實現(xiàn)了每個水文響應(yīng)單元在每個月份的灌溉方式、水量、時間和水源的調(diào)整及參數(shù)校正；實現(xiàn)了氮、磷肥對非點源污染產(chǎn)出的影響分析；實現(xiàn)了非點源污染物產(chǎn)出的時間和空間特性分析；實現(xiàn)了模型模擬運行結(jié)果的空間展示。與原SWAT模型相比，該改進(jìn)的SWAT系統(tǒng)輸入界面簡捷靈活、結(jié)果可視化性強(qiáng)、適用范圍更廣。

一、水環(huán)境管理系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)主要包括三個模塊：基礎(chǔ)信息、靈敏度分析、情景分析：

（1）該模塊主要針對新鄉(xiāng)縣07年至10年的基礎(chǔ)信息進(jìn)行展示，包括：基礎(chǔ)地理信息、氣象資料、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

（2）該模塊主要針對各項水量水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行修改，對不同條件下的水文情況進(jìn)行模擬，并對各項結(jié)果進(jìn)行分析，把鼠標(biāo)放在標(biāo)簽上，可查看各個系數(shù)的含義及各參數(shù)有效值范圍。

（3）該模塊主要針對新鄉(xiāng)縣的工業(yè)生活用水、農(nóng)業(yè)用水、污染治理方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，并對不同條件下的情況模擬及結(jié)果分析、展示。可通過生成方案或加載方案來顯示數(shù)據(jù)，然后可不同條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算并保存為方案，可將結(jié)果分別按流域、行政邊界、河網(wǎng)進(jìn)行展示，在展示前需要先選擇方案否則會彈出提示對話框，同時可選擇展示方式，手動展示和動態(tài)展示：手動展示中可選擇統(tǒng)計變量及時間；動態(tài)展示可將運行結(jié)果以月份為跨度進(jìn)行動態(tài)展示，在展示過程中可暫停，見下圖。

二、研究的方法介紹

該研究方法分為以下幾項步驟：

（1）收集典型流域基礎(chǔ)資料：數(shù)字地圖：包括地形圖、土壤類型圖、土地利用圖、水系圖等；氣象資料：包括降雨資料、氣溫資料、相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速資料；水文資料：包括境內(nèi)、入境徑流量，典型污染物濃度等；土壤特性資料等。

（2）模擬調(diào)參：選用Swat模型對新鄉(xiāng)縣非點源污染進(jìn)行模擬。首先確定流域河網(wǎng)生成和劃分子流域，再根據(jù)流域中不同土地利用方式相關(guān)聯(lián)的土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的各參數(shù)對流域進(jìn)行模擬，通過數(shù)字河網(wǎng)計算子流域出口處的污染負(fù)荷，通過河道演算得到流域出口處的流量、污染負(fù)荷。

本研究在查閱國內(nèi)外對SWAT模型參數(shù)校準(zhǔn)、徑流模擬參數(shù)校準(zhǔn)的研究基礎(chǔ)上，選出對于模型輸出有重要參數(shù)的敏感參數(shù)，并采用“微擾動”方法[1]考察參數(shù)對模型的敏感性，確定模型的敏感參數(shù)集。

污染物參數(shù)率定考慮兩個方面，子流域上污染物的產(chǎn)出量和河道中污染物的遷移轉(zhuǎn)化[2]。模型污染物參數(shù)率定依據(jù)總量、時間分布及最大濃度等。污染物調(diào)參過程中可能的問題及解決方案：

（3） 模擬結(jié)果分析：研究不同典型年流域非點源污染負(fù)荷的產(chǎn)出規(guī)律，非點源污染產(chǎn)出的時間和空間分布規(guī)律，分析農(nóng)業(yè)施肥對非點源污染負(fù)荷產(chǎn)出的影響，非點源污染物濃度與徑流的關(guān)系。

（4）控制措施的提出：根據(jù)主要驅(qū)動力和驅(qū)動因子對新鄉(xiāng)縣非點源的影響分析，提出減小新鄉(xiāng)縣非點源污染的控制措施。

總之，本次論文工作主要利用美國農(nóng)業(yè)部研究局開發(fā)的SWAT模型對新鄉(xiāng)縣非點源污染產(chǎn)輸出進(jìn)行模擬研究。新鄉(xiāng)縣是海河流域一個典型的平原流域，通過對新鄉(xiāng)縣非點源污染狀況的模擬分析，可以為新鄉(xiāng)縣水質(zhì)的控制和治理方案提供可靠依據(jù)。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下功能：

（1） 實現(xiàn)了每個水文響應(yīng)單元在每個月份的灌溉方式、水量、時間和水源的調(diào)整及參數(shù)校正。

（2） 實現(xiàn)了氮、磷肥對非點源污染產(chǎn)出的影響分析。

（3） 實現(xiàn)了非點源污染物產(chǎn)出的時間和空間特性分析。

（4） 實現(xiàn)了模型模擬運行結(jié)果的空間展示。

參考文獻(xiàn)：

[1] 符素華，劉寶元，吳敬東等.北京地區(qū)坡面徑流計算模型的比較研究[J].地理科學(xué)，2002，22

[2] 夏青.城市徑流污染系統(tǒng)分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1982， 2（4）： 271～278.

作者簡介：李靜（1987.1--），女（漢），黑龍江哈爾濱人，學(xué)歷：碩士，職稱：助教，研究方向：水資源的高效利用。

（作者單位：內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院人事處）