基于SWAT模型的水资源与水环境综合管理规划研究——以临漳县为例

张晓颖，袁 刚，裴 浩，武军舰

（1.河北工程大学，河北 邯郸 056038；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

基于SWAT模型的水资源与水环境综合管理规划研究
——以临漳县为例

张晓颖1，袁 刚2，裴 浩1，武军舰1

（1.河北工程大学，河北 邯郸 056038；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

分析SWAT模型在临漳县的水资源与水环境综合管理规划中的运用。通过对模型参数的率定，结合临漳县实际的种植情况和遥感监测的ET，进行了临漳县水量组合方案的制定与情景模拟,并由此提出临漳水资源与水环境综合管理的优选方案。

SWAT；水资源；水环境；管理

水资源与水环境综合管理包括两个方面的含义：

（1）水资源与水环境综合管理要考虑两者之间相互影响的关系。从供水来说，由于不同用户对水质的要求不同，所以配置需要综合考虑用户要求和水体水质条件，实现分质供水、优水优供；而要达到水资源要求，污染排放应按照水体水质要求进行严格控制，确保水质安全。从污染控制来说，一方面需要根据不同水体对水质的要求，按照环境容量大小进行消减，实现总量控制基础上的达标排放；另一方面，在水资源配置过程中要留足环境容量，以使得污染消减的代价切实可行；这两方面综合考虑，确定最佳平衡点。

（2）水资源管理与水环境管理基于水循环与污染迁移转化基础。水循环和伴随水循环的污染物迁移转化过程密不可分，这是水资源具有量和质两方面属性的基础，也是水资源与水环境综合管理的基础。因此，只有在充分分析水循环过程与污染迁移转化过程的基础上，才能保证水资源与水环境管理的科学性。

1 水资源与水环境综合管理规划（IWEMP）的目标与理念

1.1 总体目标

IWEMP的总体目标是改变当前经济发展依赖水资源过度开发、破坏生态环境的不可持续发展模式，要使水资源的开发利用变得可持续性，生态环境得到有效的保护。

（1）实现水资源可持续发展（水量）。到2015年，使地下水超采的状况至少减少10%，最终到2030年，实现地下水采补平衡。消除开采深层地下水进行农业灌溉的现象，从流域生态要求上保证下游的合理流量。

（2）维护良好的生态环境（水质）。到2015年，使污染物的排放总量降低至少10%，最终到2030年，水质达到功能区标准。这要求有严格的排放标准，另外，河道中要保持一定的环境流量进行稀释，采取一定的措施改善河道水质。

1.2 行动理念

为了实现水量目标，“耗水控制”的概念要代替 “用水控制”，这一理念需要得到水文专家和学者的充分理解和接受。在这一点上，应当进行“耗水平衡”分析，而不是传统的“供需平衡”分析。“耗水平衡”分析是指在实际水资源消耗量和总的目标消耗量（或称之为水资源允许最大消耗量）间的平衡，实际水资源消耗量等于农业区域的蒸腾蒸发量（ET）和城市区域的耗水量之和。2020年的目标消耗量可以从公式中P+I－OET=ΔG计算获得，令浅层地下水超采量为0，因此目标水资源消耗量等于入流量加降雨，减出流（包括环境流量和ET）。县级目标水资源消耗量应当以ET的方式分配到每个乡镇或行政村，县、乡、村要采取一套行得通的、可操作的措施，来降低实际水资源消耗量，使得实际水资源消耗量小于目标水资源消耗量。这些备选的措施情景方案分析，可以通过SWAT模型进行模拟预测，通过其他的系统进行调整，以确保实际水资源消耗量不大于目标水资源消耗量。

2 构建SWAT模型

2.1 SWAT模型简介

SWAT模型是由美国农业部开发的，模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。对大多数的流域来讲，河网、地形和气象条件多较为复杂，土地类型、土地利用等变化将影响流域的水文状况，因此计算模型要将流域划分为一些子流域。对每一个子流域又可以根据其中的土壤类型、土地利用和管理措施组合情况，进一步划分单个或多个水文响应单元。水文响应单元是一种单一的土壤类型、土地利用和管理措施的组合，但是并不要求在空间上真正联系在一起。对于任何一个水文响应单元，在水量模拟方面，SWAT提供了2种方法计算地表径流：SCS径流曲线数的方法和Grenn&Ampt入渗法；对于蒸散发的计算SWAT选择了Penman-monteith法，Priestley-Taylor法和Hargreaves法3种方法；对于地下水的模拟SWAT能模拟2个含水层即浅层含水层和深层含水层；水质模拟方面，SWAT模拟了氮、磷完整的营养物循环过程和应用农药的降解过程。

2.2 建立SWAT模型需要的数据

SWAT是一个需要大量基础数据才可以运行的水文模型，所需数据主要包括基础地理信息、气象信息、雨水情信息、地下水信息、水质信息、用水信息、遥感信息、社会经济信息等内容。

2.3 流域模型构建

模型建立的第1步就是把研究区域分成若干个子流域，子流域占据一个地理位置并和其他子流域在空间上有水力联系。子流域可以根据其中的土壤类型、土地利用和水力条件等予以划分。每一个子流域可以包含至少一个水文响应单元。

一个水文响应单元并不等同于某一块地而是占据特殊的土壤类型、土地利用或管理模式的土地的总和。在子流域中水文响应单元是独立的，彼此之间并没有联系，每一个单元分别计算自己的输出结果，最后总和起来得出子流域的结果。水文响应单元的引用提高了模型的计算精度。

2.4 数据输入

（1）气象数据。SWAT模型需要的气象参数主要包括日降雨量、日最高最低温度、太阳辐射、风速和相对湿度。这些数据既可以是实测资料，也可以是由模型自动生成的资料，但为了模型更好的反映实际情况，最好是尽可能多地使用实测资料。

（2）水文数据包括植物截流、下渗、蒸发、土壤结构。

（3）养份和农药数据包括氮、磷、农药等数据。

（4）管理措施。管理措施主要是通过农业措施、工程措施来解决，可以通过调整模型的种植结构、灌水次数、灌水定额等来实现。

2.5 模型参数的率定

SWAT模型参数的率定主要是水量、径流的调整。

水量调整以水量平衡为基准，以实测水量为参考，先使计算的多年平均情况与实测值相接近，再缩短步长，使月或天的结果符合实测值。

径流的调整主要是与实测流量过程相统一，先上游后下游，从高到低逐个实测站点的调整，使模拟河道流量在每一个监测断面与实测值相一致。

经过模型参数的率定，模型的计算结果就能比较真实地反映实际情况，就可以通过模型来对现在规划进行效果验证和对未来情况进行情景预测，使水资源与水环境的管理更科学合理。

3 临漳县水资源概况

3.1 水资源可利用量

临漳县多年平均地表水水资源（包括入境水量）可利用量为3321.7万m3，其中包括：①区域自产地表径流423万m3；②临漳引用民有渠水量2898.7万m3。多年平均地下水水资源可开采量9289.4万m3，占总补给量的90%。多年平均水资源可利用量12611.1万m3。

2014年以后，临漳县可引用南水北调水560万m3，多年平均水资源可利用量13171.1万m3。

3.2 临漳县的三生用水量分析

参照《临漳县水利年报》、2005年《河北省临漳县国民经济统计资料》及实际统计数据，2005年全县有机井8443眼，其中浅井8413眼，深井30眼，机井密度11.35眼/km2。全年用水量13485万m3，其中农业灌溉用水量10798万m3，占总用水量的80.1%；农村人畜用水量997万m3，占总用水量的7.4%；城镇居民用水量202.5万m3，占总用水量的1.5%；工业用水量1487.5万m3，占总用水量的11%。

4SWAT模型在IWEMP中的应用

本次研究的重点就是结合遥感监测ET值，提出临漳水资源与水环境综合管理方案。而其关键问题是对临漳水循环过程（水量和水质）进行精确的描述和研究。SWAT模型作为一个分布式水文模型在这方面可以很好地解决所遇问题。在给定ET值的情况下，模拟多种不同的管理方案，以使区域水量达到供耗平衡。

由于临漳县实际监测数据非常少，主要以2002～2005年遥感监测ET值数据来率定模型参数。临漳县SWAT模型参数率定主要分为两大部分：水量部分参数率定和水质部分参数率定。率定原则是先调水量后调水质，先依水利关系从上游调参，然后依次调整下游。

临漳SWAT模型数据分析从2002年开始计算。临漳县全县2002、2003、2004和2005年模拟计算ET值分别为575.7，720.0，580.0，669.6 mm。2002～2005年平均ET值为636.3 mm。计算结果见表1。

表1 临漳县模拟、遥感ET值对比 单位：mm

通过SWAT模型的计算，1995～2005年平均ET值为573.4 mm，规划目标ET值为573.2 mm。本次研究所拟采用的水资源与水环境综合管理措施，可以很好地达到减少ET值蒸发量和区域水量供耗平衡的目的。计算ET值见图1。

图1 临漳县1995～2005年各年模拟计算ET值

5 情景模拟与方案优化

SWAT模型具有强大的情景模拟功能，SWAT能有效模拟多种农业管理措施、排污措施对水资源和水环境的影响。本次临漳县SWAT模型设置了多种情景进行模拟，主要包括调整灌溉水量、调整种植结构。

5.1 调整灌溉水量

调整灌溉水量对ET和作物的产量都有影响。减少灌溉水量后ET值和作物产量都会减少（见图2）。

图2 临漳县不同灌溉量对ET值的影响

5.2 调整种植结构

适当调整作物种植结构也会降低ET值，见图3。

根据SWAT模型对灌溉水量和种植结构的情景模拟，将调整灌溉水量和调整种植结构进行组合，由于调整灌溉水量包括两种情况：灌溉水量减少37%、灌溉水量减少40%；调整种植结构包括4种情况：小麦、玉米种植面积减少3.3%，加到棉花上；小麦玉米种植面积减少5%，加到棉花上；小麦、玉米种植面积减少3.3%，棉花种植面积不变；小麦、玉米种植面积减少5%，棉花种植面积不变。所以共得到8种方案：

图3 临漳县调整作物种植结构前后ET值对比

对以上8种组合方案进行对比分析，以目标ET值为基准，推荐两种最优方案，即方案4和方案5。

方案4：小麦、玉米和棉花灌水量减少37%；同时小麦、玉米面积减少5%，棉花面积不变。

方案5：小麦、玉米和棉花灌水量减少40%；同时小麦、玉米面积减少3.3%，棉花面积增加3.3%。

上述两种方案虽然在多年平均ET值上符合目标ET值要求，但方案4使部分耕地闲置，影响了农民的经济收入；方案5减少灌溉水量太多，现实操作起来很困难。最后结合两种方案的优点，摒弃其中的不足，确定方案为：小麦、玉米和棉花灌水量减少37%，玉米、小麦耕地面积减少3.3%全部变为棉花。

6 结语

根据SWAT模型在临漳县的水资源与水环境综合管理中的运用模拟，进行了灌溉水量和种植结构两个因素的情景模拟。通过对SWAT模型的相关参数的率定和求解计算，得到了两组多年平均ET符合目标ET要求的方案，说明SWAT模型在临漳县水资源与水环境综合管理研究中的有效性。但是本文在对于不同地下水开采量、不同的减污措施、外流域调水、社会发展等几种情景没有进行模拟，这也是本论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

张晓颖（1986—），女（汉族），天津人，硕士，主要从事水资源规划与管理研究，（Tel）13730080164。