基于改进SWAT模型的县级综合管理工具在项目县IWEMP中的应用

杨 威，薛丽娟，于 磊

（天津市龙网科技发展有限公司，天津 300181）

海河流域水资源短缺，供需矛盾突出，存在着地下水超采、河道断流、水质恶化等一系列生态环境问题。针对上述问题，全球环境基金开展了旨在推进海河流域水资源与水环境综合管理（IWEM）的GEF海河项目。其中，在海河流域最基本单位开展的县级水资源与水环境综合管理规划是项目的重要组成部分。

进行县级水资源与水环境综合管理的核心问题之一就是对研究区水循环过程（包括水量和水质）进行尽可能精确的描述和研究，分布式水文模型为解决该问题提供了新的支持手段。目前，国际上分布式水文模拟模型数量众多，已在世界诸多流域的径流与非点源污染模拟研究方面得到了应用[1-4]，但由于这些模型复杂的操作程序，尤其是国外软件的英文界面，使得大部分模型在我国还主要处于被科研院校作研究应用的阶段，真正地服务于基层水资源与水环境管理的实践极为少见。因此，基于分布式水文模型开发一套适合我国管理需求的分析工具成为一项重要的研究课题。

1 工具开发

综合考虑我国水资源管理特点与GEF项目需求，基于SWAT2000源代码，面向县级管理人员开发了县级水资源与水环境综合管理工具。工具具有数据输入、工具运行、结果输出和情景模拟等功能，且界面友好、操作方便，非常适合县级管理人员使用，如图1-2所示。

利用县级水资源与水环境综合管理工具能够基于项目县DEM、土壤、土地利用等基本信息，构建项目县分布式水循环模型，实现对项目县地表水、地下水以及水质时空变化过程的模拟以及对不同规划方案包括节水措施（调整作物种植结构、优化灌溉水量、调整灌溉水源等）和减污措施（点源、面源）的情景预测，模拟分析结果为县级水资源与水环境综合管理规划的制定与选取提供数据支撑。

2 工具应用

目前，工具已经成功应用于GEF海河项目临漳县、馆陶县、涉县、肥乡县、成安县及德州市德城区的水资源与水环境综合管理规划子项目中。在项目中，根据各项目县不同的自然环境特点，从农业真实节水、提升地下水位和改善当地生态环境角度出发，利用工具分别对各项目县不同规划方案的节水治污效果进行了情景预测与分析。

2.1 节水措施情景模拟

2.1.1 调整作物种植结构——以成安县为例

成安县种植有大面积的小麦—玉米轮作高耗水作物，导致县内的蒸腾蒸发量（耗水量）过高。为有效降低ET，实现农业真实节水，在保证粮食安全前提下，将现状成安县小麦—玉米轮作种植面积的20%、40%、60%和80%改为棉花种植，模拟结果如图3-4所示。

模拟结果表明：在丰水年份（2003年），各类型作物ET都较高；在降水量较少的枯水年份（2006年），各类型作物ET都相对较低；但总体来看，玉米—小麦轮作的蒸腾蒸发量高于菜地，菜地的蒸腾蒸发量高于棉花。将耗水作物小麦—玉米轮作改为棉花种植后，各年份全县ET都明显降低；将小麦—玉米轮作面积的20%、40%、60%和80%改为棉花种植后，全县ET平均下降了 1.96%、3.92%、5.89%和7.85%。

2.1.2 优化灌溉水量——以馆陶县为例

目前，馆陶县进行农业灌溉主要采用灌水定额的方式，每次灌溉相同的定额水量（70 mm）增加了无效蒸腾蒸发量（耗水量），造成了水资源的浪费。现利用工具进行馆陶县灌溉制度的优化，设置情景为：在馆陶县现状灌溉水量基础上分别将灌溉水量减少20%和50%，模拟结果如图5-6所示。模拟结果表明：减少灌溉量对于降低ET作用显著，在减少20%和50%的灌溉量后，ET可以降低的百分比分别为2.3%和12.6%。

2.1.3 调整灌溉水源——以肥乡县为例

肥乡县东北部为有咸水区，主要依靠开采深层地下水进行农业灌溉，造成深层地下水水位下降明显。为实现GEF项目的农业灌溉深层地下水零开采目标，根据肥乡县水资源与水环境综合管理规划，设置了外流域调水治理方案情景：将肥乡县现状条件下部分开采深层地下水进行农业灌溉的子流域（主要是有咸水区）改为外流域调水灌溉，外流域调水量约3 000万m3。以2002年枯水年份模拟结果为例说明外流域调水对地下水位变幅的影响，如图7-8所示。

图7 现状深层地下水水位降幅分布

从以上的模拟结果中可以看出，通过引用外来水源对于改善肥乡县东部地区的有咸水区地下水位效果显著：外流域调水主要用来补充有咸水区深层地下水开采，因此以旧店乡、东漳堡乡为代表的乡镇深层地下水位在外流域调水后得到明显回升；而毛演堡乡外流域调水量相对有咸水区偏少，使得水位仍呈下降趋势，但是下降幅度也有所减缓。外流域调水对西部以开发浅层地下水为主的乡镇略有影响，但影响不大。

2.2 治污措施情景模拟

2.2.1 点源治污情景——以涉县为例

涉县是一个以工业为主的项目县，县内工业废水排放量高，工业点源污染严重。针对点源污染现状，从改善涉县水环境质量出发，共设置以下两种情景，并选择匡门口水文站进行统计分析。

情景1：重点企业污水按污水排放二级标准排污，即COD排放浓度为120 mg/L、氨氮排放浓度为50 mg/L。

情景2：重点企业污水按污水排放一级标准排污，即COD排放浓度为60 mg/L、氨氮排放浓度为15 mg/L。

模型模拟各种情景下的氨氮和CODMn削减变化情况如图9所示。

从图9中可以看出，按二级污水排放标准进行排污，匡门口模拟结果与现状相比，COD浓度削减了25%，氨氮浓度削减了55%；按一级污水排放标准进行排污，与情景1相比各水质指标浓度进一步降低，其中COD浓度相对情景1又削减了23.6%、氨氮浓度相对情景1又削减了31.0%。

2.2.2 面源治污情景——以临漳县为例

临漳县是以农业为主的项目县，近年来随着农药化肥的大量施用，农业面源产出日益增多，加速了当地的环境恶化。从降低面源产出、改善生态环境角度出发，在临漳县现状施肥量基础上设置了两类情景：将现状施肥量分别减少20%、40%，有机氮、有机磷的产出对比结果如图10-11所示。可以看出，施肥量减少20%和40%后，临漳县有机氮、有机磷产出较现状均降低较为明显；尤其是施肥量减少40%以后，在丰水年份有机氮的产出减少了30%左右，而有机磷的产出高达40%以上。

3 工具效益分析

基于项目县基础信息，利用县级水资源与水环境综合管理工具分别构建了符合各项目县实际情况的分布式模拟模型，模拟分析了各种规划方案对改善地下水位、修复生态环境带来的积极影响，为各项目县规划方案的顺利制定提供了强有力的分析平台，取得了十分显著的经济社会环境效益。

（1）经济效益：应用县级水资源与水环境综合管理工具，在短时间内对项目县及IWEMP承担单位提出的大量节水和治污措施进行了情景模拟分析，提高了规划制定的工作效率，降低了工作成本，为各项目县带来了显著的经济效益。

（2）社会效益：各项目县通过实施水资源与水环境综合管理工具，收集了县内水资源、水环境以及农业管理措施等方面的大量数据信息，提高了各县水资源与水环境的信息化管理水平，并为其他相似项目县提供了技术参考和借鉴经验，带来的社会效益明显。

（3）环境效益：应用县级水资源与水环境综合管理工具对各项目县的水量水质状况进行了评价，基于评价结果协助IWEMP承担单位制定了不同的节水治污措施，这些措施有利于改善各项目县生态环境，确保各项目县水资源与水环境可持续发展的目标，将在今后很长时期产生巨大的环境效益。

4 结论

基于SWAT2000源代码开发的县级水资源与水环境综合管理工具，可根据项目县土壤、土地利用、水利工程等下垫面信息构建分布式水文循环模型，实现对不同管理措施节水治污效果的情景预测，并具有界面友好、操作方便等特点，可以满足我国县级层面的水资源与水环境管理需求。

工具作为县级水资源与水环境综合管理规划的核心管理平台，已经在河北省临漳县、馆陶县、涉县、肥乡县、成安县及德州市德城区得到了广泛应用，应用结果为项目县规划方案的制定与选取提供了科学依据。通过工具在规划制定中的应用，促进了项目县地下水位的改善、生态环境的修复，其带来的社会经济环境效益显著。在今后的工作中，将会结合水资源管理实际，进一步加强工具后期维护与技术支持工作，以保证工具持续运行和推广应用，发挥更大的效益。

[1]Abbott M B，Bathurst J C，Cunge J A.An introduction to the European Hydrological System [J].Journal of Hydrology，1986，87：45-59.

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[3]李丹，薛联青，郝振纯.基于SWAT模型的流域面源污染模拟影响分析[J].环境污染与防治，2008，30（3）：4-7.

[4]郝芳华，程红光，杨胜天.非点源污染模型-理论方法[M].北京：中国环境科学出版社，2006.