基于SWAT模型的水环境管理系统

摘要：选取新乡县作为典型研究区域，以物理概念模型SWAT模型机理为基础，分析出各种驱动力、驱动因子对非点源污染负荷的影响，为新乡县非点源污染控制措施提供支持

关键词：SWAT；非点源；水污染

科学合理地控制非点源污染，实现水环境可持续发展，是目前我国保护生态环境的基本措施，目前虽有许多软件可以模拟并预测水环境的发展趋势，但大多具有一定的局限性。本文以新乡县为例，根据DEM、河道、土壤类型、土地利用、气象资料等数据，在ArcMap环境中运用ArcSWAT模块建立新乡县分布式水文模型，在此基础上，采用C#和ArcEngine设计开发可视化界面，对SWAT模型进行改进，以新乡县2004年—2008年的现状水文数据进行参数率定，直到SWAT模型的模拟数据与真实数据接近，并根据模拟结果数据绘制折线图、直方图、在新乡县行政分区图、河网图上空间展示出来。该系统实现了每个水文响应单元在每个月份的灌溉方式、水量、时间和水源的调整及参数校正；实现了氮、磷肥对非点源污染产出的影响分析；实现了非点源污染物产出的时间和空间特性分析；实现了模型模拟运行结果的空间展示。与原SWAT模型相比，该改进的SWAT系统输入界面简捷灵活、结果可视化性强、适用范围更广。

一、水环境管理系统简介

系统主要包括三个模块：基础信息、灵敏度分析、情景分析：

（1）该模块主要针对新乡县07年至10年的基础信息进行展示，包括：基础地理信息、气象资料、社会经济数据。

（2）该模块主要针对各项水量水质参数进行修改，对不同条件下的水文情况进行模拟，并对各项结果进行分析，把鼠标放在标签上，可查看各个系数的含义及各参数有效值范围。

（3）该模块主要针对新乡县的工业生活用水、农业用水、污染治理方面的数据进行修改，并对不同条件下的情况模拟及结果分析、展示。可通过生成方案或加载方案来显示数据，然后可不同条件下的数据进行运算并保存为方案，可将结果分别按流域、行政边界、河网进行展示，在展示前需要先选择方案否则会弹出提示对话框，同时可选择展示方式，手动展示和动态展示：手动展示中可选择统计变量及时间；动态展示可将运行结果以月份为跨度进行动态展示，在展示过程中可暂停，见下图。

二、研究的方法介绍

该研究方法分为以下几项步骤：

（1）收集典型流域基础资料：数字地图：包括地形图、土壤类型图、土地利用图、水系图等；气象资料：包括降雨资料、气温资料、相对湿度、太阳辐射、风速资料；水文资料：包括境内、入境径流量，典型污染物浓度等；土壤特性资料等。

（2）模拟调参：选用Swat模型对新乡县非点源污染进行模拟。首先确定流域河网生成和划分子流域，再根据流域中不同土地利用方式相关联的土壤中营养物质的各参数对流域进行模拟，通过数字河网计算子流域出口处的污染负荷，通过河道演算得到流域出口处的流量、污染负荷。

本研究在查阅国内外对SWAT模型参数校准、径流模拟参数校准的研究基础上，选出对于模型输出有重要参数的敏感参数，并采用“微扰动”方法[1]考察参数对模型的敏感性，确定模型的敏感参数集。

污染物参数率定考虑两个方面，子流域上污染物的产出量和河道中污染物的迁移转化[2]。模型污染物参数率定依据总量、时间分布及最大浓度等。污染物调参過程中可能的问题及解决方案：

（3） 模拟结果分析：研究不同典型年流域非点源污染负荷的产出规律，非点源污染产出的时间和空间分布规律，分析农业施肥对非点源污染负荷产出的影响，非点源污染物浓度与径流的关系。

（4）控制措施的提出：根据主要驱动力和驱动因子对新乡县非点源的影响分析，提出减小新乡县非点源污染的控制措施。

总之，本次论文工作主要利用美国农业部研究局开发的SWAT模型对新乡县非点源污染产输出进行模拟研究。新乡县是海河流域一个典型的平原流域，通过对新乡县非点源污染状况的模拟分析，可以为新乡县水质的控制和治理方案提供可靠依据。本系统主要实现了以下功能：

（1） 实现了每个水文响应单元在每个月份的灌溉方式、水量、时间和水源的调整及参数校正。

（2） 实现了氮、磷肥对非点源污染产出的影响分析。

（3） 实现了非点源污染物产出的时间和空间特性分析。

（4） 实现了模型模拟运行结果的空间展示。

参考文献：

[1] 符素华，刘宝元，吴敬东等.北京地区坡面径流计算模型的比较研究[J].地理科学，2002，22

[2] 夏青.城市径流污染系统分析[J].环境科学学报，1982， 2（4）： 271～278.

作者简介：李静（1987.1--），女（汉），黑龙江哈尔滨人，学历：硕士，职称：助教，研究方向：水资源的高效利用。

（作者单位：内江职业技术学院人事处）