SWAT模型在海河流域水资源管理中的应用
2010-06-11李建新朱新军
李建新，朱新军，于 磊
（1.水利部海河水利委员会，天津 300170；2.天津市龙网科技发展有限公司，天津 300170）
1 引言
1.1 海河流域水资源利用现状
海河流域地处京畿要地，是我国重要的经济社会发展地区。属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，多年平均降水量535 mm，多年平均水资源总量370亿m3，人均水资源占有量293 m3，属于严重资源性缺水地区。海河流域以其仅占全国1.5%的有限水资源承担着11%的耕地面积和10%的人口以及京、津等几十座城市的供水任务，水资源已远远不能满足工农业生产和人民生活用水需要，处于供需严重失衡状态。
海河流域已初步建成较为完整的水利工程体系，2005年总供用水量383.2亿m3，地下水占供水量的2/3，农村生活、灌溉和林牧鱼等农业用水占70.8%。流域水资源总开发利用程度已达98%。
由于流域水资源的过度开发，流域生态和环境发生了显著的负面变化，如河道断流与干涸、湿地萎缩、河口生态恶化、地下水位下降、水污染加剧等。入渤海流量由20世纪70年代的116亿m3减少到2005年的8亿m3。2005年地下水超采量达73亿m3，形成了6万km2的浅层和5.6万km2的深层水超采区。全流域河流受污染程度2005年达到60%，浅层地下水污染面积达6万km2。
海河流域面临严重的水资源短缺问题，为实现流域水资源的可持续利用必须实行最严格的三条“红线”水资源管理制度，对水资源进行合理配置，实现水资源的高效利用。
1.2 水文模型在水资源管理中的作用
水文模型是对研究区域内发生的降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟，建立降雨－蒸发－地表水－土壤水－地下水相互转化的机理机制，揭示自然条件和人为开采作用下的水循环过程，定量模拟流域内地表水、土壤水、地下水的空间分布、储存形态及相互转化关系。水文模型可以根据过去、现状水资源水环境的变化过程，预测未来各种情景下的水资源水环境状况，为水资源管理提供科学依据，如图1所示。
从对水文过程描述的离散程度看，水文模型主要有两种类型：集总式和分布式模型。集总式模型不考虑流域特征参数在空间上的变化，用空间参数的平均值计算整个流域。随着流域变量的增加，模型预测的可信度和准确性下降，其缺点在于不能对特定位置做出预测，因此会忽略一些重要的潜在的环境问题，如 USLE、HEC-1、中国的新安江模型、WRAP、WEAP模型、日本的水箱模型等。分布式水文模型是将流域划分成若干个小的计算单元，清楚地考虑了流域下垫面及水文过程的空间变化，它不仅能给出水文过程的结果，而且能给出水文过程的动态变化，这对于水文过程的进一步认识及提高水文预测的准确性具有重要的意义，该类模型有SHE、AGNPS、ANSWERS、MATSALU、SWAT、STREAM、SWIM、TOPMODEL、GBHM2等。
2SWAT模型功能
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美国农业部农业研究服务中心研制开发的分布式流域水文模型，其主要目的是模拟预测土地利用、土地管理方式等对流域水量、水质等方面的影响。SWAT模型具有很强的物理机制，它能够利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文、物理、化学过程，如水量、水质以及杀虫剂的输移与转化过程，尤其在非点源污染、水土流失、土地利用和农业管理等研究领域得到广泛应用。
SWAT模型对水文过程的模拟是通过植被截留、蒸散发、地表径流、入渗、回归流、地下径流和河流演进过程的模拟来实现，可用来预测降水、蒸发等气候因素和土地利用、土壤性质等下垫面因素的空间变化及人类活动的行为（气候和植被变化、水库管理、地下水抽取、调水）对水循环、沉积物和化学物质产量的影响，该模型物理精度较高。SWAT模型应用于水资源管理的各个方面：水资源评价、点源与非点源污染、土壤侵蚀与水土流失、土地利用与农业节水等方面，如图2-3所示。
3SWAT模型应用
3.1 海河流域水平衡分析
3.1.1 模型构建
在海河流域DEM的基础上，综合考虑流域自然水文特性、水资源区划、省市行政区划、水文测站与水库的分布情况，将海河流域划分为283个子流域、2 100个 HRU （Hydrologic Response Unit）， 包含了17个入海河口、48座大中型水库，结合水文气象、土地利用、土壤分布、取用水等信息，构建海河流域SWAT模型。如图4所示。
3.1.2 水循环要素分析
水循环涉及多种水文要素，如蒸发、降水、地表径流、地下径流、下渗量、土壤蓄变等要素，这些要素是水资源管理的基础信息。图5是海河流域2002年降水量、蒸散量、产流量的空间分布图。
3.1.3 水量平衡分析
表1是利用海河流域SWAT模型分析的海河流域2000―2005的水平衡分析表，有亏有盈，总的来说水资源利用过度，入海流量少，地下水超采过多。要实现流域水资源的可持续利用，必须降低蒸散发（ET），提高水资源利用效率。
表1 海河流域水平衡分析结果 亿m3
3.2 漳卫南子流域水循环分析
3.2.1 模型构建
综合漳卫南子流域的自然特性、水文测站、水库分布等情况，将其划分为110个子流域、409个HRU。模型采用了89个雨量站、14个气象站、110个点源污染、10个水文站及土地利用、土壤分布、取用水等信息，构建子流域SWAT模型。如图6所示。
3.2.2 水平衡分析
表2是利用漳卫南子流域SWAT模型分析的2004年分区的水平衡分析状况，可以看出漳卫南子流域山区降水量高于蒸散量，水分处于盈余状态，有35.64亿m3的水量盈余；平原区蒸散量基本高于降水量，水分处于亏损状态，有12.24亿m3的水量亏损；总的来说，2004年漳卫南子流域水量盈余23.4亿m3。
表2 2004年漳卫南子流域分区水平衡分析
3.2.3 水环境分析
SWAT模型在水环境污染研究领域被广泛应用于模拟流域内主要非点源污染物的产生、迁移、转化过程，定量评价流域非点源污染状况以及分析和预测污染控制管理措施对水污染的影响。图7是漳卫南子流域SWAT模型模拟的2003年总氮、总磷空间分布图。
3.3 县域水资源管理
3.3.1 SWAT模型改进
海河流域的县域水资源管理涉及“节水、治污”问题。节水主要是指控制农田作物蒸腾和地面蒸发，主要有三大类技术措施，即农艺措施、工程措施和管理措施。治污主要是通过对污染源的点源达标排放、面源污染控制等措施，改善水环境，实现地表、地下水体的各项指标全部达到环境保护标准。
针对县域水资源管理特点，在引进的SWAT模型的基础上开发了县域水资源水环境综合管理工具，包括模型输入、运行模型、分区统计、情景分析等模块，其中情景分析主要设置了4种模式：调整种植结构、调整灌溉方式、采取覆盖保墒、污染治理措施。如图8所示。
3.3.2 模型构建
肥乡县位于河北省南部平原区，主要是浅层地下水灌溉。肥乡县SWAT模型共划分了40个子流域，同时根据土壤和土地利用情况又细分为280个HRU。如图9所示。
3.3.3 模型应用
（1）现状分析：肥乡县作物种植结构主要有玉米－小麦轮作、棉花，还有部分蔬菜地。模型模拟了肥乡县不同作物结构在2002—2005年的蒸散耗水变化情况，如图10所示，蒸散量降水量正相关，同时与作物也紧密相关：玉米－小麦轮作＞小麦＞菜地＞棉花＞玉米。
肥乡县非点源产出不仅与农业管理措施、农药化肥使用等因素相关，还与降雨产流有很强的相关关系，如图10所示，降水较为丰沛的2003年非点源产出远高于枯水的2002、2004年，总体看来由于肥乡各年份产流很小，导致非点源负荷较小。
（2）情景分析：为改善肥乡县地下水超采和水环境污染状况，采用肥乡县SWAT模型模拟不同节水措施和不同施肥措施对水资源和水环境的影响。
方案1：节约水资源，调整作物种植结构。在现状种植结构的基础上，分别将小麦玉米轮作面积的20%、40%、60%和80%改为种植棉花，全县ET 平均下降了 2.3%、4.6%、6.9%和 9.3%， 如图11所示。
方案2：改善面源污染，调整农业施肥量。在现状化肥农药施用量的基础上，分别减少20%和40%，总磷产出多年平均下降了 13.2%、28.6%，如图12所示。
4 结语
图12 不同施肥措施的总磷产出对比
本文构建了不同层次：海河流域SWAT模型、漳卫南子流域SWAT模型、肥乡县SWAT模型，分析了在气候变化和人类活动双重影响下的流域与区域水循环特征，分析了流域与区域水资源及水环境变化状况及水资源综合管理措施的实施效果。SWAT模型可广泛应用于流域、子流域、县域不同层次的水循环过程模拟，预测未来各种情景下的水资源水环境变化状况，为流域、区域的水资源管理提供科学依据。
