SWAT模型在我国水生态文明建设中的应用

2015-12-22首都经济贸易大学城市经济与公共管理学院北京100070

安徽农业科学 2015年25期

戴劲，章浩 (首都经济贸易大学城市经济与公共管理学院，北京100070)

近年来，生态文明建设逐步融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设的各个方面。生态文明建设是人与自然和谐发展、环境友好型经济发展的必要条件。水是生命之源，生产之要，生态之基。我国水生态问题十分严峻，水资源数量有限、质量较低、生物多样性退化等一系列问题仍未得到有效解决。由于水生态具有污染物难以实时监测、流域水质水量影响因素复杂等特点，对区域水系进行径流量、物质循环、水土流失等方面的量化研究能直观、有效预测一定期限内水生态系统的基本状况。SWAT模型在模拟流域径流量、污染物负荷、土地利用的水生态影响等方面的研究已经有了一定成果，能较准确预测流域基本状况，对农业生产中农药化肥投入量进行科学指导。笔者分析了国内水生态主要问题，根据SWAT模型在以往的各种模拟、研究中的成果，提出在水利工作、规划工作中普及SWAT模型的使用与发展，地方水利、规划部门开发适用于各个地区的新模块以适应不同地区不同流域，为水生态文明建设提供技术基础、科学建议和规划基础。

1 水生态文明及其建设迫切性

1.1 水生态及其功能 1936年Arthur Tansley提出生态系统的概念，生态系统是指在一定的空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动而互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位［1］。水生态是从生态系统中细分出来的具体的一部分，无论在物质循环还是生命新城代谢的过程中，水都占据着不可替代的地位。总的来说，水生态可以被概括为环境水因子对生物的影响和生物对各种水分条件的适应。根据生态学的概念，可以简单将水生态的功能总结为3个主要功能:一是为水生生物提供生存环境和物质基础;二是为区域内生物提供水资源;三是调节区域气候。欧阳志云等根据水生态系统所提供服务的类型、机制及效用，把水生态系统的服务功能划分为提供产品、调节功能、文化功能和生命支持功能四大类［2］。支持功能是各项功能的基础;提供产品的功能主要是人类对水资源利用方面，水生态将水提供给人类使用，进行生产生活;调节功能主要是水生态对整个生态系统、整个环境的调节功能;文化功能则是水系、流域产生的不同文化产物及旅游产业。

1.2 水生态问题现代人类生活发展对水资源的需求远远大于农业社会时期，随着社会的发展、工业化进程和城镇化进程的加速，人类活动导致水资源减少、水污染加重、水生物多样性减少，逐渐超出了水生态系统的自我调节能力范围。我国水生态问题主要体现在水资源数量有限、质量不高和生态系统退化等方面。

1.2.1 水资源数量有限。我国人口众多，人均资源数量有限。粗放型发展模式导致水资源利用效率较低，水资源浪费严重。据统计，2013年我国水资源总量约为27 957.86亿m3，占世界径流资源总量的6%;由于人口众多，我国是用水量最多的国家，当前我国人均水资源占有量为2 059.69 m3，仅为世界人均占有量的1/4，排名百位之后。从2008年开始，水资源利用效率明显下降。在空间上，我国东、中、西部水资源利用效率处于3个明显不同级别，东部省份水资源利用效率最高，平均水平为0.8左右;其次是中部，平均水平为0.6左右;西部水资源利用效率最低，平均水平为0.4左右［3］。我国水环境中生物多样性也随着水量减少、水质下降等因素逐渐下降。以北京市为例，近年来区域内野生鱼类种类数量锐减。据统计，20世纪70年代末～80年代初之前，区域内尚可见到土著鱼类70种左右，到2010年已降至30多种［4］。北京及其邻近地区原生野生鱼类消失率统计见表1。北京曾经也是生态环境友好的城市，如今不仅流域面积锐减、水生生物多样性大幅度减少，而且城市及周边农村生态景观发生较大变化。

表1 北京及其邻近地区原生野生鱼类消失率

1.2.2 水资源质量不高。水体生物多样性降低使水体的净化能力减弱。我国水质问题主要体现在3个方面:流域水质不高;有的河段水体有机物污染严重;饮用水安全受到威胁。环保部监测结果显示，2014年我国地表水劣V类水占10%，部分流域污染更严重。流经城乡交界处等地区的流域管理不善，有机污染物含量很高，常出现“黑臭”水体。水污染导致的饮用水安全问题频频出现，突发事件直接影响居民健康。

1.2.3 生态系统退化。水生态问题导致水生态调节功能的下降。水资源数量减少，沼泽、湿地、湖泊面积缩小，河道干涸，水生态对气候的调节能力降低，水生生物失去栖息地，导致生物多样性减少，水体自我调节功能随之削弱，难以应对日益严重的水污染问题，产生恶性循环。

1.3 水生态文明建设的迫切性水生态文明是源自于人类社会的概念，是联系水生态系统与人类活动、社会发展、经济发展的思想纽带。左其亭把水生态文明定义为人类遵循人水和谐的理念，以实现水资源可持续利用，支撑经济社会和谐发展，保障生态系统良性循环为主体的人水和谐文化伦理形态［5］。王文珂认为，水生态文明是以科学发展观为指导，遵循人、水、社会和谐发展客观规律，推动经济社会发展与水资源和水环境承载力相协调，建设永续的水资源保障、完整的水生态体系和先进的水科技文化所取得的物质、精神、制度方面成果的总和［6］。水生态文明的建设是人类主观意识对自然的积极改造。在水资源利用规划、水污染防治、水生态系统修复等工作中，水生态文明建设的思想贯穿其中。陈进认为，水生态文明建设的主要目标可以概括为3个方面:人民的生命安全和幸福生活、水资源可持续利用、水生态系统良好［7］。主要目标人与自然和谐，人与人在利用自然、保护自然过程中的和谐。水利部提出的水生态文明建设的指导思想中要求，把生态文明理念融入到水资源开发、利用、治理、配置、节约、保护的各方面和水利规划、建设、管理的各环节［8］。这就需要在水资源的各个环节都有良好的检测与控制系统，要求在水源保护、污染防治、生态修复等一系列问题中都能得到实时监控。无论是水资源数量的匮乏还是水资源质量的下降，最后都直接影响人类的生存与发展，倡导水生态文明建设是我国人民发展，保障国家水安全的有效途径。只有在水生态文明建设的要求下，才能实现人与水生态系统、乃至整个生态系统的和谐统一。

2 SWAT模型及其应用

2.1 SWAT模型开发与结构 SWAT(Soil－Water－Assessment－Tool)模型由美国农业部(USDA)农业研究中心Jeff Arnold博士开发。该模型开发的最初目的是在具有不同土壤类型、土地利用和管理条件特征的大尺度复杂流域内，预测评价土地利用管理等人类活动对流域水循环、泥沙、农业污染物质迁移的长期影响和作用。模型主要由3个子模型构成:水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型。其中，水文过程子模型包括水文循环陆地阶段、水文循环演算和水文循环的汇流阶段3部分。模型基于物理机制，且介于物理与概念之间，具有很强的物理基础，能够考虑天气、土壤性质、地形、植被、人类土地管理的综合作用，同时能够灵活处理各种复杂应用条件。由于介于物理－概念模型之间，为半分布式模型，使该模型计算效率较高，可以模拟较大的流域或多种管理方案。模拟水文循环陆地部分是一个十分复杂的过程，受到许多因素影响，该部分由水文、天气、沉积、土壤温度、作物产量、营养物质和农业管理等部分组成(图1)。

2.2 SWAT模型应用 SWAT模型能够考虑天气、土壤性质、地形、植被、人类土地管理的综合作用，能够灵活处理各种复杂应用形态。

2.2.1 径流影响因素解析。水文循环是一个较为复杂的过程，气候、植被覆盖等因素都会对水文循环产生很大影响，但这种影响不是直观的，通过SWAT模型的模拟可以直观反映这些因素变化对水循环的影响。2000年以来，SWAT模型在我国的流域模拟中就不断被证明能很好地预测流域径流。张利平等认为，SWAT模型基本上反映了白莲河流域的径流过程，模拟出来的流量过程与实测的总体趋势一致［9］。刘晋等对比了SWAT模型与典型集总式水文模型新安江模型的径流模拟能力，结果表明，SWAT模型在钱塘江支流密赛流域的月尺度径流模拟中更具优势，由此可见SWAT模型在我国径流模拟中具有良好的适应性［10］。Li等在气候变化对黄土高原黑河流域水资源影响的评估与调控的研究中，认为水文过程要结合降水、温度和CO2浓度等多个要素的共同作用，降水变化通常会被放大到径流变化中;温度的变化对饱和水汽压、雪的消融和积累以及蒸散等变量的影响十分显著;CO2浓度升高将直接改变植物生长并进而影响水文状况［11］。于磊等对漳卫南流域的模拟结果显示，随着流域降水量增加，流域腾发量、径流量和产水量相应增加;随着流域气温增加，腾发量相应增加，但径流量和产水量相应降低［12］。朱利等研究了汉江流域径流及实际蒸发的响应，分析指出汉江流域降水变化对水资源的影响要大于气温变化对水资源的影响［13］。王磊等在气候因素对蒲河流域径流模拟影响的研究中，验证了降雨因素比气温因素更显著地影响河流流域的径流变化［14］。径流量的变化不仅是各个因素分别产生的影响，更多情况下是多个因素共同作用的结果。面对各种不同复杂因素的影响，SWAT模型都能较好地模拟并预测流域径流量等数据，适合于长时间尺度下水文循环和物质循环研究，能为流域规划和管理提供决策依据，及时了解流域径流量变化的原因，有利于提高经济可持续发展的综合效益，对该地区生产生活用水计划、洪涝灾害预防、水库调度、航运等方面也起到重要作用。

2.2.2 流域物质循环模拟。SWAT模型不仅模拟水循环过程，还能以水循环为载体，模拟水土流失、营养物质输移、农药、病原菌等物质循环过程。水文循环部分中，营养物质、杀虫剂、农业管理等模块也在我国有很好的实践。史伟达等以我国南方典型水稻种植区漳河灌区的小流域作为研究区域，基于改进的SWAT模型，模拟分析了不同施肥制度下氮磷负荷的排放规律，结果表明，减少水稻田的施肥量和增加施肥次数可以有效地降低稻田氮磷污染负荷的排放量以及杨树垱水库的入库负荷［15］。程红光等运用SWAT模型成功模拟了我国黑河流域NH3-N流失量，并对不同土地利用类型的各子流域氮元素在不同降水条件下的入河系数进行研究［16］。黄仲冬在对宁夏青铜峡灌区典型排水区域——西排水沟的农田退水污染监测试验中设定了6种施氮情景，灌溉等其他管理措施相同的情况下，利用校准后的SWAT模型计算了不同情景下稻田退水中单位面积的TN负荷和产量(表2)。由表2可知，情景3(减氮20%)的收益较大，与现状条件相比，其TN负荷减少了24.3%，而产量仅降低了4.4%，且产量在9 000 kg/hm2以上，对该研究区域粮食产量也是一个保证［17］。SWAT模型利用 GIS技术，能对流域系统中的非点源污染进行模拟，通过对污染过程的定量描述，分析非点源污染产生的时空特征，发现污染物的来源及扩散路径，并预测污染物对水体产生的负荷。利用这种模拟计算评估土地利用方式及管理手段、技术措施的变化对非点源污染负荷和水体的影响。

表2 不同施氮量条件下稻田单位面积TN负荷和产量kg/hm2

2.2.3 土地利用的生态影响模拟。不合理的土地利用方式及农业生产的污染等因素，会导致流域水量的下降及水资源质量恶化。自 2004 年，郝芳华等［18］、陈军峰等［19］分别研究了土地利用方式对产流产沙的影响及不同植被覆盖的情况下径流深与蒸发量的变化。赵永宏等在对我国农业面源污染现状与控制技术的研究中提出，利用遥感及全球定位系统获取的数据，可为污染治理提供准确、可靠的信息。利用模型模拟各影响因子以及非点源污染的空间分布，对不同条件下的污染状况进行识别和管理的技术措施在控制面源污染面源的工作中发挥重要作用［20］。陈军锋等通过SWAT模型对梭磨河进行水量计算，结果表明，当土地覆被情况由没有植被转变为全部有林地覆盖时，蒸发量增加，径流深减小［21］。张皓天等研究了流域内1993～2001年不同土地利用类型非点源污染单位面积负荷，结果表明，不同土地利用类型的非点源污染负荷量不同，耕地的单位面积非点源污染负荷最高，疏林地次之，林地、草地等其他土地利用类型较小，这与李俊然等［22］的研究结果一致。因此，退耕还林、等高耕作等水土保持措施［23］，注意耕地中农药化肥的合理施用［24］，能有效控制区域内非点源污染。郝振纯等在对阜平流域的研究中发现，多年降水量变化不显著，而径流量呈显著下降趋势，主要原因是流域林地面积增加(草地转林地)［25］。由此可见，土地利用方式不合理极易造成生态失衡，在土地利用规划工作中，要正确认识人类活动对生态系统、水文环境的影响，兼顾水生态效益和经济效益发展。借助SWAT模型对因素变化进行模拟，可以直观反映在土地利用过程中农业活动对水质的影响，为决策者及规划部门提供了科学的发展建议。与点源污染相比，非点源污染起源于分散、多样的地区，地理边界和发生位置难以识别和确定，随机性强、成因复杂、潜伏周期长，因而防治十分困难。模型输入变量易于获取，所需基本数据基本可以通过政府部门获得，大大降低了传统面源污染防治带来的人力、财力、物力投入。

3 SWAT模型在水生态文明建设中的应用

3.1 加强径流量预测，做好水资源利用规划我国水资源数量贫乏，水资源利用效率较低，存在大量浪费现象。然而水资源数量匮乏的问题是持续存在的，没有立竿见影的办法，因此不同地区流域径流量预测变得十分重要。根据模拟结果，科学安排水利工程、工作，计算资源承载能力。随着模型使用的普及，各个区域建立起越来越全面、完整的气象、土壤等参数数据库，气象情景预测、日降雨细化分布等模块，对未来径流量预测都能得到较准确的模拟结果。在流域径流量发生较大变化时，利用模型找到主要影响因素并及时作出反应。在对流域整体进行分析时，利用模型计算汇流时间，对防洪防灾建设和水电工程设计也有非常重要的指导作用。对地下水蓄水量及枯水季径流进行模拟，对地下水水位变化进行监测，保证区域水资源数量。根据径流量预测结果，协调区域调水工作，制定用水规划，加强区域间资源互补，协调区域发展。

3.2 加强污染物质循环模拟，做好水污染防治规划点源污染通常有固定的排污口集中排放，在包括我国在内的许多国家已经得到较好的控制和治理;而非点源污染从非特定的地点，在降水(或融雪)冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)，并引起水体的富营养化或其他形式的污染［26］，由于涉及范围广、控制难度大，目前已成为影响水体环境质量的重要污染源。SWAT模型对流域水质进行评测时，点源污染根据已知的排污口，添加到模型中可计算出污染物在整个流域中的影响，并以流域污染物含量变化为准调整企业排污量标准。生活污水排放点也是运用该方法，规划合理的排放口布局，缓解区域流域水环境压力。并能根据流域水质监测及时发现违规排污事件，有效处理整治。对水体氮磷含量进行监测，对农业生产肥料投入量、禽畜养殖废物排放等农业生产过程中带来的土地及水体污染有全面的了解。根据区域水体物质循环检测结果，指导农业生产中合理使用肥料，对农业生产、农村生活污染物处理水平有了更高的要求。

3.3 加强水土结合模拟分析，做好土地利用规划土地利用方式不合理导致水土流失、河道干涸，这在我国西北地区十分常见。合理的土地利用方式无论对土地还是水资源保护都有重要意义。利用SWAT模型对水土流失进行模拟，得到现阶段土地利用方式对未来可能造成的结果，为规避不良结果提供科学的意见。根据多年来SWAT模型的模拟结果，已经得到不同土地利用方式下不同植被覆盖密度对流域径流量的影响。在水资源问题严峻的地区，用水安全的重要性远高于土地利用带来的经济效益。SWAT模型可对不限数量的水库进行模拟，对区域水库建设规划提供了可靠依据。模拟出各个区域(水文响应单元)水土流失和泥沙的产生，预测降水和径流产生的土壤侵蚀量，为土地沙化严重的干旱地区水利工程建设提供建设性的指导意见。不仅在水利工程方面，在农业耕种活动中，通过试验找到生态效益和经济效益的综合效益最大化时的生产模式，规划农村土地使用强度、轮作次数以及区域禽畜养殖用地合理定位。以模型模拟结果作为农业种植建议，向农民、承包户提出生态文明建设的要求，促进农业可持续发展。

3.4 加强SWAT模型应用开发，建立技术平台 SWAT模型的模拟可以根据不同地区不同气候条件、土壤条件，设定不同的计算方式。我国国土面积大，各个地区土地、水系状况有显著差异。各个地方利用该地气候状况、土壤状况、土地利用状况等基础数据，对SWAT模型进行适应于当地的计算方法。通过对往年水生态状况的模拟进行参数率定，选取合适的模型参数，运用到以后的预测工作中。各个地方水利、规划部门组建技术团队，区域间建立技术平台，可以及时分享模型开发成果，为相似的地区、流域提供技术共享。对于一个地区来说，模型开发、建立技术平台的工作量十分客观，但是对未来的用水规划、用地规划、水生态修复等工作都有重要意义，是我国建设水生态文明的重要途径。

4 结语

目前我国SWAT模型在水生态中的应用仍然不够。水生态文明建设过程中，利用SWAT模型可以及时准确地对水资源数量、质量进行控制，对相关经济活动进行合理规划，无论是水利工程规划、土地利用方式及强度规划，还是水资源污染监测，SWAT模型都可以提供量化的科学依据。在水生态文明的建设过程中，规划部门应更普及SWAT模型配套设施，加强基层工作者对SWAT模型的学习，掌握模型开发技术。根据我国各区域的现实状况对模型进行开发设计，更好地为我国水生态系统模拟、预测服务，促进我国水生态文明建设的发展。

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