楊 威，薛麗娟，于 磊

（天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300181）

海河流域水資源短缺，供需矛盾突出，存在著地下水超采、河道斷流、水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。針對(duì)上述問題，全球環(huán)境基金開展了旨在推進(jìn)海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理（IWEM）的GEF海河項(xiàng)目。其中，在海河流域最基本單位開展的縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃是項(xiàng)目的重要組成部分。

進(jìn)行縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理的核心問題之一就是對(duì)研究區(qū)水循環(huán)過程（包括水量和水質(zhì)）進(jìn)行盡可能精確的描述和研究，分布式水文模型為解決該問題提供了新的支持手段。目前，國(guó)際上分布式水文模擬模型數(shù)量眾多，已在世界諸多流域的徑流與非點(diǎn)源污染模擬研究方面得到了應(yīng)用[1-4]，但由于這些模型復(fù)雜的操作程序，尤其是國(guó)外軟件的英文界面，使得大部分模型在我國(guó)還主要處于被科研院校作研究應(yīng)用的階段，真正地服務(wù)于基層水資源與水環(huán)境管理的實(shí)踐極為少見。因此，基于分布式水文模型開發(fā)一套適合我國(guó)管理需求的分析工具成為一項(xiàng)重要的研究課題。

1 工具開發(fā)

綜合考慮我國(guó)水資源管理特點(diǎn)與GEF項(xiàng)目需求，基于SWAT2000源代碼，面向縣級(jí)管理人員開發(fā)了縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具。工具具有數(shù)據(jù)輸入、工具運(yùn)行、結(jié)果輸出和情景模擬等功能，且界面友好、操作方便，非常適合縣級(jí)管理人員使用，如圖1-2所示。

利用縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具能夠基于項(xiàng)目縣DEM、土壤、土地利用等基本信息，構(gòu)建項(xiàng)目縣分布式水循環(huán)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目縣地表水、地下水以及水質(zhì)時(shí)空變化過程的模擬以及對(duì)不同規(guī)劃方案包括節(jié)水措施（調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、優(yōu)化灌溉水量、調(diào)整灌溉水源等）和減污措施（點(diǎn)源、面源）的情景預(yù)測(cè)，模擬分析結(jié)果為縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃的制定與選取提供數(shù)據(jù)支撐。

2 工具應(yīng)用

目前，工具已經(jīng)成功應(yīng)用于GEF海河項(xiàng)目臨漳縣、館陶縣、涉縣、肥鄉(xiāng)縣、成安縣及德州市德城區(qū)的水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃子項(xiàng)目中。在項(xiàng)目中，根據(jù)各項(xiàng)目縣不同的自然環(huán)境特點(diǎn)，從農(nóng)業(yè)真實(shí)節(jié)水、提升地下水位和改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境角度出發(fā)，利用工具分別對(duì)各項(xiàng)目縣不同規(guī)劃方案的節(jié)水治污效果進(jìn)行了情景預(yù)測(cè)與分析。

2.1 節(jié)水措施情景模擬

2.1.1 調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)——以成安縣為例

成安縣種植有大面積的小麥—玉米輪作高耗水作物，導(dǎo)致縣內(nèi)的蒸騰蒸發(fā)量（耗水量）過高。為有效降低ET，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)真實(shí)節(jié)水，在保證糧食安全前提下，將現(xiàn)狀成安縣小麥—玉米輪作種植面積的20%、40%、60%和80%改為棉花種植，模擬結(jié)果如圖3-4所示。

模擬結(jié)果表明：在豐水年份（2003年），各類型作物ET都較高；在降水量較少的枯水年份（2006年），各類型作物ET都相對(duì)較低；但總體來看，玉米—小麥輪作的蒸騰蒸發(fā)量高于菜地，菜地的蒸騰蒸發(fā)量高于棉花。將耗水作物小麥—玉米輪作改為棉花種植后，各年份全縣ET都明顯降低；將小麥—玉米輪作面積的20%、40%、60%和80%改為棉花種植后，全縣ET平均下降了 1.96%、3.92%、5.89%和7.85%。

2.1.2 優(yōu)化灌溉水量——以館陶縣為例

目前，館陶縣進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉主要采用灌水定額的方式，每次灌溉相同的定額水量（70 mm）增加了無效蒸騰蒸發(fā)量（耗水量），造成了水資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)利用工具進(jìn)行館陶縣灌溉制度的優(yōu)化，設(shè)置情景為：在館陶縣現(xiàn)狀灌溉水量基礎(chǔ)上分別將灌溉水量減少20%和50%，模擬結(jié)果如圖5-6所示。模擬結(jié)果表明：減少灌溉量對(duì)于降低ET作用顯著，在減少20%和50%的灌溉量后，ET可以降低的百分比分別為2.3%和12.6%。

2.1.3 調(diào)整灌溉水源——以肥鄉(xiāng)縣為例

肥鄉(xiāng)縣東北部為有咸水區(qū)，主要依靠開采深層地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，造成深層地下水水位下降明顯。為實(shí)現(xiàn)GEF項(xiàng)目的農(nóng)業(yè)灌溉深層地下水零開采目標(biāo)，根據(jù)肥鄉(xiāng)縣水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃，設(shè)置了外流域調(diào)水治理方案情景：將肥鄉(xiāng)縣現(xiàn)狀條件下部分開采深層地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉的子流域（主要是有咸水區(qū)）改為外流域調(diào)水灌溉，外流域調(diào)水量約3 000萬m3。以2002年枯水年份模擬結(jié)果為例說明外流域調(diào)水對(duì)地下水位變幅的影響，如圖7-8所示。

圖7 現(xiàn)狀深層地下水水位降幅分布

從以上的模擬結(jié)果中可以看出，通過引用外來水源對(duì)于改善肥鄉(xiāng)縣東部地區(qū)的有咸水區(qū)地下水位效果顯著：外流域調(diào)水主要用來補(bǔ)充有咸水區(qū)深層地下水開采，因此以舊店鄉(xiāng)、東漳堡鄉(xiāng)為代表的鄉(xiāng)鎮(zhèn)深層地下水位在外流域調(diào)水后得到明顯回升；而毛演堡鄉(xiāng)外流域調(diào)水量相對(duì)有咸水區(qū)偏少，使得水位仍呈下降趨勢(shì)，但是下降幅度也有所減緩。外流域調(diào)水對(duì)西部以開發(fā)淺層地下水為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)略有影響，但影響不大。

2.2 治污措施情景模擬

2.2.1 點(diǎn)源治污情景——以涉縣為例

涉縣是一個(gè)以工業(yè)為主的項(xiàng)目縣，縣內(nèi)工業(yè)廢水排放量高，工業(yè)點(diǎn)源污染嚴(yán)重。針對(duì)點(diǎn)源污染現(xiàn)狀，從改善涉縣水環(huán)境質(zhì)量出發(fā)，共設(shè)置以下兩種情景，并選擇匡門口水文站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

情景1：重點(diǎn)企業(yè)污水按污水排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)排污，即COD排放濃度為120 mg/L、氨氮排放濃度為50 mg/L。

情景2：重點(diǎn)企業(yè)污水按污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)排污，即COD排放濃度為60 mg/L、氨氮排放濃度為15 mg/L。

模型模擬各種情景下的氨氮和CODMn削減變化情況如圖9所示。

從圖9中可以看出，按二級(jí)污水排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排污，匡門口模擬結(jié)果與現(xiàn)狀相比，COD濃度削減了25%，氨氮濃度削減了55%；按一級(jí)污水排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排污，與情景1相比各水質(zhì)指標(biāo)濃度進(jìn)一步降低，其中COD濃度相對(duì)情景1又削減了23.6%、氨氮濃度相對(duì)情景1又削減了31.0%。

2.2.2 面源治污情景——以臨漳縣為例

臨漳縣是以農(nóng)業(yè)為主的項(xiàng)目縣，近年來隨著農(nóng)藥化肥的大量施用，農(nóng)業(yè)面源產(chǎn)出日益增多，加速了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境惡化。從降低面源產(chǎn)出、改善生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，在臨漳縣現(xiàn)狀施肥量基礎(chǔ)上設(shè)置了兩類情景：將現(xiàn)狀施肥量分別減少20%、40%，有機(jī)氮、有機(jī)磷的產(chǎn)出對(duì)比結(jié)果如圖10-11所示。可以看出，施肥量減少20%和40%后，臨漳縣有機(jī)氮、有機(jī)磷產(chǎn)出較現(xiàn)狀均降低較為明顯；尤其是施肥量減少40%以后，在豐水年份有機(jī)氮的產(chǎn)出減少了30%左右，而有機(jī)磷的產(chǎn)出高達(dá)40%以上。

3 工具效益分析

基于項(xiàng)目縣基礎(chǔ)信息，利用縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具分別構(gòu)建了符合各項(xiàng)目縣實(shí)際情況的分布式模擬模型，模擬分析了各種規(guī)劃方案對(duì)改善地下水位、修復(fù)生態(tài)環(huán)境帶來的積極影響，為各項(xiàng)目縣規(guī)劃方案的順利制定提供了強(qiáng)有力的分析平臺(tái)，取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境效益。

（1）經(jīng)濟(jì)效益：應(yīng)用縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)項(xiàng)目縣及IWEMP承擔(dān)單位提出的大量節(jié)水和治污措施進(jìn)行了情景模擬分析，提高了規(guī)劃制定的工作效率，降低了工作成本，為各項(xiàng)目縣帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）社會(huì)效益：各項(xiàng)目縣通過實(shí)施水資源與水環(huán)境綜合管理工具，收集了縣內(nèi)水資源、水環(huán)境以及農(nóng)業(yè)管理措施等方面的大量數(shù)據(jù)信息，提高了各縣水資源與水環(huán)境的信息化管理水平，并為其他相似項(xiàng)目縣提供了技術(shù)參考和借鑒經(jīng)驗(yàn)，帶來的社會(huì)效益明顯。

（3）環(huán)境效益：應(yīng)用縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具對(duì)各項(xiàng)目縣的水量水質(zhì)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，基于評(píng)價(jià)結(jié)果協(xié)助IWEMP承擔(dān)單位制定了不同的節(jié)水治污措施，這些措施有利于改善各項(xiàng)目縣生態(tài)環(huán)境，確保各項(xiàng)目縣水資源與水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，將在今后很長(zhǎng)時(shí)期產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益。

4 結(jié)論

基于SWAT2000源代碼開發(fā)的縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具，可根據(jù)項(xiàng)目縣土壤、土地利用、水利工程等下墊面信息構(gòu)建分布式水文循環(huán)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管理措施節(jié)水治污效果的情景預(yù)測(cè)，并具有界面友好、操作方便等特點(diǎn)，可以滿足我國(guó)縣級(jí)層面的水資源與水環(huán)境管理需求。

工具作為縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃的核心管理平臺(tái)，已經(jīng)在河北省臨漳縣、館陶縣、涉縣、肥鄉(xiāng)縣、成安縣及德州市德城區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果為項(xiàng)目縣規(guī)劃方案的制定與選取提供了科學(xué)依據(jù)。通過工具在規(guī)劃制定中的應(yīng)用，促進(jìn)了項(xiàng)目縣地下水位的改善、生態(tài)環(huán)境的修復(fù)，其帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著。在今后的工作中，將會(huì)結(jié)合水資源管理實(shí)際，進(jìn)一步加強(qiáng)工具后期維護(hù)與技術(shù)支持工作，以保證工具持續(xù)運(yùn)行和推廣應(yīng)用，發(fā)揮更大的效益。

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