裴源生，許繼軍，肖偉華，楊明智，，侯保燈

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.長江水利委員會長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，湖北武漢 430010）

1 研究背景

用水總量、用水效率和水功能區(qū)納污總量三者之間相互聯(lián)系、相互影響，存在著“此消彼長”或“同消同長”的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系［1］。人類生產(chǎn)活動打破了原有的自然水循環(huán)演變規(guī)律，產(chǎn)生了以取-用-耗-排水為特征的人工側(cè)支水循環(huán)通量與路徑，同時也改變了氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在大氣、土壤、水體中的遷移轉(zhuǎn)化過程，使水循環(huán)附有了顯著的“自然-人工”二元特性［2］。人為地割裂二者之間的聯(lián)系必然難以準(zhǔn)確描述人工擾動下的水循環(huán)及其伴生的水化學(xué)過程，影響“三條紅線”控制指標(biāo)確定結(jié)果的科學(xué)性與合理性。只有將最嚴(yán)格水資源管理制度與對二元水循環(huán)的認(rèn)識與研究相結(jié)合，深入研究人類活動干擾情況下的水循環(huán)規(guī)律，才能對“三條紅線”進行科學(xué)制定。這涉及經(jīng)濟社會發(fā)展模擬、河流水質(zhì)過程模擬、水循環(huán)以及與之緊密聯(lián)系的供-用-耗-排水過程模擬等多個方面。因此，開發(fā)出基于物理機制的、可操作性強且功能完善的二元水循環(huán)模型工具是科學(xué)合理地劃定“三條紅線”控制指標(biāo)的必要手段。

水文模型已成為探索復(fù)雜水循環(huán)機理的有效工具，在水資源管理、人類生產(chǎn)活動對水循環(huán)的影響等方面的研究中發(fā)揮了不可替代的作用。目前具有代表性的水文模型有SWAT模型［3］、MODFLOW模型［4］，MIKESHE模型［5］和VIC模型［6］等。隨著人類活動對水循環(huán)干預(yù)的增強，傳統(tǒng)的水文模型已經(jīng)難以適應(yīng)這種基于強人類擾動過程的精細(xì)化模擬需求。眾多專家學(xué)者開始嘗試在傳統(tǒng)的水文模型框架上尋求新的突破。部分學(xué)者通過改進原有的水文模型，增加人工用水模塊［7-9］，研究人類擾動下的水循環(huán)演變規(guī)律；部分學(xué)者通過自主研發(fā)，在模型設(shè)計中將自然水循環(huán)模擬與人工取-用-耗-排水過程模擬相耦合，先后提出了多種分布式水循環(huán)模型。如賈仰文等［10］提出了WEP-L模型，在黃河流域進行了應(yīng)用；趙勇等［11］提出了適用于平原區(qū)的分布式水循環(huán)模型WACM，在寧夏地區(qū)進行了應(yīng)用；陸垂裕等［12］提出了面向OPP 的分布式模型MODCYLE，并先后在海河、淮河等地區(qū)進行了應(yīng)用［13-14］；桑學(xué)鋒等［15-16］將水文模擬和人工調(diào)配模擬相結(jié)合，構(gòu)建了概念性分布式水資源綜合模擬與調(diào)配模型WAS，實現(xiàn)了自然-社會水循環(huán)過程的實時聯(lián)動互饋模擬。

SWAT模型是目前最為經(jīng)典的、在世界范圍內(nèi)使用最廣的分布式水文模型之一［7］。SWAT模型不僅能夠利用遙感和地理信息系統(tǒng)提供的空間信息模擬流域中復(fù)雜的徑流、蒸發(fā)等水文過程，而且可以模擬氮、磷等多種營養(yǎng)物質(zhì)從陸面到河道的遷移、降解與轉(zhuǎn)化過程，分析農(nóng)業(yè)面源污染、水土流失、營養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化和大規(guī)模農(nóng)業(yè)管理活動等［17］。強大的功能是SWAT 模型在世界范圍內(nèi)的諸多科學(xué)領(lǐng)域被使用的重要原因。盡管如此，SWAT模型在一些功能方面存在著不足，難以滿足本研究的需求，主要有以下幾點：（1）SWAT 無法體現(xiàn)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水與減排等措施對國民經(jīng)濟用水、污染排放的調(diào)控。因為SWAT 模型無法直接使用經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)，只能以人工用水量、點源排放量作為邊界條件進行輸入。用戶必須事先做好調(diào)查統(tǒng)計，確定用水總量和排污總量，再細(xì)化分配到每個供水水源和點源中，這樣的處理方式不僅操作繁瑣，還極易造成誤差。（2）SWAT對社會水循環(huán)模擬刻畫不足。雖然SWAT在自然產(chǎn)匯流方面有著較好的模擬效果，但SWAT對人工“取-用-耗-排”過程模擬有著明顯短板。模型不考慮用水戶分類，僅以水源取水量作為邊界條件進行輸入，且取水設(shè)計不考慮年際變化，只取一個多年平均值，這在高速經(jīng)濟發(fā)展地區(qū)的應(yīng)用中會產(chǎn)生較大誤差［7］。（3）SWAT只能采用天然子流域劃分方法。這種以自然分水嶺線的延伸方向劃分的方法可以合理反應(yīng)地貌特征，但是天然子流域邊界、行政區(qū)邊界、灌區(qū)邊界之間相互交疊，并不重合。這導(dǎo)致所劃分的計算單元在空間位置上與行政區(qū)、灌區(qū)邊界難以對應(yīng)，對行政區(qū)和灌區(qū)用、排水模擬產(chǎn)生影響。（4）SWAT模型不統(tǒng)計人工用水量和河道水質(zhì)情況。模型計算的人工取用水量僅是水文過程模擬中的過程量，并不作為最終結(jié)果進行統(tǒng)計與輸出；模型雖然輸出河道斷面水質(zhì)濃度，但斷面是否達(dá)標(biāo)需要人工檢驗，對數(shù)量眾多的監(jiān)測斷面進行一一判別，工作量繁巨。

基于以上方面的不足，本研究對SWAT模型進行改進，以期實現(xiàn)以下3個目標(biāo)：

（1）銜接性目標(biāo)：通過增加經(jīng)濟社會模塊與人工用水模塊，實現(xiàn)需-供-用-耗-排水的銜接模擬；

（2）可調(diào)性目標(biāo)：通過節(jié)水與減排預(yù)案設(shè)置，實現(xiàn)模擬過程對用水總量和排污量的調(diào)控；

（3）便捷性目標(biāo)：通過增加河道水質(zhì)判斷功能，實現(xiàn)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)智能判別與結(jié)果輸出。

本文針對SWAT 模型在人工側(cè)枝水循環(huán)模擬方面的不足，在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進行改進，開發(fā)基于SWAT 的水量-水質(zhì)-水效聯(lián)合調(diào)控模型（Water Amount，Quality and Efficiency Regulation model based on the SWAT，SWAT_WAQER）。通過經(jīng)濟社會模型、水文模型與人工用水模型的耦合，使其具有經(jīng)濟社會發(fā)展與需水預(yù)測模擬、自然-人工水循環(huán)耦合模擬、水量水質(zhì)聯(lián)合模擬等功能。并以廣西南流江流域為研究對象，通過模型分析國民經(jīng)濟用水量、污染物入河排放量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，劃定2030年“三條紅線”控制指標(biāo)，為落實最嚴(yán)格水資源管理提供科學(xué)支撐。

2 模型開發(fā)

2.1 模型結(jié)構(gòu)SWAT_WAQER 模型由經(jīng)濟社會模塊、水文模塊和人工用水模塊三個子模型耦合而成。經(jīng)濟社會模塊以人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和用水效率信息作為輸入條件，計算并傳遞經(jīng)濟社會需水量，可以靈活體現(xiàn)調(diào)控決策對經(jīng)濟社會用水需求的調(diào)節(jié)；人工用水模塊以需水?dāng)?shù)據(jù)和設(shè)置的污染排放預(yù)案作為邊界條件控制水與污染物質(zhì)在人工調(diào)控下的輸運過程，提供實時的取、用、耗、排水和排污等社會水循環(huán)信息，傳遞給水文模型；水文模型以SWAT 模型為基礎(chǔ)，通過設(shè)置灌溉預(yù)案，對人工取-用-耗-排調(diào)控后的水量和水質(zhì)做出響應(yīng)，刻畫水循環(huán)過程和各時段轉(zhuǎn)化通量。三個模塊有機結(jié)合，通過信息交互，構(gòu)成了完整的自然-人工水循環(huán)模型。三個模塊的耦合關(guān)系見圖1所示。

三個子模型的基本功能如下：（1）經(jīng)濟社會模塊。通過輸入的人口與經(jīng)濟發(fā)展預(yù)案和用水效率預(yù)案驅(qū)動模塊運行。經(jīng)濟社會模型以行政區(qū)劃為基本單元，通過輸入行政區(qū)人口與經(jīng)濟數(shù)據(jù)，進行人口和宏觀經(jīng)濟發(fā)展預(yù)測，并且將行政區(qū)數(shù)據(jù)進行時空展布并傳遞到水文模型的子流域上，展布結(jié)果與所輸入的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水效率數(shù)據(jù)計算各單元的需水量。（2）水文模塊。水文模型由SWAT 的各水文模塊組成，通過輸入氣象信息、下墊面信息以及灌溉預(yù)案信息模擬區(qū)域的徑流、蒸發(fā)、入滲、營養(yǎng)物質(zhì)輸移等復(fù)雜的水循環(huán)及伴生過程。（3）人工用水模塊。將水、污染物質(zhì)在模擬過程中傳遞關(guān)系進行清晰描述，實現(xiàn)逐日的人工取、用、耗、排水?dāng)?shù)據(jù)傳遞，真實體現(xiàn)經(jīng)濟社會活動對水循環(huán)的影響。

圖1 模塊的耦合關(guān)系

2.2 耦合方法

（1）計算單元劃分。水文模型的常見的計算單元劃分方式有地貌單元劃分法（如WEP模型）、自然分水嶺劃分法（如SWAT 模型）［18］等，都有各自的優(yōu)點。地貌單元劃分法可以合理地反應(yīng)研究區(qū)的地貌特征，自然分水嶺劃分法以山脊線作為匯流邊界，這些方法對模擬流域的河道徑流過程是合適的。但水文模型以自然分水嶺線的延伸方向劃分天然子流域，灌區(qū)、行政區(qū)邊界和水功能區(qū)邊界一般不與自然地貌重合。這導(dǎo)致所劃分的計算單元在空間位置上與行政區(qū)、灌區(qū)邊界難以對應(yīng)，影響行政區(qū)和灌區(qū)的用、排水過程模擬。本次采取子流域-灌區(qū)-行政區(qū)-水功能區(qū)嵌套式計算單元劃分方法。該方法既能體現(xiàn)傳統(tǒng)水文模型的計算單元劃分特點，也能滿足流域與行政區(qū)水資源管理的需求。灌溉農(nóng)田大多集中在水利工程和配套工程體系較為完善的灌區(qū)范圍內(nèi)，因而需要對灌區(qū)范圍進行識別，即根據(jù)灌區(qū)的分布，將灌區(qū)與已劃分好的子流域進行疊加，以便于識別灌溉農(nóng)田范圍，保證灌溉面積的模擬準(zhǔn)確性；考慮到經(jīng)濟社會信息都是以行政區(qū)為單位進行統(tǒng)計的，行政區(qū)疊加便于將行政區(qū)經(jīng)濟社會信息數(shù)據(jù)展布以及后續(xù)的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)識別，進一步將天然子流域套上行政區(qū)和水功能區(qū)邊界，并將分割后的子流域賦予相應(yīng)的灌區(qū)、行政區(qū)及水功能區(qū)屬性。計算單元劃分流程見圖2所示。

圖2 計算單元劃分流程

（2）經(jīng)濟社會模塊與水文模塊的耦合。由于我國社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)（如城鎮(zhèn)人口、工業(yè)和服務(wù)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)村人口、牲畜數(shù)量等）都是以行政區(qū)為單位進行統(tǒng)計和對外發(fā)布的，故經(jīng)濟社會模型以行政區(qū)劃為基本單元進行經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)輸入。根據(jù)行政區(qū)內(nèi)的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村居工地分布和面積比例進行數(shù)據(jù)分解，并將分解的數(shù)據(jù)展布到相應(yīng)的子流域上，同時考慮到了城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度的不同，引入權(quán)重因子對城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)量、工業(yè)和服務(wù)業(yè)產(chǎn)值的分配進行適當(dāng)調(diào)整。將經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)分配到各子流域上后，根據(jù)輸入的城鎮(zhèn)居民生活用水定額、農(nóng)村生活用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量等用水效率參數(shù)進行需水量計算，獲得子流域需水量。需水量數(shù)據(jù)將傳遞到水文子模型的水源模塊進行取用水模擬。數(shù)據(jù)的空間展布流程見圖3所示。

（3）人工用水模塊與水文模塊的耦合。人工用水模塊可以對取水、用水、耗水、排水、排污等社會水循環(huán)過程進行詳細(xì)刻畫（圖4）。模型以子流域為單位指定取水水源（河道水、水庫水、地下水、流域外水源），每個子流域根據(jù)當(dāng)日用水需求從指定的水源進行取水，經(jīng)濟社會模型將計算的需水量數(shù)據(jù)傳遞給水文模型的水源模塊（河道模塊、水庫模塊、地下水模塊和外調(diào)水模塊等）進行取水計算；水源模塊將供水?dāng)?shù)據(jù)傳遞回人工用水模塊，通過用水模塊計算子流域內(nèi)的各類行業(yè)分配水量，之后數(shù)據(jù)依次傳遞給耗水模塊和排水模塊進行耗水量、排水量和排污量計算；最后，排水、排污數(shù)據(jù)將傳遞給水文模型的點源和面源模塊，進行污染排放計算。模型設(shè)定污染排放存在時間差，數(shù)據(jù)采用錯日傳遞，也即是將產(chǎn)生的污水安排在下一日模擬時排放。

圖3 行政區(qū)經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)空間展布

圖4 取-用-耗-排水銜接計算流程圖

2.3 主要原理

（1）經(jīng)濟社會發(fā)展預(yù)測。包括人口發(fā)展預(yù)測、宏觀經(jīng)濟發(fā)展預(yù)測以及畜禽增長預(yù)測等內(nèi)容。模型根據(jù)預(yù)測年數(shù)和增長率來計算指定未來年份的人口和GDP發(fā)展結(jié)果，城鎮(zhèn)人口數(shù)量根據(jù)未來年城鎮(zhèn)化率計算，三次產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將根據(jù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行劃分。作物播種和灌溉模擬需要在水文模型構(gòu)建過程中實現(xiàn)，不再設(shè)置農(nóng)業(yè)播種面積與灌溉面積預(yù)測功能。

未來行政區(qū)人口發(fā)展數(shù)量采用指數(shù)發(fā)展模型預(yù)測：

式中：m為行政區(qū)代碼；Pt為預(yù)測年t的人口數(shù)量，萬人；P0為基準(zhǔn)年的人口數(shù)量，萬人；am為行政區(qū)m的人口綜合年均增長率；n為預(yù)測年數(shù)；Purb,m,t、Prur,m,t分別為行政區(qū)m在預(yù)測年t的城鎮(zhèn)、農(nóng)村人口數(shù)量；ηm,t為行政區(qū)m在預(yù)測年t的城鎮(zhèn)化率。

未來行政區(qū)GDP總量也采用指數(shù)發(fā)展模型預(yù)測，預(yù)測模型公式為：

式中：m為行政區(qū)代碼；GDPt為預(yù)測年t的GDP總量，億元；GDP0為基準(zhǔn)年的GDP總量，億元；γm為行政區(qū)m的GDP年均增速（以不變價計）；n為預(yù)測年數(shù)。

模型通過行政區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)預(yù)測第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的增加值，計算如下：

式中：m為行政區(qū)代碼；GDPt為預(yù)測年t的GDP 總量，億元；GDP1、GDP2、GDP3分別為預(yù)測年t的第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的增加值，億元；α1,m、α2,m、α3,m分別為行政區(qū)m的第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的增加值占GDP的百分率。

（2）需水計算。需水計算包括生活需水計算、工業(yè)需水計算、服務(wù)業(yè)需水計算和農(nóng)業(yè)灌溉需水計算，均采用定額計算法。模型假定，除農(nóng)業(yè)灌溉之外，生活、工業(yè)和服務(wù)業(yè)的日需水量在年內(nèi)是恒定的。

生活需水包括城鎮(zhèn)生活需水和農(nóng)村生活需水，均采用人均日用水量法進行計算，計算公式如下：

式中：i為行政區(qū)代碼，WDurban為生活用水量，m3；Popurban和Poprural分別為城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口，人；γurban和γrural分別為城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口用水定額，m3/人；θpipe,i為管網(wǎng)漏損率。

工業(yè)需水和服務(wù)業(yè)需水依據(jù)規(guī)劃年產(chǎn)業(yè)增加值和需水定額計算，計算公式如下：

式中：WDsec為工業(yè)/服務(wù)業(yè)需水量，m3；Addsec為產(chǎn)業(yè)增加值，萬元；ηsec為萬元產(chǎn)業(yè)增加值用水量，m3/萬元；θpipe為管網(wǎng)漏損率。

農(nóng)田灌溉需水量是由SWAT 建模時所設(shè)置的灌溉日期、單次灌溉量和灌溉水有效利用系數(shù)決定，采用以下公式計算：

式中：WDIrr為灌溉用水，m3；m為灌溉作物的種類；Areai為第i種作物的灌溉面積，hm2；Irri為第i種作物的凈灌溉定額，m3/hm2；ηIrr為灌溉水有效利用系數(shù)。

（3）取水模擬。模型以子流域為單位指定其取水水源，每個子流域根據(jù)當(dāng)日用水需求從指定的水源進行取水，實際取水量取決于當(dāng)日需水量和水源的可利用水量。

式中：i為第i個子流域；j為第j天；WSP為取水量；WD為需水量；WS為水源的可利用水量。

（4）行業(yè)用水模擬。在取水后，子流域內(nèi)各用水部門對水量的分配存在優(yōu)先順序要求，設(shè)定用水優(yōu)先序依次為生活用水、工業(yè)用水，最后是農(nóng)業(yè)灌溉用水。程序根據(jù)取水量依次分配給各用水部門，直至分配完畢為止。用水計算步驟如圖5所示。

式中：i為子流域內(nèi)優(yōu)先序為i的用水部門；WSP為子流域的日取水總量；WD為用水部門的日需水量；WU為用水部門的日實際用水量。

圖5 人工用水計算流程圖

（5）耗水與排水模擬。各行業(yè)用水過程會出現(xiàn)水資源消耗，各部門的用水?dāng)?shù)據(jù)將依次傳遞到耗水模塊和排水模塊中，進行耗水和排水模擬。生活、工業(yè)和畜禽養(yǎng)殖耗水由用水量乘以耗水系數(shù)計算。排水包括生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水、工業(yè)廢水和農(nóng)田灌溉退水三部分。由于篇幅限制，這里列出排水計算過程如下：

其中：WRdom為生活日排水量，萬m3；WRind為工業(yè)日排水量，萬m3；WRani為畜禽養(yǎng)殖日排水量，萬m3；τurban、τrural、τind和τani分別為城鎮(zhèn)生活耗水率、農(nóng)村生活耗水率、工業(yè)耗水率和畜禽養(yǎng)殖耗水率。生活和工業(yè)日排水量數(shù)據(jù)將傳遞給點源模塊進行排水模擬。

農(nóng)田蒸散發(fā)和產(chǎn)流與氣溫、降水、灌溉、土壤性質(zhì)及農(nóng)田管理等多種因素密切聯(lián)系，SWAT_WAQER模型采用SWAT自帶的產(chǎn)流模塊和灌溉模塊模擬農(nóng)田蒸散發(fā)和產(chǎn)流過程。

（6）污染排放模擬。污染物計算主要考慮城鎮(zhèn)生活污染、工業(yè)污染和農(nóng)村生活污染。

城鎮(zhèn)生活污染排放量計算公式為：

式中：Pdom為生活污染日排放量，t/d；α為污水處理廠的污水處理率；c0為未處理的污染物排放濃度，mg/L，一般通過調(diào)查取值；c1為經(jīng)過處理后的污染物達(dá)標(biāo)排放濃度，mg/L；WRdom為生活污水日排放量，萬m3/d。

工業(yè)污染計算結(jié)合生產(chǎn)規(guī)模、工業(yè)耗排水和生產(chǎn)工藝等情況估算，排放濃度參考環(huán)保部門相關(guān)監(jiān)測資料以及相應(yīng)行業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。計算公式為：

式中：Pind為工業(yè)污染物日排放量，t/d；α為工業(yè)廢水處理率；c0為未處理的污染物排放濃度，mg/L；c1為經(jīng)過處理后的污染物達(dá)標(biāo)排放濃度，mg/L；WDind為工業(yè)廢水日排放量，萬m3/d。

農(nóng)村生活污染包括農(nóng)村居民生活污染和畜禽養(yǎng)殖污染，通過計入施肥的方式進行模擬。

（7）水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)識別。每個水功能區(qū)都有相應(yīng)的水質(zhì)控制目標(biāo)，模型根據(jù)模擬的當(dāng)月或當(dāng)日河段出口斷面的水質(zhì)濃度，識別其水質(zhì)類別，判斷是否超過水質(zhì)控制目標(biāo)。如果超過，則判別當(dāng)月/當(dāng)日該河段斷面水質(zhì)不達(dá)標(biāo)；反之，則當(dāng)月/當(dāng)日該河段斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，程序記錄達(dá)標(biāo)次數(shù)；年度水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)與否依據(jù)該水功能區(qū)的目標(biāo)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率進行判別。水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)識別流程如圖6所示。

圖6 水功能區(qū)達(dá)標(biāo)識別流程

3 案例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況將開發(fā)的SWAT_WAQER 模型應(yīng)用于水資源開發(fā)強度大、水污染嚴(yán)重的廣西南流江流域，進行流域“三條紅線”控制指標(biāo)劃分研究。南流江流域地處廣西壯族自治區(qū)東南部，全流域面積9565 km2（圖7），屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，降水豐富，流域多年平均年徑流總量為74.94億m3（常樂站以上）。南流江流域境內(nèi)共有北流市、玉州區(qū)、博白縣、合浦縣等10個市縣級單位。近十幾年，流域經(jīng)濟社會發(fā)展十分迅速，2016年流域內(nèi)人口為461.6 萬人，流域GDP為607.04億元，三次產(chǎn)業(yè)增加值比重為22.1∶41.4∶36.5。但由于水資源不合理的開發(fā)利用，流域內(nèi)水環(huán)境狀況不容樂觀。通過對流域境內(nèi)多個監(jiān)測斷面的水質(zhì)情況分析，Ⅲ類水?dāng)嗝鎯H占評價斷面的12.5%，Ⅳ類水?dāng)嗝孢_(dá)到62.5%，Ⅴ類和劣Ⅴ類水?dāng)嗝嬲?5.0%。超標(biāo)污染物主要為氨氮和總磷。

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 單元劃分 本文采取子流域-灌區(qū)-行政區(qū)-水功能區(qū)嵌套式單元劃分方法。首先，對南流江流域進行河網(wǎng)提取，根據(jù)地形情況劃分天然子流域。之后，將子流域依次套上灌區(qū)（圖8（a））、行政區(qū)（圖8（b））和水功能區(qū)邊界（圖8（c）），并將分割后的子流域賦予相應(yīng)的灌區(qū)、行政區(qū)及水功能區(qū)屬性。最后，根據(jù)坡度、土壤類型及土地利用等情況完成水文響應(yīng)單元劃分。通過以上處理，全流域共分成了269個子流域，4178個水文響應(yīng)單元。子流域劃分結(jié)果見圖8（d）所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)輸入 模型構(gòu)建所需要的數(shù)據(jù)有空間數(shù)據(jù)，包括DEM數(shù)據(jù)（90 m×90 m），土地利用圖（1∶10萬）、土壤分布圖（1∶100萬）、行政區(qū)分布圖、灌區(qū)分布圖、水功能區(qū)區(qū)劃圖以及南流江流域水系圖等；氣象數(shù)據(jù)，包括靈山、玉林、欽州、北海4個站點的逐日降水、氣溫、風(fēng)速、太陽輻射和相對濕度；水利工程數(shù)據(jù)，包括18座大中型水庫死庫容、興利庫容、總庫容等參數(shù)數(shù)據(jù)，小江水庫等3座大型水庫的逐月入、出庫流量數(shù)據(jù)；南流江流域國民經(jīng)濟數(shù)據(jù)，包括各行政分區(qū)的人口、城鎮(zhèn)化率、GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、耕地面積和灌溉面積等；用水效率數(shù)據(jù)，包括城鎮(zhèn)居民生活用水定額、農(nóng)村生活用水定額、畜禽用水定額、管網(wǎng)漏損率、萬元工業(yè)增加值用水量、灌溉水有效利用系數(shù)等；污染控制信息，包括城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民污染物排放強度、畜禽污染物排放強度、生活污水處理率、工業(yè)污染物排放濃度、工業(yè)廢水處理率等；橫江、博白、常樂水文站逐月流量數(shù)據(jù)；嶺塘、博白和常樂水質(zhì)測站的水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)等。此外，還有與作物管理措施有關(guān)的灌溉制度、灌溉水源、農(nóng)田耕作、施肥量等各項參數(shù)等。

圖7 研究區(qū)地理位置

3.3 模型校驗傳統(tǒng)水文模型的校驗一般采用觀測徑流校驗，按照SWAT_WAQER 模型的功能和特點，本文所構(gòu)建的模型需要分別對河道徑流、水質(zhì)、國民經(jīng)濟用水量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)等情況等進行校驗。

3.3.1 國民經(jīng)濟用水校驗 SWAT_WAQER模型具有人工用水模塊，能夠根據(jù)輸入的經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)和用水效率數(shù)據(jù)進行用水模擬。有必要對國民經(jīng)濟用水結(jié)果的合理性進行分析校驗。由于國民經(jīng)濟用水?dāng)?shù)據(jù)以行政區(qū)為單位發(fā)布，缺乏南流江流域內(nèi)各行政分區(qū)的連續(xù)資料，本次僅采用《南流江水量分配方案》報告中的2010年流域的國民經(jīng)濟社會實際用水?dāng)?shù)據(jù)，對南流江流域的國民經(jīng)濟用水量進行校驗，模擬誤差結(jié)果見圖9所示。可以看出，流域用水總量模擬誤差在5%以下，除浦北縣生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水、靈山縣的生態(tài)用水以及欽南區(qū)生活用水的模擬誤差高于10%以外，10個行政分區(qū)的各類用水指標(biāo)模擬值與實測值誤差均在10%以內(nèi)。欽南區(qū)、浦北縣和靈山縣的用水量相對較小，因此沒有影響流域的整體模擬結(jié)果，流域用水總量誤差很小?？傮w上，模擬結(jié)果基本能夠反映南流江流域?qū)嶋H用水情況。

3.3.2 徑流校驗 以橫江、博白、常樂為代表的南流江主要水文站實測流量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，取橫江站和博白站2002—2007年的月徑流數(shù)據(jù)進行率定，取2008—2016年的月徑流數(shù)據(jù)進行驗證；取常樂站2006—2010年的月徑流數(shù)據(jù)進行率定，取2011—2016年的月徑流數(shù)據(jù)進行驗證。校準(zhǔn)結(jié)果如表1和圖10所示（篇幅限制，僅給出博白站校驗結(jié)果）。可以看出，南流江流域各水文站的月徑流模擬值與實測值流量過程線擬合程度較好。率定期月徑流模擬值和實測值的相關(guān)系數(shù)R2和納什效率系數(shù)Ens全部在0.75以上；驗證期內(nèi)各水文站的納什效率系數(shù)Ens和相關(guān)系數(shù)R2也都在0.70以上，可以看出，模型的模擬效果較好，滿足模擬精度要求。

圖8 南流江流域

圖9 南流江流域國民經(jīng)濟用水實際值與模擬值對比

3.3.3 水質(zhì)校驗 在水文過程模擬合理的基礎(chǔ)上，再進行氨氮與總磷的模擬校驗。由于南流江流域各水質(zhì)監(jiān)測站點的資料有限，本次僅采用2010年為率定期，2014年為驗證期，對南流江流域的嶺塘、博白和常樂三個主要的水質(zhì)測站有限的水質(zhì)監(jiān)測資料進行校驗。由于篇幅限制，僅給出常樂站校驗結(jié)果，見圖11所示。總體上，各水質(zhì)測站的水質(zhì)模擬值與實測值擬合程度良好，基本能夠反映各斷面水質(zhì)濃度的變化過程。

表1 各測站的月徑流模擬結(jié)果

圖10 博白站的實測與模擬月徑流過程對比

圖11 常樂站的2010年和2014年水質(zhì)模擬結(jié)果對比

3.3.4 水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)判斷結(jié)果校驗 在水質(zhì)模擬結(jié)果合理的基礎(chǔ)上，再進行南流江流域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)判斷結(jié)果校驗。本次采用南流江流域2010年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)實際情況進行校驗，SWAT_WAQER模擬結(jié)果與實際結(jié)果對比見圖12所示。從圖中可以看到，全流域26個水功能區(qū)中有24個水功能區(qū)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)判斷結(jié)果與實際情況相符?？梢姡琒WAT_WAQER 模型基本能夠反映水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的實際情況。

3.4 “三條紅線”指標(biāo)劃分通過《廣西水資源綜合規(guī)劃報告》《廣西灌溉發(fā)展總體規(guī)劃報告》以及玉林、欽州、北海市的水資源綜合規(guī)劃報告等資料，搜集2030年玉林、欽州、北海市的社會經(jīng)濟發(fā)展信息（主要包括人口數(shù)量、城市化率、工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)種植面積以及灌溉面積等），輸入到SWAT_WAQER 模型中。采用1957—2016年的長系列氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，對南流江流域2030年“三條紅線”控制指標(biāo)進行劃分。設(shè)定的用水效率參數(shù)包括城鎮(zhèn)居民生活用水定額、農(nóng)村生活用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量、灌溉水有效利用系數(shù)等。

圖12 2010年南流江流域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)模擬與實況的對比

通過模型模擬，將得出各水功能區(qū)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況與水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)對比，判斷各行政區(qū)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。若水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率未達(dá)到目標(biāo)值，調(diào)整工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，重新進行模擬計算，直至實現(xiàn)該行政區(qū)的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，此時計算出的用水總量和入河污染物排放量，即為該行政區(qū)的用水總量控制指標(biāo)和污染排放總量控制指標(biāo)。依照從上游至下游的原則依次調(diào)節(jié)各行政區(qū)，最終確定南流江流域2030年“三條紅線”控制指標(biāo)，如表2所示。（1）用水總量控制指標(biāo)。根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)和各區(qū)縣水資源條件，2030水平年南流江流域經(jīng)濟社會平均用水總量控制指標(biāo)為23.76 億m3，其中，玉林市、北海市和欽州市的用水總量控制指標(biāo)分別為15.07 億m3、5.66 億m3和3.02億m3，各區(qū)縣的國民經(jīng)濟用水總量控制指標(biāo)見表2所示。（2）用水效率控制指標(biāo)。2030水平年南流江流域萬元工業(yè)增加值用水量為63 m3，灌溉水有效利用系數(shù)為0.594。其中，玉林市、北海市和欽州市的萬元工業(yè)增加值用水量分別為64、66和48 m3，灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.592、0.608和0.57。各區(qū)縣的萬元工業(yè)增加值用水量和灌溉水有效利用系數(shù)見表2所示。（3）污染排放總量控制指標(biāo)。2030水平年南流江流域氨氮排放總量控制指標(biāo)為1436 t，總磷排放總量為138 t。其中，玉林市、北海市和欽州市的氨氮排放總量控制指標(biāo)分別為957、258和222 t，氨總磷排放總量控制指標(biāo)分別為80、23和34 t。各區(qū)縣的氨氮和總磷排放總量控制指標(biāo)見表2所示。

表2 南流江流域2030年“三條紅線”控制指標(biāo)劃分結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過改進SWAT 模型，開發(fā)了基于二元水循環(huán)的水量-水質(zhì)-水效聯(lián)合調(diào)控模型SWAT_WAQER，使其在功能上和模擬方法上具有了鮮明的特色：（1）采用子流域-灌區(qū)-行政區(qū)-水功能區(qū)嵌套式單元劃分方法，很好地處理了天然子流域邊界、行政區(qū)邊界、灌區(qū)邊界互不重合的問題，方便了節(jié)水、污染控制等預(yù)案的設(shè)置、行政區(qū)用水統(tǒng)計以及水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)識別；（2）耦合了國民經(jīng)濟發(fā)展與需水預(yù)測模型，可以預(yù)測未來人口發(fā)展和國民經(jīng)濟發(fā)展以及生活、生產(chǎn)需水；（3）實現(xiàn)行政區(qū)數(shù)據(jù)自動化空間展布，彌補了SWAT 模型無法體現(xiàn)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水與減排等措施對國民經(jīng)濟用水、排污的調(diào)控的不足，使行政區(qū)數(shù)據(jù)細(xì)化到計算單元中，提高了建模效率和模擬精度；（4）通過添加人工用水模塊，實現(xiàn)了人工取水-用水-耗水-排水和排污過程的逐日銜接模擬，彌補了SWAT在人工側(cè)枝水循環(huán)模擬方面的短板，實現(xiàn)了自然-人工二元水循環(huán)耦合模擬；（5）實現(xiàn)了行政區(qū)國民經(jīng)濟用水量的統(tǒng)計、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)自動識別的結(jié)果輸出；（6）本文將SWAT_WAQER模型應(yīng)用于廣西南流江流域，劃分了流域2030年“三條紅線”控制指標(biāo)，實現(xiàn)了最嚴(yán)格水資源管理制度的實踐與二元水循環(huán)理論的結(jié)合，提高了“三條紅線”的科學(xué)性與合理性。結(jié)果表明，SWAT_WAQER模型性能可靠，能夠輸出國民經(jīng)濟各部門用水量、污染物入河排放量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)判別等結(jié)果，可以作為科學(xué)制定區(qū)域“三條紅線”指標(biāo)的有力支撐工具。