基于SWAT模型的水環境管理系統

摘要：選取新鄉縣作為典型研究區域，以物理概念模型SWAT模型機理為基礎，分析出各種驅動力、驅動因子對非點源污染負荷的影響，為新鄉縣非點源污染控制措施提供支持

關鍵詞：SWAT；非點源；水污染

科學合理地控制非點源污染，實現水環境可持續發展，是目前我國保護生態環境的基本措施，目前雖有許多軟件可以模擬并預測水環境的發展趨勢，但大多具有一定的局限性。本文以新鄉縣為例，根據DEM、河道、土壤類型、土地利用、氣象資料等數據，在ArcMap環境中運用ArcSWAT模塊建立新鄉縣分布式水文模型，在此基礎上，采用C#和ArcEngine設計開發可視化界面，對SWAT模型進行改進，以新鄉縣2004年—2008年的現狀水文數據進行參數率定，直到SWAT模型的模擬數據與真實數據接近，并根據模擬結果數據繪制折線圖、直方圖、在新鄉縣行政分區圖、河網圖上空間展示出來。該系統實現了每個水文響應單元在每個月份的灌溉方式、水量、時間和水源的調整及參數校正；實現了氮、磷肥對非點源污染產出的影響分析；實現了非點源污染物產出的時間和空間特性分析；實現了模型模擬運行結果的空間展示。與原SWAT模型相比，該改進的SWAT系統輸入界面簡捷靈活、結果可視化性強、適用范圍更廣。

一、水環境管理系統簡介

系統主要包括三個模塊：基礎信息、靈敏度分析、情景分析：

（1）該模塊主要針對新鄉縣07年至10年的基礎信息進行展示，包括：基礎地理信息、氣象資料、社會經濟數據。

（2）該模塊主要針對各項水量水質參數進行修改，對不同條件下的水文情況進行模擬，并對各項結果進行分析，把鼠標放在標簽上，可查看各個系數的含義及各參數有效值范圍。

（3）該模塊主要針對新鄉縣的工業生活用水、農業用水、污染治理方面的數據進行修改，并對不同條件下的情況模擬及結果分析、展示。可通過生成方案或加載方案來顯示數據，然后可不同條件下的數據進行運算并保存為方案，可將結果分別按流域、行政邊界、河網進行展示，在展示前需要先選擇方案否則會彈出提示對話框，同時可選擇展示方式，手動展示和動態展示：手動展示中可選擇統計變量及時間；動態展示可將運行結果以月份為跨度進行動態展示，在展示過程中可暫停，見下圖。

二、研究的方法介紹

該研究方法分為以下幾項步驟：

（1）收集典型流域基礎資料：數字地圖：包括地形圖、土壤類型圖、土地利用圖、水系圖等；氣象資料：包括降雨資料、氣溫資料、相對濕度、太陽輻射、風速資料；水文資料：包括境內、入境徑流量，典型污染物濃度等；土壤特性資料等。

（2）模擬調參：選用Swat模型對新鄉縣非點源污染進行模擬。首先確定流域河網生成和劃分子流域，再根據流域中不同土地利用方式相關聯的土壤中營養物質的各參數對流域進行模擬，通過數字河網計算子流域出口處的污染負荷，通過河道演算得到流域出口處的流量、污染負荷。

本研究在查閱國內外對SWAT模型參數校準、徑流模擬參數校準的研究基礎上，選出對于模型輸出有重要參數的敏感參數，并采用“微擾動”方法[1]考察參數對模型的敏感性，確定模型的敏感參數集。

污染物參數率定考慮兩個方面，子流域上污染物的產出量和河道中污染物的遷移轉化[2]。模型污染物參數率定依據總量、時間分布及最大濃度等。污染物調參過程中可能的問題及解決方案：

（3） 模擬結果分析：研究不同典型年流域非點源污染負荷的產出規律，非點源污染產出的時間和空間分布規律，分析農業施肥對非點源污染負荷產出的影響，非點源污染物濃度與徑流的關系。

（4）控制措施的提出：根據主要驅動力和驅動因子對新鄉縣非點源的影響分析，提出減小新鄉縣非點源污染的控制措施。

總之，本次論文工作主要利用美國農業部研究局開發的SWAT模型對新鄉縣非點源污染產輸出進行模擬研究。新鄉縣是海河流域一個典型的平原流域，通過對新鄉縣非點源污染狀況的模擬分析，可以為新鄉縣水質的控制和治理方案提供可靠依據。本系統主要實現了以下功能：

（1） 實現了每個水文響應單元在每個月份的灌溉方式、水量、時間和水源的調整及參數校正。

（2） 實現了氮、磷肥對非點源污染產出的影響分析。

（3） 實現了非點源污染物產出的時間和空間特性分析。

（4） 實現了模型模擬運行結果的空間展示。

參考文獻：

[1] 符素華，劉寶元，吳敬東等.北京地區坡面徑流計算模型的比較研究[J].地理科學，2002，22

[2] 夏青.城市徑流污染系統分析[J].環境科學學報，1982， 2（4）： 271～278.

作者簡介：李靜（1987.1--），女（漢），黑龍江哈爾濱人，學歷：碩士，職稱：助教，研究方向：水資源的高效利用。

（作者單位：內江職業技術學院人事處）