SWAT模型在县级水资源与水环境综合管理中的应用 - FutureWater

SWAT 模 型 在 县 级 水 资 源 与 水 环 境
综 合 管 理 中 的 应 用
SWAT model application in country Level Water Resource
and Water Environment Integrated Management
李 建 新
Wang zhonggen
LI JIANXIN
Yu lei Yang wei
Tianjin Lonwin S&T Co.ltd
Chinese Academy of Science, Center for Water Resources
Research

汇 报 内 容
Report content
第 一 部 分 项 目 背 景
Project background
第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发
第 三 部 分 模 型 应 用
County SWAT model development
Model application

第 一 部 分
项 目 背 景
Project Background

第 一 部 分 项 目 背 景
Project Background
Hai River Basin is one of the most emergency areas on water conflict in China
Wetland degradation
the rate reaches 90%
Drying-up of Rivers
40% of the total rivers was
changed to be seasonal rivers
Water Polluted
All surface water was
Polluted badly
Hai River Basin
Over-extraction extraction of
the Groundwater
The area in the aquifer comes
to 44,000km 2

第 一 部 分 项 目 背 景
Project Background
256 个 县 ( 区 )
256 counties
为 提 高 流 域 水 资 源 与 水
环 境 的 综 合 管 理 水 平 , 减 轻
流 域 水 污 染 状 况 , 需 要 从 县
域 水 资 源 水 环 境 综 合 管 理 出
发 。
To improve the water resources and
environment management level, and
reduce the pollution condition in Hai
River Basin ,we should bulid county
water resources and environment
integrated management system
海 河 流 域 各 县 空 间 分 布 图
Spatial distributing map of all countries in HaiRiver Basin

第 一 部 分 项 目 背 景
Project Background
县 域 水 资 源 与 水 环 境 综 合 管 理
County water resources and environment integrated management
开 展 基 于 耗 水 管 理 的 农 艺 、 工 程 和 管 理 等 节 水 措 施 , 实 现 资 源
性 节 水 ;
Developing agriculture & engineering & management saving water measure
based ET management, implement resource saving water.
开 展 达 标 排 放 、 总 量 控 制 的 点 源 、 面 源 污 染 控 制 和 治 理 等 措 施
;
Developing to conformance to the standard and control over total pollutants
discharged measure for the point and no-point pollution source

第 一 部 分 项 目 背 景
Project Background
县 域 水 资 源 与 水 环 境 综 合 管 理
County water resources and environment integrated management
() 建 立 取 水 、 耗 水 、 排 水 且 水 质 水 量 为 一 体 的 水 权 管 理 体 系
;
Building withdrawal & ET & discharge and quality & quantity water right.
() 利 用 、 模 型 等 信 息 技 术 手 段 管 理 、 预 测 水 资 源 水 环 境 的 现
状 与 未 来 。
Using GIS & model information technology tools to manage & foresee water
resource and environment status in quo and future

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发
County SWAT model development
2.1.SWAT 模 型 简 介
SWAT introduction
2.2. 县 域 SWAT 模 型 开 发
County SWAT model development
2.3. 功 能 完 善
Function improvement

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
2.1 SWAT 模 型 简 介 — 水 平 衡 分 析 (Water balance analysis)
SWAT: Soil and Water Assessment Tool
Evaporation and
Transpiration
Hydrologic Balance
Precipitation
Root Zone
Vadose
(unsaturated)
Zone
Shallow
(unconfined)
Aquifer
Confining Layer
Infiltration/plant uptake/
Soil moisture redistribution
Revap from
shallow aquifer
Percolation to
shallow aquifer
Surface Runoff
Lateral Flow
Return Flow
Deep (confined)
Aquifer
Flow out of watershed
Recharge to
deep aquifer
River network
controlled by dams
& floodgates

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
2.1 SWAT 模 型 简 介 - 点 源 、 非 点 源 模 拟
(point pollution & non-point pollution simulation)

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
2.2 县 域 SWAT 模 型 开 发 (County SWAT model development )
基 于 SWAT 源 代 码 , 开 发 中 文 界 面 县 级 SWAT 模
型 , 为 项 目 县 提 供 水 资 源 与 水 环 境 综 合 模 拟 和 情 景
分 析 工 具 。
Based on original code, to develop Chinese interface of
county SWAT model, the model can supply integrated
simulation and scenario analysis tools for water resources
and environment management.

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
县 级 SWAT 界 面
(County SWAT interface development)
Input Run Output Statistic Analysis Set Help Exit
• 主 界 面 (Main interface)

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
Data input interface
Parameter set interface
SWAT run interface

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
• 分 区 统 计 界 面 (Output interface)

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
() 调 整 种 植 结 构
adjust planting structure
() 调 整 灌 溉 方 式
adjust irrigation method
() 采 取 覆 盖 保 墒
soil covered with and
preserved moisture
() 污 染 治 理 措 施
pollution treatment
method
• 情 景 分 析 界 面 (Scenes analysis interface)

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
2.3 SWAT 模 型 功 能 完 善 (SWAT function improvement)
• 增 强 了 模 型 统 计 输 出 功 能 。 可 按 乡 镇 等 区 域 统 计 模 型 计 算 结
果 。 ( Strengthen statistic function
模 拟 结 果 统 计 展 示
Simulated result interface
(according to BSB and HRU)

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
• 无 效 蒸 发 与 有 效 蒸 腾 分 离 — 为 农 业 节 水 和 减 少 提 供 分 析 功 能
Separation of valid ET and invalid ET
ET = E + E +
a
s
t
E
can
实 际 蒸 发
Actual ET
土 壤 蒸 发
Soil Evaporation
植 被 蒸 腾
Plant transpiration
冠 层 截 留 蒸 发
Canopy evaporation
E
E
t
s
=
E can
=
⎞
( E − E ) ⋅ Cov ⋅ exp
⎟
⎠
can
0
max
can
LAI
LAI
max
sol
⎛
⎜
⎝
2 . 5 ( SW
FC −
− FC
WP
( E ) ⎡
⎤
0
− E
can
⋅ LAI
⎞ ⎡ ⎛
⎞ ⎤
⎢
⎥ ⋅
( ( )) ⎜ ⎛ z
SW
⋅ 1 − exp − β
⎟ exp ⎢5
⋅ ⎜
− ⎟
⋅ 1 − exp − β
z
0 .25 ⋅ AWC
⎥ ⎦
= 1
3
w ⎣ ⎝
root ⎠ ⎦ ⎣ ⎝
⎠
)

第 二 部 分 县 域 SWAT 模 型 开 发 County SWAT model development
Daily Evapotranspiration
of wwht land
Plant transpiration and Soil
Evaporation of wwht land

第 三 部 分
模 型 应 用
Model Application
1. 已 应 用 范 围
Scope applied
2. 水 量 水 质 现 状 模 拟
The current condition simulation and analysis
3. 未 来 情 景 模 拟 分 析
Future scenarios simulation and analysis

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
3.1 已 应 用 范 围 Scope applied
已 在 河 北 省 馆 陶 县 、 临 漳 县 、 涉 县 、 肥 乡 县 、 成 安 县 以 及 德
州 市 德 城 区 开 发 了 6 个 县 域 SWAT 模 型 , 并 进 行 了 灌 溉 、 施 肥 、
减 污 减 排 等 多 情 景 模 拟 分 析 。
County SWAT Model has been finished in the 6 countries
(Guantao,Linzhang, Shexian, feixiang, chengan and Decheng) scenarios
simulated analysis on irrigation, fertilizer application, crop structure
adjustments and pollution and discharge reduction has been finished.

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
应 用 流 程
Application
flow

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 平 原 县 SWAT 模 型 构 建 ( Plain county SWAT model development )
河 北 馆 陶
Hebei
Guantao

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 山 区 县 SWAT 模 型 构 建 ( Mountain county SWAT model development )
河 北 涉 县
Hebei
shexian

馆 陶
Guantao
涉 县
Shexian
德 州
Dezhou
临 漳
Linzhang
成 安
Chengan
肥 乡
Feixiang

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
3.2 水 量 水 质 现 状 模 拟
(1) 水 量 模 拟 结 果 ( 以 肥 乡 为 例 )
Status quo water quantity in Feixiang county
• 降 水
(Precipitation)
0.7
0.6
0.5
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
0.4
0.3
0.2
0.1
0
大 西 韩 乡 天 山 台 镇 辛 安 镇 乡 肥 乡 镇 毛 演 堡 乡 元 固 乡 屯 庄 营 乡 旧 店 乡 东 漳 堡 乡
肥 乡 9 个 乡 镇 模 拟 降 雨 量 对 比 图 ( 亿 m³)
The contrast of simulated rainfall of the 9 towns in Feixiang county

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 蒸 腾 蒸 发 (ET)
肥 乡 县 SWAT 模 拟 ET 和 遥 感 监 测 ET 对 比 图
800
700
600
500
遥 感 监 测 ET
模 型 模 拟 ET
ET(mm)
400
300
200
100
0
2002 2003 2004 2005
遥 感 监 测 ET 553.38 605.54 674.80 602.53
模 型 模 拟 ET 494.91 743.01 552.68 628.3
2002 年 肥 乡 县 模 拟 ET 空 间 分 布 图
Spatial distribution of simulated ET
in Feixiang
肥 乡 县 实 测 ET 与 遥 感 ET 对 比
The contrast of the simulated ET
and remote sensing ET

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 地 下 水 (Groundwater)
肥 乡 县 年 地 下 水 位 变 化 模 拟 结 果 ()
Simulated groundwater level in Feixiang county from 2002 to 2005

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 作 物 ET (crop ET)
mm
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
2002 2003 2004 2005
降 水 小 麦 玉 米 轮 作 地 小 麦 地 玉 米 地 棉 花 地 蔬 菜 地
肥 乡 县 不 同 作 物 类 型 ET 模 拟 结 果
Simulated ET of different kinds of crop land

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 水 平 衡 分 析 (water balance analysis)
250
200
150
mm
100
50
0
-50
-100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
△SW
SURQ
PER
SNOW
IRR
ET
PCP
-150
-200
-250
2003 年 小 麦 玉 米 轮 作 月 水 平 衡 分 析
Monthly water balance of wwht land in 2003(mm)

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
(2) 水 质 模 拟 Statue quo water quality
• 非 点 源 负 荷 ( 以 馆 陶 为 例 )
(non-point pollution
in Guantao county)
馆 陶 县 2002-2005 年 平 均 模 拟 非 点 源 负 荷 空 间 分 布 图
The spatial map of simulated non-point pollution load of Guantao

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
14
12
10
8
6
4
2
0
2002 2003 2004 2005
有 机 N
有 机 P
产 沙 量
径 流 N
可 溶 性 P
泥 沙 P
馆 陶 县 非 点 源 污 染 负 荷 模 拟 年 际 变 化 曲 线
Simulated result of non-point in Guantao county

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 点 源 负 荷
( 以 涉 县 为 例 )
(point pollution
in Shexian
county)
径 流 量 (m3/s)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2000-1 2000-5 2000-9 2001-1 2001-5 2001-9 2002-1 2002-5 2002-9 2003-1 2003-5 2003-9 2004-1 2004-5 2004-9 2005-1 2005-5 2005-9 2006-1 2006-5 2006-9
10
8
年 - 月
涉 县 匡 门 口 水 文 站 模 拟 流 量 和 实 测 对 比
Comparison of runoff at Kuangmenkou hydrological station
模 拟 CODMn
实 测 CODMn
模 拟
实 测
浓 度 (mg/L)
6
4
2
0
2004-1 2004-2 2004-3 2004-4 2004-5 2004-6 2004-7 2004-8 2004-9 2004-10 2004-11 2004-12
年 - 月
涉 县 匡 门 口 水 质 模 拟 结 果 和 实 测 结 果
Comparison of water quality at Kuangmenkou water quality station

第 三 部 分 模 型 应 用
3.3 未 来 情 景 模 拟
Model Application
(Future Scene Simulating )
(1) 节 水 措 施 ( 以 肥 乡 为 例 )
(Simulating water-saving measures in
Feixiang county)
• 改 变 灌 溉 方 式 Change irrigation ways
irrigation amount (mm)
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
2002 2003 2004 2005
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
precipitation (mm)
ET (mm)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
2002 2003 2004 2005
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Precipitation (mm)
current automatic irrigation pipe irrigation
drip irrigation
precipitation
current automatic irrigation pipe irrigation
drip irrigation
precipitation
不 同 灌 溉 方 式 情 景 下 灌 溉 量 对 比
the irrigation amount under different irrigation
ways
不 同 灌 溉 方 式 情 景 下 ET 模 拟 结 果 对 比
The simulated ET under different irrigation
ways

第 三 部 分 模 型 应 用
• 改 变 灌 溉 制 度
Model Application
Change irrigation amount
现 状
小 麦 水 每 次 , 玉 米 水 每 次
水 每 次
水 每 次
情 景
Scenario-1
情 景
小 麦 水 , 玉 米 水
水
水
无 灌 溉
无 灌 溉
无 灌 溉

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
800
700
16.00
14.00
600
12.00
cotton
500
400
300
current ET
scenario1 ET
scenario2 ET
10.00
8.00
6.00
current Biom
scenario1 Biom
scenario2 Biom
200
4.00
100
2.00
0
2002 2003 2004 2005
0.00
2002 2003 2004 2005
800.00
40
700.00
35
600.00
30
Corn-wheat
500.00
400.00
300.00
current ET
scenario1 ET
scenario2 ET
25
20
15
current Biom
scenario1 Biom
scenario2 Biom
200.00
10
100.00
5
0.00
2002 2003 2004 2005
0
2002 2003 2004 2005
各 种 作 物 类 型 不 同 灌 溉 制 度 情 景 ET 对 比
Comparison of ET under different irrigation amount scenarios for different land

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 调 整 作 物 结 构
adjust agriculture structure
在 保 证 粮 食 安 全 前 提 下 , 将 小 麦 玉 米 种 植 面 积 为 由 原 40 万 亩 调 整 为 24 万 亩 ,
其 余 面 积 改 种 棉 花 。
Chang the wwht land area from 400,000 mu to 24 0,000mu , and change 160,000mu
wwht land to cotton land.
800
700
600
500
400
current ET
scenario ET
300
200
2002 2003 2004 2005 平 均
肥 乡 县 作 物 结 构 调 整 前 后 ET 对 比 (mm)
Comparison of total ET of Feixiang county in the condition of changed agriculture structure

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
Current
adjusting crop structure
作 物 结 构 调 整 前 后 年 地 下 水 位 平 均 变 化 对 比 图 ( 肥 乡 )
The contrast of the groundwater level change between current crop
structure and after adjusting crop structure from 2000-2005

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
(2) 减 污 措 施 (pollution-controlling measures)
• 非 点 源 情 景 模 拟 ( 以 临 漳 为 例 )
non-point source pollution and yield scenarios simulation in
Linzhang couny.
对 临 漳 县 有 无 施 肥 措 施 管 理 情 景 进 行 了 非 点 源 和 作 物 产 量 模
拟 分 析 。
Simulating & analyzing non-point source & agriculture yields
under the condition of fertilizing measures management and without
management in Lin Zhang county

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
小 麦 玉 米 轮 作 地 现 状 非 点 源 产 出 小 麦 玉 米 轮 作 无 施 肥 操 作 情 景 非 点 源 产 出
Output of current non-point source output of non-point source without fertilizing operation
小 麦 玉 米 轮 作 现 状 作 物 产 量 与 水 分 生 产 率 小 麦 玉 米 轮 作 无 施 肥 操 作 作 物 产 量 与 水 分 生 产 率
Current products & water productivity products & water productivity without fertilizing operation

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
• 点 源 河 道 水 质 情 景 模 拟 ( 以 涉 县 为 例 )
Simulating non-point source pollution water quality in riveway in
Shexian county
情 景 一 : 按 照 二 级 排 放 标 准 : 排 放 浓 度 COD

模 拟 CODMn
2006-10
2006-7
模 拟 氨 氮
2006-10
2006-7
模 拟 硝 酸 盐
2006-10
2006-7
第 三 部 分 模 型 应 用 Model Application
45
40
35
30
25
20
15
浓 度 (mg/L)
10
5
0
2000-1
2000-4
2000-7
2000-10
2001-1
2001-4
2001-7
2001-10
2002-1
2002-4
2002-7
2002-10
2003-1
2003-4
2003-7
2003-10
2004-1
2004-4
2004-7
2004-10
2005-1
2005-4
2005-7
2005-10
2006-1
2006-4
6
年 - 月
5
4
3
2
浓 度 (mg/L)
1
0
2000-1
2000-4
2000-7
2000-10
2001-1
2001-4
2001-7
2001-10
2002-1
2002-4
2002-7
2002-10
2003-1
2003-4
2003-7
2003-10
2004-1
2004-4
2004-7
2004-10
2005-1
2005-4
2005-7
2005-10
2006-1
2006-4
40
年 - 月
30
20
10
浓 度 (mg/L)
0
2000-1
2000-4
2000-7
2000-10
2001-1
2001-4
2001-7
2001-10
2002-1
2002-4
2002-7
2002-10
2003-1
2003-4
2003-7
2003-10
2004-1
2004-4
2004-7
2004-10
2005-1
2005-4
2005-7
2005-10
2006-1
2006-4
年 - 月
情 景 一 : 达 到 二 级 排 放 标 准
Scenario 1: reach II class emission standard

第 三 部 分 模 型 应 用 Model Application
45
40
35
30
25
20
15
浓 度 (mg/L)
10
5
0
模 拟 CODMn
2000-1
2000-4
2000-7
2000-10
2001-1
2001-4
2001-7
2001-10
2002-1
2002-4
2002-7
2002-10
2003-1
2003-4
2003-7
2003-10
2004-1
2004-4
2004-7
2004-10
2005-1
2005-4
2005-7
2005-10
2006-1
2006-4
2006-7
2006-10
4
年 - 月
模 拟 氨 氮
3
2
1
浓 度 (mg/L)
0
2000-1
2000-4
2000-7
2000-10
2001-1
2001-4
2001-7
2001-10
2002-1
2002-4
2002-7
2002-10
2003-1
2003-4
2003-7
2003-10
2004-1
2004-4
2004-7
2004-10
2005-1
2005-4
2005-7
2005-10
2006-1
2006-4
2006-7
2006-10
40
年 - 月
模 拟 硝 酸 盐
30
20
10
浓 度 (mg/L)
0
2000-1
2000-4
2000-7
2000-10
2001-1
2001-4
2001-7
2001-10
2002-1
2002-4
2002-7
2002-10
2003-1
2003-4
2003-7
2003-10
2004-1
2004-4
2004-7
2004-10
2005-1
2005-4
2005-7
2005-10
2006-1
2006-4
2006-7
2006-10
年 - 月
情 景 二 : 达 到 一 级 排 放 标 准
scenario 2: reach I class emission standard

第 三 部 分 模 型 应 用
Model Application
2000~2006 年 河 道 水 质 指 标 浓 度 COD Mn、 氨 氮 、 硝 酸 盐 指 数 降 低 情 况 。
The reduced value of water quality index of CODMn 、 ammonia 、 nitrate
in rive

小 结 Summary
县 级 SWAT 模 型 符 合 县 水 资 源 和 水 环 境 综
合 管 理 的 需 要 !
The county SWAT models satisfy the need of
the water resources and water environment
integrated management in county!

敬 请 批 评 指 正
THANKS