SWAT模型研究進(jìn)展

黃奎

摘 要：文章闡述了SWAT模型的特點(diǎn)、發(fā)展歷程，著重概述了應(yīng)用SWAT 模型在徑流模擬適用性及研究成果，總結(jié)了非點(diǎn)源污染研究方面的主要進(jìn)展；SWAT模型與GIS或其他模型的集成研究，并對(duì)SWAT模型提出了當(dāng)前模型研究存在的問(wèn)題及其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：SWAT模型 徑流模擬 非點(diǎn)源污染 集成研究

S WA T （ S o i l Wa t e r a n d Assessment Tools）模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部（ USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)時(shí)段、中等流域尺度的分布式水文模型，常常應(yīng)用于模擬復(fù)雜流域的徑流、泥沙和化學(xué)污染物等轉(zhuǎn)移途徑。該模型基于S W R R B模型開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)時(shí)段的流域分布式水文模型，具有強(qiáng)大的物理基礎(chǔ)，可以集成地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和數(shù)字高程模型（DEM）于一體，模擬100年內(nèi)流域的降水、土壤、土地利用和管理對(duì)徑流，對(duì)徑流量、營(yíng)養(yǎng)元素的負(fù)荷、泥沙流失量等長(zhǎng)期的影響。該模型具有良好的用戶界面，較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)管理、組織、分析和表達(dá)能力，在數(shù)量眾多的非點(diǎn)污染源模型中脫穎而出；但不能進(jìn)行單次降水的影響模擬。自90年代初正式問(wèn)世以來(lái)，隨著需求和技術(shù)的提高，模型不斷更新，研究?jī)?nèi)容越來(lái)越廣泛，包括徑流模擬、非點(diǎn)源污染、模型輸入?yún)?shù)和氣候變化的水文效應(yīng)以及模型的改進(jìn)等諸多方面。

1.SWAT模型徑流模擬研究進(jìn)展

起初 SWAT模型主要是應(yīng)用于水文水質(zhì)方面，在20 0 0年左右才應(yīng)用于徑流模擬研究，在美國(guó)具有多個(gè)全國(guó)性和區(qū)域性項(xiàng)目實(shí)踐基礎(chǔ)?；诿绹?guó)的經(jīng)驗(yàn)，SWAT模型在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。該模型徑流過(guò)程主要分為水循環(huán)陸面部分和水循環(huán)的水面部分，即從產(chǎn)流和坡面匯流至匯入河流水系全過(guò)程。Arnold等以美國(guó)3個(gè)流域，密西西比河支流等為研究對(duì)象，驗(yàn)證SWAT模型應(yīng)用于徑流模擬適用性，得出長(zhǎng)期徑流模擬精度高，短期徑流模擬效果差。羅睿等以黃河左岸一級(jí)支流三川河研究對(duì)象，構(gòu)建干旱-半干旱地區(qū)分布式水文模型，模擬三川河流域月平均流量過(guò)程，并以1980～1985年5年的降雨和徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，模型率定和驗(yàn)證期效率分別為0.71和0.73，較實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏大。郭軍庭等基于SWAT模型分別對(duì)大閣、戴營(yíng)和下會(huì)（從上自下）3個(gè)水文站徑流進(jìn)行模擬，定量分析了潮河流域土地利用和氣候變化對(duì)流域徑流產(chǎn)生的影響，采用情景法分析徑流對(duì)土地利用和氣候等因素變化的響應(yīng)；結(jié)果表明：潮河流域徑流量與流域內(nèi)降水量呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。從眾多學(xué)者研究可以看出，SWAT可以應(yīng)用于徑流模擬，用于模擬中等流域尺度、長(zhǎng)時(shí)段流域徑流精度最高；短時(shí)段、異常年份的不確定因素均會(huì)使結(jié)果精度降低。

2.SWAT模型非點(diǎn)污染源模擬研究進(jìn)展

由降水或融雪在地表或地下運(yùn)動(dòng)而形成的徑流易引發(fā)非點(diǎn)源污染，隨著徑流的運(yùn)動(dòng)，污染物最終沉積在河流、湖泊及海洋中，其起源分散、隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、潛伏周期長(zhǎng)且防治困難，是以在徑流模擬中還需分析非點(diǎn)源污染運(yùn)轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移路徑。SWAT模型可以從水文循環(huán)的角度分析非點(diǎn)源污染的時(shí)空分布特征與規(guī)律，是進(jìn)行非點(diǎn)源污染模擬的有效工具。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從以下兩方面進(jìn)行研究：一是研究時(shí)空變化對(duì)非點(diǎn)源污染的影響；王曉燕等以密云水庫(kù)北部流域?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了污染物的運(yùn)營(yíng)遷移與空間尺度和時(shí)間尺度的關(guān)系；其中水土流失最嚴(yán)重的是白沙河流域；氮磷流失量在潮河流域達(dá)到了最高點(diǎn)，在9月流域輸出的硝態(tài)氮和礦物質(zhì)磷達(dá)到頂峰。尹剛等東北圖們江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建了土壤模型，分析計(jì)算了土壤侵蝕量和及其在吸附態(tài)氮磷營(yíng)養(yǎng)物量；驗(yàn)證SWAT 模型在此流域計(jì)算精度，并得出時(shí)空變化對(duì)有機(jī)磷和有機(jī)氮影響。二是研究土地利用方式對(duì)非點(diǎn)源污染物的影響，如唐莉華等以北京境內(nèi)的溫榆河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，分析非點(diǎn)污染源的時(shí)空輸出與徑流量大小的關(guān)系，汛期非點(diǎn)源輸出全年最高，占全年90%；同時(shí)也研究了不同作物對(duì)旱地土壤非點(diǎn)污染源的影響，得出以輪作小麥及玉米為主的旱地污染負(fù)荷模數(shù)最大，林地及果園較小。從眾多學(xué)者研究可以看出，非點(diǎn)污染源污染物的遷移軌跡主要與農(nóng)田的面積和類(lèi)型、降雨量以及水庫(kù)位置、庫(kù)容大小、徑流量大小密切相關(guān)。

3.SWAT模型的集成研究

SWAT模型因其功能強(qiáng)大，可模擬流域范圍的物理過(guò)程眾多而廣泛推廣。隨著學(xué)者研究不斷深入，對(duì)SWAT模型功能、精度需求越來(lái)越高，將SWAT模型和各種GIS軟件或其他模塊進(jìn)行集成，提高模擬精度和適用流域范圍。目前比較成熟的SWAT模型集成系統(tǒng)主要有AVSWAT、ArcSWAT、BASINS和Mulino DSS等。AVSWAT和ArcSWAT是分別基于SWAT模型的ArcSWAT和ArcGIS模型開(kāi)發(fā)擴(kuò)展的圖形用戶界面，增強(qiáng)了用戶界面體驗(yàn)，有效的提高了SWAT模型數(shù)據(jù)前處理和后處理的便捷程度；增強(qiáng)了數(shù)據(jù)可視化和空間分析能力。

原始SWAT模型在干旱等類(lèi)型地區(qū)模擬效果較差，并針對(duì)效果不理想而對(duì)地下水模塊、融雪模塊、植被作物生長(zhǎng)模塊、養(yǎng)分動(dòng)態(tài)模塊進(jìn)行了改進(jìn)。例如，魏國(guó)等發(fā)現(xiàn)當(dāng)SWAT模型模擬山區(qū)流域時(shí)，流域平均坡長(zhǎng)計(jì)算精度嚴(yán)重降低，從而降低了模擬結(jié)果精度。文章提出兩種利用DEM模型提高流域平均坡長(zhǎng)提取精度：一是在流域河網(wǎng)密度基礎(chǔ)上，利用DEM模型從滿足地貌定律的河網(wǎng)提取流域平均坡長(zhǎng)；二是基于經(jīng)驗(yàn)分析。鄭捷等以平原型灌概區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)農(nóng)作物耗水量計(jì)算模塊進(jìn)行了改進(jìn)，并取得良好的效果。張永勇等結(jié)合中國(guó)各個(gè)流域的特征對(duì)SWAT模型水質(zhì)模塊進(jìn)行了改造，提高了模型在中國(guó)流域適用性；相關(guān)系數(shù)和效率系數(shù)均達(dá)到0.8及以上，模擬結(jié)果精度較高。

GIS與SWAT模型具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，二者具有相似之處。SWAT模型的數(shù)據(jù)類(lèi)似于GIS中的矢量或柵格式數(shù)據(jù)模式，研究區(qū)域按一定的空間分辨率劃分達(dá)到減少數(shù)據(jù)量和簡(jiǎn)化計(jì)算的目的。GIS具有強(qiáng)大的分析功能、圖形顯示功能及具有空間數(shù)據(jù)的四維的GIS 系列資料，為水文學(xué)者研究流域特征的空間分布和產(chǎn)匯流特性提供有利的幫助，同時(shí)還有利于分析降雨、土壤含水量及產(chǎn)流面積在空間和時(shí)間上的變化，更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)產(chǎn)匯流機(jī)理。

4.總結(jié)

盡管SWAT模型應(yīng)用廣泛，但欲提高的模擬結(jié)果精度、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，仍有諸多改進(jìn)之處。比如：目前SWAT對(duì)非點(diǎn)源污染模擬多針對(duì) N、P上，在細(xì)菌遷移模擬上較欠缺。隨著GPS、RS遙感技術(shù)、GIS技術(shù)逐漸成熟，提取數(shù)據(jù)方法更多及更成熟，高精度的RS遙感技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合可提取較高分辨率的數(shù)據(jù)，因此SWAT模型與3S技術(shù)的結(jié)合是今后的發(fā)展方向之一。

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