SWAT模型國(guó)內(nèi)外研究報(bào)告應(yīng)用現(xiàn)狀

1、-. z.SWAT模型及應(yīng)用研究摘要：本文綜述了SWATSoil and Water Assessment Tool模型在水利行業(yè)中起到的至關(guān)重要的作用，尤其在非點(diǎn)源污染模擬和控制、環(huán)境變化對(duì)水文響應(yīng)的影響、洪水短期預(yù)報(bào)等領(lǐng)域，并對(duì)我國(guó)在應(yīng)用SWAT模型方面的開展方向進(jìn)展了初步探討。關(guān)鍵詞：SWAT；水文模型；非點(diǎn)源；應(yīng)用；污染Primarily Study for SWAT(Soil and Water Assessment Tool)Tiantian Yang(Faculty of Infrastructure Engineering Dalian University of Techno

2、logy, 116024)Abstract: The role of SWAT (Soil and Water Assessment Tool) in the field of water conservation is analyzed. Special attention is paid on simulation and control for nonpoint source pollution, the impact of environmental change on hydrologic response, and real-time flood forecasting. In o

3、rder to use SWAT well, the main issues introduces the application of SWAT model include international and domestic application.Keywrods：SWAT; hydrologic model; nonpoint source; application; pollution人類對(duì)水文系統(tǒng)最重要的影響是由土地利用變化所引起的，如果這種變化發(fā)生在一個(gè)流域的大片區(qū)域或者關(guān)鍵地區(qū)，會(huì)對(duì)徑流過程產(chǎn)生短期或長(zhǎng)期的影響，包括增加下游洪水泛濫的可能性以及減少深層和淺層地下水的補(bǔ)給1。在城

4、市化區(qū)域，不透水外表和工程排水系統(tǒng)會(huì)增加洪峰流量和降低水質(zhì)，從而使供水問題變得更加復(fù)雜2。非點(diǎn)源威脅著農(nóng)業(yè)可持續(xù)開展并被認(rèn)為是對(duì)地表和地下飲用水源的最大威脅，然而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是全球非點(diǎn)源污染最主要的原因，全世界有30%50%的地表已經(jīng)受到非點(diǎn)源污染物的影響。在地方、地區(qū)和全球尺度上評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)非點(diǎn)源污染的影響已經(jīng)成為取得農(nóng)業(yè)可持續(xù)開展，減緩有害的環(huán)境影響策略的關(guān)鍵組成局部。數(shù)學(xué)模擬是用來分析非點(diǎn)源污染空間分布規(guī)律最好的技術(shù)方法之一，也是評(píng)估非點(diǎn)源污染控制中特定最優(yōu)管理措施(Best Management Practice，BMP)效率和特定管理情景效果的重要工具。本文論述了國(guó)外SWAT模

5、型研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展和我國(guó)的研究情況，通過二者的比照，可以把握SWAT模型的研究前沿，對(duì)我國(guó)引入SWAT模型進(jìn)展非點(diǎn)源污染研究和水資源管理起到一定的參考和借鑒作用。模型概述SWATSoil and Water Assessment Tool是美國(guó)農(nóng)業(yè)部USDA農(nóng)業(yè)研究局ARS開發(fā)的流域尺度模型，用于模擬地表水和地下水的水質(zhì)和水量，長(zhǎng)期預(yù)測(cè)土地管理措施對(duì)具有多種土壤、土地利用和管理?xiàng)l件的大面積復(fù)雜流域的水文、泥沙和農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)量的影響。SWAT是一個(gè)物理流域模型，能同時(shí)計(jì)算數(shù)百個(gè)子流域，能模擬層間流、地下水流、河段演算輸移損失和通過池塘、水庫、河流、山谷運(yùn)動(dòng)的泥沙和化學(xué)物質(zhì)量，具有柔性流域和子

6、流域特點(diǎn)及演算構(gòu)造，它可以讀入觀測(cè)的流量數(shù)據(jù)和點(diǎn)源數(shù)據(jù)，還可用于無法收集輸入數(shù)據(jù)地區(qū)的模擬。SWAT模型原理SWAT模型采用模塊化構(gòu)造，由三大局部組成：子流域水文循環(huán)過程、河道徑流演算、水庫水量平衡與演算。其中子流域水文循環(huán)局部包括8個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊：水文過程、氣象、泥沙、土壤溫度、農(nóng)作物生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、殺蟲劑和農(nóng)業(yè)管理。在進(jìn)展水環(huán)境非點(diǎn)源污染模擬時(shí)，主要應(yīng)用的模塊有：水文過程、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物、殺蟲劑模塊。其中水文模塊是SWAT模型的核心組件之一，也是進(jìn)展非點(diǎn)源污染模擬的根底和關(guān)鍵。SWAT模型采用分布式參數(shù)模擬方法，比傳統(tǒng)的集總式參數(shù)模擬方法更符合流域下墊面非均質(zhì)的實(shí)際情況，具有更高的模擬

7、精度。SWAT在模擬非點(diǎn)源污染過程時(shí)，先將流域離散化為水文響應(yīng)單元(HRU)來解決空間異質(zhì)性問題，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的分布式模擬；污染物的流失和遷移先在單個(gè)的HRU中進(jìn)展模擬計(jì)算，然后在子流域中匯總，再模擬污染物總量在河道、水庫等水體中的分配和遷移。SWAT模型特點(diǎn)SWAT模型方便提取天氣、土地利用、土壤類型、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和其他輸入數(shù)據(jù)能力使它能夠?qū)Υ罅饔蜻M(jìn)展模擬。模型在土地利用活動(dòng)和流域過程之間建立了重要的聯(lián)系，可以對(duì)流域管理各種決策的適用性進(jìn)展評(píng)估。由于模型的高效、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，該模型已經(jīng)成為水資源保護(hù)管理規(guī)劃中不可或缺的工具，被一些國(guó)家和地方政府機(jī)構(gòu)的決策者應(yīng)用3。具體特點(diǎn)如下：1SWAT模型屬于物

8、理模型模型不使用回歸方程來描述輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系，而是需要流域的天氣、土壤屬性、地形、植被和土地管理措施的特定信息，動(dòng)植物生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等，并可以使用輸入數(shù)據(jù)直接進(jìn)展模型。其好處是可以對(duì)無監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的流域，對(duì)可替代性輸入數(shù)據(jù)或者其他所關(guān)系的變量的相對(duì)影響進(jìn)展定量化。2運(yùn)算效率高對(duì)于大面積流域或者多種管理決策進(jìn)展模擬時(shí)不需要進(jìn)展過多的時(shí)間和投入。3連續(xù)時(shí)間模型，能夠進(jìn)展長(zhǎng)期的模擬4模型將流域劃分為多個(gè)亞流域進(jìn)展模擬當(dāng)流域不同面積的土地利用和土壤類型在屬性上的差異是足夠影響水文過程時(shí)，在模擬中使用亞流域是非常有用的，將流域劃分為亞流域，可以對(duì)流域不同面積進(jìn)展空間定位。水文響應(yīng)單元是亞流

9、域集總的陸地面積，包含唯一的陸地覆蓋，土壤和管理組合。SWAT模型局限性水文模型通常具有局限性，模型的局限性產(chǎn)生于模型使用的數(shù)據(jù)，模型本身的缺乏和在不適用的情形下使用模型。天氣是水文模型的驅(qū)動(dòng)力，而可用的天氣數(shù)據(jù)來自氣象測(cè)站。由于天氣具有時(shí)空分布的差異性，從幾個(gè)測(cè)站得到的天氣數(shù)據(jù)并不能代表整個(gè)流域。同時(shí)，SWAT模型假定亞流域中的每個(gè)HRU含有一樣的特征，例如在對(duì)所有的草地和森林使用一樣的坡度，而草地通常位于山谷或者平原上，但是森林通常位于比草地更為陡峭的區(qū)域。當(dāng)流域中的一種土地利用具有不同地形特征時(shí)，這個(gè)問題就更加突出了。在SWAT模型中，具有較小面積的土地利用通常不被考慮，因而有些小面積的

10、陸地覆蓋類型如未硬化的路面、小面積裸地、建筑用地和中耕作物等不能進(jìn)展模擬，而這些小面積區(qū)域可能比一樣面積草地的泥沙產(chǎn)量大幾百倍甚至上千倍。SWAT模型通過均一地在地表10mm土層增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來模擬農(nóng)業(yè)化肥施用。在實(shí)際情況下，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)移與地表徑流有關(guān)，只當(dāng)有降雨產(chǎn)生時(shí)化肥才會(huì)進(jìn)入土壤。當(dāng)使用SWAT模型進(jìn)展日均或者月均模擬時(shí)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的模擬會(huì)產(chǎn)生較大誤差；基于年均進(jìn)展模擬時(shí)，誤差相對(duì)較小。模型應(yīng)用研究進(jìn)展模型開展歷程美國(guó)農(nóng)業(yè)部于1973年開發(fā)出了基于過程的田間尺度非點(diǎn)源污染模型，用于模擬土地管理措施對(duì)田間水沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移的影響；1980年對(duì)其完善后開發(fā)出CREAMS模型，使之能模擬多種

11、土壤、地面覆蓋、管理措施的復(fù)雜流域。隨后研究人員開發(fā)了模擬侵蝕對(duì)作物產(chǎn)量影響的EPIC模型、模擬地下水?dāng)y帶殺蟲劑和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的GLEAMS模型，以及基于DEM的單次暴雨徑流非點(diǎn)源污染模型AGNPS。1985年修改CREAMS模型的日降雨水文模塊，合并CREAMS模型的殺蟲劑模塊和EPIC模型的作物生長(zhǎng)模塊，增加天氣發(fā)生器，開發(fā)出以日為時(shí)間步長(zhǎng)的SWRRB模型，對(duì)流域徑流的考慮更加詳細(xì)4。80年代末，估計(jì)洪峰流速的SCS曲線、土壤侵蝕公式與河道水質(zhì)模型QUAL2E以及用于模擬河道匯流的ROTO模型參加SWRRB最終開展成為SWAT模型。SWAT自發(fā)布至今，經(jīng)歷了屢次重要的改良,已發(fā)布的版本主要有：

12、SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.1、SWAT99.2、SWAT2000和SWAT2005等幾個(gè)版本。每一次版本的升級(jí)都是基于模型的應(yīng)用效果和用戶反應(yīng)對(duì)模型組件的重要改良和功能的擴(kuò)展完善，同時(shí)也表達(dá)了國(guó)際上應(yīng)用SWAT進(jìn)展水環(huán)境模擬的進(jìn)展以及水文模型研究領(lǐng)域的重要成果。模型應(yīng)用研究SWAT模型在北美和歐洲寒區(qū)的許多流域得到了應(yīng)用，研究容涉及河流流量預(yù)測(cè)、非點(diǎn)源污染控制、水質(zhì)評(píng)價(jià)等諸多方面，模擬效果較好。我國(guó)在長(zhǎng)江上游、黃河下游、海河和流域以及其它一些小流域進(jìn)展過SWAT模型的應(yīng)用研究，偏重于徑流模擬，也涉及土壤侵蝕和非點(diǎn)源污染，近來對(duì)模型計(jì)算方法進(jìn)展局部修改及聯(lián)合其他模型應(yīng)用也

13、有不少研究。水文模擬研究Arnold 等利用SWAT模型和數(shù)值濾波技術(shù)分別模擬了密西西比河流域上游的地下水補(bǔ)給與基流量，比擬了兩者模擬精度；Eckhardt and Arnold 于德國(guó)中部的一個(gè)低山牧區(qū)，進(jìn)展校準(zhǔn)SWAT模型的自動(dòng)運(yùn)算法，其結(jié)果顯示河川之日徑流量的模擬值與實(shí)測(cè)值的效率系數(shù)達(dá)0.7，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.84 ；Chaplot 研究DEM和土壤數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型模擬的影響效應(yīng)，指出DEM網(wǎng)格對(duì)于徑流模擬的影響很小，而土壤分布圖之比例尺對(duì)模擬結(jié)果影響較大。王中根，昌明5等用SWAT模擬了干流山區(qū)鶯落峽以上地區(qū)子流域月徑流量和鶯落峽日徑流量，從模擬精度論證了模型完全適合在大流域應(yīng)用。胡遠(yuǎn)

14、安等介紹了SWAT模型在亞熱帶的蘆溪小流域徑流模擬，對(duì)水田模擬局部進(jìn)展了局部修改，并進(jìn)展了參數(shù)靈敏度分析；結(jié)果說明模型對(duì)長(zhǎng)期徑流量模擬比擬準(zhǔn)確，對(duì)日徑流的模擬存在系統(tǒng)誤差，豐水期的模擬比枯水期準(zhǔn)確。黃清華，萬昌6對(duì)流域山區(qū)出山口徑流的模擬的結(jié)果說明模型對(duì)高海拔山區(qū)流域多水源的水文過程、融雪徑流和地下徑流參數(shù)的選擇、淺水層回歸因子、海拔高度帶的劃分等對(duì)該流域地下徑流和融雪徑流精度影響很大。軍鋒，秀萬用SWAT模型對(duì)長(zhǎng)江上游梭磨河流域進(jìn)展水量平衡研究，提醒了梭磨河流域的氣候波動(dòng)和土地覆被變化對(duì)流域徑流的影響，說明20世紀(jì)6090年代，梭磨河流域的徑流變化中，由土地覆被變化引起的約占1/5。隨后，軍

15、鋒等模擬了梭磨河流域4種不同土地覆被情景下的多年降水徑流蒸發(fā)關(guān)系，定量評(píng)估了土地覆被變化對(duì)徑流、蒸發(fā)和洪峰流量的影響，說明隨著土地覆被狀況由無植被到有林地覆被,徑流深減小，蒸發(fā)量增加，枯季徑流深減小幅度明顯小于雨季的減小幅度，而且雨季初期徑流深減小的幅度大于雨季后期。蕾娜7等以白河上游的云州水庫流域?yàn)槔?，研究?980年土地利用狀況下的流量過程，說明應(yīng)用模型對(duì)土地利用空間變化的水文響應(yīng)分析可行。非點(diǎn)源污染研究通過數(shù)學(xué)模擬的方式進(jìn)展定量化研究，已成為當(dāng)前進(jìn)展農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究的重要途徑之一。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局殺蟲劑工程辦公室(OPP)2002年在流域尺度上對(duì)飲用水的評(píng)估中，應(yīng)用SWAT模型對(duì)印第安那

16、州中部White河Sugar Creek流域的水質(zhì)進(jìn)展研究，徑流和除草劑模擬驗(yàn)證結(jié)果說明了殺蟲劑運(yùn)移模擬及其對(duì)土地管理措施影響預(yù)測(cè)的可靠性。Bruna Grizzetti將模型應(yīng)用于西班牙南部的Guadiamar 流域，驗(yàn)證模型的產(chǎn)流產(chǎn)沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)移，評(píng)估土壤固氮和淋濾損失的能力，結(jié)果說明模型模擬流域不同出流點(diǎn)的日流量比擬可靠，對(duì)產(chǎn)沙、氮和總磷聚集的月模擬符合實(shí)際；同時(shí)指出由于點(diǎn)源輸入數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏和資料系列的缺失對(duì)模型的模擬精度有一定的影響。Qiu 對(duì)密里州北部Goodwater Creek 流域的研究中說明，SWAT模型為河岸緩沖區(qū)地表水質(zhì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的評(píng)估提供了手段；模型在德國(guó)E

17、uropean Water Framework Directive (EUWFD)流域尺度的地表徑流生態(tài)保護(hù)和化學(xué)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的研究中也得到了應(yīng)用。模型在希臘塞薩利區(qū)西北Pinios 河網(wǎng)子流域AliEfenti 月徑流量、硝酸氮和總氮的模擬，以及在德克薩斯州Bosque 河流域的水質(zhì)模擬說明了模型模擬精度的可靠和分析不同管理情形對(duì)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染以及日最大負(fù)載總量的應(yīng)用潛力。在國(guó)，胡連伍等8將模型應(yīng)用于以農(nóng)業(yè)景觀為主的亞熱帶和暖溫帶過渡性季風(fēng)氣候區(qū)域,對(duì)水文、泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮元素)進(jìn)展模擬，計(jì)算了氮元素的自凈效率，驗(yàn)證了模型在半濕潤(rùn)地區(qū)水文、水質(zhì)方面的適應(yīng)性。碩等9利用模型研究興國(guó)縣瀲水河流域

18、的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，實(shí)現(xiàn)模擬的空間離散化和參數(shù)化過程，證明SWAT模型能較好地預(yù)測(cè)該流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙變化。也有類似的研究指出空間分異性較大的流域?qū)Y料的空間處理、模型參數(shù)率定和驗(yàn)證應(yīng)成為模型研究的重要方面。結(jié)語由于我國(guó)農(nóng)業(yè)管理的集約化水平很低，由農(nóng)業(yè)引起的非點(diǎn)源污染情況非常嚴(yán)重,在一些地方非點(diǎn)源污染已上升為威脅飲用水源的主要原因。在此背景下，近幾年來非點(diǎn)源污染研究已經(jīng)成為我國(guó)環(huán)境界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于水環(huán)境污染的復(fù)雜性，傳統(tǒng)研究方法效率低且投入高，應(yīng)用流域水環(huán)境模型進(jìn)展污染的模擬、預(yù)測(cè)與管理措施評(píng)價(jià)則成為一種重要的研究手段。SWAT模型是先進(jìn)的具有很強(qiáng)水文物理機(jī)制的大型分布式流域水環(huán)境模型，能夠合

19、理、有效地模擬流域圍非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生及輸移過程，定量計(jì)算污染負(fù)荷和輸出量等參數(shù)，為水環(huán)境非點(diǎn)源污染的監(jiān)測(cè)、控制和治理提供科學(xué)依據(jù),具有重要的實(shí)際意義。SWAT模型目前主要有與ARCVIEW 和GRASS嚴(yán)密集成兩種方式，通過集成SWAT模型空間數(shù)據(jù)輸入效率、模擬輸出顯示和模型運(yùn)行效率因集成而大大提高，為非點(diǎn)源研究、環(huán)境變化條件下水文響應(yīng)研究和水資源管理等提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。然而，由于目前科學(xué)研究對(duì)于非點(diǎn)源污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制還不完全清楚，SWAT水環(huán)境污染子模型的機(jī)理算法勢(shì)必存在缺乏，我國(guó)應(yīng)用SWAT模型還存在諸多問題。SWAT 模型的構(gòu)建需要大量的數(shù)據(jù)支持，在興旺國(guó)家這些數(shù)據(jù)一般都可以免費(fèi)得到，而我國(guó)對(duì)非點(diǎn)源污染的研究起步較晚，缺乏非點(diǎn)源污染完善的監(jiān)測(cè)機(jī)制和制度，數(shù)據(jù)資料不完備，共享程度低，從而制約了我國(guó)非點(diǎn)源污染問題的研究。因此，除了對(duì)SWAT模型本身進(jìn)展改良之外，