SWAT模型国内外研究应用现状.docx

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SWAT模型国内外研究应用现状

SWAT模型及应用研究

摘要：

本文综述了SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）模型在水利行业中起到的至关重要的作用，尤其在非点源污染模拟和控制、环境变化对水文响应的影响、洪水短期预报等领域，并对我国在应用SWAT模型方面的发展方向进行了初步探讨。

关键词：

SWAT；水文模型；非点源；应用；污染

PrimarilyStudyforSWAT

（SoilandWaterAssessmentTool）

TiantianYang

（FacultyofInfrastructureEngineeringDalianUniversityofTechnology,116024）

Abstract:

TheroleofSWAT（SoilandWaterAssessmentTool）inthefieldofwaterconservationisanalyzed.Specialattentionispaidonsimulationandcontrolfornonpointsourcepollution,theimpactofenvironmentalchangeonhydrologicresponse,andreal-timefloodforecasting.InordertouseSWATwell,themainissuesintroducestheapplicationofSWATmodelincludeinternationalanddomesticapplication.

Keywrods：

SWAT;hydrologicmodel;nonpointsource;application;pollution

人类对水文系统最重要的影响是由土地利用变化所引起的，如果这种变化发生在一个流域的大片区域或者关键地区，会对径流过程产生短期或长期的影响，包括增加下游洪水泛滥的可能性以及减少深层和浅层地下水的补给[1]。

在城市化区域，不透水表面和工程排水系统会增加洪峰流量和降低水质，从而使供水问题变得更加复杂[2]。

非点源威胁着农业可持续发展并被认为是对地表和地下饮用水源的最大威胁，然而农业生产活动是全球非点源污染最主要的原因，全世界有30%～50%的地表已经受到非点源污染物的影响。

在地方、地区和全球尺度上评价农业管理措施对非点源污染的影响已经成为取得农业可持续发展，减缓有害的环境影响策略的关键组成部分。

数学模拟是用来分析非点源污染空间分布规律最好的技术方法之一，也是评估非点源污染控制中特定最优管理措施（BestManagementPractice，BMP）效率和特定管理情景效果的重要工具。

本文论述了国外SWAT模型研究领域的最新进展和我国的研究情况，通过二者的对比，可以把握SWAT模型的研究前沿，对我国引入SWAT模型进行非点源污染研究和水资源管理起到一定的参考和借鉴作用。

1模型概述

SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的流域尺度模型，用于模拟地表水和地下水的水质和水量，长期预测土地管理措施对具有多种土壤、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影响。

SWAT是一个物理流域模型，能同时计算数百个子流域，能模拟层间流、地下水流、河段演算输移损失和通过池塘、水库、河流、山谷运动的泥沙和化学物质量，具有柔性流域和子流域特点及演算结构，它可以读入观测的流量数据和点源数据，还可用于无法收集输入数据地区的模拟。

1.1SWAT模型原理

SWAT模型采用模块化结构，由三大部分组成：

子流域水文循环过程、河道径流演算、水库水量平衡与演算。

其中子流域水文循环部分包括8个功能相对独立的模块：

水文过程、气象、泥沙、土壤温度、农作物生长、营养物质、杀虫剂和农业管理。

在进行水环境非点源污染模拟时，主要应用的模块有：

水文过程、泥沙、营养物、杀虫剂模块。

其中水文模块是SWAT模型的核心组件之一，也是进行非点源污染模拟的基础和关键。

SWAT模型采用分布式参数模拟方法，比传统的集总式参数模拟方法更符合流域下垫面非均质的实际情况，具有更高的模拟精度。

SWAT在模拟非点源污染过程时，先将流域离散化为水文响应单元（HRU）来解决空间异质性问题，实现参数的分布式模拟；污染物的流失和迁移先在单个的HRU中进行模拟计算，然后在子流域中汇总，再模拟污染物总量在河道、水库等水体中的分配和迁移。

1.2SWAT模型特点

SWAT模型方便提取天气、土地利用、土壤类型、农业活动和其他输入数据能力使它能够对大流域进行模拟。

模型在土地利用活动和流域过程之间建立了重要的联系，可以对流域管理各种决策的适用性进行评估。

由于模型的高效、适用性强等特点，该模型已经成为水资源保护管理规划中不可或缺的工具，被一些国家和地方政府机构的决策者应用[3]。

具体特点如下：

（1）SWAT模型属于物理模型

模型不使用回归方程来描述输入变量和输出变量之间的关系，而是需要流域的天气、土壤属性、地形、植被和土地管理措施的特定信息，动植物生长，营养物质循环等，并可以使用输入数据直接进行模型。

其好处是可以对无监测数据的流域，对可替代性输入数据或者其他所关系的变量的相对影响进行定量化。

（2）运算效率高

对于大面积流域或者多种管理决策进行模拟时不需要进行过多的时间和投入。

（3）连续时间模型，能够进行长期的模拟

（4）模型将流域划分为多个亚流域进行模拟

当流域不同面积的土地利用和土壤类型在属性上的差异是足够影响水文过程时，在模拟中使用亚流域是非常有用的，将流域划分为亚流域，可以对流域不同面积进行空间定位。

水文响应单元是亚流域集总的陆地面积，包含唯一的陆地覆盖，土壤和管理组合。

1.3SWAT模型局限性

水文模型通常具有局限性，模型的局限性产生于模型使用的数据，模型本身的不足和在不适用的情形下使用模型。

天气是水文模型的驱动力，而可用的天气数据来自气象测站。

由于天气具有时空分布的差异性，从几个测站得到的天气数据并不能代表整个流域。

同时，SWAT模型假定亚流域中的每个HRU含有相同的特征，例如在对所有的草地和森林使用相同的坡度，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为陡峭的区域。

当流域中的一种土地利用具有不同地形特征时，这个问题就更加突出了。

在SWAT模型中，具有较小面积的土地利用通常不被考虑，因而有些小面积的陆地覆盖类型如未硬化的路面、小面积裸地、建筑用地和中耕作物等不能进行模拟，而这些小面积区域可能比相同面积草地的泥沙产量大几百倍甚至上千倍。

SWAT模型通过均一地在地表10mm土层增加营养物质来模拟农业化肥施用。

在实际情况下，营养物质运移与地表径流有关，只当有降雨产生时化肥才会进入土壤。

当使用SWAT模型进行日均或者月均模拟时，对营养物质浓度的模拟会产生较大误差；基于年均进行模拟时，误差相对较小。

2模型应用研究进展

2.1模型发展历程

美国农业部于1973年开发出了基于过程的田间尺度非点源污染模型，用于模拟土地管理措施对田间水沙和营养物质输移的影响；1980年对其完善后开发出CREAMS模型，使之能模拟多种土壤、地面覆盖、管理措施的复杂流域。

随后研究人员开发了模拟侵蚀对作物产量影响的EPIC模型、模拟地下水携带杀虫剂和营养物质的GLEAMS模型，以及基于DEM的单次暴雨径流非点源污染模型AGNPS。

1985年修改CREAMS模型的日降雨水文模块，合并CREAMS模型的杀虫剂模块和EPIC模型的作物生长模块，增加天气发生器，开发出以日为时间步长的SWRRB模型，对流域径流的考虑更加详细[4]。

80年代末，估计洪峰流速的SCS曲线、土壤侵蚀公式与河道水质模型QUAL2E以及用于模拟河道汇流的ROTO模型加入SWRRB最终发展成为SWAT模型。

SWAT自发布至今，经历了多次重要的改进,已发布的版本主要有：

SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.1、SWAT99.2、SWAT2000和SWAT2005等几个版本。

每一次版本的升级都是基于模型的应用效果和用户反馈对模型组件的重要改进和功能的扩展完善，同时也体现了国际上应用SWAT进行水环境模拟的进展以及水文模型研究领域的重要成果。

2.2模型应用研究

SWAT模型在北美和欧洲寒区的许多流域得到了应用，研究容涉及河流流量预测、非点源污染控制、水质评价等诸多方面，模拟效果较好。

我国在长江上游、黄河下游、海河和流域以及其它一些小流域进行过SWAT模型的应用研究，偏重于径流模拟，也涉及土壤侵蚀和非点源污染，近来对模型计算方法进行局部修改及联合其他模型应用也有不少研究。

2.2.1水文模拟研究

Arnold等利用SWAT模型和数值滤波技术分别模拟了密西西比河流域上游的地下水补给与基流量，比较了两者模拟精度；EckhardtandArnold于德国中部的一个低山牧区，进行校准SWAT模型的自动运算法，其结果显示河川之日径流量的模拟值与实测值的效率系数达0.7，其相关系数达0.84；Chaplot研究DEM和土壤数据对SWAT模型模拟的影响效应，指出DEM网格对于径流模拟的影响很小，而土壤分布图之比例尺对模拟结果影响较大。

王中根，昌明[5]等用SWAT模拟了干流山区莺落峡以上地区子流域月径流量和莺落峡日径流量，从模拟精度论证了模型完全适合在大流域应用。

胡远安等介绍了SWAT模型在亚热带的芦溪小流域径流模拟，对水田模拟部分进行了局部修改，并进行了参数灵敏度分析；结果表明模型对长期径流量模拟比较精确，对日径流的模拟存在系统误差，丰水期的模拟比枯水期精确。

黄清华，万昌[6]对流域山区出山口径流的模拟的结果表明模型对高海拔山区流域多水源的水文过程、融雪径流和地下径流参数的选择、浅水层回归因子、海拔高度带的划分等对该流域地下径流和融雪径流精度影响很大。

军锋，秀万用SWAT模型对长江上游梭磨河流域进行水量平衡研究，揭示了梭磨河流域的气候波动和土地覆被变化对流域径流的影响，表明20世纪60～90年代，梭磨河流域的径流变化中，由土地覆被变化引起的约占1/5。

随后，军锋等模拟了梭磨河流域4种不同土地覆被情景下的多年降水径流蒸发关系，定量评估了土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响，表明随着土地覆被状况由无植被到有林地覆被,径流深减小，蒸发量增加，枯季径流深减小幅度明显小于雨季的减小幅度，而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期。

蕾娜[7]等以白河上游的云州水库流域为例，研究了1980年土地利用状况下的流量过程，说明应用模型对土地利用空间变化的水文响应分析可行。

2.2.2非点源污染研究

通过数学模拟的方式进行定量化研究，已成为当前进行农业非点源污染研究的重要途径之一。

美国环境保护局杀虫剂项目办公室（OPP）2002年在流域尺度上对饮用水的评估中，应用SWAT模型对印第安那州中部White河SugarCreek流域的水质进行研究，径流和除草剂模拟验证结果表明了杀虫剂运移模拟及其对土地管理措施影响预测的可靠性。

BrunaGrizzetti将模型应用于西班牙南部的Guadiamar流域，验证模型的产流产沙和营养物质运移，评估土壤固氮和淋滤损失的能力，结果表明模型模拟流域不同出流点的日流量比较可靠，对产沙、氮和总磷聚集的月模拟符合实际；同时指出由于点源输入数据、水质监测数据的缺乏和资料系列的缺失对模型的模拟精度有一定的影响。

Qiu对密里州北部GoodwaterCreek流域的研究中表明，SWAT模型为河岸缓冲区地表水质经济价值的评估提供了手段；模型在德国EuropeanWaterFrameworkDirective（EUWFD）流域尺度的地表径流生态保护和化学物质标准的研究中也得到了应用。

模型在希腊塞萨利区西北Pinios河网子流域AliEfenti月径流量、硝酸氮和总氮的模拟，以及在德克萨斯州Bosque河流域的水质模拟表明了模型模拟精度的可靠和分析不同管理情形对点源和非点源污染以及日最大负载总量的应用潜力。

在国，胡连伍等[8]将模型应用于以农业景观为主的亚热带和暖温带过渡性季风气候区域,对水文、泥沙和营养物质（氮元素）进行模拟，计算了氮元素的自净效率，验证了模型在半湿润地区水文、水质方面的适应性。

硕等[9]利用模型研究兴国县潋水河流域的农业非点源污染，实现模拟的空间离散化和参数化过程，证明SWAT模型能较好地预测该流域的产流产沙变化。

也有类似的研究指出空间分异性较大的流域对资料的空间处理、模型参数率定和验证应成为模型研究的重要方面。

3结语

由于我国农业管理的集约化水平很低，由农业引起的非点源污染情况非常严重,在一些地方非点源污染已上升为威胁饮用水源的主要原因。

在此背景下，近几年来非点源污染研究已经成为我国环境界的一个研究热点。

由于水环境污染的复杂性，传统研究方法效率低且投入高，应用流域水环境模型进行污染的模拟、预测与管理措施评价则成为一种重要的研究手段。

SWAT模型是先进的具有很强水文物理机制的大型分布式流域水环境模型，能够合理、有效地模拟流域围非点源污染物的产生及输移过程，定量计算污染负荷和输出量等参数，为水环境非点源污染的监测、控制和治理提供科学依据,具有重要的实际意义。

SWAT模型目前主要有与ARCVIEW和GRASS紧密集成两种方式，通过集成SWAT模型空间数据输入效率、模拟输出显示和模型运行效率因集成而大大提高，为非点源研究、环境变化条件下水文响应研究和水资源管理等提供了强大的平台。

然而，由于目前科学研究对于非点源污染物的迁移转化机制还不完全清楚，SWAT水环境污染子模型的机理算法势必存在不足，我国应用SWAT模型还存在诸多问题。

SWAT模型的构建需要大量的数据支持，在发达国家这些数据一般都可以免费得到，而我国对非点源污染的研究起步较晚，缺乏非点源污染完善的监测机制和制度，数据资料不完备，共享程度低，从而制约了我国非点源污染问题的研究。

因此，除了对SWAT模型本身进行改进之外，还需加强对非点源污染的重视，完善我国非点源污染监测机制和制度，提高基础数据的共享水平，才能让SWAT模型更好地为决策服务。

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