黃奎

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

關鍵詞：SWAT模型 徑流模擬 非點源污染 集成研究

S WA T （ S o i l Wa t e r a n d Assessment Tools）模型是由美國農(nóng)業(yè)部（ USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS）開發(fā)的長時段、中等流域尺度的分布式水文模型，常常應用于模擬復雜流域的徑流、泥沙和化學污染物等轉移途徑。該模型基于S W R R B模型開發(fā)的長時段的流域分布式水文模型，具有強大的物理基礎，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年內流域的降水、土壤、土地利用和管理對徑流，對徑流量、營養(yǎng)元素的負荷、泥沙流失量等長期的影響。該模型具有良好的用戶界面，較強的空間數(shù)據(jù)管理、組織、分析和表達能力，在數(shù)量眾多的非點污染源模型中脫穎而出；但不能進行單次降水的影響模擬。自90年代初正式問世以來，隨著需求和技術的提高，模型不斷更新，研究內容越來越廣泛，包括徑流模擬、非點源污染、模型輸入?yún)?shù)和氣候變化的水文效應以及模型的改進等諸多方面。

1.SWAT模型徑流模擬研究進展

起初 SWAT模型主要是應用于水文水質方面，在20 0 0年左右才應用于徑流模擬研究，在美國具有多個全國性和區(qū)域性項目實踐基礎?；诿绹慕?jīng)驗，SWAT模型在國內得到廣泛的應用。該模型徑流過程主要分為水循環(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程。Arnold等以美國3個流域，密西西比河支流等為研究對象，驗證SWAT模型應用于徑流模擬適用性，得出長期徑流模擬精度高，短期徑流模擬效果差。羅睿等以黃河左岸一級支流三川河研究對象，構建干旱-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程，并以1980～1985年5年的降雨和徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)進行率定和驗證，模型率定和驗證期效率分別為0.71和0.73，較實際監(jiān)測數(shù)據(jù)偏大。郭軍庭等基于SWAT模型分別對大閣、戴營和下會（從上自下）3個水文站徑流進行模擬，定量分析了潮河流域土地利用和氣候變化對流域徑流產(chǎn)生的影響，采用情景法分析徑流對土地利用和氣候等因素變化的響應；結果表明：潮河流域徑流量與流域內降水量呈正相關，與氣溫呈負相關。從眾多學者研究可以看出，SWAT可以應用于徑流模擬，用于模擬中等流域尺度、長時段流域徑流精度最高；短時段、異常年份的不確定因素均會使結果精度降低。

2.SWAT模型非點污染源模擬研究進展

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

目前國內學者主要從以下兩方面進行研究：一是研究時空變化對非點源污染的影響；王曉燕等以密云水庫北部流域為研究對象，分析了污染物的運營遷移與空間尺度和時間尺度的關系；其中水土流失最嚴重的是白沙河流域；氮磷流失量在潮河流域達到了最高點，在9月流域輸出的硝態(tài)氮和礦物質磷達到頂峰。尹剛等東北圖們江流域為研究對象，構建了土壤模型，分析計算了土壤侵蝕量和及其在吸附態(tài)氮磷營養(yǎng)物量；驗證SWAT 模型在此流域計算精度，并得出時空變化對有機磷和有機氮影響。二是研究土地利用方式對非點源污染物的影響，如唐莉華等以北京境內的溫榆河流域為研究對象，分析非點污染源的時空輸出與徑流量大小的關系，汛期非點源輸出全年最高，占全年90%；同時也研究了不同作物對旱地土壤非點污染源的影響，得出以輪作小麥及玉米為主的旱地污染負荷模數(shù)最大，林地及果園較小。從眾多學者研究可以看出，非點污染源污染物的遷移軌跡主要與農(nóng)田的面積和類型、降雨量以及水庫位置、庫容大小、徑流量大小密切相關。

3.SWAT模型的集成研究

SWAT模型因其功能強大，可模擬流域范圍的物理過程眾多而廣泛推廣。隨著學者研究不斷深入，對SWAT模型功能、精度需求越來越高，將SWAT模型和各種GIS軟件或其他模塊進行集成，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模型開發(fā)擴展的圖形用戶界面，增強了用戶界面體驗，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模型在干旱等類型地區(qū)模擬效果較差，并針對效果不理想而對地下水模塊、融雪模塊、植被作物生長模塊、養(yǎng)分動態(tài)模塊進行了改進。例如，魏國等發(fā)現(xiàn)當SWAT模型模擬山區(qū)流域時，流域平均坡長計算精度嚴重降低，從而降低了模擬結果精度。文章提出兩種利用DEM模型提高流域平均坡長提取精度：一是在流域河網(wǎng)密度基礎上，利用DEM模型從滿足地貌定律的河網(wǎng)提取流域平均坡長；二是基于經(jīng)驗分析。鄭捷等以平原型灌概區(qū)為研究對象，對農(nóng)作物耗水量計算模塊進行了改進，并取得良好的效果。張永勇等結合中國各個流域的特征對SWAT模型水質模塊進行了改造，提高了模型在中國流域適用性；相關系數(shù)和效率系數(shù)均達到0.8及以上，模擬結果精度較高。

GIS與SWAT模型具有很強的互補性，二者具有相似之處。SWAT模型的數(shù)據(jù)類似于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到減少數(shù)據(jù)量和簡化計算的目的。GIS具有強大的分析功能、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，同時還有利于分析降雨、土壤含水量及產(chǎn)流面積在空間和時間上的變化，更進一步認識產(chǎn)匯流機理。

4.總結

盡管SWAT模型應用廣泛，但欲提高的模擬結果精度、擴大應用領域，仍有諸多改進之處。比如：目前SWAT對非點源污染模擬多針對 N、P上，在細菌遷移模擬上較欠缺。隨著GPS、RS遙感技術、GIS技術逐漸成熟，提取數(shù)據(jù)方法更多及更成熟，高精度的RS遙感技術和GIS技術相結合可提取較高分辨率的數(shù)據(jù)，因此SWAT模型與3S技術的結合是今后的發(fā)展方向之一。

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