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SWAT模型研究进展

作者:未知

  摘 要:文章阐述了SWAT模型的特点、发展历程,着重概述了应用SWAT 模型在径流模拟适用性及研究成果,总结了非点源污染研究方面的主要进展;SWAT模型与GIS或其他模型的集成研究,并对SWAT模型提出了当前模型研究存在的问题及其发展方向。
  关键词:SWAT模型 径流模拟 非点源污染 集成研究
  S WA T ( S o i l Wa t e r a n d Assessment Tools)模型是由美国农业部( USDA)农业研究中心(ARS)开发的长时段、中等流域尺度的分布式水文模型,常常應用于模拟复杂流域的径流、泥沙和化学污染物等转移途径。该模型基于S W R R B模型开发的长时段的流域分布式水文模型,具有强大的物理基础,可以集成地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和数字高程模型(DEM)于一体,模拟100年内流域的降水、土壤、土地利用和管理对径流,对径流量、营养元素的负荷、泥沙流失量等长期的影响。该模型具有良好的用户界面,较强的空间数据管理、组织、分析和表达能力,在数量众多的非点污染源模型中脱颖而出;但不能进行单次降水的影响模拟。自90年代初正式问世以来,随着需求和技术的提高,模型不断更新,研究内容越来越广泛,包括径流模拟、非点源污染、模型输入参数和气候变化的水文效应以及模型的改进等诸多方面。
  1.SWAT模型径流模拟研究进展
  起初 SWAT模型主要是应用于水文水质方面,在20 0 0年左右才应用于径流模拟研究,在美国具有多个全国性和区域性项目实践基础。基于美国的经验,SWAT模型在国内得到广泛的应用。该模型径流过程主要分为水循环陆面部分和水循环的水面部分,即从产流和坡面汇流至汇入河流水系全过程。Arnold等以美国3个流域,密西西比河支流等为研究对象,验证SWAT模型应用于径流模拟适用性,得出长期径流模拟精度高,短期径流模拟效果差。罗睿等以黄河左岸一级支流三川河研究对象,构建干旱-半干旱地区分布式水文模型,模拟三川河流域月平均流量过程,并以1980~1985年5年的降雨和径流监测数据进行率定和验证,模型率定和验证期效率分别为0.71和0.73,较实际监测数据偏大。郭军庭等基于SWAT模型分别对大阁、戴营和下会(从上自下)3个水文站径流进行模拟,定量分析了潮河流域土地利用和气候变化对流域径流产生的影响,采用情景法分析径流对土地利用和气候等因素变化的响应;结果表明:潮河流域径流量与流域内降水量呈正相关,与气温呈负相关。从众多学者研究可以看出,SWAT可以应用于径流模拟,用于模拟中等流域尺度、长时段流域径流精度最高;短时段、异常年份的不确定因素均会使结果精度降低。
  2.SWAT模型非点污染源模拟研究进展
  由降水或融雪在地表或地下运动而形成的径流易引发非点源污染,随着径流的运动,污染物最终沉积在河流、湖泊及海洋中,其起源分散、随机性强、成因复杂、潜伏周期长且防治困难,是以在径流模拟中还需分析非点源污染运转和转移路径。SWAT模型可以从水文循环的角度分析非点源污染的时空分布特征与规律,是进行非点源污染模拟的有效工具。
  目前国内学者主要从以下两方面进行研究:一是研究时空变化对非点源污染的影响;王晓燕等以密云水库北部流域为研究对象,分析了污染物的运营迁移与空间尺度和时间尺度的关系;其中水土流失最严重的是白沙河流域;氮磷流失量在潮河流域达到了最高点,在9月流域输出的硝态氮和矿物质磷达到顶峰。尹刚等东北图们江流域为研究对象,构建了土壤模型,分析计算了土壤侵蚀量和及其在吸附态氮磷营养物量;验证SWAT 模型在此流域计算精度,并得出时空变化对有机磷和有机氮影响。二是研究土地利用方式对非点源污染物的影响,如唐莉华等以北京境内的温榆河流域为研究对象,分析非点污染源的时空输出与径流量大小的关系,汛期非点源输出全年最高,占全年90%;同时也研究了不同作物对旱地土壤非点污染源的影响,得出以轮作小麦及玉米为主的旱地污染负荷模数最大,林地及果园较小。从众多学者研究可以看出,非点污染源污染物的迁移轨迹主要与农田的面积和类型、降雨量以及水库位置、库容大小、径流量大小密切相关。
  3.SWAT模型的集成研究
  SWAT模型因其功能强大,可模拟流域范围的物理过程众多而广泛推广。随着学者研究不断深入,对SWAT模型功能、精度需求越来越高,将SWAT模型和各种GIS软件或其他模块进行集成,提高模拟精度和适用流域范围。目前比较成熟的SWAT模型集成系统主要有AVSWAT、ArcSWAT、BASINS和Mulino DSS等。AVSWAT和ArcSWAT是分别基于SWAT模型的ArcSWAT和ArcGIS模型开发扩展的图形用户界面,增强了用户界面体验,有效的提高了SWAT模型数据前处理和后处理的便捷程度;增强了数据可视化和空间分析能力。
  原始SWAT模型在干旱等类型地区模拟效果较差,并针对效果不理想而对地下水模块、融雪模块、植被作物生长模块、养分动态模块进行了改进。例如,魏国等发现当SWAT模型模拟山区流域时,流域平均坡长计算精度严重降低,从而降低了模拟结果精度。文章提出两种利用DEM模型提高流域平均坡长提取精度:一是在流域河网密度基础上,利用DEM模型从满足地貌定律的河网提取流域平均坡长;二是基于经验分析。郑捷等以平原型灌概区为研究对象,对农作物耗水量计算模块进行了改进,并取得良好的效果。张永勇等结合中国各个流域的特征对SWAT模型水质模块进行了改造,提高了模型在中国流域适用性;相关系数和效率系数均达到0.8及以上,模拟结果精度较高。
  GIS与SWAT模型具有很强的互补性,二者具有相似之处。SWAT模型的数据类似于GIS中的矢量或栅格式数据模式,研究区域按一定的空间分辨率划分达到减少数据量和简化计算的目的。GIS具有强大的分析功能、图形显示功能及具有空间数据的四维的GIS 系列资料,为水文学者研究流域特征的空间分布和产汇流特性提供有利的帮助,同时还有利于分析降雨、土壤含水量及产流面积在空间和时间上的变化,更进一步认识产汇流机理。
  4.总结
  尽管SWAT模型应用广泛,但欲提高的模拟结果精度、扩大应用领域,仍有诸多改进之处。比如:目前SWAT对非点源污染模拟多针对 N、P上,在细菌迁移模拟上较欠缺。随着GPS、RS遥感技术、GIS技术逐渐成熟,提取数据方法更多及更成熟,高精度的RS遥感技术和GIS技术相结合可提取较高分辨率的数据,因此SWAT模型与3S技术的结合是今后的发展方向之一。
  参考文献:
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