SWAT模型及其在农业面源污染研究中的应用，本文主要内容关键词为：模型论文,农业论文,SWAT论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
目前面源污染被认为是对农业可持续发展与地表和地下饮用水源的最大威胁，而且农业生产活动是全球面源污染最主要的原因。以GIS为基础的数学模型是在空间尺度上对面源污染进行分析评估以及制定管理措施的有效工具[1-2]。近年来，随着RS、GIS技术的迅速发展，集成DEM技术的分布式流域水文模型研究已成为现代水文模拟研究的热点，也是解决流域水文、生态和面源污染问题的一个有效手段[3-6]。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是美国农业部农业研究局开发的基于流域尺度的一个具有很强物理机制的长时段分布式流域水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程，包括水、沙、化学物质和农药的输移与转化过程[7-8]。
SWAT自开发以来，在美国有着深入和广泛的应用，同时在欧洲以及其他国家、地区结合各地域不同特点也得到了广泛的应用，并在应用中较快地发展。SWAT近几年开始在国内应用，尚处在摸索阶段，本文旨在概述SWAT模型、发展历程以及国内外相关研究进展，并总结模型应用中的一些问题，探讨该模型未来发展方向，为模型应用提供参考。
1 模型发展历程与概述
20世纪80年代起美国农业部农业研究中心致力于模拟多种土壤类型、土地覆盖和管理措施的复杂流域的模型研究，1980年在一系列研究基础上开发出在田间尺度上模拟土地管理对水沙、营养物质和杀虫剂运移影响的CREAMS(Chemicals，Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems)模型(Knisel，1980)。随后开发了主要模拟侵蚀对作物产量影响的EIPC(Environmental Impact Policy Climate)模型、用于模拟地下水携带杀虫剂和营养物质的GLEAMS(the Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)模型(Leonard et al，1987)。在这些研究基础上1985年修改CREAMS模型的日降雨水文模块，合并GLEAMS模型的杀虫剂模块和EPIC模型的作物生长模块，开发出时间步长为日的SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型(Arnold and Williams，1987)。模型可以把流域分为10个子流域，增加了气象发生器模块，对径流过程考虑更加详细。20世纪80年代末，在SWRRB模型中加入了估计洪峰流速的SCS曲线方程和产沙公式，同时为了解决子流域划分限制融合了河道演算ROTO(Routing Output to Outlet)模型成为SWAT模型[9-15]。随后，SWAT不断增加新的模块成为新版本：1994年版引入了多个水文响应单元；1996年版增加了CO[,2]循环、彭曼公式、土壤水侧向流动、营养物质和杀虫剂运移模块；1998年版对融雪演算和水质模拟改进，增加放牧、施肥排水等管理措施选项；1999年版增加了城市径流平衡；2000年版增加了细菌传输模块、Green & Ampt渗流计算方法和马斯京根汇流演算方法，改进气候生成器，提供更多潜在蒸发量计算方法，模拟水库数量不再受限制；2005年版改进了细菌运输过程模拟，增加了天气预报情景模拟和半日降雨发生组件[16]。同时在SWAT模型的基础上进行了一系列的改进与扩展[20]，其中ESWAT(Extended SWAT)是Griensvenl[17]等对SWAT模型的地表径流、河道汇流和水质组件的改进；SWIM(Soil and Water Integrated Model)是Krysanova[18]等对SWAT模型的水质模块加以改进，并与评价富营养化的MATSALU模型合成，SWAT—G是Eckhardt[19]等在SWAT99.2的基础上改进入渗和壤中流的计算方法用以在德国低山区流域得到更好的效果。SWAT发展示意图如图1。
图1 SWAT模型发展示意图
SWAT模型由水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、养分、农药(杀虫剂)和农业管理8个组件构成，是由701个数学方程、1013个中间变量组成的综合模型体系[21-22]，主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性，为了提高模拟的精度，通常SWAT模型将研究流域细分成若干个单元流域。SWAT模拟的流域水文过程(见图2)分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河道汇流部分)。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的传输运动[30-31]。
AVSWAT是SWAT模型在ESRI公司的ArcGIS下二次开发的图形用户界面。SWAT模型建立在物理基础之上，运算效率高、适宜较长周期的水土预测研究。SWAT模型运用广泛，能够适用于不同尺度流域的水质量建模研究，例如基于已有的和将要实施的管理措施条件下的国家和区域尺度的水资源评价。SWAT模型在美国和欧洲被广泛用于评价全球气候条件变迁下的水资源的供给与质量[41]。SWAT模型具有如下特点：(1)具有物理基础。SWAT模型要求提供流域的特定要素包括气象、土壤属性、地形、植被、土地管理措施，而不再是仅用回归公式描述输入输出要素之间的关系。同时水体运动、沉积过程、作物生长、养分循环等与流域水土流失相关的物理过程直接嵌入模型中。(2)输入要素容易获取。通常而言，一般意义下运行SWAT模型的数据都可以较为容易地从政府机构获取。(3)计算效率高。对于较大流域或管理措施较为复杂的流域，SWAT模型不需要额外的时间和财力。(4)便于用户研究长时间流域的水土流失状况。SWAT模型可以针对用户不同需求做上百年时间尺度的运算，获取历史数据以及预测未来的变化[42-46]。
图2 SWAT水文物理过程图
2 SWAT国外研究应用进展
目前SWAT模型已经比较广泛地应用于美国国家项目、大的区域性项目(如NOAAS Coastal Assessment Framework)和许多不同尺度的研究项目中。研究内容涉及流域水平衡、流量预测和面源污染控制等诸多方面。模型的有效性也得到了许多研究项目的证明，并于1996年通过了美国环境保护署组织的关于模型性能、模拟精度等方面的全方位评价。在最终的评价报告中，对于SWAT模型在美国15个流域(流域面积约40407km[2])应用的有效性，也进行了证明[23]。在水土保持方面，美国已应用SWAT模型进行了全国水土流失的模拟与评价，取得了良好效果；在气候变化的水文效应方面，有研究利用SWAT模型探讨了美国东南部在不同气候变化条件下，现状与未来水资源变化情况，指出在未来30～50年内，径流会持续减少，进而加剧了水质恶化；在非点源污染研究方面，SWAT模型已应用在得克萨斯州的Bosque流域，证实了模型能很好地模拟畜牧业生产所产生的面源污染。在美国中东部的农业流域，研究通过SWAT模型确定了能够改善水质的最佳农作措施的空间布局，评价了河岸生态缓冲措施对降低农业非点源污染的作用和经济效益。Arnold模拟土地利用变化来检验SWAT模型的水文组件包括地表径流、地下径流、蒸散发以及地下水补给和地下水水位，比较并验证了模拟结果，结果表明地表水模拟R为0.79～0.94。世界上其他国家应用SWAT模型都是基于美国的经验而推广的，在欧盟、澳大利亚、加拿大、印度等国都有较多应用。如Chanasyk在加拿大模拟了放牧活动对水文及土壤湿度的影响，并评价了模型在径流量小，包括融雪过程流域的适用性。西班牙Hernandez利用SWAT模型研究了地中海流域土地覆盖条件变化以及人类活动导致湿地干涸所产生的水文效应，研究提出了取消耗水量大的作物而改种葡萄的建议。Behera和Panda[23]利用SWAT模型来模拟不同的管理措施对印度、孟加拉西部Midnapore流域日径流量和泥沙量以及营养物浓度的影响，并且模拟最佳管理措施BMPs(Best Management Practices)，结果模型成功地模拟了径流和水质，识别了流域内子流域污染严重区，并且从48套模拟管理方案中选择了一种最佳管理措施。Grizzetti等[24]利用SWAT模型研究了芬兰Vantaanioki流域的N、P循环和转化；Bouraoui[25]应用SWAT模型研究了北非突尼斯Medjerda流域不同管理措施对该流域地表水产生的潜在影响，得出流域内氮磷负荷的增加主要是由于农业施肥率的增加；2003年韩国国家环境研究所制定了TMDL项目发展的指导方针。该项目利用GIS和RS数据结合SWAT模型对以稻谷田为主的Baran流域的径流和面源污染进行了模拟，结果R值达到了0.77～0.93[26]。模型在德国EUWFD(EuropeanWater Framework Directive)流域尺度的地表径流生态保护和化学物质标准的研究中得到了应用。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中也得到了应用[27-29]。Pandey等[30]研究了GIS和RS技术与SWAT模型结合的优点，对流域水资源管理和流域模拟的应用前景；Fontaine等[31]增加了一个融雪组件将SWAT模型应用到研究山区的积雪—融雪给径流产生的影响，改进的算法模拟的年径流量R[2]从原来-0.76增加到0.86。
3 SWAT模型在中国的研究现状
几年来国内对SWAT的应用和改进的实例已有很多，主要集中在径流模拟、面源污染模拟、流域综合水资源管理等方面[32]。王中根、刘昌明等[33]对SWAT模型的原理和结构进行了深入的研究，并将SWAT模型引入我国西北寒区的水文过程模拟中，日径流模拟精度高达0.83；胡远安等[34]，黄清华，张万昌[35]对黑河流域山区出山口径流的模拟的结果表明，模型对黑河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。陈军锋，陈秀万[36]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，陈军锋等[37]模拟梭磨河流域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，研究得出SWAT模拟长期径流量比短期径流量准确；张雪松等[38]得出模型在中尺度长期连续径流和泥沙负荷模拟中具有较好的适用性；李硕等[39-40]在遥感和GIS的支持下，对SWAT模型的空间离散化和空间参数化进行了深入研究，并成功地将其应用到江西激水河流域的径流和养分的模拟中；中国科学院地理科学与资源研究所结合内蒙古河套灌区浅层地下水动态变化的生态环境效应研究，通过对国际上著名的CERES作物模型、SWAT模型、MODFLOW地下水动力学模型的融合、集成和扩展，成功研制出分布式生态水文学模型SWATMOD.2K4 (SWATMOD 2004)。此外针对我国自然条件特点，有研究者提出了模型方法并进行验证，如模型降雨空间处理改用“泰森多边形法”，“基于DEM的PRISM插值法”等。
4 存在问题及发展研究方向
SWAT模型目前应用广泛，但在实际应用中出现一些问题。(1)SWAT模型的数据库标准是针对北美地区的植被、气候与流域特点设计的，随着模型的逐渐推广应用，往往需要针对其他不同国家的标准进行转换，如植被数据来源与遥感影像，进行相关转换时需要重新解译，工作繁重，影响模型应用效率。(2)模型模拟的准确度主要依赖参数特别是空间参数的调整与校验，另外繁冗的参数获取也是模型应用效率的重要影响因素。(3)模型采用了很多先进的概念性和经验性的水文物理过程模拟公式描述不同的水文过程，在缺乏充足历史数据或监测数据的验证地区，往往不能保证经验性公式模拟水文物理过程的准确性。(4)微生物作用模拟SWAT主要使用温度与时间为影响因子，实际过程中pH值、养分状况、湿度、壤中流等都对微生物作用有着显著影响，如何进一步精确描述此过程尚待深入研究。(5)水文响应单元是SWAT模型的基础模拟单元，非空间的水文响应单元并不能精确反映迎面流和污染物质在各种景观中的迁移过程，如点源污染地区与河流之间区域的潜在污染以及各种农业管理措施在空间尺度上的影响，影响模型模拟精度。SWAT模型是近年来面源污染模拟模型中较突出的模型，并逐渐得到了广泛和深入的应用，但各个地区的空间变异性以及面源污染本身机理的复杂性和不确定性等，模型需要进一步改进与提高。另外随着RS、GIS技术的迅速发展，SWAT模型与其结合研究也将成为重要的研究方向。