swat模型在农业面源污染研究中的应用.pdf

Agro-Environment 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的从政 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] 2SWAT 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 Assess－ ment Framework ） 和许多不同尺度的研究项目中 研究 内容涉及到流域水平衡、 流量预测和面源污染控制等 1 0 6 Agro-Environment &Development 环 境 管 理·E N V I R. MA N A G E ME N T 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 40 407 km2）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 模型已应用在德克萨斯州的 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[24]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 Man－ agement 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[25]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 （European Water 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R2从原来-0.76 增加到 0.86。

3SWAT 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 1 0 7 农业环境与发展 2008 年第 5 期 环 境 管 理·E N V I R. MA N A G E ME N T 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 参考文献： [1] Tsihrintzis V A, Hamid R.Modeling and management of urban storm wa－ ter runoff quality : A review [J].Water Resources Management, 1997 , 11 （2 ）:137-164. [2] Heng qing H H, Nikolaidis N P. Modeling of non-point source pollution of nitrogen at the watershed scale[J].Journal of the American Water Re－ sources Association, 1998, 34 （2 ） :359-374. [3] 杨大文， 李狲， 倪广恒， 等．分布式水文模型在黄河流域的应用[J]． 地理学报， 2004， 59 （1 ） ： 143-154． [4] 樊明兰． 基于 DEM 的分布式水文模型在中尺度径流模拟中的应用 研究[D]．成都： 四川大学， 2004． [5] 张珂．基于 DEM 栅格和地形的分布式水文模型构建及其应用[D]． 南京： 河海大学， 2005． [6] 郭太英．基于 DEM 的分布式水文模型的研究与应用[D]．大连： 大连 理工大学， 2005． [7] Neitsch S L， Arnold J G， Kiniry J R， et a1．Soil and water assessment tools theoretical documentation， version 2000 [R]．TWRI report TR 一 191， Texas： Texas Water Resources Institute， College Station， 2002. [8] Arnold J G,J R Williams.Validation of SWRRB: Simulator for water re－ sources in rural basins [J].Water Resour Plan ManageASCE， 1987,113 （2 ） : 243-256. [9] Arnold J G,P M。