SWAT模型在流域管理中的成功应用及影响探析

SWAT（Soil Water Assessment Tool）是一个分散连续性水文模型，主要用于预测流域管理措施对水质，泥沙和化学物质的作用。这个模型可模拟水库50～100年的沉降，也可模拟一年内农药的影响作用（牛志明，2001；Arnold，1998）。SWAT在国外的应用已经取得了一些成果（Don，2002）。Chanasyk（2003）利用SWAT对草地地表径流进行了定量化和模拟研究。Tripathi等（2003）的研究则表明SWAT模型可以成功地应用于以管理为目的的流域识别和优化。

SWAT模型是在20世纪90年代中后期，由Dr.Jeff Arnold为美国农业部（USDA）农业研究服务处（ARS）开发的适用于较大流域尺度的非点源污染负荷计算模型，它的全称是土水评价工具。SWAT模型是为了预测流域管理措施及气候对水质、泥沙和化学物质的作用而开发的一种连续性的物理模型，包括SCS水文模型、改进的通用土壤流失方程RUSLE，主要用于大型流域，也可以对流域内部的次一级流域进行模拟。SWAT模型是一个具有物理基础的、以日为时间单位运行的流域尺度的动态模拟模型，可以进行连续多年的模拟计算。模拟结果可以选择以年、月或日为时间单位输出。SWAT模型开发的目的就是预测有着复杂变化的土壤、土地利用和管理方式的较大流域中土地利用及管理方式对于流域产流、产沙及农业区的化学污染物负荷的影响。

模型应用TOPOAZ（Topographic Parameterization）自动进行数字地形分析的软件包，对输入栅格型DEM进行处理，定义流域范围，划分亚流域，确定河网结构和计算子流域参数。当集水区面积阈值（形成河流的最小集水面积）被划定之后，自动划分亚流域。在亚流域划分的基础上其采用代表性基本单元概念划分计算单元，根据不同土地利用和土壤类型的组合在每一个亚流域内进一步划分HRU，HRU以非空间方式模拟，即以在某一亚流域中土壤和土地利用协同变化特征的概率分布来表征。本文选用SCS径流曲线数法和Muskingum法模拟流域产流，应用修正的通用水土流失方程MUSLE（Modified Universal Soil Loss Equation）和Bagnold泥沙输移方程来模拟流域泥沙负荷。

1.SWAT模型具有的几个特点

（1）基于物理过程的模拟模型。SWAT模型不是简单的输入输出变量之间的回归公式，而是在模型中利用具有物理意义的方程完成对水分运动、泥沙输移、植被生长和营养物质循环等过程的模拟，模型计算需要流域内的气候、土壤性质、地形、植被覆盖以及土地利用等数据。模型的物理基础使得模型可以应用于缺资料流域水文预测，而且可以方便地评价由于输入数据（包括下垫面、管理措施以及气候气象条件等）的变化对于水量、泥沙和水质变化的影响。

（2）易于获得模型的输入数据。模型使用常规的气象、土地利用和土壤相关属性的数据。

（3）可对长期影响进行模拟。许多问题需要几十年的模拟结果，例如污染物的累积以及其对下游水体的影响等，SWAT模型都可以进行模拟。

（4）模型计算效率高。模型通过地形分析将流域划分为子流域，再根据土地利用类型和土壤类型进一步将子流域划分为水文响应单元（HRU，Hydrological Response Unit），它是指子流域内具有特定土地利用类型和土壤类型的组合的地块，模型通过对水文响应单元计算，再将水文响应单元计算结果叠加得到子流域上的产流、产沙和化学物质的产出结果，最后通过河网的方式将子流域串联起来，通过河道演算得到流域出口处的相关结果。由于模型采用水文响应单元为计算单元，即使对于非常大的流域，或者一系列管理方案的组合，模型计算也不需要额外的时间和投资。

2.SWAT模型的发展历史

20世纪70年代中期，美国农业部农业研究所（USDA-ARS）开发出了具有物理基础的田间尺度非点源污染模型CREAMS（Chemicals，Runoff，and Erosion from Agricultural Management Systems），用来模拟土地利用对田间水分、泥沙、农业化学物质流失的影响，后来又陆续开发了重点描述地下水中化学物质、农药对农业生态系统影响的GLEAMS（Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems）模型；描述侵蚀对作物生产力的影响、进而发展为评价复杂农业管理措施的田间尺度非点源污染模型EPIC（Erosion-Productivity Impact Calculator）；以日为时间步长、将流域划分为子流域的农村流域水资源评价模型SWRRB（Simulator for Water Resource in Rural Basins）。在80年代后期，印第安事务局（the Bureau of Indian Affairs）需要一个模型来评估在亚里桑那和新墨西哥的印第安保留土地区的水资源管理对于下游地区的影响。尽管SWRRB可以方便的利用到几百平方公里的流域上，面临的问题却是如何来模拟一个有几千平方公里的流域的河流。对于这样大的一个面积，需要把流域分成几个面积在几百平方公里的子流域。在SWRRB模型中，子流域的划分只限于10个，而且各子流域的产流产沙量是直接输出到流域出口的。由于这些局限便开发了用于“连接”SWRRB模型在各个子流域的运行结果ROTO模型（Routing Outputs to Outlet）（Arnold等，1995），该模型可以把由多个SWRRB模型运算的结果通过河道输移计算得到流域产流产沙量，这样就克服了SWRRB划分子流域的限制。尽管这个方法是非常有效的，但是多个SWRRB模型的输入和输出文件的数据量是非常大的，需要计算机相当大的储存空间。另外，每个SWRRB模型需要独立运行，然后输入到ROTO中进行河道演算。为了克服这些缺点，于20世纪90年代，在Arnold主持下，吸收了CREAMS，GLEAMS，EPIC，SWRRB等模型的优点，将SWRRB和ROTO整合为一个模型，即SWAT模型。

SWAT是一个开放、发展的水文模型，自开发以来一直在接受检验而日臻完善，　自从SWAT模型在20世纪90年代早期开发出以来，它也经历了多次修改和补充。在不同的版本之间重要的改进如下：(www.xing528.com)

（1）SWAT94.2：引入了多水文响应单元（MultipleHRUs）。

（2）SWAT96.2：增加了植物截留；增加了自动施肥与灌溉作为管理选项；CO2模块增加到作物生长模型中来研究气候变化；增加了Penman-Monteith潜在蒸腾方程式；引用了QUAL2E中的河道中包含营养物的水质方程；河道中杀虫剂的输移过程。

（3）SWAT98.1：改进了溶雪模块；河道中水质运算得到了提高；扩展了营养元素的循环程序；增加了放牧、施肥等作为管理选项；修正模型使其适应于南半球。

（4）SWAT99.2：增加了河岸储存功能模块、水稻和湿地计算模块；增加水库、池塘和湿地中由于沉淀作用引起的养分损失计算；增加金属在河道的运移计算；改进了营养物质循环；所有年份表示都由2位增加到4位；引入了SWMM模型中计算城区污染物的累积和冲刷模块。

（5）SWAT2000：使用了Green和Ampt入渗公式；改进了天气生成器；增加了细菌的输移程序；允许每天的太阳光照、相对湿度、风速直接读入或生成；允许潜在ET值可以读入或生成；改进了高程处理过程；增加了马斯京根法；为适用于热带地区的应用，对休眠计算进行改进。

（6）SWAT2005：另外，在1998年还推出了分别与GRASS和ArcView两个GIS软件集成的版本—SWAT/GRASS和AVSWAT，它们可以减小空间数据收集和处理的工作量，并能够使用户来修改和分析各种管理措施的实践效率。总之，SWAT模型在模拟技术上越来越成熟的同时，其操作性和可视化程度也越来越高，使用也越来越简单。

我国非点源污染研究起步较晚，真正意义上的研究始于20世纪80年代初的湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划。在调查中发现，氮、磷是造成地面水富营养化的主要营养元素，而非点源污染的氮、磷负荷高于点源，农业非点源占了较大比例。

从研究的进程看，大致可以划分为两个阶段，第一阶段为20世纪80年代。在此阶段首先研究了水环境富营养化与非点源污染、土地利用方式与非点源污染负荷的关系，初步把握了非点源污染负荷的发生状况。由于我国的研究起步于发达国家非点源污染模型大发展的时期，研究方法受到国外前期研究的影响，主要研究方法就是分析土地利用方式与非点源污染的关系，立足于受纳水体的水质，建立计算汇水区域污染物输出量的经验统计模型。对土壤养分径流损失和农药化学物质进入土壤中迁移转化及作用机理研究也取得了初步成果。这一时期引进了国外，特别是美国的研究成果，根据我国的具体情况对引进模型进行适当的修改，取得了一定的进展。如刘枫等在80年代中期在于桥水库流域非点源污染研究中，应用了美国通用土壤流失方程USLE定量识别非点源污染时空分布规律。

第二阶段从20世纪90年代初开始。进入90年代后，随着对非点源污染问题的进一步研究，农业非点源定量化模型也取得了进一步的成果。这一时期对农业非点源污染的产污机理与影响因素进行了较为深入的探讨，农药、化肥污染的宏观特征、影响因素研究和黑箱经验统计模型模式在农业非点源污染研究中占据了重要地位。由李怀恩等建立的用逆高斯分布瞬时单位线法计算流域汇流的非点源污染物迁移机理模型，较好地模拟了于桥水库及宝象河流域洪水、泥沙和多种污染物的产生和迁移，但该集总式模型不易解释非点源污染在流域内的空间分布。此后，李怀恩又通过对非点源污染负荷率过程的标准化处理，提出了一个简便易用的流域非点源污染产污模型，即标准产污量与净雨量相等，产污量过程与净雨过程一致，实测资料检验表明，该方法可用于多种不同类型的污染物。