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SWAT模型及其应用研究

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试验平台

S WAT模型及其应用研究*

于峰1史正涛1李滨勇2杨具瑞3彭海英1

(1.云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650092;2.北京师范大学资源学院,北京100875;

3.昆明理工大学电力工程学院,云南昆明650051)

中图分类号:P334+.92文献标志码:B文章编号:1673-5366(2008)05-0001-04

摘要:利用数学模型来模拟水文、泥沙、非点源污染过程是流域管理中对特定管理措施的效果进行评估的重要工具,也是研究环境变化条件下水资源管理的重要手段。S WAT(So il andW ater A ssess ment T oo l)模型是一个集成了遥感(RS)、地理信息系统(G IS)和数字高程模型(D E M)技术的目前国际流行分布式水文模拟工具。介绍了S W AT模型的发展历程、原理及特点,概述了S W AT模型目前在径流模拟、非点源污染模拟与控制、气候变化对水文响应的影响、模型参数敏感性分析方面的进展情况,并对S W AT模型今后的应用和改进方向作了初步探讨。

关键词:S WAT;水文模型;应用进展

S WAT(So il and W ater A ssess m ent Tool)模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型中比较先进的一个。可用来预测模拟大流域长时期内不同的土壤类型、植被覆盖、土地利用方式和管理耕作条件对产水、产沙、水土流失、营养物质运移、非点源污染的影响,甚至在缺乏资料的地区可利用模型的内部天气生成器自动填补缺失资料[1]。迄今为止,S WAT模型的有效性已经得到了国内外许多研究项目和研究者的证明,模型已经广泛应用于大的区域性项目和许多不同尺度的研究项目中,研究内容涉及流域的水平衡、河流流量预测和非点源污染控制评价等诸多方面[2]。美国环保署将S WAT模型作为其T MDL项目的首选模型,并将S WAT模型集成在其开发的BASI N S模型系统中[3]。

1S WAT模型的发展历程

S WAT模型是美国农业部农业研究所历经30a 开发的一套适用于复杂大流域的水文模型,于20世纪90年代早期正式推出,之后连续升级,94版引入了多个水文响应单元;96版增加了CO2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;98版对融雪演算和水质模拟改进,增加了放牧、施肥排水等管理措施选项;99版增加了城市径流平衡;2000版增加了细菌传输模块、Green-Am pt渗流计算方法和马斯京根汇流演算方法,改进了天气生成器,提供3种潜在蒸发量计算方法,模拟水库数量不再受限制;2003版增加了敏感性分析和自动率定与不确定分析模块,敏感性分析采用L H-OAT 法进行,从而使模型具有了全局分析法和局部分析法二者的长处;2005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器[4-5]。S WAT模型是S W RRB模型的直接产物[5],其流程见图1。

图1S W AT模型的发展进程及改进模型

2S WAT模型的原理和特点

2.1S WAT模型的原理

S WAT模型是由701个方程、1013个中间变量组成的综合模型体系,因此模型可以模拟流域内的

1

2008年第5期水土保持应用技术

*基金项目:国家自然科学基金[50769001],云南省青年学术技术带头人后备人才项目,云南省自然科学基金项目[2006D0028Q],云南省教育厅基金项目[06Y106A]。

多种水文物理过程:水的运动,泥沙的输移,植物的生长以及营养物质的迁移转化等。模型的整个模拟过程可以分为两个部分:子流域模块(产流和坡面汇流部分)和流路演算模块(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输移运动及负荷的演算汇总过程。子流域水文循环过程包括8个模块:水文过程、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物质、杀虫剂和农业管理。S WAT 采用先进的模块化设计思路,水循环的每一个环节对应一个子模块,十分方便模型的扩展和应用。根据研究目的,模型的诸多模块既可以单独运行,也可以组合其中几个模块运行模拟。根据水文循环原理,S WAT 模型水文计算水量平衡基本表达式如下:

W t =W 0+6t

i =1

(R -Q s -E a -W -Q g )(1)

式中:W t 为最终的土壤含水量,mm ;W 0为土壤初始含水量,mm ;t 为时间,d ;R 为第i 天的降水量,mm;Q s 为第i 天的地表径流,mm ;E a 为第i 天的蒸发量,mm;W 为第i 天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量,mm ;Q g 为第i 天的垂向地下水出流量,mm 。2.2 S WAT 模型的特点

水分运动、泥沙输送、作物生长和营养成分循环等物理过程直接反映在模型中。模型不但可以应用到缺乏流量等观测数据的流域,而且可以用于对象管理措施、气象条件、植被覆盖的变化对水质等影响的定量评价。

尽管S WAT 模型可以用来模拟像细菌传播等一些特殊的复杂过程,模型计算所需的数据通常都是可以从政府部门得到的常规观测数据。

目前利用S WAT 模型进行过研究的流域面积最大为491700km 2

,最小到0.395k m 2

,可见模型的适用性非常强

[6]

。即使是非常大的流域或是一系

列管理方案的组合,运行计算也不需要额外的时间和投资。

连续时间模型,可模拟长期影响。如可连续模拟几十年污染物的积累及对下游水体的影响评价。

模型将流域划分为多个子流域进行模拟。与集总式水文模型相比较,分布式水文模型在水平方向上将流域划分为多个面积相等的网格单元或依据流域下垫面自然条件的不同划分为面积不等的多个子流域;在垂直方向上将土壤分层,根据流域产汇流特征不同,利用物理和水力学的微分方程求解,提高了

水文模拟的精度,降低了空间差异的影响。

3 S WAT 模型的应用

3.1 径流模拟研究

径流模拟是水文模拟研究中最基本、最重要的一个环节,也是研究其它水文问题的基础。A r nold 和

A llen [7]

在美国伊利诺斯州的3个流域利用实测数据验证了S WAT 模型在模拟地表径流、地下径流、地表水蒸散发、土壤水蒸散发、补偿流、水位标高参数方面的有效性。在密西西比河上游面积为491700km 2

的流域上将地表水补偿流和基流数据与利用S WAT 模型模拟的径流值进行比较,结果表明实测值和模拟值之间的回归系数分别达到0.63和0.65,表明了模型

的适用性。在加拿大[8]、马里兰[9]、西班牙[10]

等地应用S WAT 模型模拟放牧活动、极端湿润年份等因素对水文及土壤湿度的影响,不同程度地验证了其模型的适用性。

2003年刘昌明等[11]

应用S WAT 模型选取黄河源区为典型流域基于DE M 模拟了不同气候和土地覆被条件下的黄河河源区地表径流的变化。杨桂莲、郝芳华等[12]、张雪松[13]、王亚军等[14]、庞靖鹏等[15]

分别在洛河流域、卢氏流域、湟水流域、密云水库潮河子流域等应用S WAT 模型进行中尺度的产流产沙模拟试验,模型结果表明该模型对径流的模拟效果非常好,

对泥沙的模拟效果较好。黄清华,张万昌等[16]

在黑河干流山区利用该模型模拟的1990~2000年月平均径流模拟结果显示,莺落峡站出山径流模型效率系数R 2

达到0.88,相关系数r 2

接近0.91。3.2 非点源模拟与控制

S WAT 模型不仅可以模拟非点源污染迁移转化的过程,且可对非点源污染关键源区进行识别,并建立不同的管理情景来评价不同的最佳管理措施的效果。2000年Saleh 等

[14]

在美国德克萨斯州的Bos -que 流域应用S WAT 模型证实了模型用于畜牧业生产所导致的面源污染的适用性。Bruna Grizzetti [17]

将模型应用于西班牙南部的Guad ia m ar 流域,验证模型的产流产沙和营养物质运移,评估土壤固氮和淋滤损失的能力,结果表明模型模拟流域不同出流点的日流量比较可靠,对产沙、氮和总磷聚集的月模拟符合实际。

孙峰等

[18]

、万超等

[19]

分别在官厅水库流域和

黄河流域下游卢氏流域、潘家口水库流域应用S WAT 模型进行了面源污染负荷计算,验证了模型

2水土保持应用技术 2008年第5期

的适应性。胡连伍等[20]将模型应用于以农业景观为主的亚热带和暖温带过渡性季风气候区域,对水文、泥沙和营养物质进行模拟,计算了氮元素的自净效率,验证了模型在半湿润地区水文、水质方面的适应性。李硕等[21]利用S WAT模型研究兴国县潋水河流域的农业非点源污染,实现了流域模拟的空间离散化和参数化,为非点源污染数据库的建立提供了参考。徐爱兰[22]将S WAT模型运用在太湖平原河网地区典型圩区,预测流域内复杂变化的下垫面条件、土地利用方式及不同管理措施对流域产汇流及非点源污染物质产输出的影响,结果表明S WAT模型可以应用于太湖流域典型圩区的非点源污染模拟。

3.3气候变化对水文响应的影响

S WAT模型可以通过输入日气象数据或通过/天气发生器0根据多年逐月气象资料来模拟逐日气象数据,因此可用于气候变化条件下水文响应的研究。Stonefe lt等[23]的研究表明气候变化的水文效应主要取决于水文气象要素,Stone等[24]应用密苏里河流域的历史数据模拟了CO2浓度提高2倍的情况下的水文响应,结果表明流域入口处的产水量在春夏季节减少10%~20%,在秋冬季节增加;从空间分布上来说,产水量在流域南部减少,在北部增加。

2004年陈军锋,陈秀万等[25]用S WAT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。车骞等[26]利用S WAT模型模拟和预测黄河源区未来水资源的变化。模拟结果显示了S WAT模型能够较好地模拟黄河源区的水资源变化。

3.4S WAT模型数据库的敏感因子分析

M anguerra等[27]发现S WAT模型的河道流量预测变化对亚流域和HRU s的数目具有一定的敏感性。Cotter等[28]2004年发现,DE M分辨率是模型模拟输入数据中最敏感的因子,说明了S WAT模型所用的DE M数据最低分辨率应该在30~300m,最低的土地利用和土壤数据精度应该在300~500m,这样才能确保对径流量、泥沙负荷,硝态氮等较为准确的模拟结果。

2003年郝芳华等[29]应用S WAT模型时,指出不同的亚流域划分对流域径流和泥沙负荷模拟的影响源于地形、土壤、土地利用以及气候特征输入的空间分布不均匀性,当亚流域划分数量达到一定水平时,增加亚流域划分对模型输出结果的影响较小。任希岩等[30]研究了DE M分辨率对流域产流产沙模拟的影响,其结论是DE M分辨率对亚流域的面积或个数的提取影响不大,但对坡度值的提取影响较大,因此,在进行流域产流、产沙模拟时,应进行坡度订正。吴军,张万昌[31-32]采用5种不同分辨率的DE M运用S WAT模型对马道河流域的径流进行模拟结果表明:不同分辨率DE M流域地形分析计算机自动提取得到的最长河道相差较小,但河道总长、坡度等相差较大,进而影响了分布式水文模型径流模拟的效率。

3.5S WAT模型参数率定和模型改进研究

S WAT模型在应用的过程中得到了不断改进,改进后的S WAT模型能针对特定区域的特定过程进行更高精度的模拟。这些改进包括(1)ES WAT (Extended S WAT)是将Qua l2E模型集成到S WAT 模型中,增强了模型的水质模拟功能。(2)S WAT-G是在S WAT99.2的基础上加以改进了渗流和壤中流的计算方法,使模型能够更好地模拟山脚地带的水文过程。(3)S W I M(So il and W ater Integ rated M ode l)是基于S WAT模型的水文模块和MATSALU 模型的营养物质模块开发的,使之在区域尺度上增强了模拟能力。(4)S WATMOD是将S WAT模型和MODFLO W模型的地下水模块相结合,能更客观地模拟地下水过程。(5)目前S WAT模型提供AvS-WAT和A rcS WAT两个版本,A vS WAT是将S WAT 模型集成在A rc V ie w中,A rcS WAT将S WAT模型集成在A rc G I S中,使数据输入、模型调试和结果输出都在可视化界面下完成,加速了模型的界面开发和灵活应用,使模型的操作更加简单[33]。

对于模型参数的率定方法有自动校正和手动校正两种方法,由于污染物的迁移转化途径与流域产流、产沙过程密切相关,所以实际参数校正过程是先满足径流和泥沙校准之后,再对相关的营养物质迁移的参数进行校准。C.H.G reen等[34]在美国德克萨斯州中部的6个小流域(4.0~8.4hm2)上利用S WAT模型内置的自动校正程序与手动校正的结果进行了比较分析,结果表明在自动校正的基础上再一次进行手动校正,会使模型的效率系数大大提高。张东等[35]针对模型在黑河流域和汉江流域的水文模拟时,增加了土壤粒径转换模块和天气发生器(WGEN)数据预处理模块,改进了模型中的WGEN算法、潜在蒸散量模拟算法以及气象参数的空间离散方法,利用扩充和改进后的模型对汉江褒河上游江口流域的降雨-径流过程进行了系统的

3

2008年第5期于峰等:S W AT模型及其应用研究

研究。结果表明,不仅模型的使用效率有明显提高,且改进后模型的效率系数和相关系数也比改进前有较大提高。

4结语

S WAT模型在世界范围内的广泛应用,证实了它作为一个强大的分布式水文模型可以应用在不同地域、不同空间尺度、不同时间步长的多个环境过程中。S WAT模型空间数据输入效率、模拟输出显示和模型运行效率因与GIS集成而大大提高,为非点源污染研究、环境变化条件下水文响应研究和水资源管理等提供了强大的平台,是一个值得大力推广的综合性水文模型。但是随着对S WAT模型的广泛利用,也突现出一些对此模型更高的要求。目前研究过程中,水文响应单元的划分是土壤类型和土地利用类型及坡度的简单叠合,与在流域内的空间位置是没有关系的,这就忽略了各个水文响应单元之间水、沙及营养物质的运移。在最佳管理措施的模拟中,对于过滤带的宽度和边界范围的确定,也需要考虑水文响应单元之间的物质交换以评估过滤带的位置。因此如何将H RU s之间的水流、泥沙运移和营养物质迁移考虑进来就成为模型改进的方向之一。另外,我国与美国采用的土壤、植被的分类体系不同,数据不能直接利用,处理数据任务很重,很多数据精度不够,进而影响了模型预测结果甚至有些地区数据大量缺失,这给S WAT模型的推广带来了很大的阻碍。因此,对S WAT模型本身的进一步完善以及提高模型所需数据的精度和共享程度成为国内应用研究S WAT模型的难题。

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4水土保持应用技术2008年第5期

试验平台

评估流域管理措施的综合效益)水文模型系统

张平1武鹏1杨慧玲2

(1.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100;2.山东农业大学林学院,山东泰安271018)

中图分类号:S157.2文献标志码:B文章编号:1673-5366(2008)05-0005-03

摘要:综合效益-水文模型系统包括农场经济模型、农场主采用行为模型、流域建模模型和评估流域效益管理措施的非市场价值经济模型。用来监测农场成本投入、污染物减少量、水质改善状况以及评估农业保护项目的社会价值。该模型系统不仅增加了经济与物理模型,而且在阐述复杂的环境保护问题时,还融入了标准和行为方面的因子。为政策制定者和项目管理者提供了一个新的模型,从而可更加经济地实现生态环境保护的目标。

关键词:农业保护项目;效益管理措施;性价比;综合效益-水文模型;流域评估;加拿大

如何评价农业保护项目的有效性,一直是人们所关注的

问题。之前大多数模型不仅缺少对农民效益管理措施所采

用的行为描述,而且没有包括在多种政策下与采用行为相关

的效益管理措施的方案;效益管理措施对水质和生态系统服

务功能所起作用的经济评估也没有考虑。从而使得这些综

合模型很难对农业保护项目的效果做出全面系统地评估。

2007年加拿大学者W.Y ang等人在以前研究成果的基础上,

提出了一个综合效益-水文模型系统,包括农场经济模型、

农场主采用行为模型、流域建模模型和非市场价值经济模

型。该模型通过选择7个有代表性小流域(每个流域面积

300h m2)来实施效益管理措施,建立监测站,收集生产者采

用效益管理措施后所引起的水质和社会经济变化的数据而

建立起来的。该模型系统适用于评估在流域中实施效益管

理措施后所带来的经济与环境效益。

1模型概述

将项目区大流域划成5个小流域(用w

n 表示)。其中

w

2

和w

4

都是非点源污染源,污染物最终通过区域的水文网

汇入河流。每个农场的非点源污染物负荷记为n

w f

,其中w

代表小流域,f代表农场。每个农场的经济情况记为0

w f

,代表生产者经营农场每年的净收入。每个小流域河流的水质

和水量分别用w

qw

和q

w

表示。本项研究提出了如下6个代表性问题:

(1)农场实施效益管理措施后,是否能显著地改变农场

污染物的排出?(2)从经济方面来看,农场采用效益管理措

施后,农场主的家庭情况变化状况如何?(3)区域性流域内,

目前农场中有哪些因素对总污染负荷和水质有影响?(4)如

果每个农场都采用预设的效益管理措施,对区域性流域污染

减少量和水质将产生怎样的影响?(5)制定政策时考虑,在

区域性流域尺度上农场对预设的效益管理措施的采用率是

多少?如果采用,总体污染减少水平和水质改善情况如何?

(6)制定和政策相一致并能促进生产者采用效益管理措施的

价格水平后,在区域内因污染减少而带来的社会(包括环境

和人们的健康)和经济效益如何?

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收稿日期:2008-05-09

作者简介:于峰(1982-),女,河南南阳人,硕士研究生,现就读于云南师范大学旅游与地理科学学院,研究方向为流域水资源管理。

(责任编辑戈素芬责任校对筱寒)

5

2008年第5期水土保持应用技术

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