SWAT模型研究应用进展

利用数学模型来分析非点源污染空间分布是评估非点源污染控制中特定管理措施和管理情景效果的重要工具，也是研究环境变化条件下水资源管理问题的重要手段。20世纪70年代以来，随着人们对非点源污染的重视。产生了很多优秀的非点源模型，SWAT（Soil and Water Assessment Tool）就是其中之一。SWAT模型具有综合、分布、基于物理机制并且与GIS集成的特征，具备准确模拟流域水文状况的能力。并已在水资源和环境领域中得到广泛的承认和普及。介绍了SWAT模型的特点和主要应用，对其在非点源污染模拟和控制、环境变化对水文响应的影响、洪水短期预报等领域的最新进展进行了评述，并对我国在应用SWAT模型方面的发展方向进行了初步探讨。     

SWAT模型及其在水环境非点源污染中的应用研究进展

非点源污染是水环境污染的主要来源之一,其过程机理复杂,应用水环境污染模型模拟是研究非点源污染的重要手段.SWAT模型是国际上著名的分布式流域水环境模型之一,结合了遥感(RS)、地理信息系统((GIS)技术,能够准确、长时间段连续地模拟复杂流域的各种水环境过程以及气候变化、土地利用类型、管理措施对流域水平衡和非点源污染的影响,为监测、评价、研究流域水环境非点源污染状况提供了强大的支持平台.在大量调研国内外相关文献的基础上,围绕模型的主要标志性改进及应用成果介绍了SWAT模型的发展历程和现状,论述了模型应用于水环境非点源污染研究的几个主要方面和国内外研究新进展,分析了目前国内应用SWAT模型进行水环境非点源污染研究存在的问题,并对SWAT非点源污染子模型的发展趋势做了展望,以推广这一先进模型在国内的应用范围,提高非点源污染模拟、监测、评价工作的效率及结果的可靠性.     

SWAT模型研究及应用进展

SWAT模型因“3S”技术的成熟得到了飞速的发展和应用,是目前研究水文和面源污染等问题的一个有效工具。本文简介了SWAT模型的发展与特征,概述了SWAT模型目前在国内外的研究现状,并对SWAT模型今后的发展提出了建议,为模型的进一步完善和发展提供基础。SWAT模型在面源污染和水文过程模拟中都取得了不俗的成果,并逐渐成为水文和水质研究的主要手段。模型的数据获取、研究尺度和不能精确地反映污染物质在各种景观中的迁移过程是模型所存在的缺陷,需要进一步研究与完善。     

SWAT模型在陕西黑河流域非点源污染模拟中的应用

SWAT模型是最具有活力的非点源污染模型之一,能够与GIS结合模拟复杂大流域不同土地利用条件下的非点源污染情况.本研究在建立流域非点源污染研究基础数据库的基础上,根据实测资料的完整性,运用GIS与分布式参数机理模型SWAT 2000版本的集成,利用1991-1996年的实测水量、泥沙和营养负荷数据进行参数率定,应用1997-1998年的实测数据进行模型验证,从而确定SWAT模型在黑河流域非点源污染模拟中的适用性和可靠性,可为流域非点源污染负荷的估算提供可靠的模型基础.     

基于SWAT模型的三峡库区大流域不同土地利用情景对非点源污染的影响研究

非点源污染对三峡库区流域的水环境污染起到主导作用。本文将SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型应用于库区大尺度流域的污染模拟研究中,以2005年土地利用现状为基准设定了6种土地利用情景,定量分析了不同土地利用措施对非点源污染的控制效果。首先采用三峡库区流域2002—2008年的水文、水质实测数据对建立的SWAT模型进行率定与验证,径流、泥沙、营养盐的评价指标ENS均达到令人满意的效果,表明SWAT模型应用于三峡库区流域是可行的。不同土地利用情景的非点源影响模拟结果表明,通过退耕还林措施将25°、15°、6°以上的耕地转化为林地可达到较好的非点源污染消减效果,考虑库区地处贫困山区,25°以上耕地退耕还林更为经济、可行;相同区域的草地转化为林地所产生的非点源污染要远远小于转化为耕地而产生的污染物,因此应严格控制自然植被退化为耕地的现象发生,否则会严重加剧库区污染状况;库区扩大林地范围的方案要有计划性、针对性,可在减少坡耕地的基础上进行,该措施能最大限度地减少库区非点源污染。本研究所得结论为政府科学合理的制定三峡库区流域非点源污染控制方案提供了重要科技支撑。     

基于SWAT模型的图们江流域氮磷营养物非点源污染研究

运用数学模型模拟非点源污染物的空间分布及其输移转化机制,是当前农业非点源污染研究中的重要手段和途径之一。流域尺度长时段分布式水文模型SWAT（soil and water assessment tool）应用于我国南方许多流域的非点源污染模拟上都取得了较好的结果。利用SWAT模型建立了东北图们江流域非点源污染数据库,对该流域（中国一侧）划分为5个小流域46个水文单元,分别进行了水文模拟、降雨径流和土壤侵蚀量计算。结果表明,图们江流域农业非点源污染主要的发生区在流域中部,海兰河和布尔哈通河交界的区域内。该区内有机氮和有机磷的非点源污染负荷明显高于其他地区,推测认为该区域为延边州首府延吉市所在地,城市建设和经济发展带来了繁荣,也造成了局部地区的植被破坏、土地裸露,水保能力下降,因此水土流失现象比较严重。另外,通过分析流域内有机氮和有机磷的时空变化特征发现,2007年延吉、龙井地区为氮磷营养物非点源污染最大发生区（有机氮9.76t.a-1,有机磷1.24t.a-1）,而2008年除延吉、龙井地区外,珲春地区有机氮和有机磷非点源污染均有加重的趋势（分别由1.39t.a-1上升到3.82t.a-1,0.17t.a-1上升到0.48t.a-1）;氮磷营养物的空间分布特征表明,2007年与2008年除了延吉、龙井一带为最大发生区外,珲春地区有机氮流失有所加重（从1.39t.a-1上升到3.81t.a-1）,有机磷流失也有所加重（0.17t.a-1上升到0.48t.a-1）,而安图等地区则有所减轻。     

蒲河流域氮污染负荷模拟及时空分布

目前世界上许多国家仍面临严重的非点源污染问题,其中氮素污染负荷仍是水资源研究与环境治理方面的重点问题。利用SWAT模型,结合地形地貌、土地利用、气候条件等因素对氮污染负荷进行模拟及时空分布研究,对非点源污染治理具有重要意义。在辽宁省沈阳市蒲河流域基础资料搜集基础上,应用GIS结合SWAT构建模拟研究数据库,根据蒲河水系分布将流域划分为23个小流域215个水文响应单元,分别对氮素形态、氮污染负荷贡献率、氮污染关键区以及流域氮污染的时空分布等进行模拟研究。结果表明:1)氮以有机氮、NH4+-N、NO3--N、NO2--N的形式存在于水体中,NO3--N含量最高。2)时间上,TN量在年内各月呈波动变化,且TN流失具有明显滞后性。3)空间上,流域有机氮和NO3--N整体呈现由东北向西南扩散,上游及中游地区含氮量高于下游地区,1号子流域为氮素污染关键区,3、9、10号为次要关键区,TN贡献区主要集中在流域出口至马家窝棚水域。     

SWAT模型之初步探讨

由美国农业部农业研究中心（USDA-ARS）研发的分布式水文模型:水土评估工具（SWAT）,具有强大的物理机制。近年来,它被认为是最适合模拟在不同土壤、土地利用和管理大流域中,长期土地管理对于水、土沙、营养物质及农业化学物质的影响。介绍SWAT模型的原理及基础数据库之建立,并搜集SWAT模型应用研究之文献（1999-2008年）,以统计分析SWAT模型目前的研究现况,作为日后应用SWAT模型进行相关研究之参考。     

基于SWAT模型的北京沙河水库流域非点源污染模拟

该文应用分布式水文模型SWAT,以北京昌平沙河水库流域为典型区开展研究,通过对流域非点源污染的调查、监测和模拟,定量计算和分析了非点源污染时空分布规律。结果表明：该模型在研究区适用性较好（月径流率定期R2=0.85,Nash-Sutcliffe效率系数为0.64;验证期R2=0.77,Nash-Sutcliffe效率系数为0.60）,非点源污染占污染负荷总量的30～50%,汛期集中了全年泥沙、总磷流失量的70%和总氮流失量的50%,南沙河子流域是污染负荷的关键区。通过研究不同水文条件、土地利用和管理措施对流域非点源污染的影响,得出结论：非点源污染负荷贡献率随降雨量增加而增加,其偏枯水年贡献率为27.4%,平水年36.7%,丰水年52.3%。若全部排污口实施达标排放、流域内全部农田改为林地,径流量、氮磷负荷量均会减少40%～50%;若实施化肥施用量减半,氮磷负荷可降低20%左右。氮元素不同土地利用单位面积负荷由高到低依次为：果园＞农田＞草地＞林地＞城镇用地,研究成果将为流域水资源保护规划提供科学依据。     

基于SWAT模型的石汶河流域农业非点源氮污染时空分布特征研究

农业非点源污染是影响水资源质量的重要原因之一。基于SWAT模型,结合野外实地调查,选取总氮作为污染物指标,构建了黄前水库上游石汶河流域农业非点源污染基础数据库,并根据实测值对模型参数进行了率定和验证,在确定模型适用性的基础上分析了流域内农业非点源污染负荷的时空分布特征,并基于对山区实施的退耕还林还草措施,采用3种退耕情景对黄前水库上游石汶河流域的农业非点源污染进行了情景模拟计算。结果表明:①经过参数率定后的SWAT模型对研究区径流和总氮的模拟效果较好;②典型农业非点源污染物负荷在时间分布上多集中在雨季4—9月份,流域汛期集中了全年80%以上的污染负荷,在空间分布上表现出明显的区域性,流域中上游产生的负荷较小,下游较大,靠近流域主河道区域的污染负荷高于远离主河道区域;③3种退耕情景均可消减农业非点源污染物(以氮的输出为标准)的输出总量,最高可消减近50%,因此在流域内实施一定强度的退耕还林措施可有效降低典型农业非点源污染物的输出量。     

水环境非点源污染模型的研究进展和展望

随着非点源污染负荷在水体污染中所占比例的增加,非点源污染的定量化研究越来越受到全球的关注。本文介绍了几个广泛应用的经典的非点源污染模型:SWMM、STORM、HSPF、AGNPS、AnnAGNPS、ANSWERS、ANSWERS-Continuous、SWAT。针对非点源污染模型研究中存在的问题,讨论了非点源污染模型未来的研究方向和发展趋势。     

基于SWAT模型的大宁河流域非点源污染空间特性研究

以三峡库区大宁河流域为研究区域,应用SWAT模型进行了流域农业非点源污染负荷的模拟计算。利用巫溪水文站2000-2004年的实测日径流和泥沙数据进行了模型的率定与验证。验证结果表明,SWAT模型适用于大宁河流域。利用验证后的模型分析了大宁河流域2003年的非点源污染空间分布特征,结果发现,大宁河流域西部地区是土壤侵蚀发生相对严重的地区,有机氮产小的地区和高泥沙量产出的地区大致相同。总体上,大宁河流域非点源污染的产生量西部高于东部,南部高于北部,中部地区最小。针对SWAT模型的空间分析结果提出了该区非点源污染的防治措施。     

基于SWAT模型的小流域非点源氮磷迁移规律研究

非点源污染是影响农业水土环境的重要因素。在GIS平台的支持下,运用SWAT模型,以长江下游岔河小流域为研究对象,分析了氮磷流失时空分布规律,并模拟不同灌溉方式下非点源氮磷流失变化。结果表明:率定后的模型适用于小流域非点源污染的模拟;降雨量与径流及有机氮磷流失具有明显的相关关系,汛期(6-9月)的径流量占全年径流量的56.40%,有机氮磷流失量分别占到64.89%和59.70%;在空间尺度上,有机氮与有机磷负荷空间分布相似,呈现出随地表径流向岔河主河道逐渐汇聚的分布特征,大豆和水稻田是非点源污染的主要贡献地区;通过情景模拟发现,不同灌溉方式对小流域氮磷流失影响显著,对水稻田实行优化灌溉,采取浅灌高蓄的控制方法,可以有效改善小流域农业水土环境。     

三峡库区大宁河流域AnnAGNPS模型参数评价

AnnAGNPS是一个基于连续事件、流域尺度的分布式农业非点源污染模型,用来模拟流域地表径流、泥沙与化学物质迁移,进而评价流域内农业管理措施对流域水文和水质的响应。构建完善的数据库是模型合理应用的前提条件,以位于长江三峡库区的大宁河沟流域为例,应用3S(GIS,RS和GPS)技术,结合实地调查,建立了AnnAGNPS模型数据库,评价了气候、地形、土壤、土地利用和作物等相关参数的确定,重点分析了模拟单元划分、土地利用数据库和土壤相关参数等因子,为大宁河流域侵蚀产沙和农业非点源污染模拟研究提供了基础数据平台,也为该模型在长江三峡库区的合理应用奠定了科学基础。     

黑河水库非点源污染时空分布研究

[目的]对黑河水库上游流域进行非点源污染模拟与分析,为水库水环境质量改善提供科学支撑。[方法]采用非点源污染—SWAT模型对流域内水文站2002—2008年的实测降雨、逐月径流以及泥沙及水质数据进行率定与验证,并对流域的非点源污染进行分析。[结果](1)非点源污染的产出主要集中在汛期(6—10月)且与降雨成正相关关系;(2)流域内降雨量分布从南向北、从山区向平原递减,径流深与降雨量成正相关,泥沙、非点源负荷的空间分布与降雨量相反;(3)不同土地利用类型单位面积的非点源污染产出不同,耕地最大,草地次之,林地最小;(4)面积耕地减少,污染负荷显著减少,耕地转换为林地的效果优于耕地转换为灌木林,退耕还林还草可有效减少流域内非点源污染负荷。[结论]黑河水库非点源污染主要发生在下游汛期6—10月,退耕还林、减少施肥可有效控制区域非点源污染。     

BMPs在千岛湖流域农业非点源污染控制中的应用

农业非点源污染是最主要的一类非点源污染,也是成为构成目前水质环境恶化的一大威胁。通过对千岛湖流域农业非点源污染现状进行调查,指出非点源污染已成为千岛湖流域重要的污染来源。最佳管理措施(BMPs)通过工程措施、耕种措施和管理措施共同作用控制农业非点源污染,可以取得良好的经济环境效益。根据千岛湖流域农业非点源污染特点,针对性地提出各类非点源污染控制的最佳管理措施。     

SWAT模型在黄河上游宁蒙河段的应用研究

了解各地的水资源状况是加强水资源开发利用和管理的基础,水文模拟是了解水资源状况的一种快捷方式。SWAT由美国农业部农业研究中心研制开发,是基于过程的物理机制分布式流域水文模型,可模拟径流、泥沙等水文过程。利用SWAT模型,对黄河上游宁蒙河段2001-2010年间的年径流量进行模拟,并与水文实测值相比较,结果极为接近,且比较简单实用,可为有关流域河段的水资源的开发利用和管理提供技术支持。介绍了模拟理论与方法。     

SWAT模型应用与不确定性综述

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是对大尺度复杂流域进行长时期水文模拟的重要工具,在水文循环、土壤侵蚀、污染物负荷、气候变化与土地利用变化的影响等方面得到广泛应用。SWAT模型在国内外流域模拟中取得良好的模拟效果,但不确定性问题普遍存在。从模型使用者的视角,针对输入数据的准备、子流域划分和输入数据尺度转换、模型参数校准3个SWAT模型应用的重要步骤,讨论了其主要不确定性来源。模型输入数据精度不足以准确反映其空间差异,模拟单元划分粗略导致输入数据向模拟单元尺度转换时参数集总程度过高,模型参数校准过程中观测数据和评价指标的不合理选择以及异参同效现象。对此,总结提出了降低不确定性、提高模拟精度的主要措施:提高输入数据的分辨率和模拟单元划分精度至理想阈值,对模型的关键参数和部分计算方法进行本地化,采用多重评价指标、自动校准与人工校准相结合以及多要素、多站点的参数校准方法。把握模型应用主要步骤中可能的不确定性来源,并结合具体研究区特征和研究目标采取相应的措施降低不确定性,是提高SWAT模型模拟结果可信度的必要途径。     

未来气候情境下渭河流域陕西段非点源污染负荷响应

[目的]在全球气候变暖的背景下,探讨气候条件变化对渭河流域陕西段非点源污染负荷的影响,旨在为流域综合治理措施提供依据,从而缓解气候变化对水环境的不利影响。[方法]基于非点源污染分布式模拟模型(SWAT模型),分别对2020,2030和2050年气温和降雨等气候因子变化下渭河流域陕西段径流及非点源污染负荷进行模拟,探讨了气候变化对该流域径流及水体中氮、磷年均负荷的影响。[结果](1)气候变化对流域径流量影响较大。随着未来气温升高降雨增加的共同作用下,径流量增加;到2050年,在平均气温增加2.2℃,降雨量增加7%的情况下,渭河陕西段径流量将增加11.9%。(2)在未来气候变化的影响下,流域年均总氮负荷增加20.9%;总磷负荷增加13.3%。[结论]未来气温升高和降雨增多的气候变化共同作用下,河道径流量增加,总氮、总磷负荷增多,农业非点源污染问题越来越突出。     

概率配点法在流域非点源污染不确定性分析中的应用

农业非点源污染的形势十分严峻,流域水环境模型虽能为非点源污染管理提供决策支撑,但显著的不确定性制约着模型的应用效果。系统的不确定性分析十分重要,而传统的基于Monte Carlo模拟的不确定性分析方法存在着计算成本高昂的缺点。因此,尝试将概率配点法（Probabilistic Collocation Method）应用于流域非点源污染的不确定性分析。研究以美国Newport Bay流域的二嗪磷农药非点源污染为案例,利用WARMF模型进行污染模拟。结果表明,在许多情况下,概率配点法可以通过很小的计算成本获得与传统Monte Carlo模拟方法相近的不确定性分析结果,体现出该方法在非点源污染研究中应用的优势。此外,还揭示了管理因素对于非点源污染模拟及其不确定性分析的影响作用。