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。     

TRMM在海河流域南系的降水估算精度评价及其对SWAT模型的适用性

准确估算区域降水对水文过程评价和水资源管理意义重大。为评估TRMM 3B42V7降水产品在海河流域南系的估算精度及其在土壤和水评估模型(Soil and Water Assessment Tool,SWAT)中的适用性,利用28个气象站降水观测数据(2007-2016年)和101个雨量站观测数据(2010-2016年)开展研究。研究表明:站点尺度上,3B42V7降水产品对月降水估算的均方根误差小于15 mm,平均误差小于8.5 mm;在湿润季节的估算精度更好。流域尺度上,日降水估算精度较差,相关系数小于0.6。分区尺度上,3B42V7能够很好地捕捉到不同等级降水强度,但对微量降雨有所低估;山区和平原的年降水量均出现高估现象,平原区较为突出;此外,3B42V7能够较好地捕捉到研究区内极端降水的时间和空间分布。分2种情景进行水文模拟,利用月平均流量对模型进行校准和验证,在情景Ⅰ中,验证期模拟结果较好,决定系数在0.56~0.96之间,纳什效率系数在-11.09~0.94之间。TRMM 3B42V7可为海河流域及其类似区域的水资源管理提供参考。     

SWAT模型及其应用

SWAT模型是美国农业部开发的长时段的流域分布式水文模型。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、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。从SWAT模型的原理、结构、应用及评价等方面对该模型作一综合性评述，为我国水文模型的建立提供参考。     

SWAT模型及其应用研究

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。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是一个集成了遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和数字高程模型(DEM)技术的目前国际流行分布式水文模拟工具。介绍了SWAT模型的发展历程、原理及特点,概述了SWAT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SWAT模型今后的应用和改进方向作了初步探讨。     

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。     

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。     

基于SWAT模型的中尺度流域气候变化水文响应研究

基于2002--2004年气象资料,选择一中尺度流域——漳卫南流域,采用SWAT模型的Arc View界面AVS2000构建了分布式水文模型,并以流域现状气象条件为基准,设置了24种不同气候情景,以流域径流量、腾发量（Eτ）和产水量3个SWAT模型输出指标定量分析了气候变化对流域水循环的影响。模拟结果表明气候变化对于流域腾发量（Eτ）、地表经流量和产水量均有显著影响：流域降水量增加,流域腾发量（Et）、径流量和产水量都随之相应增加;流域气温增加,腾发量（Eτ）随之相应增加,但径流量和产水量随气温增加而相应降低。研究结果对于变化环境下的流域水资源管理具有一定的意义。     

基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟

目前普遍使用的基于SWAT(soil and water assessment tool)模型的分布式建模方法仅适用于山地、丘陵等高差较大的地区,对于具有复杂水文结构特点的平原河网区尚无有效的解决方案。该文选择太湖流域湖西区作为研究区,基于SWAT模型探索出一套完整的针对平原河网区的分布式建模方案。该方案采用概化、打断的方式将交叉、环状河网处理成单一的枝状河网,采用按河道分流比例跨子流域调水的方式来还原原始河道的传输过程,采用添加"虚拟水库"的方式来模拟人工圩区内外的水量交换。通过对太湖湖西区2008-2010年的月均径流量进行模拟验证,根据模拟值和观测值计算的荣登桥、胡家圩及宜兴3个水文站的相关系数r和纳什(Nash-Sutcliffe)系数Ens分别为0.94、0.95、0.93和0.84、0.80、0.67,说明了这种建模方法在平原河网区具有较好的适用性。     

基于SWAT模型的TRMM降水数据径流模拟适宜性评价

以辉发河流域为研究区,采用SWAT分布式水文模型,以实测降水数据和TRMM降水产品作为模型输入,在月尺度和日尺度上构建了四种径流模拟情景,并利用SUFI_2算法分析了不同降水输入和时间尺度下模型的参数敏感性、参数不确定性和径流模拟结果。结果表明:(1)TRMM降水产品的误差会改变参数的敏感性排序,尤其是在日尺度上;(2)4种模拟情景P因子的范围为0.58~0.9,R因子的范围为0.47~1.58,模型拟合精度较好。月尺度上TRMM数据的估算误差较小,其更高的空间分辨率可使径流模拟不确定性得到明显改进,而随着时间尺度的变化,TRMM数据在日尺度上的误差增大会导致日径流模拟结果不确定性的增加;(3)在月尺度和日尺度上,采用TRMM数据降水输入模拟径流,其NS和R2系数均达到较好水平,实测降水模拟结果略优于TRMM数据。研究表明,在辉发河流域,TRMM降水产品在径流模拟方面表现出较好的适宜性,是一种较为可靠的降水数据源。     

基于SWAT模型的罗玉沟流域森林植被变化的水文生态响应研究

以甘肃天水罗玉沟流域为研究区,应用分布式水文模型（SWAT）对该流域的径流、泥沙和水质状况进行模拟研究,并重点探讨了降雨和森林植被变化对水文生态响应的影响。结果表明:降雨因子对径流的影响略大于对泥沙的影响;森林植被具有明显的减水减沙生态水文功能,尤其对泥沙的影响更大于对径流的影响。     

基于SWAT模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟

灌区水文过程对于面源污染物的迁移、转化起到了重要的驱动作用。为揭示东北水稻灌区的水文及面源污染过程,该文在多年试验的基础上,运用修正的SWAT模型对其开展了模拟研究。2009-2011年在吉林省前郭灌区针对水稻生育期及冻融期内的灌区水文过程和农田面源污染物迁移、转化过程开展了系统的监测与试验。水稻生育期内,各级排水系统表现出不同的水文过程:末级排水沟中,由田间通过表层渗流进入排水沟的高浓度的水被灌溉退水所稀释,汇流排水沟的槽蓄量则在很大程度上影响了排水过程及污染物的对流和掺混过程。根据水稻灌区水文特性,以汇流排水沟为子流域,分别采用非稳定渗流公式和马斯京根法描述子流域中稻田向排水沟的渗流排水过程以及向子流域出口的排水汇流过程。试验和模拟结果表明:铵氮(NH4+)、硝氮(NO3-)和化学需氧量(COD)的浓度变化主要取决于排水过程,表层渗流和深层渗流过程决定了排水沟中NH4+和NO3-浓度过程,而排水沟中COD浓度还受到灌溉退水的影响。采用溴(Br-)作为示踪剂,通过测定土壤含水率、温度及示踪剂浓度变化,研究了冻结期的水文过程和面源污染物迁移过程,示踪试验结果显示,冻融期土壤中水流运动受到土壤基质势、温度势及重力势的影响,冻土中平衡状态下基质势为土壤温度的函数,土壤中污染物渗出通量与水分渗出通量表现出线性关系。基于水稻灌区下垫面产汇流特性和冻融期土壤对于灌区水文过程以及面源污染物迁移的影响机理,在SWAT模型模块修订的基础上,模拟了东北地区水稻灌区面源污染迁移流失过程,模拟流量、NH4+、NO3-、COD浓度与实测值符合较好,表明改进的模型能够用于东北地区水稻灌区的水文及面源污染过程模拟。     

空间数据对分布式水文模型SWAT流域水文模拟精度的影响

分布式水文模型的模拟精度受空间参数精度的影响.提升空间参数精度能较为精准描述流域空间特征,也会使空间数据量冗增,甚至影响模型运行效率.以分布式水文模型SWAT为例,分析DEM、子流域划分、土地利用、土壤、降水站点等空间数据精度对模型模拟精度的影响.结果表明:1)对不同对象(流量、泥沙、营养元素等)进行模拟时,大多数空间数据分辨率阈值不同,分辨率超出阈值可能降低模型模拟的精度;2)DEM分辨率降低,泥沙和总磷(TP)模拟结果的相对误差明显增加,而流量和硝态氮(NO3-N)模拟结果变化极小;3)DEM分辨率达到一定精度后,进一步提高并不会使地表径流模拟精度得到改善,低分辨率DEM获得的坡度较小,这会降低模型对流量的模拟,模拟的洪峰径流产生滞后现象;4)子流域划分对流域产流模拟影响较小,而对产沙模拟影响较大.子流域和水文响应单元的划分数量对流域上游产沙量影响较大,而对流域出口处泥沙荷载影响较小;5)土地利用和土壤图精度主要通过影响模型中HRU生成的数量而影响模拟结果;6)地表径流模拟上,能够体现对地表径流贡献较大的局地降水事件的分布式的降水数据要比利用气象站点获得的降水数据模拟结果的精度要高.研究结果可以为今后模型开发、利用、改进提供参考,提高模型模拟的精度.     

基于生态位模型的高标准基本农田建设适宜性评价

该研究以生态位理论为基础,以河南省新郑市为研究区域,结合高标准基本农田的建设目标,提出了高标准基本农田生态位的概念,构建了高标准基本农田生态位适宜度评价模型,并在基本农田现实生态位空间与最适宜生态位空间匹配度评判的基础上,将新郑市高标准基本农田划分为4个建设适宜性等级,明确了不同区域高标准基本农田建设的适宜度。同时以区域高标准基本农田生态位最适值作为评判标准,构建了障碍因子诊断模型,分析了各障碍因子的限制程度。研究结果表明:1)新郑市基本具备高标准基本农田建设条件的面积为14 017.72 hm2,占全市耕地面积的25.88%。需稍加整治即可达到基本农田建设条件的区域面积为21 121.15 hm2,占全市耕地面积的38.99%;需全面整治才可达到基本农田建设条件的区域面积为4 559.37 hm2,占全市耕地面积的8.42%;暂不适宜建设的区域面积为14 469.70 hm2,占全市耕地面积的26.71%。2)新郑市耕地整体自然禀赋较好,制约新郑市高标准基本农田建设的主要障碍因子是灌溉保障率和土壤污染指数。3)利用生态位模型进行高标准基本农田建设适宜性评价,丰富了生态位理论在不同领域中的应用,同时也为高标准基本农田建设项目选址及规划方案设计提供了依据。     

基于3S技术的开孔河流域人居环境适宜性评价

该文以开孔河流域为研究区,选择地形地貌、气候、水文、植被、土地利用/土地覆盖等自然生态环境因子,运用3S技术,在1 km×1 km的栅格尺度上,进行投影转换、遥感解译、信息提取与分析,定量定性地反映了开孔河流域人居环境适宜性的空间规模与分布特征。结果表明:1)开孔河流域的人居环境指数介于4.4~83.9之间,人居环境适宜性从研究区中部平原区向西北天山高山区和东南塔克拉玛干沙漠区逐渐递减,研究区内大部分地区的人类生产活动受到自然条件的约束与限制。2)根据适宜性指数的大小整个开孔河流域可分为高适宜区、适宜区、一般适宜区、不适宜区以及最不适宜区5个区域,其面积分别为124、2456、2 526、23 104、46 301 km~2,分别占全研究区面积的0.2%、3.3%、3.4%、31%、62.1%。3)高适宜区、适宜区与一般适宜区的面积总和占整个研究区总面积的6.9%,而研究区总人口的98.8%居住在这6.9%区域内。不适宜区与最不适宜区面积总和占研究区总面积的93.1%,总人口的1.2%分布在这93.1%的区域内。研究结果表明,开孔河流域自然环境极其恶劣,生态环境质量相当脆弱,大部分地区受到自然环境条件的制约。所以在今后的发展规划当中需要结合当地自然环境情况与自然资源承载力,合理的进行城市规划与新农村建设。     

遥感订正作物种植结构数据对提高灌区SWAT模型精度的影响

为确保灌区水文过程与营养物流失过程模拟更接近于真实过程,进一步提高模拟精度,该研究综合考虑作物种植结构空间位置的准确性与作物种植结构数据的精度2个因素,利用GF-1 16 m遥感影像对耕地作物进行分类提取,并对土地利用类型图进行修正,从而分析比较作物种植结构空间位置的订正与作物种植结构数据精度的提高分别对SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型模拟精度的影响。结果表明：作物种植结构空间位置的订正或作物种植结构数据精度的提高均可提高径流和硝态氮模拟效率。经作物种植结构空间位置的订正和数据精度的提高可使得模型在径流模拟中,率定期和验证期决定系数R2分别达到了0.76和0.82,效率系数分别达到了0.69和0.79,相对误差分别降低至3.50%和-0.30%;在硝态氮模拟中,率定期和验证期决定系数R2分别达到了0.70和0.63,效率系数分别达到了0.55和0.53,相对误差分别降低至10.06%和6.42%。综合订正作物种植结构空间位置和提高作物种植结构数据精度可有效提高SWAT模型在灌区的模拟精度。     

基于改进决策树模型的矿区土地复垦适宜性评价

针对矿区传统的土地复垦适宜性评价方法,运用模糊数学的隶属函数法,对决策树的1D3算法加以改进,建立基于改进决策树的矿区土地复垦适宜性评价方法.以平禹二矿为研究区,将改进的评价模型运用到塌陷区土地复垦适宜性评价中,选取7个评价指标作为测试属性,提取100个已确定复垦方向的评价单元作为样本,运用改进的ID3算法,构建研究区土地复垦适宜性评价决策树,然后运用生成的决策树分类规则,对各评价单元按其属性进行分类,最终确定各评价单元的复垦方向,并将分类结果与模糊综合评价方法得到的评价结果进行对比分析.结果表明:基于改进决策树模型的矿区土地复垦适宜性评价方法,不依赖于经验知识,依靠样本的自主学习,制定分类规则,得到的分类结果较为客观合理,而且决策树分类规则确定后,可以直接应用于同一地区的其他待评价区,且分类过程简单明了,便于操作,避免传统评价方法中较为繁琐和复杂的计算过程,提高矿区土地复垦适宜性评价的效率,为矿区土地复垦适宜性评价工作提供一种新的思路.     

SWAT模型在黄土丘陵区燕沟流域的应用研究

SWAT是基于物理机制的分布式水文模型,能够准确地模拟及预测不同下垫面的径流量。应用SWAT模型对黄土丘陵区燕沟流域2002—2008年逐月径流量进行了模拟。结果表明,模拟率定期和验证期的Nash—Sutticliffe效率系数分别为0.76和0.81,相关系数r2分别为0.79和0.80。模型模拟精度高于评价标准(模拟效率Ens>0.5,r2>0.6),说明SWAT模型适用于黄土丘陵区小流域,模拟效果很好,可以用来监测预报黄土丘陵区的汛情,具有很强的实用性。