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。     

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。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。     

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。     

基于SWAT模型的湟水流域径流模拟与评价

以青海省湟水流域民和水文站以上流域为研究区,在GIS技术支持下,运用分布式水文模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）进行了湟水流域天然径流的产流模拟,通过选用湟水流域1980～1997年相应的水文气象资料作为SWAT模型的输入数据,选用1980～1987年湟水流域出口民和站的年、月平均天然流量进行模型的参数率定,1989～1997年民和站的年、月平均天然流量进行模型的验证,采用了相对误差（RE）、相关系数（R2）以及Nash-Suttclife模拟系数（Ens）作为模型适用性的评价系数,结果表明SWAT模型对湟水流域长期天然径流变化过程模拟结果良好,较好地反映了湟水流域水资源的变化过程,为研究湟水流域的水资源提供了模型支持。     

灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时空分布量化分析

作物生产水足迹度量作物生产过程对不同类型水资源的消耗,为实现农业水资源管理与评价提供了更全面的新视角.该研究通过耦合土壤水分动态平衡模块,考虑输配水损失,构建灌区蓝、绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度分布式量化模型;以宝鸡峡灌区为例,定量评价不同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律.结果表明:宝鸡峡灌...     

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。     

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。     

基于排队理论的灌区渠系地表水及地下水优化配置模型

地表水和地下水联合运用于农业灌溉是中国大部分灌区主要采用的灌溉形式,但目前的优化模型对地下水的运用情况过于简化,常采用定值作为优化模型的参数,所以不能真实反映地下水随时间对灌溉面积的影响。该文基于排队理论,研究分析了地下水灌溉的农田面积随等待地表水灌溉的历时的影响,并建立灌区渠系优化配水模型,以灌水历时最短为目标,根据渠首引水、渠系供水、作物用水等方面的用水关系建立约束条件。通过河北石津灌区的实际应用,说明模型方法的可行性,并提出该灌区5条主要干渠的合理优化配水方案。结果显示最优的灌溉历时为25.6 d;干渠B1的灌水周期贯穿了大部分灌水周期,是影响整个系统灌溉效率的关键渠道;子区C5分配的地下水资源较多,该子区的地下水灌溉面积占到了43%。该模型可更加真实地反映用于灌溉的地下水水量随时间变化的不确定性,能够为中国大部分地区建立地表水和地下水联合灌溉优化模型提供方法上的借鉴。     

基于改进SWAT模型的多水源灌区节水潜力尺度效应

灌溉节水潜力是指导和评价灌区节水改造的重要参数,其分析需要考虑尺度效应.该研究以湖北漳河灌区杨树垱流域为背景,采用改进SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型构建灌区分布式水文模型,并利用实测径流、蒸发蒸腾量及灌溉用水量校正及验证模型.以子流域嵌套方式将研究区划分为6个尺度,基于现状...     

耦合地下水模拟的渠井灌区水资源时空优化配置

为控制渠井灌区地下水位,合理确定地表水和地下水的分配方案,构建水资源时空优化与地下水数值模拟耦合的模型体系。以灌区缺水量最小、时段缺水率均衡和渠系单元缺水均衡为原则建立灌区地表水地下水联合利用的时间和空间优化模型,分别采用人工鱼群算法和粒子群算法求解,以优化的地表水供水量和地下水开采量为耦合变量,作为地下水模拟模型的输入,以丰、平、枯水年地下水位变幅之和最小为模拟目标,获得不同水文年地表水地下水的时空优化配置方案。泾惠渠灌区优化结果表明,丰水年和平水年不缺水,枯水年在2020年和2030年灌溉缺水分别为4 489万m3和3 941万m3,主要分布在12月、3月、6月、7月、8月。2020年丰、平、枯水年灌区平均地下水位变幅分别为0.49、0.06、-0.42 m,2030年丰、平、枯水年灌区平均地下水位变幅分别为0.21、-0.08、-0.26 m,基本上实现多年采补平衡。耦合地下水模拟的水资源时空优化配置方法,是渠井灌区实现水资源合理利用和生态健康的有效途径。     

引黄灌区水资源联合利用耦合模型

随着引黄水量日益减少,如何有效利用有限的地表水和地下水,成为内蒙河套灌区亟待解决的问题。该文以引黄水量最小和地下水开采量最大为目标,以控制各用水区地下水位在适宜范围作为约束条件,通过动态耦合地下水模拟模型与地表地下水联合利用优化模型,建立了灌区水资源联合利用耦合模型,最后应用此耦合模型对灌区2020和2030年的引黄水和地下水进行了优化分配。结果表明：通过合理调整产业结构和有效利用地表地下水,灌区2020和2030年的引黄水量分别为39.15、38.54亿m3/a,可以达到国家规定的40亿m3/a指标。研究成果可为黄河流域乃至全国其它干旱灌区的水资源高效利用、盐碱化防治等方面提供借鉴和参考。     

考虑生态的灌区水资源区间两阶段随机规划模型建立与应用

在传统农业水资源优化配置研究中,往往因经济效益忽视了农业水资源复合生态系统中生态子系统对其他子系统有较大的影响。因此,该文以建三江地区为研究对象,通过概率分布函数和离散区间数的结合,构建区间二阶段随机规划模型,以解决农业水资源优化配置过程中农作物水量配置、生态需水、水质污染治理补偿、来水不确定、经济效益等问题。以2011年建三江地区作物的种植灌溉情况和农用化肥使用情况进行研究分析,得到生态子系统中在来水水平分别为低、中、高时地表水水质治理成本分别为[1 400.24×10~6,2 372.42×10~6]元、[1 033.44×10~6,1 850.26×10~6]元、[526.84×10~6,1 437.95×10~6]元,地下水分别为[253.07×10~6,501.71×10~6]元、[174.13×10~6,308.27×10~6]元、[57.62×10~6,138.54×10~6]元。该模型量化分析农业水资源复合生态系统中影响因素,为决策者提供了合理的决策区间,有效平衡农业水资源子系统与生态子系统之间的关系,为农业水资源合理配置提供了科学的依据。     

SWAT模拟耕作方式与盐分对区域土壤氮运移及作物产量影响

耕作方式与土壤盐渍化是影响河套灌区氮素流失及作物产量的重要因素。明确不同耕作方式与盐渍化水平下硝态氮运移量及作物产量的变化,可为制定合理的灌区耕作措施及盐渍化治理方案提供理论依据,对于揭示灌区氮素流失控制及不同作物增产潜力具有重要意义。该研究基于验证后的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型,以河套灌区2种主要土壤类型为研究对象,设置不耕作（指不添加耕作管理,CK）、免耕（T1）、少耕（T2）、常规春耕（T3）和模板犁（T4）5种耕作处理,非盐化土（S1）、轻度（S2）、中度（S3）、重度（S4）4种盐分水平,研究耕作方式与土壤盐分对灌区产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量及运移量、作物产量的影响。结果表明：耕作方式与土壤盐分对区域总产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量、硝态氮运移及作物产量均有显著影响（P<0.05）。其中,区域产水量、硝态氮淋溶量、不同水文路径（地表、侧向和地下径流）硝态氮运移量及小麦产量均随耕作混合深度与混合效率的增加逐渐减少;作物吸氮量、玉米与葵花产量均随耕作混合深度与混合效率的增加逐渐增加。与CK相比,模板犁耕作作物吸氮量平均增加11.78%,硝态氮淋溶量平均减少16.5%,有效降低了土壤养分流失和地下水污染。增加土壤盐分通过降低土壤层有效持水量,显著增加了区域总产水量、硝态氮淋溶量（草甸盐土除外）及硝态氮地下运移量,减少了作物吸氮量和作物产量。与非盐化土相比,重度盐化土处理小麦、玉米、葵花产量平均显著减少19.15%、27.31%、26%（P<0.05）。增加土壤盐分相比转变耕作方式更能影响区域产水量、土壤养分和作物产量。因此,为更好解决灌区污染严重和作物产量下降等问题,仍需将区域土壤盐渍化防控与治理放在首要位置。