國內SWAT模型在流域氣候變化及LUCC水文效應研究的進展

摘要隨著全球環境的惡化，各研究領域都開始關注環境變化給人類所帶來的影響。而氣候變化及土地利用/土地覆被變化 (LUCC)對流域內水文過程的影響程度比較，業已成為水文學研究最前沿的領域。本文介紹了SWAT模型的發展歷程及特點，總結了目前我國學者在氣候變化及LUCC對水文過程的影響的研究現狀。

中圖分類號：P331 文獻標識碼：A

Research Progress of SWAT Model in Climate Change and

Hydrological Effects of LUCC

XIANG Zheng， TANG Min

（Geography and Environmental Science Department， Guizhou Normal University， Guiyang， Guizhou 550001）

AbstractWith the climatic change， an increase in number of fields begins to focus on the impact of climatic change. Therefore， it also becomes to hotspot in hydrology that basin hydrological effects about Climatic Change and LUCC. This paper had introduced development history and characteristic about SWAT model and summarized the status of this problem.

Key wordsSWAT; climatic change; LUCC; hydrological effects

1 SWAT模型的產生、發展及優點

1.1 SWAT模型的產生

SWAT（Soil and Water Assessment Too1）模型是目前應用較多，發展比較迅速的分布式水文模型，它的前身是SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型。而SWRRB模型則是在20世紀70年代美國農業部農業研究中心開發的CREAMS(Chemicals， Runoff， and Erosion from Agricultural Management Systems)模型基礎上發展起來的。此時的SWRRB模型僅僅能夠簡單的模擬土地利用對田間水分、泥沙、農業化學物質流失影響，只是一個具有物理機制的田間尺度非點源污染模型。20世紀80年代后期，SWRRB模型引進了GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)模型的殺蟲劑部分，該模型可以描述地下水中化學物質、農藥對農業生態系統影響，解決了SWRRB模型的水質評價問題。同時，又引進了作物生長模型EPIC(Erosion- Productivity Impact Calculator)，加強了研究土壤侵蝕對作物生產力影響的能力。至此，SWRRB模型已逐漸完善成為一個可評價復雜農業管理措施下的小流域尺度非點源污染的模型，該模型可以把流域分為10個子流域，增加了氣象發生器模塊，對徑流過程考慮更加詳細。

1.2 SWAT模型的發展歷程

SWAT模型自20世紀90年代推出以來，不斷的完善升級，之后連續推出了94.2版、96.2版、98.1版、99.2版，并于2001年7月發布了SWAT2000版本，之后又升級至2003版本，2005版，目前發布的最新版本為ArcSWAT2009版。

SWAT94.2：引入多水文響應單元（Multy Hydrologic Response Units）。水文響應單元的引入讓更多的空間物理特性得到考慮，使模型能夠反映不同土地利用和土壤類型的蒸發、產流、入滲等水文過程，從而提高了產出預測的精度。

SWAT96.2：在管理措施中增加了自動施肥和自動灌溉；增加了植物冠層截留；在作物生長模型中引進了CO2部分用來分析氣候變化的影響；增加了Penman-Monteith潛在蒸騰方程式；增加了基于動力波的土壤中側向流動的計算模塊；增加了河道中營養成分的水質方程以及對殺蟲劑遷移的模擬。

SWAT98.1：改進了融雪模塊、河道中水質計算模塊；擴展了營養成分循環模塊；在管理措施中增加了放牧、施肥等選項；模型得以改進為適用于南半球。

SWAT99.2：修改了營養成分、水稻及濕地模塊。年份表示由二位改為四位。增加了由于沉淀作用引起的水庫、池塘、濕地中養分減少的計算；增加了城區污染物的累積和沖刷計算。

SWAT2000：增加了細菌遷移模塊，Green-Ampt入滲模塊，馬斯京根法匯流計算；改進了天氣生成器；允許太陽輻射、相對濕度、風速、潛在的ET值等直接讀入或生成；改進了高程處理過程，為適用于熱帶地區對休眠部分的計算進行了修改。

AVSWAT2000：將SWAT2000作為一個擴展模塊結合到ArcView GIS中，具備了很強的空間分析與處理功能。

AVSWAT2005：集成了敏感性分析和自動校準與不確定性分析模塊。并且增加了日以下步長的降水量生成器和允許用戶定義天氣預測期。前者為SWAT模型的短期預報打下了基礎；后者允許用戶在模擬降水時，預測期之前降水采用多年平均值而預測期降水采用預測期平均值來模擬，這種改進對評價流域內預測天氣的影響非常有用，如預測近期暴雨的影響可以提早對水庫進行合理的調控。

1.3 SWAT模型的原理及特點

SWAT模型是由701個方程、1013個中間變量組成的綜合模型體系，可以模擬流域內的各種水文過程。子流域水文循環過程包括8個模塊:水文過程、氣象、泥沙、土壤溫度、作物生長、營養物質、殺蟲劑和農業管理。各模塊可單獨運行，也可幾個模塊組合運行。其原理圖如圖1。

圖1SWAT模型原理圖

SWAT模型基于物理機制，可對直接將水分運動、泥沙輸送、作物生長和營養成分循環等物理過程反映在模型中。模型不但可以應用到缺乏流量等觀測數據的流域，而且可以用于對象管理措施、氣象條件、植被覆蓋的變化對水質等影響的定量評價；盡管SWAT模型可以用來模擬像細菌傳播等一些特殊的復雜過程，但模型計算所需的數據通常都是可以從政府部門得到的常規觀測數據；模型的適用性非常強，目前利用過SWAT模型進行研究的流域面積最大為49.17萬km2，最小也可以到0.395km2，即使是非常大的流域或者是一系列管理方案的組合，運行計算也不需要額外的時間和投資。此外，SWAT模型是連續時間模型，可以進行連續時間序列的模擬。例如研究污染物的積累及對下游水體的影響評價，往往需要對幾十年的情況進行連續模擬。與集總式水文模型相比較，SWAT模型作為一種分布式水文模型，可以在水平方向上將流域劃分為多個面積相等的網格單元或依據流域下墊面自然條件的不同劃分為面積不等的多個子流域。并且在垂直方向上將土壤分層，根據流域產匯流特征不同，利用物理和水力學的微分方程求解，提高了水文模擬的精度，降低了空間差異的影響。

2 SWAT模型在流域氣候變化及LUCC水文效應研究中的應用

我國的學者對流域氣候變化及LUCC水文效應研究方法大致可分為三種。一是依據多年的氣象、水文、土地利用圖等數據，模擬研究區域的徑流量，找出氣候變化與LUCC對徑流量變化的貢獻率，對未來的徑流進行預測。

胡宏昌、王根緒等通過渭河北道水文站以上流域及其臨近區域的21個站點1960~2000年的氣象數據，以及北道水文站1960~2000年的水文資料，并通過1986年、2000年研究區域的遙感TM數據，深入研究了渭河北道水文站以上流域影響徑流變化的主要因素。通過其研究發現，40年來渭河流域降水量和產流量持續下降，20世紀90年代年均降水量比80年代減少了14．86%，年均徑流量減少更為明顯，年均徑流深減少了42.4%。此外氣候波動對年均流量變化的貢獻率約為85%，LUCC對年均流量變化的貢獻率約為15%；非汛期流量的變化，氣候波動的影響約為70%，LUCC的影響約為30%。

劉吉峰、霍世青利用對青海湖布哈河流域過去幾十年徑流變化進行了模擬研究，并在此基礎上，根據未來不同氣候情景的變化趨勢，對布哈河徑流變化進行了預測。他們認為，對于青海布哈河流域而言，氣候仍然是徑流變化的主導因素，在土地利用和氣候對徑流的影響中，氣候因素占80%；氣候對徑流影響的趨勢預測表明，流域未來30a徑流量有增加的趨勢。

2004年陳軍鋒、陳秀萬用SWAT模型采用40年的水文數據，以及70年代初、80年代中和90年代末各時期的土地利用圖，對長江上游梭磨河流域進行水量平衡研究，揭示了梭磨河流域的氣候波動和土地覆被變化對流域徑流的影響：20世紀60~90年代，梭磨河流域的徑流變化中，由氣候波動引起的約占3/5~4/5，由土地覆被變化引起的約占1/5。

二是固定氣候變化和LUCC中的某一因素，對另一因素進行假設，分別探討兩種因素對徑流的影響。張圣微、雷玉平等以拉薩水文站上游流域為研究對象，利用分布式水文模型SWAT對拉薩河流域水文過程進行模擬，分別用1995~2000和2003~2006年兩個時間段的實測數據對模型進行校準和驗證，在此基礎上分別構造了24種新氣候情景和4種土地覆被情景。模擬結果表明，氣候變化在流域水文過程中扮演著重要角色，尤其對徑流量的影響更明顯，而土地利用/土地覆被的影響甚至是極端的土地利用變化情景也是次要的。

車騫、王根緒等采用同樣的方法建立不同氣候波動和土地覆蓋變化情景，模擬和預測黃河源區未來水資源的變化情況。他們的結論表明，徑流量增加最有利的情況是溫度減少且降水量增加，在氣溫降低2度、降水增加20%情景下徑流量可以增加55%。

邱國玉、尹婧等基于20世紀八九十年代的土地利用影像資料，以及涇河流域1970~2002年的氣候、水文資料，分別固定氣候因子與土地利用/覆被變化因子的方法，將模擬情景輸入模型，定量區分氣候和土地利用/覆被變化對涇河流域徑流的影響方式和程度。研究表明，受氣候和土地利用/覆被變化共同作用，20世紀80~90年代，涇河流域多年平均年徑流減少了8.92m3/s。其中，氣候暖干化趨勢使涇河流域多年平均年徑流減少28.08 m3/s，為氣候、土地利甩/覆被變化共同影響徑流變化量的314.80%；土地利用/覆被變化使流域多年平均年徑流增加26.57 m3/s，為氣候、土地利用/覆被變化共同影響的徑流變化量的297.87%。

第三種方法是運用兩個不同的模型進行對比研究。陳利群、劉昌明采用2個分布式水文模型(SWAT和VIC)對黃河源區徑流進行模擬并對比其結果，初步揭示黃河源區近1960-2000年40年來氣候波動與土地覆被變化對流域徑流的影響。研究結果表明，2個模型模擬的結果大體一致，即從70~80年代，徑流量的變化主要是由氣候變化引起的，占95%，（下轉第173頁）（上接第99頁）70~80年代土地覆被變化所引起的徑流量的變化僅占20%。

3 結語

從目前的研究成果來看，氣候變化是徑流變化的主導因素。隨著氣候變化越來越顯著，利用水文模型加強氣候變化對徑流的影響，對人類更加有效的應對氣候變化有重要意義，并且對生態環境的保護，國民經濟的可持續發展都會產生重要作用。SWAT模型恰好為此提供了強大的平臺，是一個值得廣泛推廣的水文模型。

參考文獻

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文