SWAT模型的研究應用進展

解志林 高良敏 司家濟

摘 要：SWAT模型在國內外流域水文過程、土壤侵蝕、非點源污染等研究領域得到廣泛的應用。但模型輸入數據精度、缺少模擬模塊等較多問題依然存在。在研究者們不斷改進調整下，SWAT模型會變得更加完善。

關鍵詞：SWAT模型；非點源污染；土壤侵蝕；產流產沙

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.205

1 模型簡介

SWAT模型是由美國農業部農業研究中心（USDA-ARS）開發的模型，它是在結合CREAMS、EPIC、GLEAMS等模型的基礎上發展起來的分布式水文模型[1]。SWAT模型可以模擬大型復雜河流中土地管理活動對水量和質量，沉積物運移，農藥和營養物質淋失的影響盆地[2]。SWAT模型是基于連續時間段的模擬，能模擬幾年、幾十年的過程，模擬結果可以日、月、年為單位輸出，不能模擬某次單一的降雨事件[3]。該模型主要是基于GIS提供的空間信息模擬不同的水文物理化學的輸移與轉化過程[4]。

降水在低洼處匯聚，從而產生地表徑流，在流動過程中不斷侵蝕土壤，泥沙和氮、磷等污染物隨徑流沖刷，進入水體，造成江河湖泊等水體非點源污染。基于非點源污染產生的特點，SWAT模型構建3個模塊來模擬非點源污染：水文過程、土壤侵蝕和污染負荷[5]。

2 模型發展與應用

國外學者對SWAT 模型的應用較早，很多工作已經比較深入。Schomberg等應用SWAT模型在Minnesota州和Michigan州對不同土地利用下產沙量、產流量進行了模擬。Arabi等利用SWAT模型模擬得出不同的亞流域的劃分，會影響到營養物負荷量和徑流量、產沙量的模擬結果。Tripathi M.P等模擬了小流域的徑流量、產沙量和非點源污染負荷量，而后應用SWAT模型的不同管理措施組合對該流域面源污染負荷關鍵區進行了綜合評價。Vigiak O等人用SWAT模擬多瑙河流域的泥沙通量，流域范圍內的模型模擬結果表現令人滿意[6-10]。

國內引進SWAT模型的時間相對較晚，但隨著近年來人們對該模型的認識不斷提高使得該模型得以迅速發展。目前，國內研究者對SWAT 模型的研究主要集中在：產流/產沙模擬、非點源污染研究、模型輸入參數對模擬結果的影響研究三個方面。黎云云等研究表明SWAT模型在渭河流域各個分區均有較好的適用性[11]。楊寶林等基于SWAT模型建立了金華市蓮塘口流域的面源污染分布式模型，識別出關鍵的污染源 [12]。

3 模型不足與改進

當然，SWAT模型也存在一些缺點和不足之處。主要是由于模擬時模型包含大量的氣象和水文數據以及各種其他監測信息，因此在預測非點源污染負荷過程中存在很大的不確定性。不確定性主要來自輸入，模型結構，參數和輸出不確定性，數字高程模型（DEM）分辨率，SWAT中的內置化肥數據庫有其局限性，在中國運用SWAT模擬非點源污染中考慮家畜糞便時，需要建立一個新建一個化肥數據庫，以便更準確地表示局部狀況[13-15]。

選擇合適的DEM分辨率、調整輸入數據精度、劃分合適的子流域。Qi等人開發了一種新的基于物理的土壤溫度模塊，作為目前在SWAT中使用的經驗土壤溫度模塊的替代方案[16]。Hoang等人通過修改相關的水文SWAT代碼，將河岸氮模型加入SWAT以模擬河岸帶的反硝化過程。Dile等人為SWAT模型開發一個開源用戶界面。接口QSWAT用Python編程語言編寫[17] 。

4 結論與展望

SWAT模型在國內外流域水文過程、土壤侵蝕、非點源污染研究方面應用廣泛。但模型輸入數據精度、輸入數據單元尺度的轉換、缺少模擬模塊等較多問題依然存在。相信在研究者們不斷改進下，SWAT模型會變得更加完善。未來對不同土地利用方式、施肥、管理措施的綜合情景分析會成為SWAT模型重要的研究領域。

參考文獻：

[1]李爽.基于SWAT模型的南四湖流域非點源氮磷污染模擬及湖泊沉積的響應研究[D].山東師范大學，2012.

[2]Hoang L，Griensven A V，Mynett A.Enhancing the SWAT model for simulating denitrification in riparian zones at the river basin scale[J].Environmental Modelling & Software，2017， 93：163-179.

[3]孫瑞，張雪芹.基于SWAT模型的流域徑流模擬研究進展[J].水文， 2010，30（03）：28-32.

[4]Luo Y，Su B，Yuan J，et al.GIS Techniques for Watershed Delineation of SWAT Model in Plain Polders[J].Procedia Environmental Sciences，2011，10（01）：2050-2057.

[5]竇培謙，王曉燕，王麗華.非點源污染中氮磷遷移轉化機理研究進展[J].首都師范大學學報（自然科學版），2006，27（02）：93-98.

[6]Schomberg J D，Host G，Johnson L B，et al.Evaluating the influence of landform，surficial geology，and land use on streams using hydrologic simulation modeling[J].Aquatic Sciences，2005，67（04）：528-540.

[7]Tripathi M P，Panda R K，Raghuwanshi N S.Development of effective management plan for critical subwatersheds using SWAT model[J].Hydrological Processes，2005，19（03）：809-826.

[8]Arabi M，Rao S G，Hantush M M，et al.ROLE OF WATERSHED SUBDIVISION ON MODELING THE EFFECTIVENESS OF BEST MANAGEMENT PRACTICES WITH SWAT[J].Jawra Journal of the American Water Resources Association，2010，42（02）：513-528.

[9]RaksmeyAng，et al.Simulating streamflow in an ungauged catchment of Tonlesap Lake Basin in Cambodia using Soil and Water Assessment Tool （SWAT） model，2018.

[10]Vigiak O，Malagó A，Bouraoui F，et al.Modelling sediment fluxes in the Danube River Basin with SWAT.[J].Science of

the Total Environment，2017，s 599-600：992-1012.

[11]黎云云，暢建霞，金文婷等.基于SWAT模型的渭河流域分區徑流模擬研究[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2017， 45（04）：204-212.

[12]楊寶林，崔遠來，趙樹君等.基于SWAT模型的蓮塘口流域農業面源污染模擬[J].武漢大學學報（工學版），2016，49（03）：359-364.

[13]Yen H，Jeong J，Feng Q Y，et al.Assessment of Input Uncertainty in SWAT Using Latent Variables[J].Water Resources Management，2015，29（04）：1137-1153.

[14]Liu R，Wang Q，Xu F，et al.Impacts of manure application on SWAT model outputs in the Xiangxi River watershed[J]. Journal of Hydrology，2017，555.

[15]Xu F，Dong G，Wang Q，et al.Impacts of DEM uncertainties on critical source areas identification for non-point source pollution control based on SWAT model[J].Journal of Hydrology，2016，540：355-367.

[16]Qi J，Li S，Li Q，et al.A new soil-temperature module for SWAT application in regions with seasonal snow cover[J].Journal of Hydrology，2016，538：863-877.

[17]Dile Y T，Daggupati P，George C，et al.Introducing a new open source GIS user interface for the SWAT model[J]. Environmental Modelling & Software，2016，85：129-138.

作者簡介：解志林（1995-），男，安徽滁州人，碩士在讀，研究方向：水污染控制。

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