SWAT模型及其应用研究

试验平台

S WAT模型及其应用研究*

于峰1史正涛1李滨勇2杨具瑞3彭海英1

(1.云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650092;2.北京师范大学资源学院,北京100875;

3.昆明理工大学电力工程学院,云南昆明650051)

中图分类号:P334+.92文献标志码:B文章编号:1673-5366(2008)05-0001-04

摘要: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。S WAT(So il andW ater A ssess ment T oo l)模型是一个集成了遥感(RS)、地理信息系统(G IS)和数字高程模型(D E M)技术的目前国际流行分布式水文模拟工具。介绍了S W AT模型的发展历程、原理及特点,概述了S W AT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S W AT模型今后的应用和改进方向作了初步探讨。

关键词:S WAT;水文模型;应用进展

S WAT(So il and W ater A ssess m ent Tool)模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型中比较先进的一个。可用来预测模拟大流域长时期内不同的土壤类型、植被覆盖、土地利用方式和管理耕作条件对产水、产沙、水土流失、营养物质运移、非点源污染的影响,甚至在缺乏资料的地区可利用模型的内部天气生成器自动填补缺失资料[1]。迄今为止,S WAT模型的有效性已经得到了国内外许多研究项目和研究者的证明,模型已经广泛应用于大的区域性项目和许多不同尺度的研究项目中,研究内容涉及流域的水平衡、河流流量预测和非点源污染控制评价等诸多方面[2]。美国环保署将S WAT模型作为其T MDL项目的首选模型,并将S WAT模型集成在其开发的BASI N S模型系统中[3]。

1S WAT模型的发展历程

S WAT模型是美国农业部农业研究所历经30a 开发的一套适用于复杂大流域的水文模型,于20世纪90年代早期正式推出,之后连续升级,94版引入了多个水文响应单元;96版增加了CO2循环、彭曼公式、土壤水侧向流动、营养物质和杀虫剂运移模块;98版对融雪演算和水质模拟改进,增加了放牧、施肥排水等管理措施选项;99版增加了城市径流平衡;2000版增加了细菌传输模块、Green-Am pt渗流计算方法和马斯京根汇流演算方法,改进了天气生成器,提供3种潜在蒸发量计算方法,模拟水库数量不再受限制;2003版增加了敏感性分析和自动率定与不确定分析模块,敏感性分析采用L H-OAT 法进行,从而使模型具有了全局分析法和局部分析法二者的长处;2005版改进了细菌运输过程模拟,增加了天气预报情景模拟和半日降雨发生器[4-5]。S WAT模型是S W RRB模型的直接产物[5],其流程见图1。

图1S W AT模型的发展进程及改进模型

2S WAT模型的原理和特点

2.1S WAT模型的原理

S WAT模型是由701个方程、1013个中间变量组成的综合模型体系,因此模型可以模拟流域内的

1

2008年第5期水土保持应用技术

*基金项目:国家自然科学基金[50769001],云南省青年学术技术带头人后备人才项目,云南省自然科学基金项目[2006D0028Q],云南省教育厅基金项目[06Y106A]。

多种水文物理过程:水的运动,泥沙的输移,植物的生长以及营养物质的迁移转化等。模型的整个模拟过程可以分为两个部分:子流域模块(产流和坡面汇流部分)和流路演算模块(河道汇流部分)。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量,后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动及负荷的演算汇总过程。子流域水文循环过程包括8个模块:水文过程、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物质、杀虫剂和农业管理。S WAT 采用先进的模块化设计思路,水循环的每一个环节对应一个子模块,十分方便模型的扩展和应用。根据研究目的,模型的诸多模块既可以单独运行,也可以组合其中几个模块运行模拟。根据水文循环原理,S WAT 模型水文计算水量平衡基本表达式如下:

W t =W 0+6t

i =1

(R -Q s -E a -W -Q g )(1)

式中:W t 为最终的土壤含水量,mm ;W 0为土壤初始含水量,mm ;t 为时间,d ;R 为第i 天的降水量,mm;Q s 为第i 天的地表径流,mm ;E a 为第i 天的蒸发量,mm;W 为第i 天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量,mm ;Q g 为第i 天的垂向地下水出流量,mm 。2.2 S WAT 模型的特点

水分运动、泥沙输送、作物生长和营养成分循环等物理过程直接反映在模型中。模型不但可以应用到缺乏流量等观测数据的流域,而且可以用于对象管理措施、气象条件、植被覆盖的变化对水质等影响的定量评价。

尽管S WAT 模型可以用来模拟像细菌传播等一些特殊的复杂过程,模型计算所需的数据通常都是可以从政府部门得到的常规观测数据。

目前利用S WAT 模型进行过研究的流域面积最大为491700km 2

,最小到0.395k m 2

,可见模型的适用性非常强

[6]

。即使是非常大的流域或是一系

列管理方案的组合,运行计算也不需要额外的时间和投资。

连续时间模型,可模拟长期影响。如可连续模拟几十年污染物的积累及对下游水体的影响评价。

模型将流域划分为多个子流域进行模拟。与集总式水文模型相比较,分布式水文模型在水平方向上将流域划分为多个面积相等的网格单元或依据流域下垫面自然条件的不同划分为面积不等的多个子流域;在垂直方向上将土壤分层,根据流域产汇流特征不同,利用物理和水力学的微分方程求解,提高了

水文模拟的精度,降低了空间差异的影响。

3 S WAT 模型的应用

3.1 径流模拟研究

径流模拟是水文模拟研究中最基本、最重要的一个环节,也是研究其它水文问题的基础。A r nold 和

A llen [7]

在美国伊利诺斯州的3个流域利用实测数据验证了S WAT 模型在模拟地表径流、地下径流、地表水蒸散发、土壤水蒸散发、补偿流、水位标高参数方面的有效性。在密西西比河上游面积为491700km 2

的流域上将地表水补偿流和基流数据与利用S WAT 模型模拟的径流值进行比较,结果表明实测值和模拟值之间的回归系数分别达到0.63和0.65,表明了模型

的适用性。在加拿大[8]、马里兰[9]、西班牙[10]

等地应用S WAT 模型模拟放牧活动、极端湿润年份等因素对水文及土壤湿度的影响,不同程度地验证了其模型的适用性。

2003年刘昌明等[11]

应用S WAT 模型选取黄河源区为典型流域基于DE M 模拟了不同气候和土地覆被条件下的黄河河源区地表径流的变化。杨桂莲、郝芳华等[12]、张雪松[13]、王亚军等[14]、庞靖鹏等[15]

分别在洛河流域、卢氏流域、湟水流域、密云水库潮河子流域等应用S WAT 模型进行中尺度的产流产沙模拟试验,模型结果表明该模型对径流的模拟效果非常好,

对泥沙的模拟效果较好。黄清华,张万昌等[16]

在黑河干流山区利用该模型模拟的1990~2000年月平均径流模拟结果显示,莺落峡站出山径流模型效率系数R 2

达到0.88,相关系数r 2

接近0.91。3.2 非点源模拟与控制

S WAT 模型不仅可以模拟非点源污染迁移转化的过程,且可对非点源污染关键源区进行识别,并建立不同的管理情景来评价不同的最佳管理措施的效果。2000年Saleh 等

[14]

在美国德克萨斯州的Bos -que 流域应用S WAT 模型证实了模型用于畜牧业生产所导致的面源污染的适用性。Bruna Grizzetti [17]

将模型应用于西班牙南部的Guad ia m ar 流域,验证模型的产流产沙和营养物质运移,评估土壤固氮和淋滤损失的能力,结果表明模型模拟流域不同出流点的日流量比较可靠,对产沙、氮和总磷聚集的月模拟符合实际。

孙峰等

[18]

、万超等

[19]

分别在官厅水库流域和

黄河流域下游卢氏流域、潘家口水库流域应用S WAT 模型进行了面源污染负荷计算,验证了模型

2水土保持应用技术 2008年第5期