分布式水文模型SWAT在非點源污染研究中的應用進展

王序馳，金明姬，馮恒棟

(延邊大學，吉林 延吉 133000)

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分布式水文模型SWAT在非點源污染研究中的應用進展

王序馳，金明姬*，馮恒棟

(延邊大學，吉林 延吉 133000)

非點源污染是現代環境科學研究的熱點之一，其過程機理復雜，SWAT模型是研究非點源污染的重要手段。本文結合近6年(2010—2015年)SWAT模型在國內外非點源污染方面的研究成果，分析了SWAT模型在非點源污染研究方面的動態，并明確了SWAT模型在我國應用過程中存在的問題。

非點源污染；SWAT模型；應用進展

隨著點源污染的有效治理和控制，非點源污染成為引起水體質量惡化的重要源頭，非點源(NPS)污染不同于工業和污水處理廠的污染，有許多彌漫性來源[1]，它是因融雪或降水，在進行地表或地下徑流過程中，隨著徑流的移動，攜帶污染物流入河流、湖泊和海洋所造成的污染類型[2-3]。隨著我國農業的發展和化肥使用量的增加，非點源污染所占比例也逐年增加，非點源污染已成為流域環境健康的主要威脅[4]。與點源污染相比，非點源污染具有過程機理復雜、時空范圍廣、污染物負荷空間差異顯著、滯后性與潛伏性強等特點，這些導致對于非點源污染的監測、控制及治理難度遠遠大于點源污染[5-6]。

解決非點源污染的關鍵在于能夠準確的模擬和估算非點源污染，而對于非點源污染的建模研究一直是非點源污染研究的重要方式[7]。非點源污染問題最早突顯于美國，20世紀70年代美國點源污染已得到基本控制，但地表水體中的湖泊、河流、流域水質達標率仍為40%～80%，因此，美國開始對非點源污染進行研究，且應用于管理實踐[8-9]，并有許多非點源污染模型的發展。較為常用的有ANSWERS模型、AGNPS模型、HSPF模型、CREAMS/CLEAMS模型及SWAT模型等[10-11]。然而，我國在這一領域的研究很少，我國非點源污染的研究始于北京城市徑流污染及20世紀80年代初的全國湖泊富營養化調查[12]，而有關復雜非點源污染模型的應用與研究在國內才剛剛起步[13]。

在眾多模型中，近年來SWAT模型在非點源污染研究中獲得廣泛應用。因此，本文總結了近年來SWAT模型在國內外非點源污染領域中的研究進展，分析了SWAT模型在非點源污染研究方面的動態，并討論了SWAT模型在我國的應用現狀和未來發展趨勢。

1 SWAT模型概況

模型模擬是定量研究非點源污染的重要手段，早在20世紀70年代，國際上就已經研究開發出多種非點源污染模擬模型。SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農業部(USDA)農業研究中心(ARS)的Arnold博士開發的連續性分布式流域水文評價工具模型，其結構復雜、運行方式獨特[14-16]。SWAT模型最初應用于具有不同土壤類型、土地利用和管理條件特征的大尺度復雜流域，用來預測和評價土地利用管理等人類活動對流域內水循環、泥沙、農業污染物質遷移的長期影響和作用[17]。

近年來SWAT模型在農業非點源污染方面得到廣泛應用，由于其基于物理機制，且介于物理與概念模型之間，具有很強的物理基礎。并且輸入變量易于獲取，適合長時間尺度的水文循環和物質循環研究，模型強大的數據庫也使得其能夠靈活處理資料缺失問題。該模型不僅能夠模擬水循環過程，還能以水循環為載體，研究水土流失、營養物輸移、農藥和病原菌等物質循環過程[18]。該模型也被廣泛應用于非點源污染的監測控制、機理過程探索模擬及污染負荷時空分布研究等諸多方面[19]。

SWAT模型由SWRRB模型(Simulator for Water Resources in Rural Basins) 基礎上發展而來，并集成了幾個ARS模型的特點。SWRRB模型的改進起源CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)的日降水水文模型，改進主要表現在：1) 可在多個子流域間同時進行演算，來預測流域產水量；2) 增加地下水徑流或回歸流計算組件；3) 增加水庫蓄水和池塘組件；4) 增加了氣象模擬模塊；5) 改進了洪峰流量的預測方法；6)加入EPIC作物生長模塊；7) 加入簡單的洪水演算組件；8) 增加泥沙運移組件；9)增加了傳輸損失的計算等[20]。20世紀80年代末，為了用于水質評估，SWRRB模型又引進了GLEAMS模型的殺蟲劑組件、SCS曲線法，以及新建的產沙計算方程等，用于處理流域管理問題。但是SWRRB最多只能劃分為10個子流域，它只能應用于數百平方千米的流域，而對于幾千平方公里流域，則無法劃分成幾百個子流域。這種局限性導致ROTO (Routing Outputs to Outlet)模型的問世。該模型提供了河段演算法，將多個SWRRB模型運行結果鏈接到一起，以克服其子流域數量的局限性，但同時由于SWRRB模型文件的輸入輸出文件非常繁瑣，需要大量的計算機存儲量，且所有演算SWRRB必須獨立運行后匯總至ROTO模型，為解決這列問題，促成了SWRRB模型和ROTO模型的整合，形成了一個單獨模型，即SWAT[21]。

2 SWAT模型原理及結構

2.1 模型原理

模型模擬流域的水文過程主要分3個部分：1) 水文循環陸地階段，主要由天氣、水文、土壤溫度、泥沙沉積、作物產量、營養物質和殺蟲劑農業管理等部分組成；2) 水文循環演算，大氣降水通過直接降落或冠層截留到達地面后，一部分下滲，另一部分形成地表徑流，快速匯入河道中，對短期河流響應起很大作用[22]；3) 水文循環的匯流階段，包括子河道的傳輸過程，如水庫、濕地、池塘、洼地的蓄水滯留過程和主河道的水量演進過程，主要來源于HRU的地表產流、HRU產生的壤中流和子流域淺層地下水所產生的基流[23]。

水量平衡方程是SWAT模型的基本驅動，整個水文循環系統以方程(1)為基礎[24]：

(1)

式中，SWt為某時段內第i天土壤最終含水量(mm)；SWo為某時段內第i天土壤前期含水量(mm)；t為時間(d)；Rday為時段內第i天的降水量(mm)；Qsurf為時段內第i天的地表徑流量(mm)；Ea為時段內第i天的蒸發蒸騰量(mm)；Wseep為第i天存在于土壤剖面地層的滲透量和側流量(mm)；Qgw為第i天的地下含水量(mm)。

2.2 模型結構

模型計算設計：地表徑流、地下水、土壤水及河道匯流，其模型結構框圖(圖1)。

圖1 SWAT模型結構示意圖

1) SWAT模型通過對大氣降水的判斷，控制水量平衡，模擬降水的時空分布;2) 模型通過降水入滲到土壤中的水分即為土壤水，土壤水中部分通過土表蒸發、部分被植被吸收蒸騰，而部分滲漏到深層補給含水層，也可在土層中側向運動補給地表水，以保持土壤水量平衡;3) 模型通過水文響應單元產生的地表徑流，運用輸移、池塘濕地及滲透滲漏等方式進入地下水;4) SWAT模擬地下水含有2類含水層，一個是淺層含水層，屬于潛水含水層，最終匯入子流域的主河道或河段中,另一個是深層含水層，屬于承壓含水層;5) 模型主河道的水量平衡依靠SWAT模型本身提供的河道匯流，河道水量平衡過程主要包括：地表徑流入流進入河道以后，即上游水源與子流域匯流(上游與本子流域匯流)、河道水面蒸發、灌溉、耗用、河岸蓄積、滲漏、向下游出流。

3 SWAT模型的應用現狀

3.1 發表文章統計

為了解SWAT模型在非點源污染研究領域中的應用現狀，利用“中國知網”、“萬方數據庫”和“ScienceDirect”進行了文件檢索，論文檢索年限設為≥2010年。中文論文檢索范圍設定為“主題”、“題名”、“關鍵詞”、“摘要”、“全文”；檢索詞設為“SWAT模型”并含“非點源污染”+表征詞(如負荷、控制等)。英文論文檢索范圍設定為“All Fields”；檢索詞設為“SWAT Models”并含“Non-point source pollution”、“Control”、“Nitrate loading”。

其檢索結果如表1，從2010年到現在，SWAT模型在非點源污染研究方面的文章共檢索到140篇，其中,中文91篇,英文49篇，中文文章較多，占所有檢索文章的65%。在國外SWAT模型發展較早，而在國內SWAT模型的應用起步較晚，故相關領域的文章近幾年也有陸續發表。根據文章內容，140篇文章可分為模型模擬類、負荷量化類、管理措施類、防治措施類、耦合應用類、機理探索類、輸移研究類等7大類。其中，在中文文章中，模型模擬類占的比例最高，為48%；而英文文章中，7大類文章比例基本相近。

表1 SWAT模型對非點源污染的研究分類

3.2 應用現狀

目前SWAT模型在美國、歐洲、亞洲、加拿大、北美寒區和非洲等地區均已得到廣泛推廣及應用，且不斷得到發展[25]。SWAT模型不僅能夠模擬非點源負荷，還可根據加載數據直觀地體現非點源污染關鍵區域、非點源污染的輸移等。同時，模型能夠根據不同的管理措施及情景，評價不同的管理措施和研究對策，且能直觀地呈現治理效果。

在國外，MiSeon Lee等[26]采用SWAT模型和QuickBird衛星影像評價了韓國西北部Gyeon gancheon流域非點源污染最佳管理措施的減排效果；Manoj Kumar Shrestha等[27]應用SWAT模型通過單站、多站點校準方式對南澳大利亞Onkaparinga catchment流域徑流及營養物負荷的模擬結果進行對比評價；Michael J White等[28]使用SWAT模型研究了農業領域磷流失問題；Tracy J等[29]在東非大裂谷西南部Njoro流域，使用SWAT模型評估了土地利用對水資源的影響；Bannwarth M A 等[30]應用SWAT模型對泰國北部清邁Mae Sa流域進行了農藥輸移的模擬；Roy R Gu等[31]應用SWAT模型模擬了生物燃料對密西西比河流域作物生產的影響；El-Khoury A等[32]利用SWAT模型模擬了未來氣候和土地利用變化對加拿大河流流域氮、磷含量的影響。

在國內，唐達方等[33]采用SWAT模型模擬了蘇南丘陵非點源負荷，并在此基礎上比較了不同土地利用、施肥情景及不同管理措施對非點源污染負荷的影響；王曉等[34]運用SWAT模型模擬了丹江口水庫流域非點源污染最佳管理措施的減排效果，并根據其結果進行最佳管理措施的優選；原杰輝等[35]應用SWAT模型對石頭口門水庫庫區農業非點源污染進行了模擬研究，建立了完整的數據庫，對該地區農業非點源污染負荷進行了模擬計算，并分析了農業非點源污染負荷的時空分布。尹剛等[18]研究了SWAT模型在圖們江流域的適用性，并建立了較為完善的非點源污染數據庫，對圖們江流域污染物的時空分布進行了研究。張展羽等[36]運用SWAT模型研究了長江下游岔河小流域氮磷流失的時空分布規律，并模擬了不同灌溉方式下的非點源氮磷輸移；王曉青等[37]利用SWAT與MIKE21耦合模型研究了澎溪河流域的輸沙量、氮、磷負荷量和水污染問題。水質研究領域方面，范麗麗等[38]、王曉燕等[39]、賴格英等[40]利用模型計算了大寧流域、密云縣水庫和太湖流域的非點源污染空間分布。他們發現，不同的土地利用造成了不同的非點源污染負荷，而在中國，農田一般提供了最高的非點源負荷，表明農業非點源污染是一個非常嚴重的問題。

總體而言，上述應用及研究表明，該模型對建模的非點源污染評估能夠提供良好的模擬和預測結果。我國對非點源污染的研究起步較晚，在較長的一段時間內，其研究主要處于基礎研究與SWAT模型的應用探討。在國內，SWAT模型最初應用于模擬流域氮磷負荷的分布；隨后，國內學者利用SWAT模型研究土地利用、氣候等外界條件對非點源污染及其輸移的影響；而近年來，國內學者在熟練掌握SWAT模型的基礎上耦合多種模型，彌補了SWAT模型在某些領域不夠完善的空缺，進行更精確的模擬和預測。而在國外，利用SWAT模型探討非點源污染機理及最佳管理措施的基礎上，近幾年，更多的應用SWAT模型進行非點源污染的量化研究，以及農藥、病原菌輸移等的非點源污染研究。不斷拓寬SWAT模型的應用領域，耦合其它模型提高模擬結果，將是我國在應用SWAT模型研究非點源污染的發展方向。

4 SWAT模型應用過程中存在的問題

大量研究結果表明，SWAT模型對模擬非點源污染方面具有較強適用性，可用于模擬多種環境過程，對于物質循環系統的考慮也較全面，不僅能夠模擬水循環過程，還可通過地表徑流以水循環為載體研究水土流失、營養物輸移等，能夠模擬的物質遷移種類多，并對流域的管理措施起決定作用。SWAT模型相關研究文檔較豐富、開發時間長、應用廣泛；且SWAT模型為半分布式模型，比完全分布式模型更易于理解和掌握，計算速度較快；相比概念性模型，SWAT模型更能體現水循環的物理機制，精度高，且能充分利用土地利用等遙感信息，累積了較豐富的基礎數據庫。這些使得SWAT模型既可以模擬較大流域，又適合應用于時間尺度的水文和物質循環研究，但SWAT模型在我國的推廣應用過程中也仍存在一些問題，具體如下。

1) SWAT模型大氣水分過程中的融雪模塊，在結構上充分考慮了融雪和凍土對水文循環的影響，因此較適用于我國西北嚴寒地區。但由于SWAT模型運行所需輸入參數及數據較多，一些數據監測在我國并未進行，導致數據不全，因此只能采用公式進行推到或軟件自動默認，這使得構建的數據庫在反應模擬結果時狀況或精度不盡人意。

2) SWAT模型模擬地下水過程中，將地下水概念性的分為淺層地下水和深層地下水，只考慮了地下水水量平衡，沒有考慮地下水位，導致子流域間的地下水相互獨立，因此SWAT模型在平原區的模擬效果并不理想。

3) SWAT模型在水循環機理如灌溉、潛水蒸發、地下水循環等方面的模擬結果有所欠缺，且SWAT模型中還欠缺水量平衡誤差分析與物質平衡誤差分析。同時，由于灌區強烈的人為因素干擾，SWAT模型的研究均圍繞自然流域的水文過程，應用到平原灌區時空間結構上存在差異。因此，構建適用于灌區的分布式水文模型，也是SWAT模型在我國應用過程中的一大研究方向。

4) SWAT模型應用過程中，模型要對土地利用及土壤屬性數據庫進行相應的轉換，但由于SWAT模型最初開發于美國，很多模型自帶的數據庫不適用或無法在我國運行，極大的限制了該模型在我國的廣泛應用。

5) SWAT模型要進行精準的模擬,需大量精確數據支撐，而我國對模型應用起步較晚，且無法直接應用其自帶數據庫，導致資料缺乏地區無法進行模擬，模擬效果不佳。因此國內學者們對SWAT模型進行不斷改進的同時，也采取SWAT模型與其它模型進行耦合的方式，彌補SWAT模型的缺點，提高了模型的模擬結果。例如，耦合MIKE21模型和WASP模型后，提高了模型對水動力水質及水質的模擬效果，模型結合參數移植法解決了資料缺乏地區的模擬問題等。如何利用遙感和GIS技術建立研究區基礎地理信息庫等仍將為SWAT模型在國內研究的重要方向。

5 結語

近年來，國內將SWAT模型大量應用到非點源污染研究中，同時，應用過程中根據我國情況對模型進行了相應的改進，以便模型在我國非點源污染的管理、規劃等方面得到更廣泛的應用。SWAT模型的推廣過程中，在完善SWAT模型本身機理之外，加強對非點源污染的重視，完善我國在非點源污染方面制度，才能更好的將SWAT模型應用的非點源污染研究領域。

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Application progress of distributed hydrology model SWAT in NPS pollution

WANG Xuchi，JIN Mingji*，FENG Hengdong

(YanbianUniversity,YanjiJilin133000，China)

As one of the research focuses in environmental science, Non-point Source (NPS) pollution has drawn much attention owning to its complex dynamic mechanism. Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is an important means to study NPS pollution. This study combined with the research of NPS pollution from home and abroad the last six years (2010-2015) and analyzed the dynamic of SWAT in the filed of NPS pollution and clarified the main problems existed in the application practices of SWAT model in China.

Non-point Source(NPS) pollution; SWAT model; application progress

2016-04-09 基金項目：國家自然科學基金(51269032)；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字[2015]第39號)

王序馳(1992—),女,吉林延吉人,在讀碩士,研究方向為環境科學。金明姬為通信作者，

E-mail: jinmingji@ybu.edu.cn

1004-7999(2016)03-0271-06

10.13478/j.cnki.jasyu.2016.03.017

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