第16章SWAT模型.docVIP

第16章 SWAT模型 16.1 概述 SWAT（Soil and Water Assessment Tool）（Arnold et al., 1998; Neitsch et al., 2002）是由美国农业部农业研究中心(USDA-ARS）开发的流域尺度模型。模型开发的目的是在具有多种土壤、土地利用和管理条件的复杂流域，预测长期土地管理措施对水、泥沙和农业污染物的影响。SWAT模型经历了不断的改进，很快便在水资源和环境领域中得到广泛承认和普及。Bera et al.（2003）称之为在农业和森林为主的流域具有连续模拟能力的最有前途的非点源模型。模型主要组成部分包括气候、水文、土壤温度和属性、植被生长、营养物、杀虫剂和土地管理等。 本章首先介绍了SWAT模型的发展历史和基本结构，然后从水文评估、污染物流失、气候变化影响、洪水短期预报、敏感性分析、率定和不确定性分析、模拟关键影响因素及与其他模型的比较和耦合等方面详细介绍了SWAT模型的必威体育精装版研究进展，进而分析了模型特点，并提出今后研究的展望，最后结合黄河河源区气候变化对水文循环影响的研究案例详细介绍了SWAT模型的具体应用。 16.2 模型发展历史 16.2.1 模型的发展与改进 SWAT主要基于SWRRB，并且吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。SWAT作为一种非点源模型已被并入BASINS（Better Assessment Science Integrating point and Nonpoint Sources）。BASINS由美国环保局（USEPA）开发，其主要目的是在全国范围内分析和制定最大日负荷(Total Maximum Daily Loads, TMDL）的标准和指导方针。 SWAT模型自90s初开发以来，已经经历了不断的回顾和扩展。模型主要的改进版本为： ⑴ SWAT94.2：添加了水文响应单元（HRUs）。 ⑵ SWAT96.2：添加了自动施肥和自动灌溉；添加了冠层存储；添加了CO2模块以模拟气候变化对作物生长的影响；Penman-Monteith潜在蒸散发方程；基于动力存储模型的层间流；河道内营养物水质方程QUAL2E；河道内杀虫剂演算。 ⑶ SWAT98.1：改进融雪演算；河道水质模型改进；营养物循环演算扩展；放牧、粪肥使用和瓦管排水；修改模型以适用于南半球。 ⑷ SWAT99.2：改进营养物循环，稻田/湿地演算改建，水库/池塘/湿地营养物沉淀去除；河岸存储；河道重金属演算；将年的参考从2位变为4位；SWMM模型的城市累积/冲刷和USGS回归方程。 ⑸ SWAT2000：细菌输移演算；Green Ampt下渗；改进天气生成器；允许太阳辐射、相对湿度和风速的读入或生成；允许潜在ET值的读取或计算；所有潜在ET方法的回顾；高层带过程改进；允许模拟无数个水库；Muskingum演算；修正的休眠计算以适用于热带地区。 ⑹ SWAT2005：改进了杀虫剂输移模块；增加了天气预报情景分析；增加了日以下步长的降水量生成器；使在计算每日CN值时使用的滞留参数可以是土壤水容量或者植物蒸散发的函数；增加了敏感性分析和自动率定与不确定性分析模块。 SWAT模型有一定的适用范围，在具体应用时要进行改进和提高，目前其主要的改进形式有SWIM、SWATMOD、SWAT-G和E-SWAT等。SWIM模型的开发目的是为中尺度流域(100-10000 km2)水文和水质模拟提供一个综合性的工具。它基于SWAT模型和MATSALU模型，并且与GRASS集成。SWIM利用MATSALU提供的三种层次流域分解方法和N模块，使之在区域尺度上更易应用并且增强了模拟能力。由于SWAT模型在地下水模块采用的是集总式的，因此Krysanova et al.（1998）结合SWAT模型和MODFLOW模型的长处，开发出SWATMOD模型，应用于美国Kansas的Rattlesnake Creek流域。Eckhardt et al.（2002）在研究德国中部低山地区时，基于研究区域主要为陡坡和浅层土壤含水层覆盖在坚硬的岩石上，地下水对径流的贡献相对较小，产流形式以壤中流为主的特点，修正了SWAT模型中渗透和壤中流的计算公式，开发出了SWAT-G模型。van Griensven et al.（2001）在研究比利时的Dender流域时，把QUAL2E模型集成到SWAT中，增强了SWAT模型的水质模拟功能，开发出了ESWAT模型。图16-1列出了SWAT模型的主要发展过程。 图16-1 SWAT模型开发历史示意图（包括模型改进）（Gassman et al., 2006） 16.2.2 模型的GIS界面及其它工具 SWAT模型与GIS和其他界面工具相结合是与模型发展历程相平行的