SWAT模型研究进展

SWAT模型研究进展 随着人类活动日益增强,下垫面条件发生显著变化,影响了流域产汇流和水资源的时空变化,传统的集总式水文模型已不能很好地反映下垫面空间差异性造成的径流过程和各种物质循环过程的变化,分布式水文模型应运而生。 SWAT(Soil and Water AssessmentTool) 模型是美国农业部农业研究所(USDA-ARS)历经近30年开发的大尺度模型。模型以可以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,甚至在缺乏的地区可以利用模型的内部生成器自动填补缺失资料。SWAT模型经历了不断的改进,已经在水文水资源及环境领域中得到广泛认可和普及。 SWAT主要基于SWRRB,并且吸收了GREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO 等模型的优点。模型自20世纪90年代初开发以来,已经经历了不断的发展。模型主要改进版本有: 1)SWAT94.2:添加了水文响应单元。 2)SWAT96.2:加人了植物截流、壤流的运算,径流营养物和杀虫剂的输 送模拟和气候变化的分析方法,添加了自动施肥与灌溉作为管理选项, 用于计算潜在蒸散发的彭曼公式等模块也被加人。 3)SWAT98.1:改进了融雪模块、水质模拟以及营养物质循环,增加了放 牧、施肥等作为管理选项,并增强了模型在南半球的适应性。 4)SWAT99.2:改进营养物循环和对各种水体(水库、池塘和湿地)水量平衡 的处理方法,增加一种城市径流的模拟计算方法,将年代设置从2位变 为4位。 5)SWAT2000:改善“气象因子发生器’,,提供了更多的潜在蒸散发计算 方法,太阳辐射、相对湿度、风速、潜在蒸散发等气象数据可以直接输 人或者根据“气象因子发生器”让模型自动产生,水库的数量不再受到 限制,并增加了Green&AmPt渗透方程和Muskingum模式分别计算入 渗与地下水平衡。 6)SWAT2005:改进了杀虫剂输移模块;增加了天气预报情景分析;增加 了日以下补偿的降水量发生器;使在计算每日CN值是使用的滞留参数 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。 近年来,SWAT模型在国内得到了广泛应用,主要包括3个方面:产流/产沙模拟、非点源污染研究及输入参数对模拟结果的影响研究。其中,径流模拟是SWAT应用的一个主要方面,在全国很多流域都有SWAT的应用。 王中根,刘昌明等用SWAT模拟了黑河干流山区莺落峡以上地区子流域月径流量和莺落峡日径流量,从模拟精度论证了模型完全适合在大流域应用。张雪松等以洛河上游卢氏水文站流域为研究区域,采用自动数字滤波技术校准径流,对模拟和实测值进行直接径流(地表径流与壤中流)与基流的分割校核,结果表明模型校核和验证期对径流的模拟都较好,对产沙预测和实际偏离较大,说明模型对降雨量小、产流产沙少的情况模拟不太理想。胡远安等介绍了SWAT模型在亚热带的江西芦溪小流域径流模拟,对水田模拟部分进行了局部修改,并进行了参数灵敏度分析,结果表明模型对长期径流量模拟比较精确,对日径流的模拟存在系统误差;丰水期的模拟比枯水期精确。黄清华,张万昌对黑河流域山区出山口径流的模拟 的结果表明模型对黑河高海拔山区流域多水源的水文过程、融雪径流和地下径流参数的选择、浅水层回归因子、海拔高度带的划分等对该流域地下径流和融雪径流精度影响很大。陈军锋,陈秀万用SWAT模型对长江上游梭磨河流域进行水量平衡研究,揭示了梭磨河流域的气候波动和土地覆被变化对流域径流的影响,表明20世纪60~90年代,梭磨河流域的径流变化中,由土地覆被变化引起的约占1/5。随后,陈军锋等模拟了梭磨河流域4种不同土地覆被情景下的多年降水径流蒸发关系,定量评估了土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响,表明随着土地覆被状况由无植被到有林地覆被,径流深减小,蒸发量增加,枯季径流深减小幅度明显小于雨季的减小幅度,而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期。张蕾娜等以白河上游的云州水库流域为例,研究了1980年土地利用状况下的流量过程,说明应用模型对土地利用空间变化的水文响应分析可行。 在验证模型适用性的同时,国内学者还根据我国自然条件和资料特点对模型进行了改进以提高其模拟精度。其中,为克服SWAT地下水模块的弱势,应用SWAT和地下水模型GAM对华北平原地下水系统进行了联合模拟调参;考虑到黄河流域干旱,修改了叶面积指数曲线和地下水蒸发的计算,改进了模型的植物、土壤水和地下水模块;为研究西南岩溶流域表层岩溶带和岩溶浅层水的调蓄功能,改进了产流模块;针对模型在黑河流域和汉江流域水文模拟中存在的问,增加了土壤粒径转换模块和天气发生器(WGEN)数据预处理模块,改进了模型的WGEN算法、潜在蒸散量模拟算法以及气象参数的空间离散方法。另外,在高海拔地区,由于空间差异大,气象站资料空间插值后代表性较差。为此,需对气温和降水资料做高度校正,譬如带有高度校正的梯度距离倒数加权法(GIDW)。针对青藏高原特殊下垫面,刘昌明等加入流域高程带划分、气温递减率和降水递减率等参数,以改进高原控制融雪的水文和大气过程。