分布式水文模型SWAT在非点源污染研究中的应用进展

王序驰，金明姬，冯恒栋

(延边大学，吉林 延吉 133000)



分布式水文模型SWAT在非点源污染研究中的应用进展

王序驰，金明姬*，冯恒栋

(延边大学，吉林 延吉 133000)

非点源污染是现代环境科学研究的热点之一，其过程机理复杂，SWAT模型是研究非点源污染的重要手段。本文结合近6年(2010—2015年)SWAT模型在国内外非点源污染方面的研究成果，分析了SWAT模型在非点源污染研究方面的动态，并明确了SWAT模型在我国应用过程中存在的问题。

非点源污染；SWAT模型；应用进展

随着点源污染的有效治理和控制，非点源污染成为引起水体质量恶化的重要源头，非点源(NPS)污染不同于工业和污水处理厂的污染，有许多弥漫性来源[1]，它是因融雪或降水，在进行地表或地下径流过程中，随着径流的移动，携带污染物流入河流、湖泊和海洋所造成的污染类型[2-3]。随着我国农业的发展和化肥使用量的增加，非点源污染所占比例也逐年增加，非点源污染已成为流域环境健康的主要威胁[4]。与点源污染相比，非点源污染具有过程机理复杂、时空范围广、污染物负荷空间差异显著、滞后性与潜伏性强等特点，这些导致对于非点源污染的监测、控制及治理难度远远大于点源污染[5-6]。

解决非点源污染的关键在于能够准确的模拟和估算非点源污染，而对于非点源污染的建模研究一直是非点源污染研究的重要方式[7]。非点源污染问题最早突显于美国，20世纪70年代美国点源污染已得到基本控制，但地表水体中的湖泊、河流、流域水质达标率仍为40%～80%，因此，美国开始对非点源污染进行研究，且应用于管理实践[8-9]，并有许多非点源污染模型的发展。较为常用的有ANSWERS模型、AGNPS模型、HSPF模型、CREAMS/CLEAMS模型及SWAT模型等[10-11]。然而，我国在这一领域的研究很少，我国非点源污染的研究始于北京城市径流污染及20世纪80年代初的全国湖泊富营养化调查[12]，而有关复杂非点源污染模型的应用与研究在国内才刚刚起步[13]。

在众多模型中，近年来SWAT模型在非点源污染研究中获得广泛应用。因此，本文总结了近年来SWAT模型在国内外非点源污染领域中的研究进展，分析了SWAT模型在非点源污染研究方面的动态，并讨论了SWAT模型在我国的应用现状和未来发展趋势。

1 SWAT模型概况

模型模拟是定量研究非点源污染的重要手段，早在20世纪70年代，国际上就已经研究开发出多种非点源污染模拟模型。SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型是由美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)的Arnold博士开发的连续性分布式流域水文评价工具模型，其结构复杂、运行方式独特[14-16]。SWAT模型最初应用于具有不同土壤类型、土地利用和管理条件特征的大尺度复杂流域，用来预测和评价土地利用管理等人类活动对流域内水循环、泥沙、农业污染物质迁移的长期影响和作用[17]。

近年来SWAT模型在农业非点源污染方面得到广泛应用，由于其基于物理机制，且介于物理与概念模型之间，具有很强的物理基础。并且输入变量易于获取，适合长时间尺度的水文循环和物质循环研究，模型强大的数据库也使得其能够灵活处理资料缺失问题。该模型不仅能够模拟水循环过程，还能以水循环为载体，研究水土流失、营养物输移、农药和病原菌等物质循环过程[18]。该模型也被广泛应用于非点源污染的监测控制、机理过程探索模拟及污染负荷时空分布研究等诸多方面[19]。

SWAT模型由SWRRB模型(Simulator for Water Resources in Rural Basins) 基础上发展而来，并集成了几个ARS模型的特点。SWRRB模型的改进起源CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)的日降水水文模型，改进主要表现在：1) 可在多个子流域间同时进行演算，来预测流域产水量；2) 增加地下水径流或回归流计算组件；3) 增加水库蓄水和池塘组件；4) 增加了气象模拟模块；5) 改进了洪峰流量的预测方法；6)加入EPIC作物生长模块；7) 加入简单的洪水演算组件；8) 增加泥沙运移组件；9)增加了传输损失的计算等[20]。20世纪80年代末，为了用于水质评估，SWRRB模型又引进了GLEAMS模型的杀虫剂组件、SCS曲线法，以及新建的产沙计算方程等，用于处理流域管理问题。但是SWRRB最多只能划分为10个子流域，它只能应用于数百平方千米的流域，而对于几千平方公里流域，则无法划分成几百个子流域。这种局限性导致ROTO (Routing Outputs to Outlet)模型的问世。该模型提供了河段演算法，将多个SWRRB模型运行结果链接到一起，以克服其子流域数量的局限性，但同时由于SWRRB模型文件的输入输出文件非常繁琐，需要大量的计算机存储量，且所有演算SWRRB必须独立运行后汇总至ROTO模型，为解决这列问题，促成了SWRRB模型和ROTO模型的整合，形成了一个单独模型，即SWAT[21]。

2 SWAT模型原理及结构

2.1 模型原理

模型模拟流域的水文过程主要分3个部分：1) 水文循环陆地阶段，主要由天气、水文、土壤温度、泥沙沉积、作物产量、营养物质和杀虫剂农业管理等部分组成；2) 水文循环演算，大气降水通过直接降落或冠层截留到达地面后，一部分下渗，另一部分形成地表径流，快速汇入河道中，对短期河流响应起很大作用[22]；3) 水文循环的汇流阶段，包括子河道的传输过程，如水库、湿地、池塘、洼地的蓄水滞留过程和主河道的水量演进过程，主要来源于HRU的地表产流、HRU产生的壤中流和子流域浅层地下水所产生的基流[23]。

水量平衡方程是SWAT模型的基本驱动，整个水文循环系统以方程(1)为基础[24]：

(1)

式中，SWt为某时段内第i天土壤最终含水量(mm)；SWo为某时段内第i天土壤前期含水量(mm)；t为时间(d)；Rday为时段内第i天的降水量(mm)；Qsurf为时段内第i天的地表径流量(mm)；Ea为时段内第i天的蒸发蒸腾量(mm)；Wseep为第i天存在于土壤剖面地层的渗透量和侧流量(mm)；Qgw为第i天的地下含水量(mm)。

2.2 模型结构

模型计算设计：地表径流、地下水、土壤水及河道汇流，其模型结构框图(图1)。

图1 SWAT模型结构示意图

1) SWAT模型通过对大气降水的判断，控制水量平衡，模拟降水的时空分布;2) 模型通过降水入渗到土壤中的水分即为土壤水，土壤水中部分通过土表蒸发、部分被植被吸收蒸腾，而部分渗漏到深层补给含水层，也可在土层中侧向运动补给地表水，以保持土壤水量平衡;3) 模型通过水文响应单元产生的地表径流，运用输移、池塘湿地及渗透渗漏等方式进入地下水;4) SWAT模拟地下水含有2类含水层，一个是浅层含水层，属于潜水含水层，最终汇入子流域的主河道或河段中,另一个是深层含水层，属于承压含水层;5) 模型主河道的水量平衡依靠SWAT模型本身提供的河道汇流，河道水量平衡过程主要包括：地表径流入流进入河道以后，即上游水源与子流域汇流(上游与本子流域汇流)、河道水面蒸发、灌溉、耗用、河岸蓄积、渗漏、向下游出流。

3 SWAT模型的应用现状

3.1 发表文章统计

为了解SWAT模型在非点源污染研究领域中的应用现状，利用“中国知网”、“万方数据库”和“ScienceDirect”进行了文件检索，论文检索年限设为≥2010年。中文论文检索范围设定为“主题”、“题名”、“关键词”、“摘要”、“全文”；检索词设为“SWAT模型”并含“非点源污染”+表征词(如负荷、控制等)。英文论文检索范围设定为“All Fields”；检索词设为“SWAT Models”并含“Non-point source pollution”、“Control”、“Nitrate loading”。

其检索结果如表1，从2010年到现在，SWAT模型在非点源污染研究方面的文章共检索到140篇，其中,中文91篇,英文49篇，中文文章较多，占所有检索文章的65%。在国外SWAT模型发展较早，而在国内SWAT模型的应用起步较晚，故相关领域的文章近几年也有陆续发表。根据文章内容，140篇文章可分为模型模拟类、负荷量化类、管理措施类、防治措施类、耦合应用类、机理探索类、输移研究类等7大类。其中，在中文文章中，模型模拟类占的比例最高，为48%；而英文文章中，7大类文章比例基本相近。

表1 SWAT模型对非点源污染的研究分类

3.2 应用现状

目前SWAT模型在美国、欧洲、亚洲、加拿大、北美寒区和非洲等地区均已得到广泛推广及应用，且不断得到发展[25]。SWAT模型不仅能够模拟非点源负荷，还可根据加载数据直观地体现非点源污染关键区域、非点源污染的输移等。同时，模型能够根据不同的管理措施及情景，评价不同的管理措施和研究对策，且能直观地呈现治理效果。

在国外，MiSeon Lee等[26]采用SWAT模型和QuickBird卫星影像评价了韩国西北部Gyeon gancheon流域非点源污染最佳管理措施的减排效果；Manoj Kumar Shrestha等[27]应用SWAT模型通过单站、多站点校准方式对南澳大利亚Onkaparinga catchment流域径流及营养物负荷的模拟结果进行对比评价；Michael J White等[28]使用SWAT模型研究了农业领域磷流失问题；Tracy J等[29]在东非大裂谷西南部Njoro流域，使用SWAT模型评估了土地利用对水资源的影响；Bannwarth M A 等[30]应用SWAT模型对泰国北部清迈Mae Sa流域进行了农药输移的模拟；Roy R Gu等[31]应用SWAT模型模拟了生物燃料对密西西比河流域作物生产的影响；El-Khoury A等[32]利用SWAT模型模拟了未来气候和土地利用变化对加拿大河流流域氮、磷含量的影响。

在国内，唐达方等[33]采用SWAT模型模拟了苏南丘陵非点源负荷，并在此基础上比较了不同土地利用、施肥情景及不同管理措施对非点源污染负荷的影响；王晓等[34]运用SWAT模型模拟了丹江口水库流域非点源污染最佳管理措施的减排效果，并根据其结果进行最佳管理措施的优选；原杰辉等[35]应用SWAT模型对石头口门水库库区农业非点源污染进行了模拟研究，建立了完整的数据库，对该地区农业非点源污染负荷进行了模拟计算，并分析了农业非点源污染负荷的时空分布。尹刚等[18]研究了SWAT模型在图们江流域的适用性，并建立了较为完善的非点源污染数据库，对图们江流域污染物的时空分布进行了研究。张展羽等[36]运用SWAT模型研究了长江下游岔河小流域氮磷流失的时空分布规律，并模拟了不同灌溉方式下的非点源氮磷输移；王晓青等[37]利用SWAT与MIKE21耦合模型研究了澎溪河流域的输沙量、氮、磷负荷量和水污染问题。水质研究领域方面，范丽丽等[38]、王晓燕等[39]、赖格英等[40]利用模型计算了大宁流域、密云县水库和太湖流域的非点源污染空间分布。他们发现，不同的土地利用造成了不同的非点源污染负荷，而在中国，农田一般提供了最高的非点源负荷，表明农业非点源污染是一个非常严重的问题。

总体而言，上述应用及研究表明，该模型对建模的非点源污染评估能够提供良好的模拟和预测结果。我国对非点源污染的研究起步较晚，在较长的一段时间内，其研究主要处于基础研究与SWAT模型的应用探讨。在国内，SWAT模型最初应用于模拟流域氮磷负荷的分布；随后，国内学者利用SWAT模型研究土地利用、气候等外界条件对非点源污染及其输移的影响；而近年来，国内学者在熟练掌握SWAT模型的基础上耦合多种模型，弥补了SWAT模型在某些领域不够完善的空缺，进行更精确的模拟和预测。而在国外，利用SWAT模型探讨非点源污染机理及最佳管理措施的基础上，近几年，更多的应用SWAT模型进行非点源污染的量化研究，以及农药、病原菌输移等的非点源污染研究。不断拓宽SWAT模型的应用领域，耦合其它模型提高模拟结果，将是我国在应用SWAT模型研究非点源污染的发展方向。

4 SWAT模型应用过程中存在的问题

大量研究结果表明，SWAT模型对模拟非点源污染方面具有较强适用性，可用于模拟多种环境过程，对于物质循环系统的考虑也较全面，不仅能够模拟水循环过程，还可通过地表径流以水循环为载体研究水土流失、营养物输移等，能够模拟的物质迁移种类多，并对流域的管理措施起决定作用。SWAT模型相关研究文档较丰富、开发时间长、应用广泛；且SWAT模型为半分布式模型，比完全分布式模型更易于理解和掌握，计算速度较快；相比概念性模型，SWAT模型更能体现水循环的物理机制，精度高，且能充分利用土地利用等遥感信息，累积了较丰富的基础数据库。这些使得SWAT模型既可以模拟较大流域，又适合应用于时间尺度的水文和物质循环研究，但SWAT模型在我国的推广应用过程中也仍存在一些问题，具体如下。

1) SWAT模型大气水分过程中的融雪模块，在结构上充分考虑了融雪和冻土对水文循环的影响，因此较适用于我国西北严寒地区。但由于SWAT模型运行所需输入参数及数据较多，一些数据监测在我国并未进行，导致数据不全，因此只能采用公式进行推到或软件自动默认，这使得构建的数据库在反应模拟结果时状况或精度不尽人意。

2) SWAT模型模拟地下水过程中，将地下水概念性的分为浅层地下水和深层地下水，只考虑了地下水水量平衡，没有考虑地下水位，导致子流域间的地下水相互独立，因此SWAT模型在平原区的模拟效果并不理想。

3) SWAT模型在水循环机理如灌溉、潜水蒸发、地下水循环等方面的模拟结果有所欠缺，且SWAT模型中还欠缺水量平衡误差分析与物质平衡误差分析。同时，由于灌区强烈的人为因素干扰，SWAT模型的研究均围绕自然流域的水文过程，应用到平原灌区时空间结构上存在差异。因此，构建适用于灌区的分布式水文模型，也是SWAT模型在我国应用过程中的一大研究方向。

4) SWAT模型应用过程中，模型要对土地利用及土壤属性数据库进行相应的转换，但由于SWAT模型最初开发于美国，很多模型自带的数据库不适用或无法在我国运行，极大的限制了该模型在我国的广泛应用。

5) SWAT模型要进行精准的模拟,需大量精确数据支撑，而我国对模型应用起步较晚，且无法直接应用其自带数据库，导致资料缺乏地区无法进行模拟，模拟效果不佳。因此国内学者们对SWAT模型进行不断改进的同时，也采取SWAT模型与其它模型进行耦合的方式，弥补SWAT模型的缺点，提高了模型的模拟结果。例如，耦合MIKE21模型和WASP模型后，提高了模型对水动力水质及水质的模拟效果，模型结合参数移植法解决了资料缺乏地区的模拟问题等。如何利用遥感和GIS技术建立研究区基础地理信息库等仍将为SWAT模型在国内研究的重要方向。

5 结语

近年来，国内将SWAT模型大量应用到非点源污染研究中，同时，应用过程中根据我国情况对模型进行了相应的改进，以便模型在我国非点源污染的管理、规划等方面得到更广泛的应用。SWAT模型的推广过程中，在完善SWAT模型本身机理之外，加强对非点源污染的重视，完善我国在非点源污染方面制度，才能更好的将SWAT模型应用的非点源污染研究领域。

[1] Dennis LC,Peter VJ,Keiht L.Modeling NonPoint Souree Polliuton In Vadose Zone Wiht GIS[J].Evniromnenatl Science And Technology,1987(08):2157-2175.

[2] 王玉合,张贵文.SWAT模型简介及其在非点源污染研究中的应用[J].科技广场,2008(05):116-119.

[3] Mehdi B,Ludwig R,Lehner B.Evaluating the impacts of climate change and crop land use change on streamflow,nitrates and phosphorus:A modeling study in Bavaria[J]. Journal of Hydrology:Regional Studies,2015(04):60-90.

[4] Shang X,Wang X Z.An improved SWAT-based computational framework for identifying critical source areas for agricultural pollution at the lake basin scale[J].Ecological Modelling,2012,226:1-10.

[5] 阮晓红,宋世霞,张瑛.非点源污染模型化方法的研究进展及其应用[J].人民黄河,2002,24(11):25-29.

[6] Coffey R,Cummins E.Development of a pathogen transport model for Irish catchments using SWAT[J].Agricultural Water Management,2010,97:101-111.

[7] 马蔚纯,陈立民,李建忠,等.水环境非点源污染数学模型研究进展[J].地球科学进展,2003,18(03):358-366.

[8] 梁博,王晓燕,曹利平.我国水环境非点源污染负荷估算方法研究[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2004(03):58-62.

[9] Francois L,Denis R.Assessing impacts of alternative land use and agricultural practices on nitrate pollution at the catchment scale[J].Journal of Hydrology,2011,409:440-450.

[10] 唐海峰,杨昆.基于GIS与SWAT的洱海流域农业非点源污染模拟研究[J].安徽农业科学,2012,40(11):6747-6749.

[11] 赖格英,吴敦银.SWAT模型的开发与应用进展[J].河海大学学报(自然科学版),2012,40(03):243-251.

[12] 郑一,王学军.非点源污染研究的进展与展望[J].水科学进展,2002,13(01):105-110.

[13] Steven K,Frey A.Using SWAT, Bacteroidales microbial source tracking markers, and fecal indicator bacteria to predict waterborne pathogen occurrence in an agricultural watershed[J].Water Research,2013,47:6326-6337.

[14] Neitsch S L,Arnold J G,Kiniry J R,et al.Soil and Water Assessment Tool Theoretieal DocumentationVersion 2000[EB/OL].http://www.doc88.com/p-615600685550.html.2002.

[15] Neitsch S L,Arnold J G,Kiniry J R,et al.Soil and Water Assessment Tool Theoretieal Documentation Version 2005[EB/OL].http://www.doc88.com/p-031733902622.html.2005.

[16] Neitsch S L,Arnold J G, Kiniry J R,et al.Soil and Water Assessment Tool Users’Manual Version 2000[M].Temple,Texas:Texas Water Resources Institute,College Station,2002.

[17] 高燕,于兴修,张永坤,等.SWAT模型在非点源污染研究中的应用与展望[J].水利科技与经济,2013,19(12):15-17.

[18] 尹刚.基于SWAT2000的图们江流域氮磷营养物非点源污染研究[D].长春：东北师范大学,2009：2-6.

[19] 汤洁,刘畅,杨巍，等.基于SWAT模型的大伙房水库汇水区农业非点源污染空间特性研究[J].地理科学,2012,32(10):1427-1428.

[20] 田彦杰,汪志荣,张晓晓.SWAT模型发展与应用研究进展[J].安徽农业科学,2012,40(06):3480-3483.

[21] 康杰伟,李硕.SWA模型运行结构及文件系统研究[J].地球信息科学,2007,9(05):78-79.

[22] 王中根,刘昌明,黄友波.SWAT模型的原理、结构及应用研究[J].地理科学进展,2003,22(01):79-81.

[23] Neitsch S L,Arnold J G, Kiniry J R,et al.Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation Version 2005[EB/OL].http://www.brc.tamus.Edu/swat/2005.

[24] Neitsch S L，Amold J G，Kiniry J R，et al.Soil and Water Assessment Tool User’s Manual Version 2000[M]．Temple，Texas:Texas Water Resources Institute，College Station，2002：12-472.

[25] 宁吉才,刘高焕,叶宇，等.SWAT模型降水输入参数的改进研究[J].自然资源学报,2012,27(05):866-867.

[26] Lee M S,Park G A ,Park M J,et al. Evaluation of non-point source pollution reduction by applying Best Management Practices using a SWAT model and QuickBird high resolution satellite imagery[J].Journal of Environmental Sciences,2010,22(06):826-833.

[27] Manoj K S,Friedrich R.Assessing SWAT models based on single and multi-site calibration for the simulation of flow and nutrient loads in the semi-arid Onkaparinga catchment in South Australia[J].Agricultural Water Management.2016,175:61-71.

[28] White M J,Storm D E,Busteed P R, et al. A quantitative phosphorus loss assessment tool for agricultural fields[J]. Environmental Modelling & Software,2010(25):1121-1129.

[29] Baker T J,Miller S N.Using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to assess land use impact on water resources in an East African watershed[J].Journal of Hydrology,2013,486:100-111.

[30] Bannwarth M A,Sangchan W,Hugenschmidt C,et al.Pesticide transport simulation in a tropical catchment by SWAT[J]. Environmental Pollution,2014,191:70-79.

[31] Gu R R,Sah M K,Jha M K.Simulating the impacts of bio-fuel crop production on nonpoint source pollution in the Upper Mississippi River Basin[J].Ecological Engineering,2015(74):223-229.

[32] El-Khoury A,Seidou O,Lapen D R,et al.Combined impacts of future climate and land use changes on discharge,nitrogen and phosphorus loads for a Canadian river basin[J].Journal of Environmental Management,2015(151):76-86.

[33] 唐达方,刘薇,王翠文.SWAT模型在丘陵地区的非点源污染模拟研究[J].水利科技与经济,2010,16(11):1267-1270.

[34] 王晓,郝芳华,张璇.丹江口水库流域非点源污染的最佳管理措施优选[J].中国环境科学,2013,33(07):1335-1343.

[35] 原杰辉.SWAT模型在农业非点源污染研究中的应用——以石头口门水库汇水流域为例[D].长春：吉林大学:2009.

[36] 张展羽,司涵,孔莉莉.基于SWAT模型的小流域非点源氮磷迁移规律研究[J].农业工程学报,2013,29(02):93-100.

[37] 王晓青,李哲.SWAT与MIKE21耦合模型及其在澎溪河流域的应用[J].长江流域资源与环境,2015,24(03):426-432.

[38] 范丽丽,沈珍瑶，刘瑞民,等.基于SWAT模型的大宁河流域非点源污染空间特性研究[J]. 水土保持通报,2008,28(04):133-137.

[39] 王晓燕,秦福来,欧洋,等.基于SWAT模型的流域非点源污染模拟——以密云水库北部流域为例[J].农业环境科学学报,2008,27(03):1098-1105.

[40] 赖格英,于革.太湖流域营养物质输移的模拟评估研究[J].河海大学学报(自然科学版),2007,35(02):140-144.

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 基金项目：国家自然科学基金(51269032)；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2015]第39号)

王序驰(1992—),女,吉林延吉人,在读硕士,研究方向为环境科学。金明姬为通信作者，

E-mail: jinmingji@ybu.edu.cn

1004-7999(2016)03-0271-06

10.13478/j.cnki.jasyu.2016.03.017

X52

A