SWAT模型发展与应用研究进展田彦杰;汪志荣;张晓晓【摘要】Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is one of the most widely used hydrological models in the world. The development of SWAT model was described, the primary advances were summarized in application of SWAT model in the fields of hydrological analysis, nonpoint source pollution simulation, the impacts of environmental changes on hydrology, best management practices (BMPs) evaluation, crop yield estimation and the combined SWAT model with other models. Finally,the problems and insufficiencies which exist in the model were discussed,and the main recommended research needs for using SWAT well in China were also presented.%SWAT模型是国际上被广泛应用和认可的分布式流域环境模型之一.对SWAT模型及其发展和应用进行了分析,综述了模型在水文过程模拟和分析、非点源污染、环境变化下的水文响应、最佳管理措施对流域的长期影响、作物产量以及与其他模型联用等方面的最新应用进展,并探讨了模型存在的问题及我国应用SWAT模型的发展方向.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】5页(P3480-3483,3486)【关键词】SWAT模型;水文分析;非点源污染;环境变化;最佳管理措施【作者】田彦杰;汪志荣;张晓晓【作者单位】天津理工大学环境科学与安全工程学院,天津300384;天津理工大学环境科学与安全工程学院,天津300384;天津理工大学环境科学与安全工程学院,天津300384【正文语种】中文水文模型是水文学研究的重要方法之一，也是研究自然界土壤、生态、环境变化与自然水文关系的基础。
分布式流域水文模型是重要的一类水文模型，具有能够更准确地从机理上描述水文过程同时能够有效运用现代计算机技术、“3S”技术的优点，已成为近年来国际上现代水文模型研究的热点和未来水文模型发展的方向。
其中SWAT模型以其强大的功能、先进的模块化结构、高效的计算、免费的程序源代码、友好的输入输出模式和界面、专门的网络交流平台等优势迅速在世界范围内得到了广泛的应用和发展，成为具有重要国际影响的分布式水文模型。
笔者对SWAT模型及其发展和应用研究进行了综述，并探讨了模型存在的问题及我国应用SWAT模型的发展方向，以期为水文模型的进一步研究与开发提供参考。
1SWAT模型及其发展水文循环是自然界最重要的也是影响广泛的物质循环之一。
在水文循环过程中，参与和影响水文循环的各个要素都不断发生着物理、化学和生物变化。
水文循环是大气圈、植被圈、土壤圈、水圈等环境中物质和能量输移的载体。
SWAT(Soil and Water Assessment Tool)［1］模型是在水文循环模拟的基础上，将参与和影响水文循环的各要素变化过程进行模拟和分析的一种基于流域尺度的分布式水文模型。
模型物理基础强［2］，采用日连续空间分布式参数，将流域分成子流域和多个水文响应单元(HRU，Hydrologic Response U-nit)，各HRU独立计算物质循环及其关系，进行汇总演算求得流域的水量平衡要素。
模型分为陆面水文过程和水面/汇流过程两部分，其中陆面水文过程中考虑了水文、气象、泥沙、土壤温度、农作物生长、营养物、杀虫剂和农业管理8个模块对系统的贡献;水面/汇流过程中通过河道径流演算、水库水量平衡与演算2个模块完成流域的水文循环和物质输移。
模型不仅可分析流域内的水文循环过程，也可研究流域中环境要素(土壤、植物、大气等)变化对水文循环的影响。
SWAT模型开发后已通过了美国环保署组织的关于模型性能、模拟精度等方面的全方位评价，也经过了全北美包括不同土地利用、作物植被、降雨、农业管理方式等数千种不同条件下的校准和验证［3］。
验证工作基于庞大而扎实的野外调查，在各水文响应单元水平上进行。
模型基本做到了在任何地区的水文响应单元、任何给定降雨条件下都可得到与实际产流情况近似的结果。
近年来SWAT模型在北美、欧洲、亚洲、非洲等地区都得到了应用和推广。
SWAT模型是由SWRRB模型(包括田间尺度非点源污染模型CREAMS、地下水污染物对农业生态系统影响的GLEAMS模型、作物生长模型EPIC)逐步发展起来的。
20世纪90年代，在美国农业部农业研究中心Aronld博士主持下，将SWRRB模型与河道演算ROTO模型整合成SWAT模型。
至2011年，SWAT已发布7个版本，各版本都有诸多改进［2］。
SWAT模型与GIS集成(SWAT/GRASS界面、AVSWAT界面、ArcSWAT界面)大大提高了SWAT模型在数据管理、参数提取、结果表达等方面的效率。
在实际应用中，根据研究的重点对象和研究区域环境的不同，各国学者在各版本基础上进行了一系列的改进与扩展(图1和表1)。
2SWAT模型的应用研究SWAT模型可应用在水文分析、非点源污染模拟、环境变化下的水文响应、最佳管理措施(Best Management Practices，BMPs)对流域环境的长期影响评价等方面，在作物产量模拟和与其他模型联用方面也展现出广阔的应用前景。
2.1 水文过程模拟和分析水文模拟是SWAT模型在流域模拟应用的基础，不仅可模拟流域径流，也可对水量平衡中的各水文要素进行定量分析，从而得到流域的整个水循环过程。
Milewski等［22］应用SWAT定量分析埃及 Sinai Peninsula和Eastern Desert 部分流域降雨和径流间关系发现，1998～2007年两地平均年径流量分别占平均年降雨量的17.1％和9.6％。
于磊等［23］基于SWAT模型对漳卫南流域的水量过程和水量平衡的模拟结果表明，流域内的来水项主要是降雨和灌溉水量，去水项主要是腾发量和汛期的径流量。
近年来国内外对绿水资源［24］及其功能评价研究在水资源评价和水文学研究中逐渐被重视。
SWAT模型可直接输出蓝、绿水资源的不同分量，分析流域蓝水绿水资源量的时间、空间分布特征。
Schuol等［25－26］分别应用 ArcSWAT 和SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting Algorithm)模拟分析了非洲大陆和伊朗蓝、绿水资源，为干旱半干旱国家统一分析蓝绿水资源方法提供了基础。
图1 SWAT模型的发展历程(修改自参考文献［2］)表1 SWAT模型的主要改进内容参考文献应用地区/流域主要改进内容［4］美国堪萨斯州Rattlesnake Creek流域地下水模型MODFLOW结合，可模拟连续流域内地表径流、地下水和河流－含水层相互作用［5］德国中部低山地区针对研究地区主要为陡坡和覆盖在岩石上的浅层土壤含水层，产流形式主要以壤中流的特点，改进SWAT模型的入渗和壤中流的计算方法［6］比利时Dender流域改进为以小时为步长，并对其地表径流和河道汇流模块进行改进［7］德国多个中尺度流域改进水质模块，与非点源污染模型MATSALU模型结合、与GRASS集成，为中尺度流域(100～10 000 km2)水文和水质模拟提供一个综合性工具［8－9］美国爱荷华州Walnut Creek 基于SWAT2000增加了地下瓦管排水算法，更准确地预测以地下瓦管排水为主的谷物种植带的产流量，并成功模拟流域硝态氮和阿特拉津［10］德国东部地区结合脱硝－分解(DeNitrification-DeCompositionModel，DNDC)模型修改SWAT2000的氮循环模块，提高对氮循环尤其是氮素淋溶的模拟精度［11］加拿大北部森林流域增加了枯枝落叶层组件和计算坡度、坡向对可接受太阳辐射影响的算法，并改进了湿地模块［12］美国德克萨斯州可模拟流域内河道冲刷率，以适应城市化流域土地利用变化，不透水地面、下水道和排水频率、强度增加导致河道下切、变宽的情况［13］美国Cannons-ville流域引入地形湿度指数重新定义HRUs，使径流模拟更符合以农村、潮湿地区等可变源区VSAs(Variable Source Areas)为主的地区产流过程［14］韩国Musimcheon 流域以SWAT的HRU和MODFLOW的有限差分网格(Cell)为基本交换单元，构建HRU-cell转化界面，以准确模拟区域地下水的动态变化［15］北非突尼斯干旱地区包含可集中和利用地表径流供上游子流域作物生长的集水系统，同时修改了作物生长模块，以此研究干旱地区农业集水对水平衡的影响［16－17］中国内蒙古河套灌区将CERES作物模型、SWAT模型、MODFLOW地下水动力学模型集成，并对其关键过程及在典型流域应用进行研究［18］太湖流域西苕溪流域分别与水质模型QUAL2E和QUAL2K耦合表明，枯水期河道水质模型对流域面源模拟影响不容忽视，QUAL2K可明显提高SWAT模拟精度［19］海河流域以河水可生化降解特性参数为依据对水质模块的改进，完善了模型对BOD指标的模拟和增加了COD指标的模拟功能［20］江西兴国县试验区分析SWAT空间离散单元组织和输入文件结构，开发出输入文件定制的类库和输入参数调整的功能模块，实现了高效集成到不同系统的功能［21］徐州市张集地区将SWAT与MODFLOW 模型耦合并将其应用于地下水模拟计算2.2 非点源污染的模拟研究非点源污染是水环境的主要污染形式，水文模型为非点源污染模拟与预测提供了基础研究手段。
SWAT模型可有效评估不同尺度下非点源污染并识别污染关键区域，建立不同管理情景评价不同管理措施的效果。
SWAT模型被广泛应用于营养物质、杀虫剂、泥沙、管理措施、TMDL(TotalMaximum Daily Loads)水质分析等方面对流域非点源污染产生及输移的贡献［27］。
Chiang等［28］评估了土地利用变化和放牧管理对流域产沙和N、P流失的影响，结果显示牧区营养物施用量增大引起Beatty流域总氮流失增加，城市用地导致Moore Creek子流域中产沙和氮流失增加。