（环境科学专业论文）基于swat的流域下垫面变化的水文响应研究.pdf

s t u d y o nh y d r o l o g i c a lr e s p o n s et ob a s i n u n d e r l y i n gs u r f a c ech a n g e b a s e do ns w a t a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e re n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa r er e s e a r c hh o t s p o t so fg l o b a l e n v i r o n m e n t a li s s u e s t h ew a t e r s h e du n d e r l y i n gs u r f a c e ，w h i c hi so n eo fi m p o r t a n tf a c t o r s t h a ti n f l u e n c et h eh y d r o l o g i c a lc y c l e ，h a sb e e nc h a n g e dd u et oi m p r o p e rh u m a na c t i v i t i e s ，a n d i tr e s u l t si nt h ec h a n g i n go fh y d r o l o g i c a lp r o c e s s t h e r e f o r e ，s t u d y i n go nh y d r o l o g i c a l r e s p o n s et ob a s i nu n d e r l y i n gs u r f a c ec h a n g ei ss i g n i f i c a n tf o rp r o t e c t i n gw a t e rr e s o u r c e sa n d f o r m u l a t i n ge c o l o g yp l a n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , r e m o t es e n s i n ga n dg i st e c h n o l o g i e s ，d i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e lh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tm e a n so fh y d r o l o g i c a lp r o c e s ss t u d i e s t h e p h y s i c a l l y b a s e ds w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) m o d e l ，w h i c hi sd e v e l o p e db y u s d a ，h a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nh y d r o l o g i c a lr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h eu p p e rz h a n gr i v e rw a t e r s h e do fh a ir i v e rb a s i ni ss e l e c t e d t h es w a t m o d e li sa p p l i e dt ot h es t r e a m f l o ws i m u l a t i o no ft h i sa r e a ，a n dt h e nt h eh y d r o l o g i c a lr e s p o n s e t ob a s i nu n d e r l y i n gs u r f a c ec h a n g ei nd i f f e r e n ts c e n e si ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h em a i n c o n c l u s i o n so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cd a t ao fu p p e rz h a n gr i v e rw a t e r s h e da r ec o l l e c t e da n dt h ed a t a b a s eo f m o d e li sc o n s t r u c t e db yp r o c e s s i n gm a p s ，c a l c u l a t i n gp a r a m e t e r sa n dc h a n g i n gf i l ef o r m a t ( 2 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i f f e r e n tp a r t i t i o nn u m b e r so fs u b b a s i na n dt h er e s u l t so f s t r e a m f l o ws i m u l a t i o ni sa n a l y z e da n de v a l u a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep a r t i t i o nl e v e l o fs u b b a s i nc a u s e si n f u e n c ei nr i v e rn e t w o r kg e n e r a t i o na n ds t r e a m f l o ws i m u l a t i o n i no r d e r t oe n s u r et h en a t u r a lc o n d i t i o n so fh y d r o l o g i c a lp r o c e s s ，t h eu p p e rz h a n gr i v e rw a t e r s h e di s d e l i n e a t e d3 7s u b b a s i n sw i t ha r e at h r e s h o l dv a l u eo f3 0 0 k i n 2 f 3 ) t h ev a l u e so f8s e n s i t i v ep a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d ，w h i c hm a k et h ec a l i b r a t i o n p r o c e s sm o r er e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e t h r o u g hc o m p a r i s o no ft h er e s u l t so ft w oc a l i b r a t i o n m e t h o d s ，t h ep a p e rf i n d st h a tc a l i b r a t i n gf r o mu p s t r e a mt od o w n s t r e a m h a sb e t t e rs i m u l a t i o n r e s u l tt h a nc a l i b r a t i n gi nt o t a lo u t l e td i r e c t l y f 4 1t h er e l a t i v ec o e f f i c i e n ta n dn a s h s u t t c l i f i ec o e f f i c i e n to fs t r e a m f l o wi n c a l i b r a t i o n p e r i o df r o m2 0 0 1t o2 0 0 4a r es a t i s f a c t o r y , w h i l ei nv e r i f i c a t i o np e r i o df r o m2 0 0 6t o2 0 0 9a r e u n s a t i s f a c t o r y t h em a i nr e a s o ni st h a tt h eo b s e r v a t i o n a ld a t af r o m2 0 0 6t o2 0 0 9a r ed i f f i c u l t t or e f l e c tt h eh y d r o l o g i c a lp r o c e s si nn a t u r a lc o n d i t i o n sa n dt h ed a t ao fw a t e rr e s o u r c e s u t i l i z a t i o ni sl a c k e d ( 5 ) d i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c es c e n e sa r es e tu pu s i n ge x t r e m e a n ds p a t i a lc o n f i g u r a t i o n m e t h o d s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fh y d r o l o g i c a lp r o c e s si ne a c hs c e n e ，t h ep a p e rm a n a g e s t o a n a l y z eq u a l i t a t i v e l y t h ee f f e c t so fu n d e r l y i n gs u r f a c ec h a n g eo nm a n yh y d r o l o g i c a le l e m e n t s ， i n c l u d i n go fs u r f a c er u n o i f , w a t e ry i e l d ，e v a p o t r a n s p i r a t i o na n dp e r c o l a t i o ni nl a n dp h a s ea n d s t r e a m f l o w , e v a p o r a t i o nl o s s e s ，t r a n s m i s s i o nl o s s e si nr o u t i n gp h a s e t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h ec h a n g eo fu r b a nl a n dc a u s e sd r a m a t i ci n f l u e n c ei ne a c hh y d r o l o g i c a le l e m e n t t h e i n c r e a s e du r b a na n df a r m l a n dl e a dt or e d u c e dp e r c o l a t i o n a n di n c r e a s e ds u r f a c e r t l n o f f , w a t e r y i e l da n ds t r e a m f l o w f o r e s th a st h ec a p a c i t yf o rw a t e rr e t e n t i o n i no r d e rt or e d u c ew a t e r l o s s e sa n ds o i le r o s i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n v e r tf a r m l a n dt of o r e s tp r o p e r l yi nt h eb a s i n k e yw o r d s ：u n d e r l y i n gs u r f a c e ，s w a t , s u b b a s i np a r t i t i o n ，s t r e a m f l o w , h y d r o l o g i c a lr e s p o n s e 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 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，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h 向水文循环 的各个要素都不断发生着物理、化学和生物变化，其中下挚面的变化对水文过程的影响 是不容忽视的，由于人类活动改变了下垫面的利用和覆被状态，在一定程度上引起了水 土流失、水污染、洪水等严重的生态问题，也加剧了水资源短缺和配置之问的矛盾。复 杂的下垫面变化在不同时空关系下对水文循环产生何种影响、如何在确保生态平衡的条 件下合理有效的进行土地利用分配等问题都成为当今研究的重点所在。与此同时，随着 现代科学技术的不断发展，寻找对下垫面变化的水文响应研究的简便易行且行之有效地 方法，以适应现代化的水资源数字管理平台也显得尤为关键。 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、“3 s ”技术的优点，已经成 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s w a t 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。 海河流域是我国七大流域中水资源最缺乏的流域，而漳河作为海河流域南系的重要 河流，其水资源状况也令人堪忧，尤其是漳河上游地区，由于水资源短缺并涉及相邻三 省的用水利益问题，成为全国水事纠纷最为严重的地区之一。近年来，人类活动逐渐加 剧，随之引起的土地利用方式等下垫面因素变化对该区的水资源影响也愈发明显。 本研究以漳河流域上游地区为研究区，借助于s w a t 模型，模拟研究区的水文过程， 并在此基础上，通过建立多种情景，改变研究区的土地利用方式，模拟预测不同下垫面 条件下的水文过程变化，定量分析下垫面变化与水文要素变化之间的关系，以期进一步 了解下垫面变化下的水文响应机理，继而为该地区合理规划和改善土地利用情况、进行 生态恢复提供参考和建议，并为分布式s w a t 模型在该区的实际应用奠定基础，对流域 的现代化数字管理具有深远的实际意义。 1 2 下垫面变化的水文响应研究进展 1 2 1 下垫面对水文过程的影响研究 下垫面( u n d e r l y i n gs u r f a c e ) 是指与大气下层直接接触的地球表面。一般水文学上 研究的下垫面称为水文下垫面，按通常的理解，水文下垫面是指地表各类覆盖物所组成， 第一章绪论 并能影响水量平衡及水文过程的一个综合体，包括体表面的岩石、土壤、植被和水域等 各种要素【1 1 。 水文过程是水文要素( 包括降水、入渗、径流、蒸发等) 在时间上持续变化或周期 变化的动态过程。大气降水在落至地面以前首先被地表植被截留，被截留的水量以蒸散 发的形式消耗；降水到达地面后，满足填洼和入渗之后，将产生地表径流流至河道，此 过程中也会伴随发生蒸发和下渗，下渗的水量一方面以壤中流的形式进入河道，一方面 进入深层地下水；进入河道的水量同地下水之间会发生互相交换，同时也会以蒸发的形 式进入大气。 下垫面变化对水文过程的影响主要表现在对水分循环和对水质水量的改变作用上， 主要影响水分在流域中的再分配与运行过程。降水落至地面后，在形成径流的过程中会 受到流域内的地形、地质、植被、土壤等自然地理特征和河长、河网密度、水系形状等 河系特征等下垫面因素的影响，改变了流域的水平衡和水文循环过程。 目前，国内外对下挚面变化的水文响应研究多集中在土地利用覆被变化的水文水资 源效应上，即由于人工系统对自然系统作用，使流域的土地利用和覆被状态在不同程度 上发生了改变，进而影响了流域的水文循环和水资源形成过程。自1 9 7 0 年以来，一些 国际组织就先后开展了土地利用覆被变化的水文水资源效应研究，如国际地球生物圈 计划( i g b p ) 就把其作为全球变化的重要研究内容之一【2 j 。土地利用覆被变化主要考 虑森林植被、农业活动、城市化等几个方面对水文过程的影响。 ( 1 ) 森林对水文过程的影响 国内外学者在森林对水文过程的影响研究方面的工作开展的相对较早。森林对水文 过程的影响在林冠截留、枯枝落叶层截持水、林地蒸散发、林地土壤水分入渗及贮水等 诸多方面均有体现。从国内外研究现状来看，在森林与水文循环的关系中的一些主要问 题存在者一定的争议【3 j 。因为森林是一种复杂的多功能生态系统，不同地域不同森林类 型所表现出的生态功能有所差异，在森林水分循环的各个环节中，既有共性的一面，同 时，由于地域不同和森林类型的多样性又存在着差异的一面，森林对各水文要素的影响 关系的研究结果甚至出现相反的结论。 森林对径流的调节作用是显著的，但对其影响结果存在3 种不同观点：高覆被率 的森林植被可增加年径流量；高覆被率的森林植被可减少年径流量；森林植被覆盖 率的高低与径流量之间无明显关系。国内外大量研究表明，森林植被的增加可以减少河 川径流量，在我国代表性的观点为北方地区森林植被覆盖率增加是流域径流量减少，而 在南方亚热带地区存在相反结论【4 j 。陈军锋等( 2 0 0 4 ) 【5 】研究了长江上游梭磨河流域不 同土地覆被变化对径流洪峰流量的影响，结果显示，径流深会随着流域下垫面由无植被 覆被到全为林地覆被的变化而减小，在相同的洪水重现期，流域下垫面在全为林地覆被 的情况比没有植被覆被的情况时的洪峰量可减少3 1 2 。马雪华( 1 9 8 7 ) 【6 】对四川岷江 流域米亚罗地区高山冷山林水文作用研究发现，高山森林具有增加年径流量、减少洪峰 流量等重要作用。 森林蒸散发是森林生态系统水分循环和能量平衡的重要因素之一，为森林的物理蒸 发( 包括冠层截留损失、地被物截持水分蒸发、林内地表蒸发) 和森林植物蒸腾( 由植 第一章绪论 物根系吸收土壤水分进行) 之和。p a u l o 等( 1 9 9 5 ) 【7 】对中部亚马逊典型热带雨林区的 水量平衡研究发现，总蒸散量为降雨量的6 7 6 。国内，康文星等( 1 9 9 2 ) 哺j 通过对杉 木人工林集水区径流场连续6 年的水文测定数据研究得到，杉木人工林年均蒸散发量在 在降雨量中占有很大比重，高达8 1 3 ，其中总蒸发量的三分之一以上是由林冠截留雨 量的直接物理蒸发量。 ( 2 ) 农业活动对水文过程的影响 农业用地不仅改变了下垫面覆被状况，不同的农业耕作方式也对流域的水文过程存 在一定的影响。由于土地的耕地化，改变了土壤原有的结构，使得同种土质的土壤也会 出现不同的产汇流过程，从而改变了流入产流和土壤下渗和土壤含水量等水文要素。若 农业活动导致土壤较原来结构被压实，会在一定程度上增加流域产流；而实行翻耕等耕 作措施，增大了表面土壤的空隙，则会导致产流量减小。 m a i c o s 等( 2 0 0 3 ) 【9 】对葡萄牙t o c a n t i n s 河流域的下垫面变化的水文效应研究分析， 随着农业用地的增加，流域的蒸散发逐渐i ) d d , ，年径流量增加。夏军等( 2 0 0 7 ) 【iu j 通过 农业翻耕试验研究，发现翻耕之后的土壤产流时间明显退后，产流达到稳定的状态也很 缓慢，产流量也减小，并认为离流域出u 较近地区的耕作措施是影响流域产汇流过程的 主要因素。王根绪等( 2 0 0 5 ) 【l i l 研究了河西走廊西部马营河流域1 9 6 7 2 0 0 0 年土地利用 变化对河流径流的影响，结果显示，流域近4 0 年来灌木林地和草地的大面积减少，而 耕地面积的大幅度增加是导致流域年径流量和基流量显著减少的根本原因。杨君等 ( 2 0 0 9 ) 1 2 1 在对区域土地利用变化对水资源的影响研究中发现，邢台市平原地区农作物 为主要土地覆盖，耕地面积的变化对地下水资源影响很大，地下水资源超采主要是由于 农作物需水量的增加导致的。 ( 3 ) 城市用地对水文过程的影响 随着城市化的发展，人口、建筑物及工商企业的高度密集，使城市气候和下垫面条 件均发生显著的变化，同时也出现了城市气候的热岛效应、城市地区的雨岛效应。目前， 多以流域内不透水面积占总面积的比数来表示城市化的程度，多数研究表明，当不透水 面积比超过2 0 时，城市化影响表现明显。 城市下垫面条件的改变对降雨径流影响很大，由于下垫面不透水面积的增加，使城 市集水区天然调蓄能力减弱。城市地区降雨后，城市地区的下垫面结构加快了雨水的汇 流速度，增大了径流系数。同时地面硬化还会提前降雨径流过程线洪峰的出现时间， 增大洪峰流量，过程线与植被覆盖较好的绿地区相比，会变的峰高坡斛1 3 】。国外早期研 究结果显示，城市化后的降雨径流过程与城市化前的相比，洪峰流量增大近3 倍，过 程线上涨时间缩短近1 3 1 4 】，而径流总量和洪峰流量增加的程度直接受建设用地扩展幅 度的影响【l 引。据研究，北京市郊区的大雨径流系数在0 2 以下，而市区的通常在0 4 0 5 之间，对成都市区地表径流系数统计发现，径流系数高达0 7 5 0 8 5 t j ：p a u l 等( 2 0 0 1 ) 【l 7 】研究估计，若城市不透水地面面积增加10 10 0 ，径流量将会相应增加2 0 0 5 0 0 。 通过合理绿化、采用透水性铺装等措施增大城市下垫面的透水面积，可减少城市用 地对水文过程的影响。徐振辞等( 2 0 0 7 ) 1 3 1 通过对城市不同下垫面条件的降雨径流进行 模拟试验，得到釉面砖、草皮砖、透水混凝土铺砖等铺装下垫面和草地下垫面条件对降 第一章绪论 雨累计入渗量和产生径流量的影响程度，认为釉面砖等不透水硬化地面严重影响水文循 环，采用透水性铺装等措施可防止城市洪涝危害。 ( 4 ) 各下垫面类型对水文过程影响的综合研究 在研究各种单一下垫面类型对水文过程的影响的同时，很多学者也对两者关系进行 了综合研究，比较了各种下挚面类型对水文过程影响的不同程度。 杨舒媛等( 2 0 0 8 ) 【俺】对金沙江中上游下垫面变化的水文过程响应研究，得到研究区 不同下垫面类型的蒸发量大小排序为：湖泊 城镇用地 林地 草地 裸地。谢平等( 2 0 0 7 ) 1 9 1 认为，不同土地利用类型的蒸发能力与其植被种类相关，而耕地的蒸发能力主要和耕 地中农作物的耗水量有关，如包含阔叶林等蒸腾能力较大植被的林地，蒸发能力大于一 般耕地，而主要种植玉米、冬小麦等耗水量大的农作物的耕地，蒸发能力就会大于主要 植被为灌木林地。 不同植被对土壤水分的利用状况不同，是影响土壤含水量的重要因素之一。以黄土 高原为例，胡梦瑶等( 2 0 0 3 ) 【2 0 】研究表明不同植被的土壤水分的利用率大小关系为：灌 木林地 天然草地 人工草地 乔木林地 农地，张北赢等( 2 0 0 6 ) 1 2 1 】也测得农林草地土 壤水分剖面( o - 4 m ) 存在显著差异，平均土壤含水量的大小关系为：旱农坡地 草地 柠条灌丛 果园 黄刺玫灌丛 刺槐林地。 不同的下垫面覆被类型改变了土壤的孔隙度、下渗时间等影响下渗的因素，导致不 同下垫面类型具有不同的下渗特征。植被覆盖不仅能增加土壤空隙度，而且可以阻滞地 表径流，延长下渗时间。王建等( 2 0 0 6 ) 1 2 2 1 对几种下垫面类型的入渗特征进行试验研究 发现，初始入渗率、平均入渗速率和稳渗率的大小关系均表现为留茬农地 耕地 荒草地 田间道路。 1 2 2 下垫面变化的水文响应研究方法 下垫面变化下的水文响应研究有多种方法，归纳起来主要是以下三种：试验流域研 究法、特征变量序列法和水文模型法。 ( 1 ) 试验流域研究法 从科学的研究方法上来看，下垫面变化在流域范围内水文效应的研究早期大都采用 试验流域的方法，包括单独流域法、控制流域法和平行流域法等 2 引。单独流域法，即 选择一个流域，通过改变流域下垫面类型，比较改变前后的水文过程；控制流域法， 即选择具有相似自然状况的两个流域，保持一个流域状态不变，作为控制流域，改变另 一流域的下垫面类型，分析两流域的水文变化情况；平行流域法，即选取两个除下垫 面覆被类型之外其他所有自然条件均相似的两个流域，直接比较两流域的水文差异。试 验流域研究法具有其局限性，首先，下垫面变化对水文过程的影响是一个长期连续的过 程，通过试验法进行研究试验周期长，因涉及对下垫面状况的改变，只能在小流域上进 行。另外，寻找两个自然状况完全相同的流域是不可能的，即使在同一个研究区，不同 时期的气候等条件也会发生变化，这都会对试验结果造成影响。 ( 2 ) 特征变量的时间序列法 特征变量的时间序列法是针对一个流域，选择其较长时间段上反映下挚面变化的水 第一章绪论 文效应的特征参数，如径流系数、径流变差系数、径流年内分配不均匀系数、平均洪峰 流量、蒸散发等，尽量排除其他因素的影响，通过分析特征变量的变化趋势来评估下垫 面变化的水文效应。张蕾娜等( 2 0 0 4 ) e 2 4 运用此方法评估云州水库流域水文效应的若干 参数，研究发现，土地利用变化和小水利工程建设等人类活动作用是导致流域径流量的 变化主要原因。该方法操作简单，物理意义明确，但缺乏机理基础，且特征变量受气候 变化等其他因素的影响难以排除，容易产生误差。 ( 3 ) 水文模型法 自1 9 7 0 年以来，国内外学者对下垫面变化的水文响应研究开始由传统的分析方法 转向水文模型法。首次尝试用水文模型法的研究是o n s t a d 等【2 5 l 于1 9 7 4 年利用水文模型 来预测土地利用变化对径流的影响。水文模型可以大致分为经验模型、集总式模型和分 布式模型三种类型。相对于经验模型和集总式模型，分柿式水文模型更加注重对水文机 理的描述，也可以更好的反映出流域内土地利用、植被覆盖、气候等变化要素的空问分 布对水文过程的影响。分布式水文模型与g i s 、r s 结合己成为水文学研究未来的发展 方向，借助g i s 、r s 在获取和处理空间数据方面的强大功能，分布式水文模型可以更 为快速准确的获取流域内河系水网、坡l j ：= 坡度、土地利用等空问数据信息，进而可以做 到更加准确地还原和预测流域内的水文过程。常见的水文模型有a g n p s 模型、h s p f 模型、t o p m i d e l 模型、s h e 模型、s w m m 模型、s w a t 模型等。 其中，s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 2 6 j 模型在世界范围内得到普遍应用， 这得益于模型强大的物理基础和模拟功能，并且可免费获取模型源代码、理论文件和用 户手册以及用户间的讨论和交流【27 1 。s w a t 模型是在水文循环模拟基础上，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。 模型为物理一概念模型【2 引，可灵活处理各种复杂条件和资料缺失问题，可利用自身模块 化结构，借助g i s 和r s 提供空间数据和气候、土壤特征等信息形成强大的模型数据库， 不仅可以分析流域内的水文循环过程，也可以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，并能对泥沙、营养物质进行模拟。 1 3s w a t 模型发展和应用研究进展 1 3 1s w a t 模型发展 尉：二窭隧二j 回一瓢j 卧：照二 s w r r b 多个子流域， 地表径流，地 下水回流，简 单的洪水演 算，泥沙演算 r o t o 河道演算lo i s # 面lr 叫：5 - 灌a t 9 4 2 卜一s w a t 9 6 2 畦厂l l 圃圃 一升l 一一l 改进级b 而鬲而b 6 赢忑b 瓦鬲习 幽倒倒倒倒倒倒倒匿 图i - is w a t 模型的发展历程( 修改自参考文酬2 9 1 ) f i g 1 1s c h e m a t i co fs w a td e v e l o p m e n t a lh i s t o r y ( a d a p t e df r o mr e f 1 第一章绪论 s w a t 模型是由s w r r b 模型( 包括田间尺度非点源污染模型c r e a m s 、地下水污 染物对农业生态系统影响的g l e a m s 模型、作物生长模型e p i c ) 逐步发展起来的。2 0 世纪9 0 年代，美国农业部农业研究中心a r o n l d 博士主持下，将s w r r b 模型与河道演 算r o t o 模型整合成s w a t 模型。至2 0 1 1 年，s w a t 已发布7 个版本，各版本都有诸 多改进【2 8 】。s w a t 模型与g i s 集成( 包括s w a t g r a s s 界面、a v s w a t 界面、a r c s w a t 界面) 大大提高了s w a t 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l 一1 和表1 1 为国内外对s w a t 模型改进应用的部分工作。 表1 - 1s w a t 模型的主要改进总结 t a b l e1 1s u m m a r yo fm a i ni m p r o v e m e n t so fs e l e c t e da d a p t a t i o n sf r o ms w a t 堕型垫匡! 速燮圭墨堕垫幽查 塞堕 美p 堪萝紫州 地卜- 水模型m o d f l o w 结合，可以模拟连续流域内地表径流、地- 卜水利 3 0 k 玳u e s 竺竺c r e e k 河流含水层相互作朋 况硪 德国中部低山地区 篡銎竿蠢嚣霁嬖尝鬟利产流形式主要以壤中流的特点，改进模型中入渗p 1 1 比s j l 对、+ d + e n d e 。 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 【3 2 】 德国多个中尺度流 改进水质模块，与1 卜点源污染模型m a t s a l u 模型结合、与g r a s s 集 3 3 域 成，为中尺度流域( 1 0 0 1 0 0 0 0 k m 2 ) 水文模拟提供综合性工具 美国爱荷华州 基于s w a t 2 0 0 0 增加了地下瓦管排水算法，更准确地预测以地下瓦管排【3 4 3 5 】 w a l n u tc r e e k 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 黧磊麓裂豪恭慕麓瀑泳淼淼誊引3 6 1 加拿大北部森林流 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 3 7 】 域并改进了湿地模块 美国德克萨斯州：掌掣橥嚣翼嬲型气差嚣篓糕絮岩蔷苏不透水地p 8 1 美国c a n n o n s v i l l e 引入地形湿度指数重新定义h r u s ，使径流模拟更符合以农村、潮湿地【3 9 】 流域 区等可变源区v s a s ( v a r i a b l es o u r c ea r e a s ) 5 白主的地区产流过程 韩国m u s i m c h e o n 以s w a t 的h r u 和m o d f l o w 的有限差分网格( c e l l ) 奠j 基本交换单元， 4 0 流域构建h r u c e l l 转化界面，以准确模拟区域地下水的动态变化 t l ；t 1 e 突尼斯干旱地 包含可以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 4 1 】 区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 中国内蒙古河套灌集成了c e r e s 作物模型、s w a t 模型和m o d f l o w 地下水动力学模型， 4 2 4 3 】 区并研究了集成的关键过程和在典型流域的应用 太湖流域西苕溪流 分别与水质模型q u a l 2 e 和q u a l 2 k 耦合表明，枯水期河道水质模型【4 4 】 域 对流域面源模拟影响不容忽视，q u a l 2 k 可明显提高s w a t 模拟精度 、。、。、+ 。 以河水可生化降解特性参数为依据改进了模型的水质模拟模块，完善了 4 5 僻刑衲“戳 模型对b o d 指标的模拟并增加了对c o d 指标的模拟功能 江西兴国县试验区萎墨湫蒙裟嬲苏粼嚣4 6 1 徐州市张集地区 将s w a t 与m o d f l o w 模型耦合并将其应用丁地下水模拟计算 4 7 第一章绪论 1 3 2 模型应用研究进展 1 3 2 1 模型应用方面 s w a t 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( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ，b m p s ) 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。 ( 1 ) 水文过程模拟和分析 水文模拟是s w a t 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。 m i l e w s k i 等( 2 0 0 9 ) 4 8 j 应用s w a t 定量分析埃及s i n a ip e n i n s u l a 和e a s t e r nd e s e r t 部分流域降雨和径流问关系发现，1 9 9 8 2 0 0 7 年两地平均年径流量分别占平均年降雨量 的1 7 1 和9 6 。于磊等( 2 0 0 7 ) 4 9 】基于s w a t 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，降雨和灌溉水量是流域的主要来水项，腾发量和汛期的径流量是 主要的去水项。 近年来国际上提出的“蓝水”( b l u e w a t e r ，指储存在河流、湖泊以及含水层中的水，) 和“绿水”( g r e e nw a t e r ，指降水转化为蒸散发的水) 的概念【5 0 5 2 j ，国内外绿水资源及 其功能评价研究正在起步，绿水资源已在水文学研究和水资源评价中逐渐得到重视。 s w a t 模型能够直接输出蓝水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。s c h u o l 等( 2 0 0 8 ) s 3 j 和f a r a m a r z i 等( 2 0 0 8 ) i s 4 j 分别应用a r e s w a t 和 s u f i 2 ( s e q u e n t i a lu n c e r t a i n t yf i t t i n ga l g o r i t h m ) 校准方法对非洲大陆和伊朗的蓝、绿 水资源进行模拟分析，为解决水资源短缺与粮食危机以及与干旱半干旱国家统一分析蓝 绿水资源方法提供了基础。吴洪涛等( 2 0 0 9 ) 5 5 】应用s w a t 在碧流河上游区建立了多角 度评估绿水的方法，认为绿水是水资源的最大组成部分且主要集中在主河道附近地区。 甄婷婷等( 2 0 1 0 ) 5 6 】采用s w a t 模型估算了伊洛河上游卢氏流域蓝、绿水资源量，并分 析了其时间、空间分布规律。 ( 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。s w a t 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 不同管理情景来评价不同管理措施的效果。s w a t 模型被广泛应用于营养物质、杀虫剂、 泥沙、管理措施、t m d l ( t o t a lm a x i m u md a i l yl o a d s ) 水质分析等方面对流域非点源 污染产生及输移的贡献【57 1 。 l a m 等( 2 0 1 0 ) 5 8 】对德国k i e l s t a u 流域进行了模拟，发现面源污染对流域的总氮含 量贡献占9 5 ，农业用地是引起流域面源污染的主要原因。c h i a n g 等【5 9 】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b e a t t y 流域总氮流失增加，城市用地导致m o o r ec r e e k 子流域中产沙和氮流失增加。 唐莉华等( 2 0 1 0 ) 6 0 】分析北京境内的温榆河流域非点源污染的时空产输出特性表明，非 点源输出汛期所占比例超过全年9 0 ，以轮作小麦及玉米为主的旱地污染负荷模数最 大，林地及果园较小。 第一章绪论 农业粪肥利用会引起水体细菌和寄生虫等污染。c o f f e y 等( 2 0 1 0 ) i o l j 应用s w a t 模型模拟了大肠杆菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 在爱尔兰集水区的运移过程，得到较满意的结 果。c o f f e y 等( 2 0 1 0 ) 首次应用s w a t 对爱尔兰f e r g u s 流域水体中隐孢子虫 ( c r y p t d s p o r i d i “m ) 卵囊( o o c y s t ) 浓度的模拟【6 2 1 ，但模型的准确性需结合实测数据进 一步评估。而国内应用s w a t 模拟细菌传输的研究尚为空白。 ( 3 ) 环境变化下的水文响应研究 土地利用和全球气温变化而引起的水文响应是显著的，应用s w a t 模拟不同土地利 用覆盖变化( l u c c ) 和气候等环境变化下的水文情况，可探究流域不同下垫面和气候 变化的水文响应，寻求不同气候条件下流域最佳的土地利用土地覆被情景，对区域生态 恢复提供参考。 l u c c 改变了流域内的地表植被对降水的截留量、蒸散发、土壤水分的分布和运移 状况等，对流域的水量平衡和水质都会产生影响。g h a f f a r i 等( 2 0 1 0 ) 【6 3 j 认为，过度放 牧和将牧场转变为农田会引起非线性的水文响应并存在阈值效应，6 0 以上牧场面积变 化将使径流量显著上升。作为u s d a 保护措施影响评估项目的一部分，j h a 等( 2 0 1o ) 【删应用s w a t 评价美国爱荷华州s q u a wc r e e k 流域土地利用变化对营养物负荷的影响， 在流域的易侵蚀区、上游地区、滩区实旋退耕还草后，营养盐负荷分别降低4 7 、1 6 和8 。秦耀民等( 2 0 0 9 ) 6 5 1 应用s w a t 2 0 0 0 探讨了黑河流域土地利用与非点源污染的 关系，结果显示，流域林地面积增加，流域径流深和水土流失量逐渐减少，而植被破坏 导致的土地恶化会使流域非点源污染程度急剧增加。 研究表明，城市化引起的土地利用变化是流域径流变化的重要原因。王艳君等 ( 2 0 0 9 ) 【6 6 】对秦淮河流域s w a t 模拟表明，降雨条件下，林地向旱地、水阳向旱地、林 地向水田的转化，其径流系数增加幅度均小于o 1 ，而水田、旱地向建设用地转化时径 流系数增加o 2 0 3 ，林地转化建设用地的径流系数增加0 3 以上。 气候变化对水文过程影响主要表现在大气中c 0 2 浓度和气候要素( 气温、降水、大 气湿度等) 对流域的水文要素和水质的影响。国内外学者通常以大气环流模型( g e n e r a l c i r c u l a t i o nm o d e l s ，g c m s ) 模拟全球气候变化，应用s w a t 模拟相应的水文响应。f i c k l i n 等( 2 0 0 9 ) 【6 7 】研究t 力h s u 福尼亚州s a nj o a q u i n 流域c 0 2 浓度( 5 5 0 p p m 和9 7 0 p p m ) 、气 温( + 1 1 和+ 6 4 c ) 、降雨( 1 0 和2 0 ) 变化的1 6 种情景下的水文响应，发现 研究区域水文系统对气候变化的响应非常敏感，c 0 2 浓度升至9 7 0 p p m 和温度升高6 4 将会使蒸散发表现出明显的季节差异，模拟5 0 年的平均值较目前降低3 7 5 ，产流 量升高3 6 5 。国内，赵芳芳、徐宗学等( 2 0 0 9 ) 【6 8 】集成g c m s 输出数据、降尺度模型 和s w a t 模型建立了气候一陆面单向连接系统，预测评估黄河源区未来不同时期的径流 变化情况，并分析讨论气候变化情景下径流深的空间分布及响应，认为未来气候变化对 黄河源区径流量变化影响很大，而且不同的降尺度情景对模拟结果会产生不同的影响。 l u c c 和气候变化的共同作用使流域水文过程更为复杂，很多学者研究了两者共同 变化引起的水文响应。f r a n c z y k 等( 2 0 0 9 ) 6 9 】认为高度城市化的流域对气候变化的径流 响应更为敏感，美国波特兰城市化的r o c kc r e e k 流域在2 0 4 0 年年均气温升高1 2 。c 、年 均降雨量增加2 的气候变化和更高密集化城市发展影响下，年均径流深将至少增加 第一章绪论 5 2 。张圣微等( 2 0 1 0 ) 7 0 】应用s w a t 对拉萨河流域不同土地覆被和气候变化条件下 水文过程模拟发现，气候变化对年径流量影响显著，土地覆被变化对径流量的季节变化 影响较大。 ( 4 ) b m p s 对流域