流域尺度的营养物质输移模型研究综述
SWAT模型及其应用研究
试验平台S WAT模型及其应用研究*于峰1史正涛1李滨勇2杨具瑞3彭海英1(1.云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650092;2.北京师范大学资源学院,北京100875;3.昆明理工大学电力工程学院,云南昆明650051)中图分类号:P334+.92文献标志码:B文章编号:1673-5366(2008)05-0001-04摘要:利用数学模型来模拟水文、泥沙、非点源污染过程是流域管理中对特定管理措施的效果进行评估的重要工具,也是研究环境变化条件下水资源管理的重要手段。
S WAT(So il andW ater A ssess ment T oo l)模型是一个集成了遥感(RS)、地理信息系统(G IS)和数字高程模型(D E M)技术的目前国际流行分布式水文模拟工具。
介绍了S W AT模型的发展历程、原理及特点,概述了S W AT模型目前在径流模拟、非点源污染模拟与控制、气候变化对水文响应的影响、模型参数敏感性分析方面的进展情况,并对S W AT模型今后的应用和改进方向作了初步探讨。
关键词:S WAT;水文模型;应用进展S WAT(So il and W ater A ssess m ent Tool)模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型中比较先进的一个。
可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,甚至在缺乏资料的地区可利用模型的内部天气生成器自动填补缺失资料[1]。
迄今为止,S WAT模型的有效性已经得到了国内外许多研究项目和研究者的证明,模型已经广泛应用于大的区域性项目和许多不同尺度的研究项目中,研究内容涉及流域的水平衡、河流流量预测和非点源污染控制评价等诸多方面[2]。
美国环保署将S WAT模型作为其T MDL项目的首选模型,并将S WAT模型集成在其开发的BASI N S模型系统中[3]。
SWAT模型简述
SWAT 模型简述1. 模型研究目的SWAT （Soil and Water Assessment Tool ）是由美国农业部（USDA ）的农业研究中心（ARS ，Agricultural Research Service ）Jeff Amonld 博士1994年开发的。
模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。
它是一种基于GIS 基础之上的分布式流域水文模型，近年来得到了快速的发展和应用，主要是利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程，如水量、水质以及杀虫剂的输移与转化过程。
SWAT 模型综合了早期开发的SWRRB （the Simulator for Water Resources in Rural Basins ）模型和ROTO （the Routing Ourputs to Outlet ）模型的特征，从1990s 问世以来，经历了SW AT94.2，96.2，98.1，99.2，2000等版本，模型在原理算法、结构、功能等方面都有很大的改进，现在使用的SWAT2005版本可以在Arcview 、ArcGIS 等常见的软件平台上运行，具有良好的用户界面。
2. 模型的原理与结构SWAT 是一个物理基础的模型，可以进行连续时间序列的模拟。
SW AT 模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）和水循环的水面部分（即河道汇流部分）。
前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。
整个水分循环系统遵循水量平衡规律：01()tt day surf a seep gw i sw sw R Q E w Q ==+----∑式中：t sw (mm)是土壤最终含水量，0sw (mm)土壤初始含水量，t 为时间(day)，day R (mm)为第i 天总降水量，surf Q (mm)是第i 天地表径流总量，a E (mm)是第i 天蒸散总量，seep w (mm)第i 天土壤侧流总量，gw Q (mm)第i 天地下径流总量。
(完整版)SWAT水文模型
SWAT水文模型介绍1概述SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部（USDA)农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模型。
它主要基于SWRRB模型，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征.SWAT具有很强的物理基础,能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。
该模型主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算能力不强,模型主要由8个部分组成:水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农业管理和杀虫剂。
SWAT模型拥有参数自动率定模块，其采用的是Q.Y.Duan等在1992年提出的SCE-UA算法。
模型采用模块化编程，由各水文计算模块实现各水文过程模拟功能，其源代码公开,方便用户对模型的改进和维护。
2模型原理SWAT模型在进行模拟时，首先根据DEM把流域划分为一定数目的子流域,子流域划分的大小可以根据定义形成河流所需要的最小集水区面积来调整，还可以通过增减子流域出口数量进行进一步调整。
然后在每一个子流域内再划分为水文响应单元HRU。
HRU是同一个子流域内有着相同土地利用类型和土壤类型的区域。
每一个水文响应单元内的水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失来计算的。
地表径流估算一般采用SCS径流曲线法。
渗透模块采用存储演算方法，并结合裂隙流模型来预测通过每一个土壤层的流量,一旦水渗透到根区底层以下则成为地下水或产生回流。
在土壤剖面中壤中流的计算与渗透同时进行.每一层土壤中的壤中流采用动力蓄水水库来模拟。
河道中流量演算采用变动存储系数法或马斯金根演算法。
模型中提供了三种估算潜在蒸散发量的计算方法—Hargreaves、Priestley-Taylor和Penman-Monteith。
基于SWAT模型的基流估算及评价+--以洛河流域为例
收稿日期:2003-06;修订日期:2003-08基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G 1999043601)~教育部博士点基金资助项目(20010027013)作者简介:杨桂莲(1979-)~女~湖北广水人~硕士研究生~主要从事水文~水资源及水环境方面的研究O E -mail :ygl 781220@sina .com文章编号:1007-6301(2003)05-0463-09基于SWAT 模型的基流估算及评价以洛河流域为例杨桂莲~郝芳华~刘昌明~张雪松(北京师范大学环境科学研究所~水沙科学教育部重点实验室~北京100875)摘要:SWAT 是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型~它能够利用GIS 和RS 提供的空间数据信息~模拟复杂大流域中的径流成分O 本文应用SWAT 模型对基流进行模拟~分别采用1992~1996年和1997~1998年洛河流域卢氏水文站逐年~月实测径流资料进行模型校准和验证~确定模型的敏感性参数:径流曲线数~地下水再蒸发系数~土壤蒸发补偿系数和植物蒸发补偿系数;并借助滤波技术对实测径流进行基流分割O将滤波分割的基流与SWAT 模拟值进行对比~采用线性回归系数(R 2)和Nash -Suttclife模拟系数(E ns )对SWAT 模型进行评价~其结果月基流R 2为0.76~E ns 为0.75~模拟精度较高O关键词:SWAT 模型;基流估算;滤波技术;洛河流域中图分类号:P 343;P 333.11引言地下水的补给和排泄(即形成基流)特征对地下水资源的高效管理与可持续发展~以及地表水与土壤水转换时的污染最小化方面都至关重要O 在大西洋海岸平原地区~地下径流占总径流的90%以上[1]~而在美国德克萨斯州可达50%[2]O Reay 等人发现若忽略浅层地下水这一水源~将直接影响水质管理决策的可靠性[3]O 地下水补给过程一般较复杂~取决于两类因子~一类是气象因子~如雨强~降水历时~气温~湿度~风速;另一类是下垫面因子~如地下水位以上的土壤和岩层特性~地形~植被和土地利用等O 这些因子的变化会导致地下水补给在时空分布上变化显著[4]O 计算地下水的补排通常有两种方法:水量平衡法或基于监测水分运动的张力计法~示踪剂法~重力测渗仪法[5]O 后者一般费用较高~实际中采用不多O 在干旱和半干旱地区~大流域的地下水补给和基流计算广泛采用基于水量平衡的基流估算法[6~8]和消退曲线平移法[9~12]~后者只需根据流量观测资料就可确定地下水特征值OSWAT 模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型~它能够利用第22卷第5期2003年9月地理科学进展PROGRESS IN GEOGRAPHY Vol.22~No.5Sept.~2003GIS 和RS 提供的空间数据信息 模拟地表水和地下水水量与水质 长期预测土地管理措施对于具有多种土壤 土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文 泥沙和农业化学物质产量的影响[13] SWAT 通过水文响应单元( R )单独计算径流量 然后演算得到流域总径流量 水文响应单元的水循环包括四个部分的水量 融雪 土壤剖面(O~2m ) 浅层含水层(2~2O m )和深层含水层(>2O m ) 土壤剖面可分为多层 土壤水运动包括下渗 蒸发 植被截留 侧向流和土壤剖面下边界向潜水层的渗流(即地下水补给) SWAT 模型中计算的地下水补给量是以下三项的总和 土壤剖面下边界渗出量 河道输移损失 池塘和水库的蓄量[14]本文试图借助滤波技术估算基流 并将该结果与SWAT 模拟值进行对比 对SWAT 模型在研究区的应用结果进行评价2研究方法 .1估算方法 SWAT 模型基于水量平衡的SWAT 模型模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量 模型中采用的水量平衡方程式为SW t =SW O - tz=1(Rcay - suLf -E a -W seep - gw )(1)式中 SW t 为土壤最终含水量(mm ) SW O 为土壤前期含水量(mm ) t 为时间步长(d ) R cay 为第z 日降水量(mm ) suLf 为第z 日的地表径流(mm ) E a 为第z 日的蒸发量(mm ) W seep 为第z 日土壤剖面地层的渗透量和侧流量(mm ) gw 为第z 日的基流量(mm )模型采用下列方程式计算流域基流gw z = gw z-1 exp(-a gw At)-W LchLg [1-exp(-a gw At)](2)式中 gw z 为第z 日进入河道的基流补给量(mm ) gw z-1为第(z -1)日进入河道的基流补给量(mm ) t 为时间步长(d ) W LchLg 为第z 日蓄水层的补给量(mm ) O gw 为基流的消退系数其中补给流量由下式计算W LchLg z =[1-exp(-1/8gw )] W seep -exp(-1/8gw ) W LchLg z-1(3)式中 W LchLg z 为第z 日蓄水层补给量(mm ) 8gw 为补给滞后时间(d ) W seep 为第z 日通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量(mm /d )地表径流采用美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service )研制的小流域设计洪水模型 SCS 模型进行模拟 目前该模型在美国及其他一些国家得到了广泛的应用 在我国也有一些介绍和应用[15~2O] CN (Curve number )值是SCS 模型的主要参数 可将前期土壤湿润程度 坡度 土壤类型和土地利用现状等因素综合在一起 用量的指标来反映下垫面条件对产汇流过程的影响 是反映降雨前流域特征的一个综合参数 SCS 模型有特定的土壤分类系统 需对土壤分类进行对应归并 得到符合SCS 模型的土壤分类结果[14] 因土壤属性较稳定 将土壤分类结果作为不变值 用于模型计算中 CN 值同样受降雨前的流域内土壤湿润程度的影响 SCS 模型将土壤湿润程度根据前5d 的总雨量划分为3类 分别代表干 平均 湿3种状态(AMCI AMCII AMCIII ) 不同湿润状况的CN 值有相互的转464地理科学进展22卷换关系G 最终根据SCS 模型提供的CN 值查算表[15] 充分考虑当地的自然条件 并参考有关研究者在SCS 模型应用中所确定的CN 值[18 19 21] 确定出当地的CN 值G壤中流用动态存储模型预测计算 该模型考虑到水力传导度~坡度和土壤含水量的时空变化G 计算下渗考虑两个主要参数:初始下渗率(依赖于土壤湿度~供水条件)和最终下渗率(等于土壤饱和水力传导度)G蒸散发包括水面蒸发~裸地蒸发和植被蒸腾G 土壤水蒸发和植物蒸腾被分开模拟G 潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面指数估算G 实际土壤水蒸发用土壤厚度和含水量的指数关系式计算G 植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算G 潜在蒸散发有以下三种计算法:~argreaves (~argreaves and Samani 1985) Prestley -Taylor (Prestley and Taylor 1972) Penman -Monteith (Monteith 1965) 本文采用Penman -Monteith 法G2.2评价方法 数字滤波法传统的基流分割法包括图解法[22]和分析法[23]G 图解法主观性较强 在计算两次连续降雨或多次连续降雨时效果较差;分析法依赖迭代曲线拟合算法 且参数较多 难以确定其误差来源[24]G 近年来人们将数字滤波应用于基流的分割G 数字滤波能通过滤波器把输入系列通过一定的运算变换成输出系列G 数字滤波器的实现方式之一是利用通用计算机的存储器~运算器和控制器把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行 也就是采用计算机软件来实现[25]G滤波法较图解法更加客观 操作容易 执行速度快 且参数较少[24]G Nathan 和McMa-hon 首次采用Lyne -~ollick 算法[26]对流量过程进行分析和处理 从流量过程中分割出基流[27]G Arnold 在美国西部和东部选取6个代表流域对该方法进行验证 结果表明该方法不仅精度较高 而且具有较好的客观性和可重复性[28]G 本文采用该方法将实测径流划分为直接径流和基流两部分G 基于Lyne -~ollick 算法的滤波方程为:g t =Bg t 1+(1+B)(0t 0t 1)/2(4)式中:g t 为t 时刻过滤出的快速响应(即直接径流信号 以日为时间步长);0为实测河川总径流;B 为滤波参数G 从总径流中过滤出快速响应 即可得出基流b t :b t =0t g t (5)Nathan 和McMahon 及Arnold 等人采用三通道滤波器 将模拟结果与手工分割的结果进行对比研究 率定出B 值 分别定为O.9O~O.95 O.925[27 29]G3实例研究3.1流域概况洛河是黄河小浪底水库以下的最大支流 洛河干流在陕西省有两条 西干流发源于蓝田县灞源乡 北干流发源于洛南县洛源乡 汇合后经陕西省的洛南县和河南省的卢氏~洛宁~宜阳~洛阳市区~郊区~偃师~巩县 在神堤村注入黄河G 干流长446.9km 流域面积18881km 2 多年平均径流量34.22亿m 3G 其中洛河上游卢氏水文站以上流域 流域面积4623km 2 河道长192km 跨陕西和河南两省 该区为典型的石山林区[23]G 地势高峻 河沟密集 坡陡石多 地形复杂 切割严重 土地贫瘠G 大部分地区海拔在12OO~2OOO m5645期杨桂莲等:基于SWAT 模型的基流估算及评价之间沿河有许多面积较小的河谷平原海拔高度600*1000m O土壤类型以棕壤~褐土为主天然植被较好除岩石裸露外大部分是天然次生杂木林森林和草地覆盖率达70%以上[31 32]O根据1971*2000年资料统计流域内多年平均降水量为720mm多年平均水面蒸发量为966mm O3.2SWAT模型估算3.2.1模型输入本文应用与Arc View GIS藕合的SWAT模型AVSWAT来处理卢氏流域的输入文件(见表1D O根据前文所述的亚流域划分原则并考虑实际的县区边界将卢氏流域划分为39个亚流域[33]O表1模型输入数据Tab.1The input data f or SWAT model数据类型尺度数据描述来源气象24个雨量站日降水和气温黄委水文局地形1=250000高程坡面与河道坡度~长度国家基础地理信息中心土壤1=1000000土壤属性如密度~剖面和质地等南京土壤所土地利用1=100000土地利用类型分类中科院地理所模型所要求的地形土地利用/覆盖和土壤数据是使用AVSWAT2000在Arc View中生成的地形数据是从1=250000万DEM中生成的O SWAT模型所要求的亚流域地图是在AVSWAT中从地形数据中生成的O流域中的土地利用分类数据是从1=100000的土地利用图中得到的并重新进行了分类得到7种土地利用类型耕地(AGRL D~林地(FRST D~草地(PAST D~农村居民点(RURL D~城镇用地(URAN D~水域(WATR D和裸地(BARE D O输入气象数据包括日降水量~最高最低气温~风速和相对湿度等这些数据可以是统计数据也可根据SWAT的天气模拟程序生成O3.2.2模型校准和验证当模型的结构和输入参数初步确定后就需要对模型进行校准(calibration D和验证(Validation D O通常将使用的资料系列分为两部分其中一部分用于校准模型而另一部分则用于模型的验证[34]O校准是调整模型参数(经分析得出SCS曲线数CN~土壤中植物可利用水量~土壤蒸发补偿系数为最敏感因子D~初始和边界条件以及限制条件的过程以使模型接近于测量值O选用线性回归系数(R2D和Nash-Suttclife模拟系数(Ens D 来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果O使用Nash-Suttclife系数Ens来衡量模型模拟值与观测值之间的拟合度其表达式为[34]E ns=1-E nz=1(@m-@p D2E nz=1(@m-@aU!D2(6D式中@m 为观测值@p为模拟值@aU!为观测值平均值n为观测的次数O当@m=@p时E ns=1"如果E ns为负值说明模型模拟值比直接使用测量值的算术平均值更不具代表性O664地理科学进展22卷根据数据获取的完整性,选用1992~1997年卢氏水文站的河道流量对径流进行参数率定0对以下的四个敏感性参数进行调整;径流曲线数(CN 2D ~地下水再蒸发系数(RWVAPC D ~土壤蒸发补偿系数(ESC0D 和植物蒸发补偿系数(EPC0D 0通过调整这些参数使径流模拟值与实测值吻合,其模拟值与实测值年均误差应小于实测值的15%,月均值的线性回归系数R 2>O.6且E ns >O.50流量校准年径流平均误差为14.3%,且月径流E ns 为O.86,R 2为O.87,精度满足模型要求0采用模型参数率定过程中所得到的参数,应用1998~1999年的实测流量数据进行模型验证,并采用R 2及E ns 对模型的验证结果进行评价0流域出口模拟径流量与实测流量拟合较好,月径流R 2为O.81,E ns 为O.840模型对1998年6~9和1O 月,1999年4~5月和12月的模拟值较高;对1998年8月和12月的模拟值较低,其原因可能是由于降雨的空间不均匀性0但总体来说模型预测的评价系数满足评价标准0通过对径流的校准和验证,最后确定出模拟径流过程的模型参数,如表2所示0表2模型校准参数值Tab .2The calibrated parameters f or SWAT model 变量模拟过程参数描述值域/变化范围参数最终值CN 2径流径流曲线数+/-8+2RWVAPC径流地下水再蒸发系数O.OO~1.OO O.1O ESC0径流土壤蒸发补偿系数O.OO~1.OO O.2EPC0径流植物吸收补偿系数O.OO~1.OO O.1O 4结果与分析4.1估算结果SWA 模型输出的是39个亚流域逐日基流量0图版1,图1是39个亚流域年均基流分布图,而图版1,图2是8~1O 月基流总和分布图,其分布规律与年均基流分布相似,主要是由于这三个月占年均基流的46%0由于该研究区为典型的石山林区,地处黄河中游地区,汛期多发生在8~9月份,由于地下径流的滞后效应,1O 月份的基流量所占的比例也较大04.2滤波结果输入1992~1999年日流量资料,在MS -D0S 环境下运行下载的bflow .exe 模块[33],即可得到逐日基流量以及基流参数FT ~退水个数~a gw 系数和退水天数,基流参数如表3所示0表3滤波分割基流参数值Tab .3The parameters of f iltered basef low 基流系数FT 1基流系数FT 2基流系数FT 3退水个数a gw 系数基流天数O.49O.3O O.239O.OO38264注;FT 1~FT 2~FT 3为各自采用第一~二~三通道滤波时,所分割的基流占总径流的比例07645期杨桂莲等;基于SWA 模型的基流估算及评价其中Fl =Z t /@(7)c gw =ln(@gw,O /@gw,N )/N (8)式中:@gw,O 和@gw,N 分别为退水计算时的始,末流量0为了精确计算出c gw ,退水时间(N )不得少于1O 天0根据对研究区的初步分析,发现该区基流占总径流的2O%左右,因此选用基流系数Fl 3以及相应的逐日基流分割值04.3评价与分析将基于滤波技术分割出的基流值与SWAT 模拟值作对照,月基流R 2为O.76,Ens 为O.75,(如图3,图4所示),模拟精度较高0由图3可以看出,SWAT 在模拟高水流时的月份时,基流模拟结果往往偏大,而在模拟低水流时,结果往往偏小0这涉及多方面的原因,一方面,由于土壤含水层的分布本身就很复杂,另一方面,模型在校准时参数不止一个,多个参数之间的相互影响并不明确0在实际校准时,往往只对总径流进行校准,基流的校准由于一般无实测资料,难以进行图3基于滤波技术分割的月基流与SWAT 模拟值对照图Fig .3Monthly time series (1992*1999)of SWAT simulated and filtered baseflow5结论滤波技术使得基流分割地下水补给得以自动完成0该法为SWAT 模型的基流模拟评价提供了依据和途径:(1)自动化滤波技术能快速,高效地分割出基流,结合计算机使退水曲线得以自动平移,可计算出基流量;(2)在无地下水观测地区,借助滤波技术分割基流,可应用于SWAT 模型的基流校准,为SWAT 模型的径流模拟和非点源污染模拟提供了有利途径,同时也为研究地下水资源量864地理科学进展22卷图4基于滤波技术分割的月基流与SWAT 模拟值散点图Fig .4The regression of SWAT simulated and filtered basefloW提供了一种新的方法;(3)SWAT 是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型 在充分利用GIS 和RS 提供的空间数据信息的前提下 能够模拟复杂大流域中的径流成分O参考文献[1]Williams J .R . and J .E .Pinder I .GroundWater floW and runoff a coastal plain stream .Water Resources Bul-letin 1990 726(2):343~352.[2]Arnold J .G . P .M .Allen G .Bernhardt .A comprehensive surface ~groundWater floW model .Journal of ~y-drology 1993 (142):47~69.[3]Reay W .G . D .L .Gallagher Jr . G .M .Simmons .GroundWater discharge and its impact on surface Water guali-ty in a Chesapeake Bay inlet .GroundWater 1992 28(6):1121~1133.[4]Memon B .A .Guantitative analysis of springs .Environ .Geol . 1995 (26):111~120.[5]Wood W .W . W .E .Sanford .Chemical and isotopic methods for guantifying groundWater recharge in a regionalsemiarid environment .GroundWater 1997 (33):458~468.[6]Meyboom P .Estimating groundWater recharge from streamfloW hydrograph .Journal of Geophysical Research1961 66(4):1203~1214.[7]Knisel W .G .BasefloW recession analysis for comparison of drainage basins and geology .Journal of GeophysicalResearch 1963 (68):3649~3653.[8]Nathan R .J . and T .A .McMahon .Evaluation of Automated Technigues for BasefloW and Recession Analysis .Water Resources Research 1990 26(7):1465~1473.[9]Rorabaugh M .I .Estimating changes in bank storage and groundWater contribution to stream floW .Int .As-soc .Sci .~ydrol .1964 (63):432~441.[10]Bevans ~.S .Estimating stream -aguifer interactions in coal areas in eastern Kansas by using stream records .In :Seymour (Ed .).Selected Papers in the ~ydrologic Sciences US Geologic Survey Water Supply Paper .1986 (2290):51~64.[11]~oos A .B .Recharge rates and aguifer characteristics forselected drainage basins in middle and east Tennessee .9645期杨桂莲等:基于SWAT 模型的基流估算及评价074地理科学进展22卷US Geological Survey Water Resources Investigations Report.,1990,(4015):34.[12]Rutledge,puter Programs for Describing the Recession of Groundwater Recharge and for EstimatingMean Groundwater Recharge and Discharge from Streamflow Records.U.S.Geological Survey Water Resources Investigations Report.,1993,(4121):45.[13]Arnold,J.G.,R.Srinivasan,R.S.Muttiah,et rge area hydrologic modeling and assessment.Part I.Model development.Journal of the American Water Resources Association,1998,(34):73~89.[14]王中根,刘昌明,黄友波.SWAT模型的原理~结构及应用研究.地理科学进展,2003,22(1):79~86.[15]袁作新.流域水文模型.北京:水利电力出版社,1990.[16]张建云.地理信息系统及其在水文水资源中的应用.水科学进展,1995,6(4):290~295.[17]张建云,何惠.应用地理信息进行无资料地区流域水文模拟研究.水科学进展,1995,9(4):345~350.[18]张仁杰.从遥感信息到水文模型参数.遥感信息,1987,(1):13~18,28.[19]魏文秋,谢淑琴.遥感资料在SCS模型产流计算中的应用.环境遥感,1992,7(4):243~250.[20]吴险峰,刘昌明.流域水文模型研究的若干进展.地理科学进展,2002,21(4):341~348.[21]Rango A.Assessment of Remote Sensing Input to Hydrological Models.Water Resources Bulletin,1985,21(3):423~432.[22]McNamara,J.P.,D.L.Kane,and L.D.HinZman.Hydrograph separations in an Arctic watershed using mixingmodel and graphical technigues.Water Resources Research,1997,33:973~983.[23]Birtles,A.B.Identification and separation of major baseflow components from a stream hydrograph.Water Re-sources Research,1978,14(5):791~803.[24]Furey,P.R.,V.K Gupta.A physically based filter for separating baseflow form streamflow times series.WaterResources Research,2001,37(11):2709~2722.[25]Rabiner,L.R.,B.Gold.Theory and application of digital signal processing.史令启译.北京:国防工业出版社,1982.[26]Lyne,V.,M.Hollick.Stochastic time variable rainfall runoff modeling.Hydrology and Water Resources Sympo-sium Berth,Proceedings,National Committee on Hydrology and Water Resources of the Institution of Engineers, Australia,1979,89~92.[27]Nathan,R.J.,and T.A.McMahon.Evaluation of Automated Technigues for Baseflow and Recession Analysis.Water Resources Research,1990,26(7):1465~1473.[28]Arnold,J.G.,and P.M.Allen.Automated methods for estimating baseflow and ground water recharge fromstreamflow.Journal of the American Water Resources Association,1999,35(2):411~424.[29]Arnold,J.G.,P.M.Allen,R.S.Muttiah,et al.Automated baseflow separation and recession analysis tech-nigues.Groundwater,1995,(33):1010~1018.[30]郭建民,郑金亮主编.伊洛河志.北京:中国科学技术出版社,1995.[31]洛南县地方志编纂委员会.洛南县志.北京:作家出版社,1999.[32]卢氏县水利志编纂领导小组.卢氏县水利志.西安:陕西人民出版社,2001.[33]王中根,刘昌明等.基于DEM的分布式水文模型构建方法.地理科学进展,2002,21(5):430~439.[34]Nash,J.E.,and J.Suttciliffe.River Flow Forecasting Through Conceptual Models,Part1~A Discussion ofPrinciple.Journal of Hydrology,1970,10(3):282~290.[35]/swat/swatbase.html[EB/OL],2003-6-10.The Study on Basef low Estimation and Assessment in SWATLuohe Basin as An EXampleYANG Guilian ,HAO Fanghua ,LIU Changming ,ZHANG Xuesong(Institute of Environmental Sciences ,Beijing Normal University ,Key Laboratory for Water and Sediment Sciences ,Ministry of Education ,Beijing 100875,China )Abstract ,BasefloW ,usually separated from total streamfloW ,is very important in many research fields .TWo methods to analyze and calculate basefloW Were introduced .The first method uses the Water balance components from the soil and Water assessment tool model (SWAT ).The second method uses a digital recursive filter to separate basefloW from dai-ly floW .The result Was applied in Lushi basin located in the upper of Luohe to calibrate basefloW in SWAT model .Simulated floW Was calibrated against calculated floW at Luohe (4623km 2)from 1992*1996.To validate the model ,calibrated and simulated monthlyfloW at Luohe from 1997*1998Was compared With a R 2of 0.81and an Ens of 0.84.Foursensitive factors ,including CN 2,RWVAPC ,ESCO and EPCO ,are determined after cali-bration and validation of the model .The rate of three -month (Aug .to Oct .)basefloW in annual total one is 46%because the floods usually took place in August and September in the study area .Comparing simulated monthly basefloW to the filtered one from 1992*1998,a good result can be gained With a R 2of 0.76and an E ns of 0.75.The case study illu-minates that SWAT model can simulate basefloW Well ,and the filter technigue has the po-tential to provide realistic estimates of basefloW for input into regional groundWater models and a check for surface hydrologic models .!ey words ,SWAT model "basefloW estimation "digital filter technigue "Luohe basin1745期杨桂莲等,基于SWAT 模型的基流估算及评价基于SWAT模型的基流估算及评价 --以洛河流域为例作者：杨桂莲， 郝芳华， 刘昌明， 张雪松作者单位：北京师范大学环境科学研究所,水沙科学教育部重点实验室,北京,100875刊名：地理科学进展英文刊名：PROGRESS IN GEOGRAPHY年，卷(期)：2003,22(5)被引用次数：72次1.Williams J R;J E Pinder ⅢGroundwater flow and runoff a coastal plain stream1990(02)2.Arnold J G P;M Allen;G Bernhardt A comprehensive surface-groundwater flow model 1993(142)3.Reay W G;D L Gallagher Jr;G M Simmons Groundwater discharge and its impact on surface water quality in a Chesapeake Bay inlet 1992(06)4.Memon B A Quantitative analysis of springs 1995(26)5.Wood W W;W E Sanford Chemical and isotopic methods for quantifying groundwater recharge in a regional semiarid environment 1997(33)6.Meyboom P Estimating groundwater recharge from streamflow hydrograph 1961(04)7.Knisel W G Baseflow recession analysis for comparison of drainage basins and geology 1963(68)8.Nathan R J;T A McMahon Evaluation of Automated Techniques for Baseflow and Recession Analysis 1990(07)9.Rorabaugh M I Estimating changes in bank storage and groundwater contribution to stream flow 1964(63)10.Bevans H S Estimating stream-aquifer interactions in coal areas in eastern Kansas by using stream records 198611.Hoos A B Recharge rates and aquifer characteristics forselected drainage basins in middle and east Tennessee 1990(4015)12.Rutledge A T Computer Programs for Describing the Recession of Groundwater Recharge and for Estimating Mean Groundwater Recharge and Discharge from Streamflow Records 1993(4121)13.Arnold J G;R Srinivasan;R S Muttiah Large area hydrologic modeling and assessment.PartⅠ.Model development 1998(34)14.王中根;刘昌明;黄友波SWAT模型的原理、结构及应用研究[期刊论文]-地理科学进展2003(01)15.袁作新流域水文模型 199016.张建云地理信息系统及其在水文水资源中的应用[期刊论文]-水科学进展 1995(04)17.张建云;何惠应用地理信息进行无资料地区流域水文模拟研究[期刊论文]-水科学进展1995(04)18.张仁杰从遥感信息到水文模型参数[期刊论文]-遥感信息 1987(01)19.魏文秋;谢淑琴遥感资料在SCS模型产流计算中的应用 1992(04)20.吴险峰;刘昌明流域水文模型研究的若干进展[期刊论文]-地理科学进展 2002(04)21.Rango A Assessment of Remote Sensing Input to Hydrological Models 1985(03)22.McNamara J P;D L Kane;L D Hinzman Hydrograph separations in an Arctic watershed using mixing model and graphical techniques 199723.Birtles A B Identification and separation of major baseflow components from a stream hydrograph 1978(05)24.Furey P R;V K Gupta A physically based filter for separating baseflow form streamflow times series[外文期刊] 2001(11)25.Rabiner L R;B Gold;史令启Theory and application of digital signal processing 198226.Lyne V;M Hollick Stochastic time variable rainfall runoff modeling 197927.Nathan R J;T A McMahon Evaluation of Automated Techniques for Baseflow and Recession Analysis 1990(07)28.Arnold J G;P M Allen Automated methods for estimating baseflow and ground water recharge from streamflow 1999(02)29.Arnold J G;P M Allen;R S Muttiah Automated baseflow separation and recession analysis techniques 1995(33)30.郭建民;郑金亮伊洛河志 199531.《洛南县地方志》编纂委员会洛南县志 199932.《卢氏县水利志》编纂领导小组卢氏县水利志 200133.王中根;刘昌明基于DEM的分布式水文模型构建方法[期刊论文]-地理科学进展 2002(05)34.Nash J E;J Suttciliffe River Flow Forecasting Through Conceptual Models,Part 1-A Discussion of Principle 1970(03)35.查看详情 20031.桑学锋.周祖昊.秦大庸.魏怀斌.SANG Xue-feng.ZHOU Zhu-hao.QIN Da-yong.WEI Huai-bin改进的SWAT模型在强人类活动地区的应用[期刊论文]-水利学报2008,39(12)2.于磊.邱殿明.YU Lei.QIU Dian-ming基于SWAT模型的漳卫南流域水量模拟[期刊论文]-吉林大学学报（地球科学版）2007,37(5)3.孙瑞.张雪芹.SUN Rui.ZHANG Xue-qin基于SWAT模型的流域径流模拟研究进展[期刊论文]-水文2010,30(3)4.王中根.刘昌明.黄友波SWAT模型的原理、结构及应用研究[期刊论文]-地理科学进展2003,22(1)5.郑捷.李光永.韩振中.孟国霞.邢黎明.ZHENG Jie.LI Guang-yong.HAN Zhen-zhong.MENG Guo-xia.XING Li-ming SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望[期刊论文]-土壤2009,41(5)1.王立红.陈娟.张慧济南市锦绣川流域景观变化对河川径流的影响研究[期刊论文]-绿色科技2011(8)2.张明旭.赵海英晋江西溪流域气候变化的SWAT模型模拟[期刊论文]-通化师范学院学报 2009(4)3.盛前丽.张洪江.刘国栋环境变化对香溪河流域径流影响的研究[期刊论文]-西部林业科学2008(4)4.岳隽.王仰麟.李贵才.吴健生.谢苗苗不同尺度景观空间分异特征对水体质量的影响——以深圳市西丽水库流域为例[期刊论文]-生态学报 2007(12)5.张华.张勃.赵传燕黑河上游多年基流变化及其原因分析[期刊论文]-地理研究 2011(8)6.翟晓燕.夏军.张永勇基于SWAT模型的沙澧河流域径流模拟[期刊论文]-武汉大学学报（工学版） 2011(2)7.袁军营.苏保林.李卉.路雨基于SWAT模型的柴河水库流域径流模拟研究[期刊论文]-北京师范大学学报(自然科学版) 2010(3)8.范丽丽.沈珍瑶.刘瑞民.宫永伟基于SWAT模型的大宁河流域非点源污染空间特性研究[期刊论文]-水土保持通报 2008(4)9.黎坤.林凯荣.江涛.陈晓宏数字滤波法在点源和非点源污染负荷分割中的应用[期刊论文]-环境科学研究 2010(3)10.罗书文.梁虹.杨桃.贺中华基于分形理论的喀斯特流域枯水资源影响因素分析[期刊论文]-安徽水利水电职业技术学院学报 2009(1)11.罗书文.梁虹.杨桃.贺中华基于分形理论的喀斯特流域枯水径流影响因素分析[期刊论文]-水科学与工程技术 2008(5)12.高杨.张明旭.王林晋江西溪流域气候变化下的水文响应研究[期刊论文]-水资源与水工程学报 2008(2)13.王林.陈兴伟基于3个站点校准与验证的晋江流域径流模拟[期刊论文]-中国水土保持科学2007(6)14.ZHANG Xiang.张扬.CHEN Xiao-dan.罗蔚汉江上游流域产水产沙时空规律研究[期刊论文]-南水北调与水利科技 2008(4)15.罗慈兰.叶水根.李黔湘SWAT模型在房山区ET的模拟研究[期刊论文]-节水灌溉 2008(10)16.罗睿.徐宗学.程磊SWAT模型在三川河流域的应用[期刊论文]-水资源与水工程学报 2008(5)17.于磊.邱殿明基于SWAT模型的漳卫南流域水量模拟[期刊论文]-吉林大学学报（地球科学版）2007(5)18.魏怀斌.王明娜.周祖昊.桑学峰基于分布式水文模型水文还原的地表水资源评价[期刊论文]-人民黄河 2009(3)19.许其功.席北斗.何连生.魏自民.姚波.霍守亮三峡库区大宁河流域非点源污染研究[期刊论文] -环境工程学报 2008(3)20.陆颖.Sam BUCHANAN.何大明流域水文模型中的土壤质地转换与饱和导水率Ks值确定[期刊论文]-云南地理环境研究 2008(5)21.黄国如流量过程线的自动分割方法探讨[期刊论文]-灌溉排水学报 2007(1)22.孔彦龙.庞忠和高寒流域同位素径流分割研究进展[期刊论文]-冰川冻土 2010(3)23.徐金涛.张奇.徐力刚抚仙湖集水域地表径流入湖水量模拟[期刊论文]-湖泊科学 2007(6)24.戴枫勇.姚琪.苏东彬SWAT模型研究[期刊论文]-江苏环境科技 2006(z1)25.代俊峰.崔远来基于SWAT的灌区分布式水文模型——Ⅰ.模型构建的原理与方法[期刊论文]-水利学报 2009(2)26.刘吉峰.李世杰.丁裕国基于气候模式统计降尺度技术的未来青海湖水位变化预估[期刊论文]-水科学进展 2008(2)27.王林.张明旭.陈兴伟基于SWAT模型的晋江西溪流域径流模拟[期刊论文]-亚热带资源与环境学报 2007(1)28.郑璟.方伟华.史培军.卓莉快速城市化地区土地利用变化对流域水文过程影响的模拟研究——以深圳市布吉河流域为例[期刊论文]-自然资源学报 2009(9)29.侯统昭.李锦育SWAT模型之初步探讨[期刊论文]-水土保持研究 2009(6)30.李丽娇.薛丽娟.张奇基于SWAT的西苕溪流域降雨—径流关系及水量平衡分析[期刊论文]-水土保持通报 2008(5)31.于峰.史正涛.李滨勇.杨具瑞.彭海英SWAT模型及其应用研究[期刊论文]-水土保持应用技术2008(5)32.于磊.顾鎏.李建新.朱新军基于SWAT模型的中尺度流域气候变化水文响应研究[期刊论文]-水土保持通报 2008(4)33.刘吉峰.霍世青.李世杰.杜宇SWAT模型在青海湖布哈河流域径流变化成因分析中的应用[期刊论文]-河海大学学报（自然科学版） 2007(2)34.许其功.刘鸿亮.沈珍瑶.席北斗参数空间分布对非点源污染模拟的影响[期刊论文]-环境科学2007(7)35.舒卫先.李世杰.刘吉峰青海湖水量变化模拟及原因分析[期刊论文]-干旱区地理 2008(2)36.李丽娇.张奇一个地表-地下径流耦合模型在西苕溪流域的应用[期刊论文]-水土保持学报。
AnnAGNPS模型研究及应用进展
第37卷 第2期2009年2月西北农林科技大学学报(自然科学版)Journal o f N ort hw est A&F U niv ersit y(N at.Sci.Ed.)Vo l.37N o.2Feb.2009 AnnAGNPS模型研究及应用进展李家科1,李怀恩1,李亚娇2(1西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西西安710048;2西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054)[摘 要] 目的 A nnA G NP S(Annualized Ag ricultur al No n-Point So urce Po llut ion M o del)模型是由美国农业部开发的用于模拟评估流域地表径流、泥沙侵蚀和氮磷营养盐流失的连续型分布式参数模型。
文章对A nnAG N PS 的国内外研究应用进行了全面综述,以期为模型在我国的深入研究和应用提供参考。
方法 从A nnAG N PS模型的机理、结构、国内外应用现状及我国应用中存在的问题等方面作了综合性总结。
结果 模型应用情况表明,模型对径流和非点源污染的模拟基本在可接受精度范围内,对于地表径流的模拟能力要强于泥沙和氮磷营养盐,对总磷输出的模拟表现出了较大的不确定性;年、月时间尺度模拟精度高于单场降雨的模拟精度;单场降雨雨量越大,模拟效果越好;大尺度区域模拟精度低于小尺度区域;对洪峰流量估计过高。
结论 我国目前对模型的适应性和重要参数的敏感性分析方面研究较多,受相关数据获取困难等因素的影响,A nnA G NP S模型的应用缺乏系统性和连续性。
对模型的修正或改进,以及非点源管理措施效果的模拟评价等方面的研究有待加强。
[关键词] AnnAG N PS模型;非点源污染;研究与应用[中图分类号] X143[文献标识码] A[文章编号] 1671-9387(2009)02-0225-10Development of study on AnnAGN PS model and its applicationLI Jia-ke1,LI H ua-i en1,LI Ya-jiao2(1K ey L ab of N or thw e st W ater Re sour ce and Env ironment E cology of M OE,X i an Univ er sity of T ec hnology,X i an,S haanx i710048, China;2S chool of A rch itecture and Civ il E ngineer ing,X i an Unive rsity of S cience and T echnolog y,X i an,Sh aanxi710054,Ch ina)Abstract: Objective AnnAGNPS,a continuo us and distributed model developed by U SDA,can simu-late and evaluate the y ield quantities of r unoff,sediment,and nutrients o f a w atershed o n a daily,m onthly, or year ly basis according to user s specification.In this paper,study and application on AnnA GNPS mo del at home and abroad w ere analyzed in detail to offer reference for apply ing the model in our country. Meth-o d T he principle,str ucture,present situation of appliance at home and abr oad as w ell as pro blems of using the A nnAGN PS model in our country w ere presented. Result Application of the mo del show ed that:Sim-ulatio n results on runoff and non-point source pollutio n(N SP)of the mo del w er e accepted,of w hich,the simulatio n pr ecision on r unoff w as higher than that on sediment,nitrog en and phosphorous nutrients.Sim-ulatio n on total pho spho rous to ok on som e uncertainty.The simulation precision on year or m onth w as hig her than that on single rainfall.T he amo unt of precipitation of single rainfall w as bigger and the simula-tion effect better.T he simulation precision on large-scale regio n w as low er than that on smal-l scale one. The estimation on peak discharge of the model w as to o hig h. Conclusion T here have been a number of studies on the adaptability of the m odel and sensitivity of important par am eters in our country,but affected by the difficulty to acquir e relev ant data,the application of AnnA GNPS model lacks of sy stemic and cont-i nuity.Mo dification or im pro vem ent o n the model and effects simulation as w ell as ev aluatio n of no n-po int*[收稿日期] 2008-04-03[基金项目] 国家自然科学基金项目(90610030);陕西省教育厅科学研究计划项目(06J K222)[作者简介] 李家科(1975-),男,湖北荆门人,讲师,在职博士,主要从事非点源污染与水资源保护研究。
输沙量、 蚀量与泥沙输移比的流域尺度关系 侵
第29卷 第7期2010年7月地 理 研 究GEOGRAPH ICAL RESEARCHVol 129,No 17July,2010收稿日期:2009209210;修订日期:2009212212基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2007CB 407203)作者简介:景可(19392),男,江苏省丹徒县人,研究员。
主要从事流域侵蚀产沙研究。
E 2mail:jingk @igsnrr 1ac 1cn*通讯作者:焦菊英(19652),女,博士,研究员,从事水土保持环境效应评价研究,E 2mail:jiaojuying @ya 2hoo 1com 1cn输沙量、侵蚀量与泥沙输移比的流域尺度关系)))以赣江流域为例景 可1,2,焦菊英1*,李林育1,张世杰1(11西北农林科技大学中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100;21中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘要:输沙量、侵蚀量与泥沙输移比的流域尺度转换研究是当前流域侵蚀产沙研究领域的前沿课题,旨在通过尺度转换理论将坡面小区试验研究成果转换到流域的更大范围。
以赣江流域实测输沙量和计算侵蚀量与泥沙输移比数据为基础,探讨了该流域3个变量的流域尺度关系,进而研究分析了3个变量尺度转换的可能性。
3个变量与流域面积的关系散点图和相关方程都反映了这3者与流域面积不存在明显的相关关系,相悖于前人反比关系的结论。
文章还阐述了流域面积的内涵及输沙量、侵蚀量和输移比的影响因素与流域面积的关系,发现3个变量的影响因素与流域面积不存在尺度效应。
由此推断在赣江流域输沙量、侵蚀量和泥沙输移比实现尺度转换存在的可能性不大。
这一研究结论是否成立或是否具有普遍性意义还有待于更多流域的研究成果来进一步证实。
关键词:输沙量;侵蚀量;输移比;尺度转换;流域面积;赣江流域文章编号:100020585(2010)07211632081 问题的提出长时间以来,土壤侵蚀量的研究大都局限于坡面、小区和小流域的侵蚀试验研究,以此研究成果为基础建立的土壤侵蚀预报模型,其数量举不胜举。
文献综述-长江口水文、泥沙计算分析
长江口水文、泥沙计算分析文献综述1研究背景河口地区是海陆相互作用最为典型的区域，其水动力条件复杂，如径流、潮汐、波浪、沿岸流以及地转科氏力等作用强烈；人类活动也颇为活跃，其作为经济发展的强势地位集中体现在沿江、沿海等地域优势上。
众所周知，河流泥沙资料是为防治水土流失、减轻泥沙灾害、合理开发水土资源、维护生态平衡等方面的宏观分析与决策研究，以及流域水利水电工程建设规划、设计和水库运用、调度管理等提供科学依据的重要基础工作。
我国属于多河流、广流域的国家，据统计，在我国长达21000多公里的海岸线上，分布着大小不同、类型各异的河口1800多个，其中河流长度在100公里以上的河口有60多个（沈焕庭等，2001）。
长江是我国第一大河，水量丰沛，输沙量大，全长约6300km，流域面积约180万km2，占全国面积的1/5。
其河流长度仅次于尼罗河与亚马孙河，入海水量仅次于亚马孙河与刚果河，均居世界第三位。
据长江大通站资料(1950~2004)，流域平均每年汇集于河道的径流总量达9.00 X 1011m3，并挟带约3. 78 X 108t泥沙(中华人民共和国泥沙公报，2004)，由长江河口的南槽、北槽、北港和北支等四条汉道输送入海。
根据长江口水流动力性质和形态特征，可分为径流段、过渡段、潮流段和口外海滨段。
过渡段是径流与潮流相互消长的河段，它自五峰山镇至徐六径，长约184km。
潮流段是潮流势力逐渐增强，径流势力相对减弱，风浪与风暴潮对河道的影响大增的河段，它自徐六径至河口，长约174km。
口外海滨段是诸多水动力因素非常活跃的场所，又受到海岸、海底等边界条件的制约，水流动力情况比较复杂。
它的大致范围是西起长江口拦门沙前端、东至水下三角洲前缘，南自南汇嘴附近、北达江苏省篙枝港(胡辉，1988；沈焕庭2000，2001；宋兰兰，2002)。
每个典型河段都有其固有的且相互影响的悬移质含沙量分布特性，它们在长江口地貌形态、河口演变过程中扮演着重要角色。
我国流域泥沙输移比研究进展
中图分类号 ：Ｐ３ ３３
文 献标 识码 ： Ａ
文章编号 ：００ １７ （ ０ ８ ０ — ０ ６０ １０ — ３ ９ ２０ ）９ ０ ３ －２
流域泥沙输移 比反映 了流域 内泥沙的输移状 况 ， 连接流 是 域 地面侵蚀与河道输沙 的纽 带和研 究 流域侵 蚀与 产沙关 系 的 重要数 据。泥沙 输移 比涉及流域侵蚀与 泥沙堆 积 ， 大小直接 其
１１ 流域 面 积与 泥沙 输移 比 ．
流域 的空间 尺度 会对 泥 沙输 移产 生不 同的影 响 ， 流域 越
长江上游 、 黄河 中游主要支流及任意 流域 ３个层 面 的流 域输沙 模数与流域 面积 的关 系 ， 认为黄河 中游输沙模 数与流域 面积不 呈反 比关 系 ， 而长江上游无论是干流还 是支流 或任意流 域的流
输移 比
１ｏ ．ｏ
４． ６ ２ ２１ ０ ． ８ ７ ０ ３８ ３ ９
０． ４ ９ Ｏ． ６ ８ ０． ０ ８ Ｏ． ３ ８
以及检验水土保持措施 的实施效果 ， 为小 流域综合 治理规划及 工程设计提供科学依据 。
川叭 ｍ∞ＯＯ Ｈｌ５Ｏ ， 姗
（． １ 黄河水利科 学研 究院， 河南 郑州 ４ ０ ０ ； ． ５０ ３ ２ 重庆 市环 境科学研 究院 ， 重庆 ４ １０ ） ０ １０
摘
要： 从研 究 内容和研 究方法两个 角度 ， 详细阐述 了我 国在 泥沙输移比研究 中取得 的主要 成果 ， 出： 泥 沙输移 比的 指 ①
研究 涉及到土壤侵蚀 学、 地貌学、 地质 学、 态学和环境 学等 多门学科 ， 国研 究者所进行 的泥沙输移 比的研 究还很 不成 生 我
Ｓ ＤＲ ＝ １ ２ ＋ １ ３ １ Ｒ ．９ ． ７ ｎ 一 ０ ０ ５ Ｉ ． ２ ｎＡ
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文章编号:100428227(2005)0520574205
流域尺度的营养物质输移模型研究综述
赖格英1,2,3,于 革1(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008;2.江西师范大学鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室,
江西南昌330027;3.中国科学院研究生院,北京100039
)
摘 要:近几十年来,水体富营养化已成为许多国家密切关注的环境问题,氮、磷等湖泊富营养化营养元素与流域的点源、非点源排放密切相关。随着点源治理水平的逐步提高,非点源污染的比重和危害将逐步增大。对流域的营养物质输移进行数值模拟对于揭示我国浅水湖泊富营养化的机制有重要的意义。国内外对这类模型已经有相当多的研究,形成了种类繁多的各类非点源污染模型。从湖泊营养盐外源输移的研究角度出发,分析了流域尺度的营养盐输移模拟机理性模型的结构特征,并对非点源污染模型在国内外的研究概况、模型的研究动态、主要模型的功能、结构及其特点和发展趋势进行了多视角的综述。
关键词:流域;营养盐;输移模拟;进展;综述;非点源污染文献标识码:A
水体富营养化是目前许多国家存在并密切关注的环境问题,研究表明[1,2],水体中营养盐的输入和
富集是富营养化的最主要原因。近几十年来,过量的化肥施用、人口的快速增加、城市的迅速扩展以及动植物生命过程中产生的氮磷,改变了营养物质的自然循环[3],主要限制性营养盐间的原子比例如N:
P、Si:N和Si:P的变化[4,5]导致了浮游植物群落的
变化并且伴随着有毒藻华的出现和持续。非点源污染在形成上具有随机性大、分布广泛、发生相对滞后和潜在性强等特点,与点源污染相比,
非点源污染在管理与控制上有较大难度[6]。通过建立数学模拟模型在流域尺度上对营养物质输移进行定量化评估,进而研究非点源形式的营养盐输移转化规律,探讨外源性营养物质的驱动因素,对于湖泊等水体营养物质外源输入实行总量控制,实现流域-湖泊复合生态系统的健康管理以及湖泊营养本底的良性修复,具有重要的意义。经过几十年的努力,
国内外已形成了基于事件和过程的不同时空尺度的非点源机理性模型,为湖泊营养盐外源输入的模拟提供了很好的模型基础。本文分析了流域尺度的营养盐输移模拟机理性模型的结构特征,并对非点源污染模型在国内外的研究概况和动态、主要模型的功能、结构和发展趋势进行了多视角的综述。
1 流域尺度的营养盐机理性模型的结构特征
流域或集水区是基于水文学的一个空间单元概念,它是指河流及其支流排水的地理区域,具有系统性和相对独立性。随着生态学、环境学的发展以及人们对生态与环境的日益关注,与流域相关的地表过程如水文过程、水土流失与侵蚀过程、营养物质输移过程,以及这些过程与人类活动之间的相互响应得到了大量研究[7]。流域的自然过程和流域的自然属性密切相关,因此把流域作为营养盐输移模拟的基本空间单元有特殊的地域和水文意义。营养物质输移模型是根据营养物质流失、吸附、迁移、聚集等过程的机理,以数学建模的方法模拟不同类型的营养物质在水文循环作用下,对水体所造成的负荷,以及营养物质在水文循环各个环节中迁移、转化的过程。营养物质输移涉及许多过程,其中降雨径流过程、土壤侵蚀与流失过程和各种营养物质在陆面、河道与湖泊等水体中的迁移、转化、沉积过程是决定非点源形式营养盐输移特征的3个主要过程[8]。因此,模拟这3个过程的子模型构成了非点源机理模型基本框架。
收稿日期:2004208206;修回日期:2004212229
基金项目:国家科技部973项目(2002CB41230021)和中国科学院知识创新工程项目(KZCX12SW212)共同资助.
作者简介:赖格英(1963～ ),男,江西省寻乌人,博士生,教授,主要从事遥感、地理信息系统和流域过程模拟的研究.
第14卷第5期2005年9月 长江流域资源与环境ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasin Vol.14No.5Sep.20052 国内外研究概况我国对非点源污染机理模型的研究开始较晚,
做了许多应用研究和理论探讨[9～11],取得了一定成
果。水文模型和土壤侵蚀模型是污染物输移模拟的基础,国内自20世纪60年代以来,有了很大进展,
形成了新安江模型和陕北模型等。几十年来,在不同的建模理论和方法上进行了不同侧面的探讨[12～15]。在流域土壤侵蚀和产沙方面,学者进行了许多探索,形成了一些实用的模型[16,17]。国际上对非点源污染的研究大体上开始于20
世纪60年代,70年代起进行系统研究,80年代以后进展迅速。早期的研究往往只对单一的非点源污染物或单场降雨进行模拟,其方法多采用统计模型。机理性模型由统计模型发展而来,可以逐日长期连续模拟营养盐、沉积物、农药、除草剂等不同非点源污染物在渗透性和非渗透性的土壤、河网、水库和湖泊等介质中迁移转化的复杂综合过程。随着机理性模型模拟能力的提高,模型结构日趋复杂,所需数据量日益庞大,应用传统的常规定量化研究方法变得困难甚至不可能。80年代以来,随着计算机和信息技术的发展,地理信息系统(GIS)、遥感(RS)等高新技术在非点源污染研究领域得到了迅速应用[18,19]。早期的机理性模型通常将整个流域或区域作为一个集总系统来处理,相关的土壤、气候、地形等地理要素采用空间平均方法处理。由于地理要素的非均一性和非线性,集总式参数模型无法满足研究的精度需求。分布式参数模型考虑了流域内部的地理要素和地理过程在时间和空间上的差异,并以格网或子流域的空间单元划分方法将大区域或流域离散化成更小的地理单元。在这些地理单元中,地理要素被看作是均匀的,因而分布式模型比集总式模型更逼近环境过程的真实性,有更强的物理基础。由于研究的侧重点和对象不同,分布式模型又包含尺度和功能各异的机理性非点源模型,如模拟城市暴雨径流污染的SWMM、STORM和WAT2FLOOD模型;模拟农田尺度径流、渗滤、蒸发、土壤侵蚀和化学物质迁移转化过程的EPIC、CNPS和CREAMS模型;模拟中小流域农业非点源的AG2NPS模型;评估土地利用变化及不同管理措施对非点源污染和水质影响的SWAT和SHE模型;模拟农业活动对地下水影响的GLEAMS模型;采用空间相关统计的SPARROW模型;为城市规划人员和
自然资源管理者评估土地利用变化对水质水量影响的L2THIA模型[20];集空间信息处理、数据库技术、
可视化等功能于一体的流域管理与评估的BASINS
模型。这些非点源模型在不同程度上都有营养盐模拟组件,是进行营养盐输移研究的重要模型。
3 流域尺度的主要营养物质模拟模型20世纪70～80年代,研究人员开发了大量的机理性非点源污染模型,如HSPF、ANSWERS、SWRRB、AGNPS、CNPS、L2THIA、SWAT、LOAD、WATFLOOD、MIKE-SHI等,本文主要对有代表性的模型进行阐述和分析。
3.1 L2THIA模型L2THIA(Long2TermHydrologicImpactAs2sessment)模型主要帮助城市规划人员或自然资源
管理者量化土地利用变化对水质水量的影响。它借助土地利用、土壤特性以及降水的历史资料来确定某种土地利用类型变化或潜在的土地利用类型变化所导致的年径流和几种非点源污染物的平均影响。作为快速而简易的方法,L2THIA模型聚焦于土地利用类型变化带来的平均影响而不是特定年份或某个暴雨事件对水质水量的影响。目前L2THIA模型已经有许多基于GIS平台的版本,并具有分布式参数的特征[21,22]。Bhaduri
(1998)开发了一个基于GIS的L2THIANPS模型
,
用于评估过去或将来规划中的城市建设所引起的土地利用变化对流域水质的影响。此外,L2THIA还有基于Web的模型系统L2THIAWWW,用户只要将数据提供给客户端的Web用户界面,系统就会将数据通过Internet传递到主机并进行运算,将结果反馈到客户端并以图表和图形的方式加以表达。近年来,城市无计划大规模的扩张引发了许多有关土地利用变化的关注与思考,如土地利用变化导致了洪水频发、河床降低、土壤侵蚀以及地下水补给等一系列无法诠释的问题[20],因而L2THIANPS
模型得到了大量应用,如Ogden(1996)用于城镇规划和海岸线管理;Grove等则基于GIS和遥感资料,
用该模型评估印第安纳波利斯历史上土地利用变化对流域的影响;Minner(1998)在美国的主要气候带下通过构造城市扩展的许多变量,分析保留适宜绿化带或绿化区的城建方案与传统的城建方案对流域水环境的影响差异。传统的土地利用规划是基于“满足需求”这种理念,而现在可持续发展的土地利
575 第5期 赖格英等:流域尺度的营养物质输移模型研究综述