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SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望.pdf

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上传者: 249556276 2012-07-19 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望pdf》,可适用于人文社科领域,主题内容包含土壤(Soils),,():~SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望郑捷,李光永*韩振中孟国霞邢黎明(中国农业大学水利与土木工程学院北京北符等。

土壤(Soils),,():~SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望郑捷,李光永*韩振中孟国霞邢黎明(中国农业大学水利与土木工程学院北京北京市顺义区水务局北京中国灌溉排水发展中心北京山西省水利水电科学研究院太原山西省汾河水利管理局山西祁县)摘要:SWAT模型是近几年发展比较快的一个流域分布式水文模型它可以对大、中尺度的流域的水文物理过程进行长时段模拟。本文介绍了SWAT模型的特点并通过对模型在反映人类活动对流域水资源管理影响等方面研究的评述总结了模型在自然流域水资源管理应用的优势以及在人工干扰强烈的农业灌区应用还存在的问题。进而提出了SWAT模型在灌区的水分循环、节水改造等方面的研究方向与应用前景为灌区水资源的优化管理与节水灌溉评价提供一个新的研究手段。关键词:SWAT模型水资源管理灌区中图分类号:S分布式水文模型作为最有前景的流域水循环模拟方式近年来得到了不断的发展。开发产生的各种分布式水文模型既充分考虑了各种水文气象因素信息的时空分异特征也考虑了流域下垫面的时空变异特性但以往的应用研究多针对于自然水循环过程而流域水文循环越来越受自然和人类的双重作用水循环存在的介质与形式、水循环的驱动力都发生了变化这导致了水文循环规律的变化。自然状态下的水循环系统是指没有人类活动干扰的水循环系统它是由大气降水、地表水、土壤水和地下水之间的“四水”转换过程构成的。相对于自然水循环系统人工的水循环系统是在人类的控制下进行的一般包括农业灌排系统、工业水循环系统、生活水循环系统等尤其在农业灌区人工灌溉蒸散过程成为最重要的水文过程与此同时工业、生活、生态等人工水循环系统在整个水循环机制中也处于不容忽视的地位。美国农业部农业研究中心开发的SWAT模型(soilandwaterassessmenttool)是一个流域尺度的分布式水文模型用于模拟地表水和地下水水质和水量预测不同农业管理措施对各种土壤类型、土地利用方式和管理条件的大尺度复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影响。SWAT模型自开发以来在加拿大、澳大利亚、欧洲及亚洲部分地区自然流域水文过程模拟中得到了广泛的应用并在应用过程中得到了不断的发展但是在人工干扰强烈的流域尤其是农业灌区中的应用研究较少相关的工作经验积累还不太丰富还处于探索阶段。本文旨在概述SWAT模型在国内外模拟人类活动对区域水量、水质平衡影响的研究动态并且归纳总结该模型在人工干扰复杂区域水资源管理应用中还存在的一些问题以及预测该模型在农业灌区应用的发展前景为模型更为广泛的应用提供参考价值。SWAT模型简介SWAT模型是一个具有物理机制、长时效、以日为时间步长的分布式水文模型它吸取了CREAMS(chemicals,runoff,anderosionfromagriculturalmanagementsystems)、GLEAMS(groundwaterloadingeffectsonagriculturalmanagementsystems)、EPIC(erosionproductivityimpactcalculator)、SWRRB(simulatorforwaterresourcesinruralbasins)等模型的优点该模型根据河网水系把流域分为若干个子流域(subbasins)每个子流域再根据相同的土地利用类型、土壤类型划分为若干个水文响应单元(HRUs)在每个HRU内采用各种参数模型计算水均衡中各个基金项目:水利部公益性行业专项经费项目()和山西省水利科学技术项目资助。*通讯作者(lgylcaueducn)作者简介:郑捷(-)男江苏连云港人博士研究生主要从事灌溉排水理论与新技术研究。Email:zhengjiecaucom土壤第卷分量再进行汇总最后求得流域的水量、水质的平衡关系。SWAT模型主要由水文过程模型、土壤侵蚀模型、污染负荷模型个子模型构成个子模型由气象、陆面水文循环过程、农业化学物质及泥沙的运动、作物生长、农业管理活动、沟道过程、水库塘堰等水体过程等模块组成通过各模块的联合模拟运算对区域地表水、地下水水量和水质运移转化规律人类活动对水、沙、农业化学物质的长期影响进行评价。SWAT模型源代码公开模型的研发者每做修改后会公布新的源代码。最新的程序、源代码及程序文档可以在SWAT网站(wwwbrctamuseduswat)下载允许使用者针对自己研究区域对模型的源代码进行相应地修改。SWAT模型从开发至今经历了SWAT、SWAT等数次改进对于历次的改进在《SWAT理论文件》中已经详细介绍此处不作赘述。SWAT模型在水资源管理方面应用研究进展SWAT模型自开发以来在美国及欧洲等国家已经得到了广泛的应用其有效性已经得到多项研究项目证明(如美国的CoastalWatershedAssessmentOfGulfOfMaine项目、RioGrandeRioBra项目)目前SWAT模型在流域水文模拟的适用性研究、流域的水土流失评价、变化输入参数下的水文响应研究等方面已十分广泛相关的研究进展国内不少研究者已进行了详细的介绍与阐述本文对此不再赘述。人为改变土地利用方式下的水循环响应研究人类活动对水循环的干扰作用最主要的表现为土地利用方式的变化对水循环的陆面过程的强烈影响。人类对土地的利用改变陆地表面的覆盖率、植物分布方式和土壤质地影响了原有的水循环状态从而改变流域的产汇流规律进而影响当地的地表、地下水资源量及其时空分布。土地利用变化或土地覆被变化(landuselandcoverchange简称LUCC)是区域环境演变的重要组成部分近年来LUCC在区域尺度上的资源和环境效应被学术界广泛重视。LUCC的重要环境效应之一是以水文、水循环效应出现的LUCC水文效应的研究早期大都采用试验的方法这种方法有利于揭示植被土壤大气相互作用的机理但难以在较大尺度上定量评估土地覆被变化的水文效应。SWAT等分布式水文模型在流域水文循环中的应用为分析LUCC在整个流域尺度上的水文效应提供了一个有效的手段。Chanasky等应用SWAT模型模拟了加拿大个小流域分别对应种放牧强度下(无放牧放牧强度为每公顷土地每月头牲畜、每公顷每月头牲畜)对地表径流的影响模拟结果表明无放牧情况下日径流量明显高于其他两种情况种放牧模式下的日径流量均低于日平均降雨量的有融雪过程情况下融雪平均对日径流的贡献率种放牧强度下分别为、和。Celine等应用SWAT模型成功地模拟了瓜的亚纳河上游流域由于人类活动而导致湿地干涸所产生的水文效应情景模拟结果表明:取消玉米、甜菜等耗水量大的作物而改种葡萄的情况下地表径流将增加。国内方面李道峰等为黄河河源区流域设置了种土地覆被情景模型及组不同气温和降水的情景组合研究气候变化、土地利用变化下的径流响应模拟结果表明:随着植被覆盖度的增加流域年径流量减小蒸发量增加。当气温降低且降水增加时流域径流量增加。陈军锋和陈秀万分析了梭磨河流域的气候变动和土地覆被变化对流域径流的影响结果表明世纪年代至年代梭磨河流域的径流变化中由气候波动引起的约占~由土地覆被变化引起的约占。地表水和地下水的调用对水循环转化影响研究在人类的干预下地表径流和地下径流的方向发生了很大的变化水库和大量人工河流的兴建增加了地表水体的面积同时引导水分脱离自然河道对耕作土壤进行灌溉而含水层的开采也使本来需要长距离、长时间才能到达排泄区的地下水提前到达地表。Gosain等应用SWAT模拟了印度Pslleru流域的灌溉回归水阐述了灌溉回归水的时空变异特点并模拟了在实施渠道引水灌溉之后基流的变化结果发现基流量达到引水量的之多。评价了灌溉等人为活动对区域水量平衡的影响这一发现对水资源管理及规划具有重要意义。Sophocleous等将SWAT模型与MODFLOW模型相耦合集总成SWATMOD模型对美国堪萨斯州中南部的响尾蛇河流域的地表水、地下水以及地表水与地下水的交换情况进行了模拟与评价。通过该流域年到年的径流与地下水位等数据对模型进行了校准与验证继而设定了一系列的管理措施包括降低抽水速度、改变引水模式等方案运用模型模拟流域未来年(年)内地表径流、地下水位等变化情况。随后Sophocleous等详细介绍了SWATMOD模型的集成方法并且与传统的物理机制的分布式水文模型SHE模型和集总式的概念型降雨径流模型斯坦福流域模型相第期郑捷等:SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望比较表明了该模型具有输入数据量小且易获取的特点并且水文响应单元概念的提出易于模型进行流域空间差异性分析增强了处理地表水与地下水交互作用、抽水井的分布、多种土地利用形式的灵活性。并以堪萨斯州RattlesnakeCreeksubbasinLowerRepublicanRiverbasinWetWalnutCreekbasin个实例说明了该模型的实用性与多功能性。表明了该模型为流域评价土地利用变化、灌溉发展、气候变化等对地表径流与地下水资源的影响提供了有效的方法。国内方面王宏等集成了SWAT模型与GMS模型对华北平原地下水系统进行联合模拟调参根据最后调整的平均给水度值计算出华北平原山前浅层区地下调蓄库容是~亿m结果表明:在华北平原启用地下水库及修建人工漏水水库、生态河等必要的配套设施具有一定的生态价值。管理措施对水量平衡的影响研究人工干扰下的流域水文循环的另一个显著特点是各种农业管理措施对复杂流域或区域的水、土和农业化学物质的产出定量影响。SWAT模型提供了模拟耕作系统、灌溉、施肥、农药等子模型。Behera和Panda运用SWAT模型研究了印度东部西孟加拉州的一个hm的农业流域内不同的耕作方式与施肥量对该流域产流、产沙及农业营养物质的定量影响模拟结果表明在该地区雨季内种植水稻比种植玉米产流、沙量分别少、为了降低产沙产污量氮磷的施肥量保持在kghmkghm最为合适。Arnold与Stockle运用SWRRB模型(SWAT模型前身)成功模拟了在田间修筑池塘或沟堤的情况下漫灌对作物的产量的影响并评价了田间修筑池塘或沟堤进行作物漫灌的经济效益但模型并未考虑渠道输配水情况。国内方面焦锋等耦合了SWAT模型和马尔科夫链模型对稻田灌溉的水分、养分循环进行了模拟结果表明水量模拟与实测误差平均为总磷模拟与实测误差悬浮物模拟与实测误差总氮误差较大达继而通过马尔科夫链模型对土地利用的演化进行模拟将结果带入SWAT模型预测社会经济发展对水环境影响结论表明:在保证稻田收获的前提下可通过削减施肥量的方法来削减污染物输出降雨和灌溉水量的变化会造成污染物输出的较大变化。胡远安等针对SWAT模型对水田在蓄水期的降雨径流过程的模拟过于简单难以体现不同时期的蓄水要求等问题对水田蓄水的情况进行了修改将水田划分为蓄水与非蓄水时期分别进行计算。模拟结果表明:模型对长期径流量的模拟较为准确而对短期径流的模拟精度较差。农业灌区节水措施对灌溉水循环系统影响研究科学的灌区水循环管理是实现灌区水资源高效利用解决水资源危机的有效方法。为了实现灌区水资源的高效利用人们开展了节水和水管理措施的研究。目前田间尺度的节水灌溉技术研究已十分广泛大面积推广节水灌溉也有许多实例而节水措施的实施也会改变水循环的形成条件和转化规律例如渠系的衬砌减少了水量渗漏入渗到土壤中的水量减少包气带缺水量得不到有效补充减少了入渗到地下水的水量田间节水灌溉方式的实施提高了田间水的利用效率作物的无效蒸发减少造成地表径流减少相应的土壤入渗量也减少与节水前相比地下水由于得不到足够的入渗水量的补充造成水位逐渐下降从而改变了地下水与河道的补给关系。针对灌溉农业系统中的小区和农田尺度的水分循环及其转化规律国内外的学者做了大量的试验和模拟研究在对田间尺度上灌溉、排水、降雨、蒸发蒸腾、渗漏、养分等和作物耗水、产量试验观测的基础上进行了蒸发蒸腾、垂直渗漏、水平渗漏、根系吸水、排水等水分循环各要素的数值模拟。Droogers和Bastiaanssen在土耳其西部地区针对某一渠灌系统运用与SWAT结构类似的针对田间尺度的“土壤水大气植物整合模型SWAP”模拟了特定土壤类型、种植制度与灌溉制度下的作物实际ET值并以遥感图像检测的ET值进行了校正但仅对一个种植季度下作物的ET进行了模拟并且研究尺度较小。周春华等运用SWAP对太行山山前平原田间土壤水分运动进行了数值模拟运用实际观测资料与数值模拟结果进行了初步分析论述了降雨灌溉入渗补给条件下土壤水分运动的规律。Odhiambo等提出了针对稻田的单个田块和田块链的水均衡模型模型的输入参数包括灌溉供水、气象条件、土壤特性和田块尺寸以此可以模拟蒸发蒸腾、渗漏、侧渗和地表径流过程。在小尺度上水分循环各要素、作物产量、养分等因素应用常规的仪器和手段即可监测得出结论比较可靠。但是由于自然条件的差异灌区内地形地貌、水系分布、气象条件以及作物生长的时空变异性大特定地理位置上的小尺度试验结果不能简单推广至大尺度区域。对于灌区等大尺度上的水分循环难以通过传统的试验方法进行研究需要借助于模型化的方法。而目前对灌区水循环模型研究主要采用水均衡的土壤第卷宏观统计模型无法分析灌区内部复杂的自然因素、工程条件、水管理措施的时空分布对灌区水文过程的影响。利用先进的流域尺度分布式水文模型来回答各项节水措施对灌区水文循环的效应问题国内外的研究成果较少仅在美国Santhi等利用SWAT模型并添加了渠系灌溉功能模拟了德克萨斯州格兰德河灌区内的作物需水量和渠系用水效率并对节水措施下的灌区内灌溉需水量与节水潜力进行了评价其研究结果表明改善农业管理措施、调整种植结构、提高渠系水利用效率种节水措施下的节水潜力分别为、、Mm改善田间农业管理措施的效果优于调整种植结构与提高渠系水利用效率。但文中仅模拟了渠系水的利用系数并未考虑田间水利用系数、灌溉水利用系数文中的节水措施未包括喷灌、微灌等节水灌溉工程措施。存在的问题及在灌区应用研究展望存在的问题水文模型通常具有局限性SWAT模型的局限性不仅在于使用的数据库标准各国不一致某些经验公式实际应用效果不理想等方面的不足而且SWAT模型对人工干预复杂的区域尤其是平原灌区的人工侧支水循环模拟研究有待改进。尽管当前的水文模型特别是分布式模型的水分循环中都考虑了灌溉措施但灌溉对水分循环的影响不是模型的重点绝大多数分布式水文模型灌溉功能相对不完善。()SWAT模型在平原区水循环模拟相对比较薄弱对平原区的河流水系提取通常与实际情况出入较大从而对合理的划分子流域产生影响需要根据实际的河网渠系情况对研究区域(平原)的数字高程模型进行合适的修改。()灌区复杂的输配水渠系布置在SWAT模型中没有考虑SWAT等分布式水文模型是产汇流模型渠道供水配水是逆汇流过程渠道的输配水渗漏损失、蒸发损失模型目前无法计算因此在灌区水循环模拟研究时需要添加渠系输配水的功能。()SWAT模型在计算出潜在腾发量后在潜在腾发量的基础上计算实际蒸散发。实际蒸散发包括植物的蒸腾量、作物的冠层截留的蒸发量与土壤水分蒸发量分开计算但是该模型计算植被实际腾发量时仅考虑了潜在蒸散量和植被叶面积指数(LAI)以植被叶面积指数为指标将植被区分开计算实际腾发量。这不适于灌区农田中不同作物实际腾发量的计算研究。()模型计算的地下水深度(水位高度)是离不透水层的高度。而在农田水利学中许多与地下水有关的计算使用的都是地下水埋深因此为了将模型应用在农田水利与地下水有关的计算中需增加地下水埋深的计算。()灌区中不同节水措施(如喷灌、微灌、渠道防渗、农艺节水等)在SWAT等水文模型中无法体现因此单纯运用SWAT模型无法模拟灌区内的节水模式对水循环转化的定量影响。模型在灌区的应用展望综上所述SWAT模型在自然流域内的水文循环、水资源管理中的应用十分广泛但在人类活动强烈的农业灌区水文循环研究基本没有开展。目前对国内大型灌区的水文研究在区域尺度上局限于水均衡的宏观统计模型在田间尺度上局限于有限的定位观测缺少把地表水系统、地下水系统和田间定位观测有机结合的模拟分析工具而SWAT作为一个典型的开放式分布式水文模型在不同尺度自然流域水文循环研究中有许多成功先例这给模型研究灌区的水文循环过程提供了可能。针对上述SWAT模型在农业灌区应用的难点与不足充分考虑灌区内包括“取水输水用水排水回归”个环节构成的人工侧支循环过程对模型进行合理的修改与补充完善例如增加灌区分布式输配水渠道渗漏损失计算、地下水埋深计算、农田作物耗水量及灌溉水利用系数计算等模块建立针对特定灌区的人工自然分布式水文模型利用模型探讨灌区内的水分循环转化关系、节水改造模式下对水分循环强弱影响、灌区节水潜力等都是值得深入研究的课题方向具体研究内容如下:()利用建立的灌区分布式水文模型模拟分析不同灌溉引水量变化条件下灌区内渠道渗漏损失量、蒸发量田间灌溉渗漏损失量、蒸腾蒸发量灌区内地表水地下水转换关系灌溉水的重复利用量等探讨灌区灌溉水循环的特点。()利用模型计算分析渠系水利用系数、田间水利用系数、灌溉水利用系数、灌溉耗水百分比。模拟不同的节水模式如不同的渠道防渗模式、田间灌水模式下灌溉用水效率的变化关系以及不同的节水改造投资对灌溉用水效率的影响关系。()确定合理的生态健康指标(主要指地下水位动态变化以不产生土壤次生盐碱化或干旱地区不影响自然植被生长为约束条件)通过不同节水措施下模第期郑捷等:SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望型模拟与情景方案分析确定不同节水模式下的地下水位变化规律建立地下水位与灌溉用水效率变化关系确定灌区的技术经济平衡点即减少可在灌区重复灌溉利用的灌溉损失量(渗漏、排水、退水)采取的相应措施的投资值等于该水量能被灌溉再利用(地下水抽取)需要的投资值通过不同方案的情景分析确定灌区达到技术经济平衡条件下的灌溉水利用系数进而综合生态健康标准、技术经济平衡的约束条件寻求灌区灌溉用水效率的合理阈值。结语SWAT模型自开发以来以强大的功能、先进的模型结构以及高效的计算在世界各国的流域水文水资源管理中得到了广泛而成功的应用。模型的物理机制、分布式等特点使得模型在描述人工干预下的灌区水分循环的时空变化提供了可能。而灌区的人工自然复合型水循环体系与天然流域存在很大的区别水文过程不再是以降水产流机制为主而是以工程灌溉农田蒸腾蒸发为主。因此在灌区中的应用时需对模型相应模块进行必要的修改和补充。运用模型来模拟灌区内不同节水措施对灌溉水利用效率、地表水与地下水转换关系、节水效果等影响为灌区水资源的优化管理与节水灌溉评价提供一个新的研究手段。参考文献:SmithMB,GeorgakakosKP,LiangXPrefacethedistributedmodelintercomparisonproject(DMIP)JournalHydrology,,:AbbottMB,BathurstJC,Cunge,JA,O'ConnellPE,RasmussenJAnintroductiontotheEuropeanHydrologicalSystemSystemeHydrologiqueEuropean,“SHE”:HistoryandphilosophyofaphysicallybaseddistributedmodelingsystemJournalofHydrology,a,:CharbonneauRFortinJPMorinGTheCEQUEAUmodel:DescriptionandexamplesofitsuseinproblemsrelatedtowaterresourcemanagementHydrologicalScienceBulletin,,():RefsgardJC,HansenEAdistributedgroundwatersurfacewatermodelfortheSusacatchmentPartIModeldescriptionNordicHydrology,,:谢新民,张海庆,尹明万水资源评价及可持续利用规划理论与实践黄河水利出版社,,():裴源生,赵勇,陆垂裕,秦长海,张金萍经济生态系统广义水资源合理配置黄河水利出版社,,():ArnoldJG,SrinivasanR,MuttiahRS,WilliamsJRLargeareahydrologicmodelingandassessmentpartI:ModeldevelopmentJournaloftheAmericanWaterResourcesAssociation,,():NeitschSL,ArnoldJG,KiniryJR,SrinivasanR,WilliamsJRSoilandWaterAssessmentToolTheoreticalDocumentationVersionTexas:TexasWaterResourcesInstitute,CollegeStation,:PercyP,FarrowD,MuttiahR,SrinivasanRDevelopmentofLandbasedPollutionSourcesInventoryfortheGulfofMaineRegionalWatershedhttp:wwwbrctamusedusrinprojectsnoaahtmlAngelaKRamanarayananTSCreationofaGIStoModeltheTransportofSedimentandToxicMaterialsintheRioGrandeRioBravoInternationalWatershedhttp:wwwbrctamusedusrinprojectstnrcchtmlArnoldJG,AllenPMEstimatinghydrologicbudgetsforthreeIllhnoiswatershedsJournalofHydrology,,:EckhardtK,ArnoldJGAutomaticcalibrationofadistributedcatchmentmodelJournalofHydrology,,:FontamcTA,CruickshankTS,ArnoldJG,HotchkissRHDevelopmentofSnowfallsnowmeltroutineformountainousterrainforthesoilwaterassessmenttool(SWAT)JournalofHydrology,,:ManguerraHB,EngelBAHydrologicparameterizationofwatershedforrunoffpredictionusingSWATJournaloftheAmericanWaterResourcesAssociation,,():GrizzettiB,BouraouiF,GranlundK,RekolainenSBidoglioGModellingdiffuseemissionandretentionofnutrientsintheVantaanjokiwatershed(Finland)usingtheSWATmodelEcologicalModelling,,:BouraouiF,BenabdallahS,JradA,BidoglioGApplicationoftheSWATmodelontheMedjerdariverbasin(Tunisia)PhysicsandChemistryoftheEarth,,:QiuZ,PratoTEconomicevaluationofriparianbuffersinanagriculturalwatershedJournaloftheAmericanWaterResourcesAssociation,,():QiuZPratoTPhysicaldeternunantsofeconomicvalueofriparianbuffersinanagriculturalwatershedJournaloftheAmericanWaterResourcesAssociation,,():BingnerRLGarbrechtJ,ArnoldJG,SrinivasanREffectofwatershedsub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