張雪松 王萌 李志東

（沈陽(yáng)師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110000）

1 引言

分布式水文模型是研究流域水文、生態(tài)、環(huán)境問(wèn)題的重要工具［1］。近年來(lái)各種空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)逐漸成熟和計(jì)算速率逐步提升，為分布式水文物理模型提供了硬件和技術(shù)支持［2］。分布式水文模型涉及的數(shù)據(jù)量大、領(lǐng)域廣，其建模是一個(gè)非常復(fù)雜且極易出錯(cuò)的過(guò)程，所以自從分布式水文模型出現(xiàn)以后，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了各種處理軟件，其中最完整、最成功的處理軟件之一就是ArcSWAT 模型。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將ArcSWAT 模型應(yīng)用于流域水文循環(huán)、土壤侵蝕、污染物負(fù)荷、氣候變化與土地利用變化的影響等研究中，取得了良好的模擬效果。本文對(duì)ArcSWAT 模型的原理及應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，并對(duì)其存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展提出建議。

2 ArcSWAT 模型簡(jiǎn)介

1969 年，國(guó)外開(kāi)始研究分布式水文模型，F(xiàn)reeze和Harlan［3］初次提出了模型的概念與框架，但由于計(jì)算手段和信息技術(shù)有限，分布式水文模型在20 世紀(jì)90 年代前后才受到極大關(guān)注，在模型的建立理論、思路以及技術(shù)方面得到了較大的發(fā)展。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）分布式水文模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（Agricultural Research Servie，ARS）Jeff Amold 博士所開(kāi)發(fā)的流域尺度模型，由土壤（Soil）、水（Water）、評(píng)估（Assessment）、工具（Tool）單詞的首字母組成［4］。該模型開(kāi)發(fā)的最初目的是在具有不同土壤類(lèi)型、土地利用和管理?xiàng)l件特征的大尺度復(fù)雜流域內(nèi)，預(yù)測(cè)土地管理措施對(duì)產(chǎn)水、產(chǎn)沙及農(nóng)業(yè)化學(xué)污染物負(fù)荷等的長(zhǎng)期影響。

SWAT 模型自推出至今一直在不斷地更新和升級(jí)，ArcSWAT 是SWAT 模型在ArcGIS 平臺(tái)上的擴(kuò)展模式，它作為一個(gè)擴(kuò)展模塊嵌入ArcGIS 中，是一個(gè)SWAT 模型的圖形化用戶界面。包括流域劃分、水文響應(yīng)單元定義、氣象站點(diǎn)定義、ArcSWAT 數(shù)據(jù)庫(kù)、輸入?yún)?shù)、情景管理和模型運(yùn)行等幾個(gè)模塊。需要的基本輸入數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)高程模型（DEM）、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類(lèi)型圖、水系圖、降水氣象資料等［5］。

ArcSWAT 模型數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖1。

圖1 ArcSWAT 模型數(shù)據(jù)處理流程

3 ArcSWAT 模型應(yīng)用進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

SWAT 作為國(guó)際性模型在非點(diǎn)源污染模擬領(lǐng)域已經(jīng)持續(xù)發(fā)展30 多年，以美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局與得克薩斯農(nóng)工大學(xué)為主開(kāi)發(fā)，在世界范圍內(nèi)許多大學(xué)與專(zhuān)家為該模型的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

在不同的氣候條件下，ArcSWAT 模型對(duì)流域的水文會(huì)產(chǎn)生影響。氣候變化影響到整個(gè)地球系統(tǒng)，是最重要的全球環(huán)境挑戰(zhàn)之一，對(duì)糧食生產(chǎn)、供水、健康、生計(jì)、能源等產(chǎn)生負(fù)面影響。2015 年，Uniyal 等［6］使用ArcSWAT 模型對(duì)數(shù)據(jù)匱乏的印度東部拜塔拉尼河流域水平衡組成部分的氣候變化進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，21 世紀(jì)末氣候條件的未來(lái)變化最有可能對(duì)研究區(qū)的徑流產(chǎn)生重大影響。這項(xiàng)研究結(jié)果有助于指導(dǎo)應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的流域可持續(xù)水資源管理的適應(yīng)措施。2017 年，Reshmidevi 等［7］使用與ArcGIS集成的SWAT 對(duì)當(dāng)時(shí)和未來(lái)的氣候情景進(jìn)行水文模擬，評(píng)估了氣候變化對(duì)印度河流域水平衡的影響，預(yù)測(cè)了河流流量和地下水補(bǔ)給量的減少以及灌溉需求的增加可能會(huì)加劇該地區(qū)的水資源壓力。同年，Hasan 等［8］將ArcSWAT 模型用于開(kāi)發(fā)模擬河流流量，通過(guò)模型進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果表明，氣候變化會(huì)改變流域的季節(jié)性流態(tài)，未來(lái)的氣候變化有可能對(duì)水電潛力產(chǎn)生影響。該項(xiàng)研究證明了SWAT 模型可以成為預(yù)測(cè)氣候變化影響的有用工具，為今后的研究作出了巨大貢獻(xiàn)。

在水量、沉積物和土地利用等研究方面，F(xiàn)itzhugh T W 等［9］運(yùn)用分布式參數(shù)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型和SWAT 模型進(jìn)行研究，證明輸入?yún)?shù)聚合的空間范圍對(duì)模型有很大影響。而近幾年又有許多學(xué)者在這方面有了新的研究。2010 年，Mukundan 等［10］將SWAT 模型運(yùn)用到土壤數(shù)據(jù)的空間分辨率測(cè)試，將ArcSWAT 模型用于比較以1 ∶250 000 比例繪制的州土壤地理（STATSGO）數(shù)據(jù)庫(kù)與以1 ∶12 000 比例繪制的土壤調(diào)查地理（SSURGO）數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)果表明，校準(zhǔn)后的2 個(gè)模型在模擬河流流量和沉積物負(fù)荷方面具有相當(dāng)?shù)哪Ｐ托省?011 年，Daggupati 等［11］為了評(píng)估地形、土壤、土地利用和土地管理源數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模定位結(jié)果的影響，使用ArcSWAT 模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模定位的方法，對(duì)SWAT 水文響應(yīng)單元（HRU）輸出進(jìn)行后處理，以生成各個(gè)田地的沉積物產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，流域模型可以幫助定位需要采取土壤保持措施的一般區(qū)域，但在提出田間建議方面效果較差。由此發(fā)現(xiàn)，使用不正確的源數(shù)據(jù)直接導(dǎo)致不正確的田間沉積物產(chǎn)量排名，從而導(dǎo)致得出不正確的田間目標(biāo)。土地利用對(duì)土壤數(shù)據(jù)源的敏感性最高，土地管理實(shí)踐對(duì)地形和土壤數(shù)據(jù)源的敏感性較低。2018 年，Preetha 等［12］將來(lái)自MODIS 的動(dòng)態(tài)遙感土地覆蓋數(shù)據(jù)集成到ArcSWAT 模型中，開(kāi)發(fā)了捕捉阿拉巴馬州魚(yú)河流域USLE 因素的多元線性回歸（MLR）模型。研究結(jié)果顯示，MLR 模型估計(jì)的K 與測(cè)量的K 之間的強(qiáng)相關(guān)性表明，使用土壤水分含量（R2＝0.84，p＜0.05）和土壤容重（R2＝0.77，p＜0.05）作為預(yù)測(cè)變量，可以更好地全面估計(jì)土地覆蓋變化顯著地區(qū)的土壤侵蝕性因子。2017 年，Shivhare 等［13］使用ArcGIS 和ArcSWAT 對(duì)該流域進(jìn)行形態(tài)測(cè)量、土地利用/土地覆蓋和通用土壤流失方程（USLE）分析，研究結(jié)果可進(jìn)一步用于土壤侵蝕和產(chǎn)沙模擬項(xiàng)目。2021 年，Cataldo 等［14］為了評(píng)估凱勒水庫(kù)中的沉積物體積，運(yùn)用探地雷達(dá)（GPR）調(diào)查、ArcSWAT 模型和用于攝影測(cè)量的小型無(wú)人機(jī)（sUAV）3 種技術(shù)，以識(shí)別大壩的準(zhǔn)確地形邊界。

在水資源研究方面，F(xiàn)adil 等［15］于2011 年使用SWAT 對(duì)位于摩洛哥中北部Bouregreg 盆地的水文進(jìn)行建模，以了解和確定不同的流域水文過(guò)程。利用ArcGIS 軟件中實(shí)現(xiàn)的ArcSWAT 接口對(duì)盆地及其子組件進(jìn)行劃分，組合數(shù)據(jù)層和編輯模型數(shù)據(jù)庫(kù)。Ghoraba 等［16］于2015 年使用SWAT 對(duì)Simly Dam流域的水文進(jìn)行了建模，利用ArcGIS 軟件中實(shí)現(xiàn)的ArcSWAT 接口對(duì)研究區(qū)域及其子組件進(jìn)行劃分，數(shù)據(jù)層組合和模型數(shù)據(jù)庫(kù)編輯。這2 項(xiàng)結(jié)果均表明，如果正確校準(zhǔn)，半干旱地區(qū)SWAT 模型可以有效地用于支持水資源管理政策。

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2000 年左右，國(guó)內(nèi)對(duì)SWAT 模型的研究和應(yīng)用逐漸起步，目前在高速發(fā)展中，已廣泛應(yīng)用到水量、泥沙和非點(diǎn)源污染的模擬。

在對(duì)非點(diǎn)源污染的模擬方面，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者同樣有所研究。2008 年，王曉燕等［17］將SWAT 模型、GIS 技術(shù)和流域數(shù)字高程模型共同結(jié)合，以北京密云水庫(kù)北部區(qū)域?yàn)槔?，進(jìn)行了流域非點(diǎn)源污染模擬，結(jié)果表明，不同土地利用類(lèi)型非點(diǎn)源污染流失負(fù)荷不同，而且污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最小的是林地，污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的是耕地。同年，田旭等［5］使用ArcSWAT 模塊結(jié)合GIS 技術(shù)手段，對(duì)松華壩流域進(jìn)行模擬，并進(jìn)行水量平衡模擬計(jì)算，通過(guò)對(duì)徑流量、蒸散發(fā)、滲透參數(shù)的模擬，計(jì)算得出水量平衡結(jié)果，驗(yàn)證了ArcSWAT 模塊在松華壩流域的適用性，診斷了松華壩流域非點(diǎn)源污染，為保護(hù)本地的生態(tài)環(huán)境提出建設(shè)性意見(jiàn)。2009 年，秦耀民等［18］將黑河流域作為研究對(duì)象，將SWAT 模型與GIS 結(jié)合，當(dāng)?shù)氐姆屈c(diǎn)源污染與土地利用之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明，流域非點(diǎn)源污染與當(dāng)?shù)氐耐恋仄茐挠嘘P(guān)，只有保護(hù)流域內(nèi)植被、土地和水源不被破壞，才能改善其流域水環(huán)境。2013 年，鄧歐平等［19］以浙江長(zhǎng)樂(lè)江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于ArcSWAT 的流域徑流、泥沙和氮污染過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬，定量識(shí)別了非點(diǎn)源氮素污染的關(guān)鍵時(shí)期和關(guān)鍵源區(qū)，為實(shí)現(xiàn)流域氮污染有效控制提供了重要科學(xué)依據(jù)。2019 年，張利軍等［20］在研究建筑施工污染源的采集模塊中使用了ArcSWAT 模型，對(duì)研究區(qū)域中形成污染源的過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)識(shí)別效率高、準(zhǔn)確率高。2021 年，趙永強(qiáng)等［21］將ArcSWAT 模型用于老鸛河流域面源氮識(shí)別和分析，結(jié)果表明，化學(xué)氮肥施用和大氣沉降是老鸛河流域面源氮的主要污染源，針對(duì)當(dāng)?shù)仃P(guān)鍵污染源減控提出方案，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)起到重要作用。

除了在非點(diǎn)源污染方面應(yīng)用ArcSWAT 模型外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還將其應(yīng)用在其他領(lǐng)域。2010 年，魏沖［22］在ArcSWAT 模型、GIS 的支持下，在淅川縣丹江口庫(kù)區(qū)進(jìn)行應(yīng)用研究，結(jié)果表明，參數(shù)化結(jié)果較合理，可以較好地反映當(dāng)?shù)氐膹搅髋c降雨過(guò)程，SWAT 模型在該研究區(qū)域具有較高的適用性，為當(dāng)?shù)厮帘３?、水質(zhì)穩(wěn)定和未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)意見(jiàn)。2014 年，劉麗敏［23］利用ArcSWAT 模型對(duì)密云水庫(kù)流域徑流進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，在密云水庫(kù)流域，降水量的增大、氣溫的降低都會(huì)促進(jìn)年徑流的增加，而且降水變化對(duì)徑流的影響更顯著。2015 年，何文等［24］采用ArcSWAT 模型在漓江流域進(jìn)行了模擬，自動(dòng)提取對(duì)比研究了當(dāng)?shù)氐暮泳W(wǎng)水系，其結(jié)果顯示，通過(guò)引入該地區(qū)矢量圖層進(jìn)行脅迫的方法所提取的河網(wǎng)水系精度最高，在無(wú)輔助信息脅迫條件下SRTMv 4 DEM 數(shù)據(jù)對(duì)地形的表達(dá)比較準(zhǔn)確。2018年，司家濟(jì)等［25］基于ArcSWAT 的沙潁河下游水系提取試驗(yàn)研究，確定了水系提取的最佳閾值。2019年，邢立文等［26］將ArcSWAT 模型應(yīng)用在李子溪流域水沙運(yùn)移的模擬上，結(jié)果表明，該模型對(duì)年徑流、年泥沙量、月徑流模擬精度較高，而月泥沙量模擬精度較低。2020 年，張蕭蕭等［27］基于ArcSWAT 模型對(duì)日照沭河流域雨水集蓄潛力展開(kāi)分析，為研究區(qū)域內(nèi)水資源的高效持續(xù)利用提供一系列科學(xué)依據(jù)。2021 年，劉飛等［28］運(yùn)用ArcSWAT 模型對(duì)琿春河流域地表徑流進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，為洪水災(zāi)害研究提供參考數(shù)據(jù)。以上研究均表明了ArcSWAT 模型的適用性，其對(duì)各領(lǐng)域的模擬研究具有重大意義。

4 結(jié)論與展望

ArcSWAT 模型發(fā)展至今，在國(guó)內(nèi)外流域水文循環(huán)、土壤侵蝕、污染物負(fù)荷、氣候變化與土地利用變化的影響等研究中得到了廣泛應(yīng)用，諸多學(xué)者對(duì)其使用展開(kāi)了多維度、多角度的研究和探討，取得了許多有益的成果，ArcSWAT 模型的逐漸完善與進(jìn)步，對(duì)國(guó)內(nèi)外的科學(xué)研究起到了重大作用，為水文、生態(tài)、環(huán)境研究作出了巨大貢獻(xiàn)。

在ArcSWAT 模型模擬運(yùn)行過(guò)程中也存在一定的局限性：（1）ArcSWAT 模型在我國(guó)的研究和應(yīng)用起步較晚，國(guó)內(nèi)對(duì)于ArcSWAT 模型的使用還不是很全面，在今后的研究和使用中，應(yīng)借鑒國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)將ArcSWAT 模型應(yīng)用于不同領(lǐng)域。（2）國(guó)內(nèi)對(duì)于ArcSWAT 模型的研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，因此對(duì)其適用性還需進(jìn)行深入探討，針對(duì)我國(guó)具體情況進(jìn)行具體分析，使模型逐漸得到優(yōu)化，推進(jìn)其在我國(guó)的使用。（3）我國(guó)對(duì)于ArcSWAT 模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并不完善，應(yīng)針對(duì)數(shù)據(jù)不充足的地區(qū)進(jìn)行模擬研發(fā)，推進(jìn)其在不同方向的發(fā)展。

就本文目前搜索到的資料來(lái)看，雖然眾多學(xué)者針對(duì)ArcSWAT 進(jìn)行了多方面的研究，但這些研究中還存在不足之處，希望未來(lái)可以將ArcSWAT 模型應(yīng)用在更多的領(lǐng)域，提高模型的使用度。