ArcSWAT 模型在流域水環境管理中的應用進展

張雪松 王萌 李志東

（沈陽師范大學生命科學學院，遼寧沈陽 110000）

1 引言

分布式水文模型是研究流域水文、生態、環境問題的重要工具［1］。近年來各種空間數據獲取技術逐漸成熟和計算速率逐步提升，為分布式水文物理模型提供了硬件和技術支持［2］。分布式水文模型涉及的數據量大、領域廣，其建模是一個非常復雜且極易出錯的過程，所以自從分布式水文模型出現以后，國內外研發了各種處理軟件，其中最完整、最成功的處理軟件之一就是ArcSWAT 模型。國內外學者將ArcSWAT 模型應用于流域水文循環、土壤侵蝕、污染物負荷、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ArcSWAT 模型的原理及應用情況進行介紹，并對其存在的問題及未來的發展提出建議。

2 ArcSWAT 模型簡介

1969 年，國外開始研究分布式水文模型，Freeze和Harlan［3］初次提出了模型的概念與框架，但由于計算手段和信息技術有限，分布式水文模型在20 世紀90 年代前后才受到極大關注，在模型的建立理論、思路以及技術方面得到了較大的發展。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）分布式水文模型是美國農業部（USDA）農業研究中心（Agricultural Research Servie，ARS）Jeff Amold 博士所開發的流域尺度模型，由土壤（Soil）、水（Water）、評估（Assessment）、工具（Tool）單詞的首字母組成［4］。該模型開發的最初目的是在具有不同土壤類型、土地利用和管理條件特征的大尺度復雜流域內，預測土地管理措施對產水、產沙及農業化學污染物負荷等的長期影響。

SWAT 模型自推出至今一直在不斷地更新和升級，ArcSWAT 是SWAT 模型在ArcGIS 平臺上的擴展模式，它作為一個擴展模塊嵌入ArcGIS 中，是一個SWAT 模型的圖形化用戶界面。包括流域劃分、水文響應單元定義、氣象站點定義、ArcSWAT 數據庫、輸入參數、情景管理和模型運行等幾個模塊。需要的基本輸入數據包括數據高程模型（DEM）、土地利用現狀圖、土壤類型圖、水系圖、降水氣象資料等［5］。

ArcSWAT 模型數據處理流程見圖1。

圖1 ArcSWAT 模型數據處理流程

3 ArcSWAT 模型應用進展

3.1 國外研究進展

SWAT 作為國際性模型在非點源污染模擬領域已經持續發展30 多年，以美國農業部農業研究局與得克薩斯農工大學為主開發，在世界范圍內許多大學與專家為該模型的發展作出了貢獻。

在不同的氣候條件下，ArcSWAT 模型對流域的水文會產生影響。氣候變化影響到整個地球系統，是最重要的全球環境挑戰之一，對糧食生產、供水、健康、生計、能源等產生負面影響。2015 年，Uniyal 等［6］使用ArcSWAT 模型對數據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行評估，結果表明，21 世紀末氣候條件的未來變化最有可能對研究區的徑流產生重大影響。這項研究結果有助于指導應對氣候變化帶來的流域可持續水資源管理的適應措施。2017 年，Reshmidevi 等［7］使用與ArcGIS集成的SWAT 對當時和未來的氣候情景進行水文模擬，評估了氣候變化對印度河流域水平衡的影響，預測了河流流量和地下水補給量的減少以及灌溉需求的增加可能會加劇該地區的水資源壓力。同年，Hasan 等［8］將ArcSWAT 模型用于開發模擬河流流量，通過模型進行的數值模擬結果表明，氣候變化會改變流域的季節性流態，未來的氣候變化有可能對水電潛力產生影響。該項研究證明了SWAT 模型可以成為預測氣候變化影響的有用工具，為今后的研究作出了巨大貢獻。

在水量、沉積物和土地利用等研究方面，Fitzhugh T W 等［9］運用分布式參數農業非點源污染模型和SWAT 模型進行研究，證明輸入參數聚合的空間范圍對模型有很大影響。而近幾年又有許多學者在這方面有了新的研究。2010 年，Mukundan 等［10］將SWAT 模型運用到土壤數據的空間分辨率測試，將ArcSWAT 模型用于比較以1 ∶250 000 比例繪制的州土壤地理（STATSGO）數據庫與以1 ∶12 000 比例繪制的土壤調查地理（SSURGO）數據庫，結果表明，校準后的2 個模型在模擬河流流量和沉積物負荷方面具有相當的模型效率。2011 年，Daggupati 等［11］為了評估地形、土壤、土地利用和土地管理源數據對現場規模定位結果的影響，使用ArcSWAT 模型進行現場規模定位的方法，對SWAT 水文響應單元（HRU）輸出進行后處理，以生成各個田地的沉積物產量。研究結果表明，流域模型可以幫助定位需要采取土壤保持措施的一般區域，但在提出田間建議方面效果較差。由此發現，使用不正確的源數據直接導致不正確的田間沉積物產量排名，從而導致得出不正確的田間目標。土地利用對土壤數據源的敏感性最高，土地管理實踐對地形和土壤數據源的敏感性較低。2018 年，Preetha 等［12］將來自MODIS 的動態遙感土地覆蓋數據集成到ArcSWAT 模型中，開發了捕捉阿拉巴馬州魚河流域USLE 因素的多元線性回歸（MLR）模型。研究結果顯示，MLR 模型估計的K 與測量的K 之間的強相關性表明，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）作為預測變量，可以更好地全面估計土地覆蓋變化顯著地區的土壤侵蝕性因子。2017 年，Shivhare 等［13］使用ArcGIS 和ArcSWAT 對該流域進行形態測量、土地利用/土地覆蓋和通用土壤流失方程（USLE）分析，研究結果可進一步用于土壤侵蝕和產沙模擬項目。2021 年，Cataldo 等［14］為了評估凱勒水庫中的沉積物體積，運用探地雷達（GPR）調查、ArcSWAT 模型和用于攝影測量的小型無人機（sUAV）3 種技術，以識別大壩的準確地形邊界。

在水資源研究方面，Fadil 等［15］于2011 年使用SWAT 對位于摩洛哥中北部Bouregreg 盆地的水文進行建模，以了解和確定不同的流域水文過程。利用ArcGIS 軟件中實現的ArcSWAT 接口對盆地及其子組件進行劃分，組合數據層和編輯模型數據庫。Ghoraba 等［16］于2015 年使用SWAT 對Simly Dam流域的水文進行了建模，利用ArcGIS 軟件中實現的ArcSWAT 接口對研究區域及其子組件進行劃分，數據層組合和模型數據庫編輯。這2 項結果均表明，如果正確校準，半干旱地區SWAT 模型可以有效地用于支持水資源管理政策。

3.2 國內研究進展

2000 年左右，國內對SWAT 模型的研究和應用逐漸起步，目前在高速發展中，已廣泛應用到水量、泥沙和非點源污染的模擬。

在對非點源污染的模擬方面，國內諸多學者同樣有所研究。2008 年，王曉燕等［17］將SWAT 模型、GIS 技術和流域數字高程模型共同結合，以北京密云水庫北部區域為例，進行了流域非點源污染模擬，結果表明，不同土地利用類型非點源污染流失負荷不同，而且污染負荷貢獻最小的是林地，污染負荷貢獻最大的是耕地。同年，田旭等［5］使用ArcSWAT 模塊結合GIS 技術手段，對松華壩流域進行模擬，并進行水量平衡模擬計算，通過對徑流量、蒸散發、滲透參數的模擬，計算得出水量平衡結果，驗證了ArcSWAT 模塊在松華壩流域的適用性，診斷了松華壩流域非點源污染，為保護本地的生態環境提出建設性意見。2009 年，秦耀民等［18］將黑河流域作為研究對象，將SWAT 模型與GIS 結合，當地的非點源污染與土地利用之間的關系進行研究，結果表明，流域非點源污染與當地的土地破壞有關，只有保護流域內植被、土地和水源不被破壞，才能改善其流域水環境。2013 年，鄧歐平等［19］以浙江長樂江流域為研究對象，基于ArcSWAT 的流域徑流、泥沙和氮污染過程動態模擬，定量識別了非點源氮素污染的關鍵時期和關鍵源區，為實現流域氮污染有效控制提供了重要科學依據。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，對研究區域中形成污染源的過程進行模擬，結果表明，該方法設計的系統識別效率高、準確率高。2021 年，趙永強等［21］將ArcSWAT 模型用于老鸛河流域面源氮識別和分析，結果表明，化學氮肥施用和大氣沉降是老鸛河流域面源氮的主要污染源，針對當地關鍵污染源減控提出方案，對當地環境保護起到重要作用。

除了在非點源污染方面應用ArcSWAT 模型外，國內學者還將其應用在其他領域。2010 年，魏沖［22］在ArcSWAT 模型、GIS 的支持下，在淅川縣丹江口庫區進行應用研究，結果表明，參數化結果較合理，可以較好地反映當地的徑流與降雨過程，SWAT 模型在該研究區域具有較高的適用性，為當地水土保持、水質穩定和未來的可持續發展提供了科學意見。2014 年，劉麗敏［23］利用ArcSWAT 模型對密云水庫流域徑流進行了模擬，結果表明，在密云水庫流域，降水量的增大、氣溫的降低都會促進年徑流的增加，而且降水變化對徑流的影響更顯著。2015 年，何文等［24］采用ArcSWAT 模型在漓江流域進行了模擬，自動提取對比研究了當地的河網水系，其結果顯示，通過引入該地區矢量圖層進行脅迫的方法所提取的河網水系精度最高，在無輔助信息脅迫條件下SRTMv 4 DEM 數據對地形的表達比較準確。2018年，司家濟等［25］基于ArcSWAT 的沙潁河下游水系提取試驗研究，確定了水系提取的最佳閾值。2019年，邢立文等［26］將ArcSWAT 模型應用在李子溪流域水沙運移的模擬上，結果表明，該模型對年徑流、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 模型對日照沭河流域雨水集蓄潛力展開分析，為研究區域內水資源的高效持續利用提供一系列科學依據。2021 年，劉飛等［28］運用ArcSWAT 模型對琿春河流域地表徑流進行了簡要分析，為洪水災害研究提供參考數據。以上研究均表明了ArcSWAT 模型的適用性，其對各領域的模擬研究具有重大意義。

4 結論與展望

ArcSWAT 模型發展至今，在國內外流域水文循環、土壤侵蝕、污染物負荷、氣候變化與土地利用變化的影響等研究中得到了廣泛應用，諸多學者對其使用展開了多維度、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步，對國內外的科學研究起到了重大作用，為水文、生態、環境研究作出了巨大貢獻。

在ArcSWAT 模型模擬運行過程中也存在一定的局限性：（1）ArcSWAT 模型在我國的研究和應用起步較晚，國內對于ArcSWAT 模型的使用還不是很全面，在今后的研究和使用中，應借鑒國外的研究經驗將ArcSWAT 模型應用于不同領域。（2）國內對于ArcSWAT 模型的研究基礎數據較少，因此對其適用性還需進行深入探討，針對我國具體情況進行具體分析，使模型逐漸得到優化，推進其在我國的使用。（3）我國對于ArcSWAT 模型的實時數據并不完善，應針對數據不充足的地區進行模擬研發，推進其在不同方向的發展。

就本文目前搜索到的資料來看，雖然眾多學者針對ArcSWAT 進行了多方面的研究，但這些研究中還存在不足之處，希望未來可以將ArcSWAT 模型應用在更多的領域，提高模型的使用度。