SWAT模型在模拟水稻田为主的圩区水文过程和非点源污染中的改进与检验

《Journal of Hydrology》：Improvement and testing of the SWAT model for simulating hydrological processes and non-point source pollution in the paddy dominated polder

　　

•开发了一种改进的SWAT模型（SWAT-PP），专门用于稻田主导的圩区。•SWAT-PP较好地模拟了稻田水位（大部分|PBIAS| < 15%）和TN/TP（NSE > 0.5）。•在圩区排水模拟中，SWAT-PP的NSE比SWAT-MD高出约0.1，且泛化能力更好。•河流引水和沉积物再悬浮各自解释了TN/TP负荷的约10%。•池塘截留了住宅径流中约80%的TN和约90%的TP。引言在与洪水的抗争中，人类通过筑堤从上涨的海水和泛滥的河流中围垦低洼土地。这些围垦区域被称为圩区，广泛分布于荷兰（Oude Essink等，2010）、中国（Wang等，2016）和孟加拉国（Adnan等，2020；Rahman等，2020）等国家沿海平原和洪泛区。中国的圩区广泛分布于南部平原，总面积约40.7万km2，占国土面积的4.2%（Wang等，2007）。这些圩区是重要的稻米种植区，得益于丰富的灌溉水资源（Li等，2003；Yu等，2024）。在水稻生长季期间，堤坝上的闸门调控进水以满足灌溉需求，而泵站则管理地表径流并降低内部沟渠水位，以确保稻田有效排水（Wandee等，2005）。这种综合灌溉-排水管理对于稳定的水稻生产至关重要（Lin等，2025）。同时，圩区丰富的水资源支撑着作物生产、居民生活、水产养殖和畜牧业。然而，这种丰富性也增加了下游非点源（NPS）污染的风险（Huang等，2021；Yan等，2024）。因此，全面了解圩区的水循环和养分输运-排放过程对于保障粮食安全和控制农业非点源污染至关重要。在圩区系统中，水资源管理实践和水工设施运行不仅主导核心水文过程（Yan等，2016；Yan等，2018；Gan等，2021），还通过与自然流域特征的相互作用决定由此产生的非点源污染格局（Yan和Gao，2021）。泵站和闸门通过控制沟渠水位和流态在调控氮/磷（N/P）输运方面发挥着重要作用。此外，分布在平坦圩区景观中的沟渠和池塘网络在截留和蓄积这些养分方面起着关键作用（Yan等，2021a；Zhang等，2024）。因此，评估圩区水文和水质需要同时考虑这些自然和人为驱动因素。为了全面刻画圩区水文过程和非点源污染的动态特征，原位监测是必不可少的（Van Huet，1991；Wang和Xu，2008；Alfonso等，2010；Yu等，2018；Gilja等，2023）。然而，由于地形平坦，测量沟渠流量存在困难，这限制了各采样点N/P负荷的准确估算。鉴于这些困难，水文和非点源污染模型已成为有效的工具（Wandee等，2005；Wang等，2011；Brauer等，2014；Yan等，2021b；Zhang等，2023），分为集总模型和分布式模型（Borah和Bera，2003；Xue等，2022）。集总模型如农业非点源模型（AGNPS；Young等，1989；Zeng等，2006）、瓦赫宁根低地径流模拟器（WALRUS；Brauer等，2014）和低地圩区水文与磷模拟系统（PHPS；Yan等，2019）将整个圩区视为单一单元。这些模型可模拟长时间尺度的地表水和地下水动态，但忽视了圩区内部的空间条件差异。它们也无法捕获不同地表特征之间的水交换过程或刻画复杂的灌溉-排水系统。相比之下，分布式模型基于多种物理方程，并考虑空间变异性。例如面源非点源流域环境响应模拟模型（ANSWERS；Beasley等，1980）、土壤与水评估工具（SWAT；Arnold等，1998）和大流域模型（MGB，葡萄牙语Modelo de Grandes Bacias的缩写；Collischonn等，2007；Liu等，2021）。这些模型擅长模拟具有复杂空间结构的圩区水文过程，通过提供水流运动和养分输运的详细洞察来弥补集总模型的局限性。SWAT模型是一种开源的流域尺度模型，以其在空间复杂环境中模拟水文和养分输运过程的强大能力而闻名（Arnold等，1998）。为了准确量化稻田蓄水留滞和灌溉/排水实践对流域水文和养分输运的影响，SWAT框架已进行了多项针对性改进。Xie和Cui（2011）开创性地优化了SWAT中的关键水文循环算法，提出了以稻田为主的地区水文建模框架。随后的改进包括Tsuchiya等（2018）改进了坑洼模块中的水平衡计算；Wu等（2019c）开发了多水源灌溉模块以增强模型在以稻田为主的地区适用性；Tu（2020）将耦合的水文和养分排放过程整合到一个综合稻田模块中。这些进展共同提高了SWAT表示稻田系统复杂水资源管理和非点源污染动态的能力。值得注意的是，Wu等（2019c）开发的改进SWAT（SWAT-MD）模型在中国丘陵稻田景观模拟中表现强劲，为圩区专用模型提供了重要参考。此外，还提出了若干适应性改进方案以扩展SWAT在独特圩区流域的应用。例如，Luo等（2011）提出了一种基于GIS的方法，通过整合精确测绘的沟渠位置来细化原始数字高程模型（DEM）。Li等（2013）通过建立虚拟水库模拟泵站对水体连通性的影响。Lai等（2018）在圩区水文模拟中整合了泵站排水和稻田灌溉模块。Xie等（2020）应用遥感影像划定圩区边界并进一步增强DEM分辨率。这些改进共同提高了刻画圩区边界条件的准确性，同时也提高了圩区主导流域水文模拟的可靠性。尽管有上述改进，圩区模拟中仍存在重大局限性。由于地形变化极小，圩区通常仍被视为单一模拟单元。这种简化忽视了内部异质性和关键水工特征，如泵站、闸门和池塘。缺乏针对圩区特定灌溉-排水过程的定制算法进一步限制了模型精度。因此，缺乏一套专门针对稻田主导圩区设计的结构化、完全定制的SWAT建模框架。对SWAT模型进行改进以有效表征圩区环境仍然是一个关键且未解决的需求。本研究旨在开发一种专门适用于稻田主导圩区的SWAT模型（SWAT-PP），在SWAT-MD模型基础上构建。SWAT-PP模型旨在解决这些地区量化水文过程和养分输运-排放过程的挑战。该模型明确纳入了稻田蓄水动态、闸门运行、泵站排水控制和分布式池塘汇流对圩区径流和非点源污染的影响。SWAT-PP模型能够实现多尺度水平衡分量和养分动态的模拟。本文主要内容如下：（1）模型开发：对包括稻田、灌溉水运动、主沟汇流和池塘在内的四个模块进行了改进，提出了针对圩区独特环境条件的改进SWAT结构，重点关注区域特定的灌溉-排水系统。（2）模型评估：利用东湾圩区（DWP）的野外监测数据对SWAT-PP模型进行评估，验证其模拟关键水文变量（如稻田水深和泵站排水量）及预测非点源污染动态的能力。（3）DWP水和污染特征评估：基于SWAT-PP模拟结果，系统评估了DWP的水平衡和N/P输运-排放格局。本研究提供了一个实用的建模工具，以支持圩区农业水资源管理和非点源污染控制。章节摘要SWAT（Rev. 637）模型和SWAT-MD模型稻田中集约化的水稻种植对水文过程和非点源污染产生深远影响。因此，本研究提出的SWAT-PP模型建立在Wu等（2019c）开发的稻田适应性SWAT-MD模型基础上，同时将SWAT（Rev. 637）模型（图1a）和SWAT-MD模型（图1b）作为对照应用。在以稻田为主的地区应用中，SWAT（Rev. 637）模型使用默认坑洼模块计算稻田的排水和入渗（Du等）。研究区域与数据收集选择DWP作为研究区域。它位于中国安徽省合肥市巢湖流域（图3a），总面积8.6 km2。作为中国五大淡水湖之一，巢湖周围分布着众多圩区。DWP位于该流域杭埠河南岸，水稻种植覆盖DWP总面积的70%（图3c）。它代表了中国南方典型的稻田主导型圩区。作为一个管理的灌溉型……SWAT-PP相对于现有稻田模型的结构优势SWAT-PP模型能够有效模拟圩区系统内的水文过程、灌溉-排水单元间TN/TP浓度变化以及非点源污染物负荷的导出。这解决了早期研究（Yan等，2021b；Zhang等，2022）中过度聚合处理圩区水文和水质的关键简化问题。为实现此类详细模拟，SWAT-PP模型改进了灌溉水路径的表征。在SWAT-PP中……结论SWAT模型是广泛使用的水文和非点源污染模拟工具。然而，由于其未能充分表征圩区地表特征的独特空间布局或综合灌溉-排水系统的运行逻辑，其在稻田主导圩区的应用受到限制。为弥补这些建模缺陷，开发了一种增强模型SWAT-PP（圩区稻田主导型SWAT模型），该模型纳入了稻田蓄水动态的影响……CRediT作者贡献声明Wu Haitao：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。Peng Zenglin：撰写——审阅与编辑。Meng Xiang：撰写——审阅与编辑。Luo Yufeng：资源。Cui Yuanlai：撰写——审阅与编辑、监督、经费获取。利益冲突声明作者声明没有已知的 competing 经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢本研究得到国家自然科学基金（资助号52579043）的资助。作者感谢编辑和匿名审稿人提出的深刻见解和建设性建议。作者感谢Bin Dong、Junjie Liu、Shuang Hou和Junning Huang提供原位监测数据。Wu Haitao | Peng Zenglin | Meng Xiang | Luo Yufeng | Cui Yuanlai