全 文 ：遥感和 GIS 辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟 3
李　硕1 ,2 3 3 　孙　波1 　曾志远2 　赵其国1
(1 中国科学院南京土壤研究所 ,南京 210008 ;2 南京师范大学地理科学学院 ,南京 210097)
【摘要】　农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一. 利用空间模型对流域 N、P 的迁移过
程进行计算机模拟 ,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段. 设计了遥感和 GIS 技术辅助下的流域
水分和养分迁移过程分布式的模拟方法 ,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验
证 3 个步骤 , 为控制流域水肥流失提供了思路. 以江西兴国潋水河流域 (579 km2) 为研究区域 ,选择美国
农业部设计的 SWA T 模型 ,设计了流域2子流域2水文响应单元的空间离散方案和实现步骤. 首先依据地形
特征 ,将整个流域分割成多个子流域 ,每个子流域内部通过叠加统计分析 ,生成单一土地利用类型和土壤
类型组合的水文响应单元. 土地利用参数用 TM 遥感图像进行监督分类获得 ,土壤参数化利用地统计学采
样和插值分析获得. 对 1991～2000 年的初步预测结果表明 ,SWA T 模型能够较好地模拟潋水河流域的径
流水量和泥沙的变化 ,产水和产沙 10 年平均预测精度分别为 89. 9 %和 70. 2 %.
关键词 　氮磷迁移 　SWA T 模型 　计算机模拟 　遥感 　地理信息系统
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 02 - 0278 - 05 　中图分类号 S157 　　文献标识码 　A
Distributed modeling of nutrient transport in basin with support of remote sensing and geography information
system. L I Shuo1 ,2 ,SUN Bo1 , ZEN G Zhiyuan2 ,ZHAO Qiguo1 (1 Institute of Soil Science , Chinese Academy of
Sciences , N anjing 210008 , China ;2 College of Geography Science , N anjing Norm al U niversity , N anjing
210097 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (2) :278～282.
Agricultural non2point source pollution has become serious in our country. Modeling the processes of nutrient (es2
pecially nitrogen and phosphorus) transport in basin and evaluating the adopted management practices are impor2
tant for controlling the impact of non2point pollution on environment . A research scheme for distributed simula2
tion of nutrient transport processes in Lianshui Basin , Xingguo County , Jiangxi Province was designed , with the
support of remote sensing ( RS) and geography information system ( GIS) . The research procedure included
model selection , discretization and spatial parameterization of the basin , prediction , and validation. SWA T mod2
el was selected , and basin2subbasin2hydrological response unit discretization scheme was designed. Supported by
RS and GIS and based on the topographic features of the watershed , the subwatershed discretization divided the
watershed into subbasins , and each subbasin could be further partitioned into multiple hydrologic response units
( HRUs) , which were unique soil/ land use combinations within the subbasin and modeled through statistical spa2
tial overlay analysis. The parameters of land use were obtained from the supervised classification of TM imagery
based on field training samples , and those of soil were obtained from field sampling and further interpolated
through geostatistical method. The simulation was carried out by using the data from 1991 to 2000. The results
showed that the simulation accuracy of annual runoff water yield and sediment yield was 89. 9 % and 70. 2 % ,
respectively.
Key words 　N and P transport , SWA T models , Computer modeling , Remote sensing , GIS.3 中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX2241321) 和南京师范大学引
进人才基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2003 - 02 - 04 收稿 ,2003 - 10 - 08 接受.
1 　引 　　言
土壤和农田系统中的农用化合物 (N、P 等养分
和农药)在雨滴打击和径流冲刷作用下 ,会随地表、
地下径流迁移 , 并随之汇入河流、湖泊、水库等受纳
水体 ,引起水体的富营养化或污染. 这一问题 ,从农
业生产角度而言 ,属养分流失及土壤生产力减退 ;从
环境角度而言 ,属农业非点源污染 (agricultural non2
point source pollution) .
在我国 ,尤其在经济相对发达的东南部地区 ,由
于耕地面积急剧减少 ,农用化学品投入过量 ,氮磷肥
的不合理使用引起的农业非点源污染也日益严重 ,
不仅严重影响了土壤环境质量 ,而且对水体和大气
环境质量也产生严重影响[5 ,16 ,18 ] . 众多研究表明 ,
养分流失一方面引起农业生产力水平低下 ,增加农
民的生产成本 ,另一方面又造成水体污染及富营养
化[7 ,8 ,14 ] . 引起上述问题的主要负荷元素就是径流
应 用 生 态 学 报 　2004 年 2 月 　第 15 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2004 ,15 (2)∶278～282
中的 N 和 P. 因此 ,研究流域土壤和农田系统的养分
迁移过程和通量 ,是农业生产中养分管理和面源污
染控制的核心内容[13 ,19 ] . 传统的流域管理研究是基
于长期监测和大面积的野外调查 ,成本高 ,耗时长 ,
不具有普遍意义. 在了解区域水文和生态过程的基
础上 ,利用过程机理模型对 N、P 迁移过程和通量进
行计算机模拟 ,是一个经济、省时、高效的方法 ,不仅
可充分利用计算机的数字模拟环境 ,而且可为制订
最佳管理措施 (best management practices ,BMPs) 和
控制非点源污染 ,提供定量化研究基础.
2 　研究地区概况
　　研究地区选择了江西兴国县的潋水河流域 ,流域面积为
579 km2 . 潋水河流域是一个闭合流域 ,地形东北高 ,西南低 ,
最大高差 965 m. 潋水河流域中低丘约占 40 % ,低山约占
50 % ,河谷平原占 10 %. 土壤母质主要为花岗岩和第四纪沉
积物 ,主要土壤类型为水稻土和棕红壤 ,局部地区分布着红
壤和黄红壤. 潋水河流域属亚热带季风湿润气候 ,年均温
18. 9 ℃,多年平均降雨量 1 500 mm ,植被以常绿阔叶林和针
叶林 (马尾松)为主. 江西兴国县是我国严重的水土流失区和
重点治理区 ,具有较好的研究工作基础和数据积累. 选择潋
水河流域是因为中国南方以丘陵为主 ,而它正是中国南方丘
陵的典型地区之一 ;加之它地处中亚热带 ,在气候上也具有
一定的代表性. 同时 ,流域面积较大 ,流域内部地形、土壤、植
被、人类经济活动等又较为复杂多样 ,适合使用遥感、GIS 等
技术和大型模型体系进行流域模拟研究.
3 　选用的模型
　　模型选用了美国农业部农业研究所 ( USDA2
ARS)开发的 SWA T(soil and water assessment tools)
模型[2 ] . SWA T 模型是具有物理基础的、流域尺度
的动态过程模型 ,其运行以日为时间单位 ,可以进行
连续多年的模拟计算.
　　SWA T 模型由水文、气象、泥沙、土壤温度、作
物生长、养分、农药、杀虫剂和农业管理 8 个组件构
成 ,是由 701 个数学方程、1013 个中间变量组成的
综合模型体系. 径流计算采用美国土壤保护所 ( US2
SCS)开发的径流曲线数方法[4 ] ( SCS runoff curve
number) ; 产沙量计算采用修改的土壤流失方程
(MUSL E) . 模型水分和养分循环过程见图 1、
2 [2 ,15 ] .
　　SWA T 模型已经比较广泛地应用于美国国家
项目 (如 HUMUS 项目 ) 、大的区域性项目 (如
NOAA’S Coastal Assessment Framework) 和许多不
同尺度的研究项目中. 研究内容涉及到流域水平衡、
流量预测和非点源污染控制等诸多方面. 模型的有
效性也得到了许多研究项目的证明 ,并于 1996 年通
过了美国环境保护署 (US2EPA) 组织的关于模型性
能、模拟精度等方面的全方位评价. 在最终的评价报
告中 , 对于 SWA T 模型在美国 15 个流域 (流域面
积 :地块尺度～40 407 km2) 应用的有效性 , 也进行
了证明[17 ] .
图 1 　SWAT 模型中水分循环图
Fig. 1 Diagram of the SWAT hydrologic cycle.
图 2 　SWAT 模型中 N、P 的循环图
Fig. 2 Diagram of the N and P cycle.
　　研究工作中 ,模型选定了 SWA T 模型 ,主要有
下面几个原因 :1) SWA T 模型是基于过程的物理模
型 ,经过多年的研究改进 ,已成为是国际上较为先进
的流域模型 ,其有效性已经通过多种方式、多个研究
项目的验证 ;2) SWA T 模型是在美国农业部农业研
究所开发的 CREAMS[9 ] 、GL EAMS[10 ] 、SWRRB [1 ] 、
EPIC、RO TO[3 ]等模型的基础上开发的 ,并经过一
系列的改进 ,集成了这些模型的优点 ,无论是模型结
构、适用性 , 还是模拟内容 , 都相对完善 ,适合于选
择的研究目标 ;3) SWA T 模型已经和 GIS 软件进行
了集成 ,便于研究目标的技术实现.
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4 　遥感和 GIS 技术辅助下分布式流域建模方法
　　在流域非点源污染建模的研究中 ,针对空间处
理方式 ,模型被普遍分为集总式参数模型和分布式
参数模型. 集总式参数模型是把整个流域当成一个
整体 ,各因素的输入参数通常为流域平均值 ,尽管计
算效率高 ,但并未考虑流域内部各地理因素的非均
一性和空间的可变性. 另一方面 ,许多地理过程大多
是非线性的 ,如区域的水文响应过程 ,集总的方法一
般采用优势、均值来处理 ,这种情况下“集总”具有明
显的缺陷. 分布式参数模型通常是将流域分成一些
小的地域元 ,假设这些地域元内部是均一的 ,各地理
要素具有相应的模型输入参数 ,地域元之间有一定
的拓扑关系 ,并通过这种拓扑关系能够说明环境物
质的传输方向. 分布式参数模型在每个地域元上运
行 ,模拟结果通过演算的方法从每个地域元依次到
流域出口. 分布式参数模型由于具有更高的空间分
辨率 ,而成为目前流域过程模型发展的主流[23 ] .
　　从集总式模拟到分布式模拟的转变 ,要经过空
间离散化和空间参数化的过程. 将流域分成模型运
行的较小地域元的方法称之为离散化 ( discretiza2
tion) ,对地域元属性进行说明和定值的方法称之为
参数化 (parameterization) . 通俗地讲 ,就是采用一定
的方法 ,将一个大的区域 (或流域) 科学地划分为更
小的区域 ,划分出来的区域中 ,地理因素和地理过程
可以认为是相对均一的. 从大区域到较小区域的划
分过程通常称之为离散化过程. 早期的分布式参数
模型的离散化和参数化工作多是在各种地图上手工
完成的 ,工作量极大 ,精度有限 ,难以扩展到较大的
区域 ,这也是分布式模型早期发展受到限制的主要
原因. 只是在近几年中 ,随着遥感、GIS 技术的发展
和应用 ,真正意义上的分布式模型才得以实现.
411 　空间离散化方案设计和实现
　　在实际工作中 ,设计了遥感、GIS 辅助下的流域2子流域2水文响应单元的组合式空间离散方案 ,技
术路线见图 3. 子流域是根据流域整体的地形特征
而划分的 ,类似于地理、地貌研究中的实际子流域的
概念. 子流域的边界是根据研究地区数字高程模型
(DEM) , 通过数字地形分析来确定的. 首先定义最
小河道的上游集水区面积阈值 ,生成起始河道和流
域河网. 从最低一级的河道交叉点沿分水岭边界就
可以勾绘出起始子流域 ,如此类推到高一级河道和
直到整个流域 ,大流域边界和内部各子流域边界就
完整地勾绘出来. 各子流域内部包含与实际相仿的
河道 ,表示了径流、泥沙、环境化学物质实际传输的
路径. 在划分出的每个子流域中 ,可能存在多种土地
利用方式和多种土壤类型 ,不同的土被组合也具有
不同的水文响应 ,为了进一步反应这种子空间内部
的类型差异 ,通过子流域内部土地利用和土壤类型
的叠加统计分析 ,生成了由单一土被组合而成的水
文响应单元 (hydrologic response units) . 离散方案的
实现可分以下 3 个步骤 :1)利用 TM 遥感卫星影像 ,
图 3 　空间离散流程图
Fig. 3 Flow diagram of spatial discretization.
经过野外考察 ,选定训练区 ,在图像处理软件辅助
下 ,通过 TM 图像监督分类的方法 , 获得研究区的
土地利用分类图 [11 ] ; 2 ) 利用基于数字高程模型
(DEM)的流域水文建模的方法 ,在 GIS 系统辅助
下 ,生成流域河网和流域边界 , 然后将整个流域从
空间上划分为一个个子流域[12 ] ;3) 将生成的子流域
图、遥感图像分类得到的土地利用图和数字土壤图
进行叠加统计分析 ,在每个子流域内部生成多个统
计意义上 (面积) 由单一土壤、植被组合而成的水文
响应单元 ( HRUs) ,作为模型运行的地域元.
　　图 4 是经过平坦区和流域边界修正等处理
后[12 ]生成的流域河网、流域边界以及子流域示意
图.圆点表示流域和子流域出口. 从图 4 可见 ,潋水
河流域被分割成 62 个子流域 ,经过子流域边界图和
土地利用图以及土壤类型图叠加运算后 ,整个潋水
河流域划分出 399 个水文响应单元 ( HRUs) .
412 　空间参数化方案设计和实现
　　SWA T 模型运行需要的输入数据可以分为地
形、气象、土地利用、土壤、水质、水库、农业管理措施
等多种类型 ,每个类型下又包括多项内容. 某些内容
的参数化是在子流域尺度上或以子流域为单位实现
的 ,如地形数据和气象数据 ;某些内容的参数化是以
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水文响应单元为单位实现的 ,如由土壤和地面覆盖
数据综合生成的径流曲线数、农业管理措施等. 空间
参数化是分布式流域建模的重要研究内容. 参数化
方法通常涉及遥感、GIS 以及数理统计等多种技术、
方法的综合应用.
图 4 　生成的流域边界以及子流域示意图
Fig. 4 Generated Lianshui basin boundary and subbasin.
　　地形参数是通过数字高程模型 (DEM) ,利用
GIS 软件所具有的数字地形分析技术提取的 ,包括
子流域地形参数和河道几何参数 ,涉及子流域集水
区面积、子流域平均坡度、子流域平均坡长、子流域
平均高程、河道长度、河道坡度、河道宽度、河道深
度、河道最低点高程以及河道最高点高程等. 目前 ,
大多数的 GIS 软件和流域水文建模软件都具有常
规的地形分析功能 ,可以方便地利用 DEM 来计算
地形属性[11 ] .
气象参数需要逐日最高、最低气温 ,逐日降水 ,
逐日太阳辐射 ,逐日风速 ,逐日相对湿度等观测数据
作为模型运行的直接输入数据 ,工作中使用了流域
内部和附近气象站 (兴国气象站) 、雨量站 (流域内部
莲塘、东村、古龙岗、兴江) 的观测数据 ,按照不同的
高度带 ,校正到每个子流域中.
　　模型运行需要的土壤参数较多 ,包括每个子流
域内部土壤类型的空间分布、土壤分层粒级分析 (美
国标准) 、土壤分层物理、土壤化学属性等. 为了获得
相关数据 ,根据地统计学原理 ,设计了野外土壤采样
方案 (图 5) . 在野外 ,利用不同间距的网格 (400 m～
4 km) ,采集了样点剖面分层土样 ,同时实地测量了
样点土壤层的容重、饱和导水率 (圆盘渗漏仪) 、田间
持水量等属性[6 ] .
图 5 　流域地统计学采样网格
Fig. 5 Sampling grid in Lianshui basin with geostatistical method.
　　土地利用参数化需要得到每个子流域内部土地
利用类型和空间分布状况. 为了研究土地利用时空
变化对 N、P 迁移的影响 ,除利用 1995 年 12 月 10
日的 TM 图像进行监督分类的土地利用制图外 ,还
制作了 1992 年和 2002 年两期的土地利用图. 1992
年的土地利用图由兴国县 1992 年土地利用图 (兴国
县土管局航片调绘成图) 数字化得到 ,2002 年的土
地利用图利用 2000 年 12 月 7 日的 TM 遥感图像 ,
目视解译得到.
　　农业管理措施参数包括作物轮作时序、土地灌
溉用水方式和数量 ,施肥的种类、时间和数量 ,土地
耕作方式等 ,针对这些项目专门设计了调查表 ,并通
过当地政府的帮助 ,调查统计获得所需要的数据.
413 　模拟结果的验证
　　在潋水河流域的出口 (东村水文站) ,定期采集
水样和径流泥沙样品 (1 个月 3～5 次 ,汛期酌情增
加) ,经酸化处理后 ,储藏在冰箱中 ,定期送回南京土
壤研究所 ,测定水样中的全 N、硝态氮、氨态氮、全 P
等含量 ,测定径流泥沙中的全 N、全 P、速效氮、速效
磷 (有机质、全 K、速效钾) . 利用实际测定值 ,验证模
型的模拟值.
413 　径流和泥沙的模拟结果分析
　　利用 SWA T 模型对潋水河流域 1991～2000 年
的降雨、地表径流、侧流、地下径流、入渗水、土壤水
分、蒸散发、潜在蒸散发、产水量、产沙量等多种地理
过程进行了计算机模拟 ,得到了部分模拟结果. 选择
有实测数据的径流和泥沙两项 ,进行模拟精度分析.
实测产水、产沙值和模拟的产水、产沙值的对比分别
见图 6、7. 产水模拟的年精度在 85 %～95 %之间 ,10
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年平均模拟精度达 89. 82 %. 产沙模拟的年精度在
4 %～98 %之间 ,10 年平均模拟精度为 70. 16 %.
图 6 　潋水流域产水量和产沙量的实测值和模拟值对比图
Fig. 6 Simulated and observed annual runoff yield in Lianshui basin.
　　从模拟结果来看 ,尽管潋水河流域面积较大 ,地
理因素较为复杂多样 ,产水量和产沙量年际变化较
大 ,但模拟值和实测值具有较为一致的变化趋势 ,说
明 SWA T 模型能较好地模拟潋水流域的产水、产沙
过程 ,也进一步说明设计的分布式模拟方法是较为
科学的 ,这些工作为养分 (N、P)的模拟奠定了基础.
　　每个子流域的产沙模拟结果表明 ,一方面 , 按
照水利部的标准 ,潋水河流域内部 68. 9 %的面积属
于微度侵蚀状况 ,31. 1 %的面积属于轻度侵蚀状况 ,
说明潋水流域的水土流失总体得到了控制 ,国家和
当地政府的投入得到了回报 ;另一方面 ,潋水河流域
内部不同地域产沙特征存在着较大的空间差异 ,同
一产沙等级的子流域又具有一定的空间聚集性 ,产
沙量大的子流域主要沿交通要道和居民地分布 ,说
明人类活动对产沙过程有显著影响[11 ] .
　　本文建立了一个流域非点源污染研究的方法 ,
利用分布式流域模型 SWA T ,选择了典型水土流失
区———江西省兴国县潋水河流域 ,在遥感和 GIS 技
术辅助下 ,实现分布式模拟的空间离散化和参数化
过程 ,对流域水、沙和养分迁移过程及数量进行模拟
和验证. 1991～2000 年的预测结果表明 , SWA T 模
型能够很好地预测潋水河流域的年度径流水量和产
沙量的变化 ,10 年平均预测精度分别为 89. 82 %和
70. 16 %.
致谢 　参加野外工作的还有四川农业大学的张世熔教授 ,中
国科学院土壤研究所的曹尧东硕士、郝洪涛硕士 ,南京师范
大学的赵鸿燕硕士、郭剑硕士、彭立芹硕士、赵寒冰博士、张
运生硕士 ,在此一并致谢.
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作者简介 　李 　硕 ,男 ,1967 出生 ,博士后 ,副研究员 ,主要
从事遥感、GIS、地理过程计算机模拟研究与应用工作. E2
mail :lishuo @email. njnu. edu. cn
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