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1、2.5 SWAT模型 提 纲 o 1 SWAT 起源与发展 o 2 SWAT 原理概述 o 3 SWAT 结构与功能 o 4 SWAT 面临的问题与挑战 1 SWAT 起源与发展 o 20世纪纪90年代，美国农业农业 部（USDA）农业农业 研 究中心（ARS）的Jeff Arnold博士将SWRRB和 ROTO整合为为一个新的模型，即SWAT(Soil and Water Assessment Tool) o 本模型开发发目的最初是在具有不同土壤类类型、 土地利用、和管理条件特征的大尺度复杂杂流域 内，预测评预测评 价土地利用管理等人类类活动对动对 流域 水循环环、泥沙、农业污农业污 染物质
2、质迁移的长长期影响 和作用。 1 SWAT 起源与发展 模型 改进 CREAMS 模型 EPIC 模型 杀虫剂 模块 日降水等 水文模块 作物生长 模块 SWRRB 模型 SWAT 模型 ROTO 模型 SWAT-G 模型 SWIM 模型 SWATMO D 模型 GLEAMS 模型 ESWAT 模型 其中以下三种模型对SWAT模型影响较大： CREAMS模型 (Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems) (该模型主要用于农业管理系统中的化学作用、 土壤侵蚀和径流） GLEAMS模型 (Groundwa
3、ter Loading Effects on Agricultural Management Systems (该模型主要用于农业管理系统对地下水的负 荷影响） EPIC模型 (Erosion-Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984). (该模型主要用 于土壤侵蚀和生产力影响估算模型） SWAT发展历程 加入估计径流洪峰流速的SCS 径流曲线以及产沙MUSLE,与 河道演算模型相融合 SWATSWAT SWRRBSWRRB GLEAMSGLEAMS CREAMSCREAMS 田间尺度非点源污染 模型 考虑了气候、土壤 和管理
4、措施等因素 的相互作用 和EPIC模型的作物生长模 块相结合，以d为时间步长 SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.l 、SWAT99.2、 SWAT2000,SWAT2003 SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）是Dr. Jeff为美国农业部 农业服务中心开发的流域尺度模型 控制水流在子流间和河网中的 演进过程，使得添加水库的调 蓄作用变得异常简单。 采用模块化设计思路，水循环 的每一个环节对应一个模块， 十分方便模型的扩展和应用。 在每一个网格单元或子流域上 应用传统的概念性模型来推求 降雨，再进行汇流演算，最后 得到出口断面流量。 SWA
5、T简介 用来模拟和分析水土流失 、非点源污染和农业管理 等问题 SWAT简介 SWATSWAT 模型特点 物理概念模型输入参数简单计算效率高 可以对流域 进行长期模拟 基于物理机制，且介于物理与概念之间，具有很强的物理基 础，能够考虑天气、土壤性质、地形、植被、人类土地管理 的综合作用，同时能够灵活处理各种复杂应用条件。 ooSWATSWAT自开发以来不断在发展和自开发以来不断在发展和 完善。在世界范围内具有十分完善。在世界范围内具有十分 广泛的应用。广泛的应用。 1 SWAT 起源与发展 SWATSWAT应用举例：应用举例： A. ArnoldA. Arnold和和SrinivasanSri
6、nivasan（19991999）应用）应用2020年的气象数据模拟了美年的气象数据模拟了美 国国7866378663个子流域内的水文循环及水量的平衡关系。个子流域内的水文循环及水量的平衡关系。 B B美墨美墨Rio Grande/Rio Bravo Rio Grande/Rio Bravo 流域的水文模拟。流域面积流域的水文模拟。流域面积6060万万 kmkm 2 2 ，研究跨国河流，研究跨国河流Rio Grande/RRio Grande/R o Bravo o Bravo 流域的水文和水质状流域的水文和水质状 况，及生态系统的动态过程。况，及生态系统的动态过程。 C C欧洲欧洲1515国
7、应用国应用SWATSWAT模型模拟农业产生的营养盐的输移情况模型模拟农业产生的营养盐的输移情况 。 D D在印度的应用，量化气候变化对印度水资源的影响，并进行在印度的应用，量化气候变化对印度水资源的影响，并进行 洪水和干旱模拟分析。洪水和干旱模拟分析。 F F在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。 GG在中国在中国SWATSWAT已有多个用于水资源和水环境、农业生产等方已有多个用于水资源和水环境、农业生产等方 面的案例。面的案例。 提 纲 o 1 SWAT 起源与发展 o 2 SWAT 原理概述 o 3 SWAT 结构与功能 o 4 SWAT 面临的问
8、题与挑战 2 SWAT 原理概述 oo SWATSWAT模拟的流域水文过程分为两大部分：模拟的流域水文过程分为两大部分： 水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分） 水循环的水面部分（即河网汇流部分）水循环的水面部分（即河网汇流部分） 前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和 化学物质等输入量；后者决定水、沙等物质从河网化学物质等输入量；后者决定水、沙等物质从河网 向流域出口的输移过程。向流域出口的输移过程。 SWATSWAT水文循环示意图水文循环示意图 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 在产流
9、计算中，在产流计算中，SWATSWAT引入水文响应单元（引入水文响应单元（HRUHRU，Hydrologcial Hydrologcial Response Response UnitUnit）的概念，来反映植被覆盖和土壤类型的变化）的概念，来反映植被覆盖和土壤类型的变化 对产流及蒸发的影响。对产流及蒸发的影响。 在每个在每个HRUHRU内单独计算产流量，然后叠加得到子流域产流量，内单独计算产流量，然后叠加得到子流域产流量，再再进进 行坡面汇流，进入子流域主河道。最后通过河网汇流演算得到流行坡面汇流，进入子流域主河道。最后通过河网汇流演算得到流 域总径流量。域总径流量。 2 SWAT 原理概述
10、 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 SWATSWAT的水循环陆面部分中，主要考虑到气候、水文和植被覆盖等的水循环陆面部分中，主要考虑到气候、水文和植被覆盖等 几个方面因素。几个方面因素。 2 SWAT 原理概述 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 气候因素气候因素 流域气候为水文循环提供了湿度和能量并决定了水循环中不同要素 的相对重要性。湿度和能量控制着流域的水量平衡。需要输入的 气候因素变量主要包括： l 日降水量 l 最大最小气温 l 太阳辐射 l 风速 l 相对湿度 这些变量的数值可通过天气发生器模型自动生成，也可直接输入实 测数据。其中太阳辐射、风速、相对湿度等通常由于资料缺
11、失而 由模型生成。 2 SWAT 原理概述 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 水文因素水文因素 大气降水经过冠层截留（或直接）降落到地面。降到地面上的水一 部分下渗到土壤；一部分形成地表径流。地表径流快速汇入河 道，对短期河流响应起到很大贡献。下渗到土壤中的水可保持 在土壤中被后期蒸发掉，或者经由地下路径较缓慢流入地表水 系统。 2 SWAT 原理概述 SWAT原理地表水过程 水量平衡方程如下： 地表水过程（续） 地表产流计算： 产流计算： CN值可针对不同的土壤类型、土地利用和植被覆盖的组合查表获得，CN 值是无量纲的反映降雨前期流域特征的一个综合参数，将前期土壤湿度、 坡度、土地利用
12、方式和土壤类型状况等因素综合在一起。 SWAT 地表水过程（续） oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 植被因素植被因素 SWAT利用一个通用的植物生长模型模拟所有类型的植 被覆盖。 植物生长模型能区分一年生植物和多年生植物。被用来 判定根系区水和营养物的移动、蒸腾和生物量或产 量。 2 SWAT 原理概述 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 水土流失水土流失 SWAT采用修改MUSLE模型（Universal Soil Loss Equation,Williams,1975）来模拟每个水文响应 单元HRU的水土流失和泥沙的产生。 MUSLE模型能够与水文模型很好的结合，利用水文模 型提
13、供产流量和洪峰流量进行水土流失的模拟计算 。 2 SWAT 原理概述 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 营养物质营养物质 SWAT模拟流域内几种不同形式的氮、磷的运动与转换。氮、磷营 养物质可以通过地表径流和壤中流进入主河道传输到下游河段 。 2 SWAT 原理概述 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 杀虫剂杀虫剂 杀虫剂可以用来研究流域内化学物质的运动。SWAT模拟杀虫剂 经由地表径流进入河网，通过下渗进入土壤和地下含水层的 运动过程，所用的模拟方程来自GLEAMS模型（Leonard et al.,1987）。 2 SWAT 原理概述 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 管理
14、措施管理措施 SWAT允许用户定义每个HRU的农业管理措施。用户可定义生长 季节的起止时间，肥料、杀虫剂和灌溉的时间和数据等。另 外，在SWAT中可以每年变换不同的管理措施。 2 SWAT 原理概述 oo水循环的水面部分水循环的水面部分 水循环的水面过程即河道汇流部分，主要考虑水、沙、营养物 （N，P）和杀虫剂在河网中的输移，包括主河道以及水库 的汇流计算。 2 SWAT 原理概述 oo水循环的水面部分水循环的水面部分 主河道（或河段）汇流主河道（或河段）汇流 主河道的演算分为4部分：水、泥沙、营养物和有机化学物质。 在进行河道汇流演算时，有一部分水份在输移过程中损失，包括河 道蒸发和河床渗漏
15、。另一部分被人类取用。河道补充水份的来 源为直接降雨或点源输入。 河道水流演算多采用变动存储系数模型（variable storage coefficient method, Williams,1969）或Muskingum方法。 2 SWAT 原理概述 SWAT 地表水过程 oo水循环的水面部分水循环的水面部分 水库汇流演算水库汇流演算 水库水量平衡包括：入流、出流、降雨、蒸发和渗漏。在计算水 库出流时，SWAT提供三种方式： 需要输入实测出流数据； 对于小的无观测值的水库，需要规定一个出流量； 对于大水库，需要一个月调控目标。 2 SWAT 原理概述 提 纲 o 1 SWAT 起源与发展
16、o 2 SWAT 原理概述 o 3 SWAT 结构与功能 o 4 SWAT 面临的问题与挑战 （1）SWAT 结构 SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟，例如水循环和 营养物迁移转化等。流域内泥沙、营养物的产生与迁移等都是建立 在流域内水循环的基础之上。 水文模块 土壤侵蚀与泥沙运输模块 营养物运输模块 植物生长与经营管理模块 四大子模块 水文模块块 流域水循环环可以分为为两个部分，一是陆陆面水循 环环，陆陆面水文过过程控制着每个子流域向河道输输 入的水量、泥沙量和营营养物量。第二部分是河道 的水文过过程，它决定着流域内主河道向流域出口 输输送的水量、泥沙量和营营养物量。 土壤侵蚀与泥沙输运模块 在SWAT中，对由降雨及地表径流产生的流沙量的计算采用MUSLE（ Modified version of universal soil loss equation），即改进通用土壤流失方程 。改进了流沙产量预测的准确度，并且可以预测单次降雨事件中的产沙量 sed为泥沙日产量,ton；Q为表面径流量，mm/
