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1、土壤水盐运移与作物生长模拟模 型SWAP原理与应用 主要内容： 模型介绍 模型组成 模型机理 模型输入 模型输出 模型率定 SWAP介绍 Soil Water Atmosphere Plant Model是荷 兰 Wageningen University and Research Center开发的用于模拟田块尺度的非饱和 带水流及盐分运移、热量传递和作物生长与产量的模型 SWAP模型的早期版本是Feddes等(1978)开发的SWATR (Soil Water Actual Transpiration Rate)模型。该模型为有作物生长条件下 的土壤水分运动模拟模型，适用于多层土壤，并能够
2、考虑地下水 动态变化的影响。在后来的20多年中，该模型经过Beimans等 (1983), Wesseling等(1991)、van den Broek等(1994)和van Dam等 (1997)的不断补充和完善，增加了更多的系统边界条件、作物生 长模拟、土壤膨胀收缩效应和溶质运移等内容，形成了SWAP2.0 版本。目前推出的最新版本是SWAP3.2 SWAP模型示意图 模型组成 模型由六部分组成： l土壤水流运动模块 l溶质运移模块 l热量传输模块 l土壤蒸发模块 l作物腾发量计算模块 l作物生长模拟模块 模型机理 l土壤水流运动 l溶质运移 l土壤蒸发 l作物腾发量计算 l作物生长模拟
3、土壤水流运动方程 根据Darcy定律, 可得出Richard方程: 根 据 微 单元土壤体积的水平衡原理可得出以下 土壤水的连续方程: 土壤水分特征曲线 在SWAP模型中，土壤水力函数可采用van Genuchten (1980)和 Mualem (1976)公式，也可采用土壤实测 数据关系表达 van Genuchten (1980)： 用上面所示的土壤水分特征曲线，联合Mualem(1976)提出的非 饱和土壤水力传导 度模型，可得以下关系式: 根系吸水 一定土壤深度的潜在根系吸水率 ，可由以 下公式得出： 在SWAP中，假设根系密度均匀分布，所以上式可 以写为 实际上，土壤的过度干早或者
4、过度湿润和土壤盐分 过高产生的应力都会减少 Sp(z) 的值 左图给出了水应力引起根系吸水减少的系数rw与 土壤水势h以及潜在腾发量 Tp 之间关系; 右图给出 了盐应力引起根系吸水胁迫系数 rs与土壤水电导 度 ECsw 之间的关系 SWAP中假设水和盐应力同时作用时对作物根系吸水的影响 是相乘的关系，所以实际的根吸水率 Sa(z) 可以由下式计算: 根系吸水 溶质运移 土壤水中溶质的主要运移机理是分子扩散、对流、机械弥散。在SWAP模型 中，溶质运移按对流一弥散方程进行计算 弥散通量可表达为： 溶质扩散系数对土壤的实际含水率是十分敏感的，由于它严重的影响着溶质 运移的路径和有效横向运移面积
5、。在SWAP模型中，采用Millington和Quirk (1961）提出的公式来描述水流路径弯曲度，扩散系数表达式为 溶质运移 在层流条件下， 与孔隙流速v (cm/d)成正比关 系: 由单 元 体 的质量守恒定律，溶质运移的连续方 程可以表达为: 溶质运移方程 作物腾发量 SWAP中主要用以下两个步骤来计算作物的需水量： 首先，通过改进后的彭曼公式来计算作物的潜在蒸发蒸腾 量 其次，考虑到实际中作物由于水分胁迫和盐分胁迫而会引 起根吸水的减少，从而计算出实际的作物腾发量 作物腾发量 Penman-Monteith： 土壤蒸发 当土 壤 湿 度较大时，土壤蒸发量决定于大气条件，等于潜在土壤
6、蒸发量。当土壤较干燥时，土壤蒸发量将减少。表层土壤最大土 壤蒸发量 Emax可按达西定律计算。在SWAP中也可用Black等 (1969), Bosten和Stroosnijder (1986)提出的经验公式计算 Black经验公式： BostenStroosnijder公式： 作物生长模型 SWAP 模 型中采用的作物模型包括详细作物生长模型 (WOFOST 6.0; Spitters et al., 1989; Hijmans et al., 1994) 和简单作物模型 详细的作物模型模拟作物的生长过程，而简单模型则模拟作 物的最终产量 SWAP模型中的简单作物模型是静态模型，它只描述作物
7、最 终产量与水分的关系。简单作物模型要求输入叶面积指数、 作物高度以及作物根深与作物各发展阶段的函数。简单作物 模型计算作物的实际产量与潜在产量的比值即相对产量 作物生长模型 J.Doorenbos和A.H.Kassam模型（D-K模型） 模型边界条件 上边界条件： 1、有效降雨量 2、作物潜在腾发量和土壤潜在腾发量 3、作物实际腾发量和土壤实际腾发量 4、灌溉制度 模型边界条件 下边界条件： 1、地下水位 2、底部水流通量 3、来自深层水流通量 4、作为地下水位函数的水流通量 5、底部的压力水头 6、底部水流通量为零 7、土壤剖面的自由排水 8、土壤空气界面的自由出流量 模型输入界面 模型输
8、入 气象资料 模型输入 灌溉 作物 土壤 水分 溶质 热量 模型输入 模型输入 模型输出 SWAP模型的输出结果可通过Output主菜单查看 ，包括文本、2维图形和3维图形3种形式。 输出结果有：累计水量平衡分量(灌水量、有效降 雨量、潜在与实际蒸发量、潜在与实际腾底部水 流通量、侧向排水量、土壤储水量)、地下水位、 逐日水量平衡平分量、溶质平衡分量、土壤温 度、逐时段(最短为1天)土壤物理量(含水率、水压 力水头、溶质、温度)的剖面分布等 模型输出 模型输出 模型率定 需要率定的土壤水力参数 ： 饱和含水量 残留含水量 饱和导水率 经验系数 需要率定的溶质运移参数： 降水矿化度 分子扩散系数 D 扩散长度 L 根系吸收溶质系数 自由水和吸附水之间的溶质交换率
