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第二讲 SWAT模型概述 提 纲 o 1.1 SWAT 起源与发展 o 1.2 SWAT 原理概述 o 1.3 SWAT 结构与功能 o 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 几个关键问题 - SWAT - SWAT 是什么？是什么？ - SWAT - SWAT 能做什么？能做什么？ - SWAT - SWAT 面临问题与挑战？面临问题与挑战？ 1.1 SWAT 起源与发展 oo 2020世纪世纪9090年代，美国农业部（年代，美国农业部（USDAUSDA）农业）农业 研究中心（研究中心（ARSARS）的）的Jeff Jeff ArnoldArnold博士将博士将 SWRRBSWRRB和和ROTOROTO整合为一个新的模型，即整合为一个新的模型，即 oo SWATSWAT（Soil Soil and and Water Water Assessment ToolAssessment Tool） 1.1 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 SWATMOD 模型 GLEAMS 模型 ESWAT 模型 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。 1.1 SWAT 起源与发展 SWATSWAT应用举例：应用举例： A.ArnoldA.Arnold和和SrinivasanSrinivasan（19991999）应用）应用2020年的气象数据模拟了美国年的气象数据模拟了美国7866378663个子流个子流 域内的水文循环及水量的平衡关系。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，研究 跨国河流跨国河流Rio Grande/RRio Grande/R o Bravo o Bravo 流域的水文和水质状况，及生态系统的动态流域的水文和水质状况，及生态系统的动态 过程。过程。 C C欧洲欧洲1515国应用国应用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，并进行洪水在印度的应用，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。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已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。 提 纲 o 1.1 SWAT 起源与发展 o 1.2 SWAT 原理概述 o 1.3 SWAT 结构与功能 o 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 1.2 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、沙等物物质和化学物质等输入量；后者决定水、沙等物 质从河网向流域出口的输移过程。质从河网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）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。盖和土壤类型的变化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 ，在进行坡面汇流，进入子流域主河道。最后通过河网汇流，在进行坡面汇流，进入子流域主河道。最后通过河网汇流 演算得到流域总径流量。演算得到流域总径流量。 SWATSWAT的水循环陆面部分中，主要考虑到气候、水文和植被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。覆盖等几个方面因素。 1.2 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 SWAT所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。 1.2 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。 1.2 SWAT 原理概述 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。 1.2 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 文模型提供产流量和洪峰流量进行水土流失的模 拟计算。 1.2 SWAT 原理概述 oo 水循环的陆面部分水循环的陆面部分 营养物资营养物资 SWAT模拟流域内几种不同形式的氮、磷的运动与转换。氮、 磷营养物资可以通过地表径流和壤中流进入主河道传输到下 游河段。 1.2 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资的运动。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）。 1.2 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。 1.2 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。 1.2 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。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。 1.2 SWAT 原理概述 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。 1.2 SWAT 原理概述 提 纲 o 1.1 SWAT 起源与发展 o 1.2 SWAT 原理概述 o 1.3 SWAT 结构与功能 o 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 1.3 SWAT 结构与功能 oo SWATSWAT采用类似于采用类似于HYMOHYMO模型（模型（Williams Williams and Hann,1973and Hann,1973）的命令结构来控制径流和化）的命令结构来控制径流和化 学物质的演算。学物质的演算。 oo通过子流域命令，进行分布式产流计算；通过子流域命令，进行分布式产流计算； oo通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程；通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程； oo通过叠加命令，把实测的数据和点源数据输入到模型中同模通过叠加命令，把实测的数据和点源数据输入到模型中同模 拟值进行比较；拟值进行比较； oo通过输入命令，接受其它模型的输出之值；通过输入命令，接受其它模型的输出之值； oo通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段 （或水库）中，也可直接用作农业灌溉。（或水库）中，也可直接用作农业灌溉。 ooSWATSWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展。模型的命令代码能够根据需要进行扩展。 （1）SWAT 结构 oo SWATSWAT主要用来预测人类活动对水、主要用来预测人类活动对水、 沙、农业、化学物质的影响，模拟沙、农业、化学物质的影响，模拟 流域内多种不同的水循环过程。流域内多种不同的水循环过程。 oo 为流域尺度的农业管理、供水管理为流域尺度的农业管理、供水管理 和气候变化影响研究，提供水循环和气候变化影响研究，提供水循环 模拟、评价和管理工具。模拟、评价和管理工具。 （2）SWAT 主要功能 （1）SWAT 主要功能 提 纲 o 1.1 SWAT 起源与发展 o 1.2 SWAT 原理概述 o 1.3 SWAT 结构与功能 o 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 - SWAT - SWAT 输入与调参问题输入与调参问题 - SWAT - SWAT 平原区应用问题平原区应用问题 - SWAT - SWAT 地下水模拟问题地下水模拟问题 - SWAT - SWAT 城市水循环模拟问题城市水循环模拟问题 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 - SWAT - SWAT 输入与调参问题输入与调参问题 SWATSWAT模拟功能强大、参数很多且具有空间分布性，模拟功能强大、参数很多且具有空间分布性， 而官方网站上提供而官方网站上提供AVSWATAVSWAT在模型输入与参数调试方面不在模型输入与参数调试方面不 太方便。哪怕只改变一个降水站点数据信息或一个参数，太方便。哪怕只改变一个降水站点数据信息或一个参数， 就需要重新进行一次参数文件的生成，而这个过程的运行就需要重新进行一次参数文件的生成，而这个过程的运行 在流域在流域SWATSWAT模型中要耗费很长时间，使得模型中要耗费很长时间，使得SWATSWAT应用受应用受 到一定的限制，为此需要开发了模型输入与参数调试模块到一定的限制，为此需要开发了模型输入与参数调试模块 ，可以十分快速的进行模型输入和参数的调整。，可以十分快速的进行模型输入和参数的调整。 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 - SWAT - SWAT 在平原区应用问题在平原区应用问题 目前官方网站上提供目前官方网站上提供AVSWATAVSWAT是基于是基于ARCVIEWARCVIEW开发开发 的界面程序，根据的界面程序，根据DEMDEM自动提取河网的，但在平原区由自动提取河网的，但在平原区由 于地势平坦很难有效地提取河网。需要进行改进，目前于地势平坦很难有效地提取河网。需要进行改进，目前 通过编程实现人工判断单元流向自动实现运行控制文件通过编程实现人工判断单元流向自动实现运行控制文件 的生成，解决了平原区建模的难题。的生成，解决了平原区建模的难题。 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 - - SWAT SWAT 在地下水模拟中问题在地下水模拟中问题 SWATSWAT考虑到对浅层和深层地下水的模拟，采用的是基考虑到对浅层和深层地下水的模拟，采用的是基 于水循环过程的水量平衡模型，能够满足一般管理上的需于水循环过程的水量平衡模型，能够满足一般管理上的需 要。但是，对于地下水流场变化的模拟较弱。但可以通过要。但是，对于地下水流场变化的模拟较弱。但可以通过 耦合地下水动力学模型加以解决。目前，我们即将完成这耦合地下水动力学模型加以解决。目前，我们即将完成这 方面的开发工作。方面的开发工作。 1.4 SWAT 面临的问题与挑战 - - SWAT S