（地图学与地理信息系统专业论文）swat模型运行结构及文件系统研究.pdf

摘要 摘要 s w a t ( s o i la n dw a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型是一个流域尺度、基于物理基础的分布式 水文模型，可以模拟流域内部的多种地理过程，如产水、产沙、养分和农药的迁移与转化， 并预测不同的管理措施对流域过程的影响。s w a t 有其特定的应用领域和尺度限制，在实际 应用中需要采取多模型协作的方法；另一方面，很多应用需要将s w a t 模型作为定量评价 工具集成到特定的流域管理系统中，而由于s w a t 模型空间运行单元采用多层次组织，模 型运行需要的基础数据结构复杂，类型多样，集成应用涉及问题多、难度大。解决以上问题 的较好方法就是多模型的协作和开发通用的模型集成方法，而面临的瓶颈问题就是模型集成 中跨g i s 系统平台的输入数据组织和处理的通用方法。本文就这些问题进行了探讨，主要 研究成果如下： 1 详细阐述了s w a t 模型的运行结构组织形式，结合实例给出了控制模型运行的配置文 件的写法。实现了不同地理条件下各种水文过程的模拟，包括陆相水文循环、河道演算、水 库演算、点源输入等。验证结果表明，通过修改配置文件调用不同的功能模块的方法可以实 现对s w a t 模型运行过程的控制。 2 在v i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 5 环境下采用c 群语言开发了一套用于定制s w 盯模型运行文 件的动态链接库程序。利用面向对象技术，把s w 盯模型的写输入文件操作封装在具体的实 现类中，最后生成了4 0 多个不同功能的类。数据库的相关操作使用了a d o n e t 技术，采用 了异常处理机制和可重用的相关技术。利用编译生成的d l l 文件，可以实现模型输入数据定 制处理和组织。 关键字：s w a t ；模型集成；运行结构；面向对象；c 群 a b s t r a c t a b s t r a c t s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) i sap h y s i c a l l yb a s e d ，d i s t r i b u t e dn o n p o i n t p o l l u t i o nm o d e ls y s t e md e v e l o p e db yu s d a i tc a nb e u s e dm o d e l i n gm u l t i p l eg e o g r a p h i c p r o c e s s e sa sw e l la sp r e d i c t i n gt h ei m p a c t so fd i f f e r e n tm a n a g e m e n tp r a c t i c e so nw a t e r , s e d i m e n t , a g r i c u l t u r a lc h e m i c a ly i e l d sa n dp e s t i c i d ef a t e i nar i v e rb a s i ns c a l e s w a tm o d e lw a si n i t i a l l y d e v e l o p e di nm o d e l i n gt h ec o m p r e h e n s i v ei m p a c t so fm a n a g e m e n tp r a c t i c e si nal a r g eb a s i n ，i t a l s oh a ss o m el i m i t a t i o n si na p p l i c a t i o ni ns m a l ls c a l e sa n ds o m ec e r t a i na p p l i c a t i o nf i e l d s s oi t h a sb e e nw i d e l yu s e di nc o o p e r a t i n gw i t ho t h e rm o d e l so ri n t e g r a t e da saq u a n t i t a t i v ec o m p o n e n t i n t oac e r t a i nb a s i nm a n a g e m e n ts y s t e m h o w e v e r , r u n n i n go ft h em o d e lv a r i e sa m o n gd i f f e r e n t i n p u td a t at y p e so r g a n i z e di nd i f f e r e n ts p a t i a ld e s c r e t i z a t i o nu n i t sa n dr e q u i r e sac o m p l e xs e to f d a t a t h ea p p l i c a t i o np r o c e s si sa l s op r o b l e m a t i ca n dd i f f i c u l t ag o o dw a yt os o l v et h e s ep r o b l e m s i st oi n t e g r a t em u l t i p l em o d e l sa n dd e v e l o pau n i v e r s a lw a yf o rm o d e li n t e g r a t i o n i nt h i sm e t h o d ， t h eb o t t l e n e c ki st oo r g a n i z ea n dm a n i p u l a t et h ei n p u td a t af i l e si nap r o p e rw a yt h a tc a l lc r o s st h e d i f f e r e n tg i sp l a t f o r m si nm o d e li n t e g r a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： 1 t h ei n n e rr u n n i n gs t r u c t u r eo fs w a tw a sd i s c u s s e db a s e do nt h ea n a l y s i so fi t s c o m p o n e n t s ，a n dt h ec o r ec o n f i g u r a t i o nf i l eu s i n gf o rr u n n i n gm o d e lw a sp r e s e n t e dw i t ha n e x a m p l e i ts i m u l a t e d d i f f e r e n tg e o g r a p h i c a lc o n d i t i o n so ft h ev a r i o u sh y d r o l o g i c a lp r o c e s s s i m u l a t i o n s ，i n c l u d i n gt h el a n dp h a s eo ft h eh y d r o l o g i cc y c l e ，c h a n n e lf l o o dr o u t i n g ，r e s e r v o i r r o u t i n g ，p o i n t - s o u r c e d a t ai n p u t ，a n ds oo n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t b ym o d i f y i n gt h e c o n f i g u r a t i o nf i l ec a l l e df u n c t i o n a lm o d u l e so fd i f f e r e n tw a y sc a nc o n t r o lt h es w a tm o d e l o p e r a t i o np r o c e s s 2 i nv i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 5e n v i r o n m e n tu s i n gc 撑l a n g u a g ed e v e l o p e dad y n a m i cl i n k l i b r a r yf i l e sp r o c e d u r ew h i c h c a nc u s t o ms w a tm o d e lr u n n i n gf i l e s u s eo b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y ，t h es w a tm o d e lw r i t t e ni n p u tf i l eo p e r a t i o nw a se n c a p s u l a t e di nd i f f e r e n tc l a s s e s a sar e s u l t t h e r ew e r em o r et h a n4 0d i f f e r e n tf u n c t i o n a lc l a s s e sg e n d e r e d t h eo p e r a t i o no ft h e d a t a b a s er e l a t e dt ot h eu s eo ft h ea d o n e tt e c h n o l o g y ，t h ee x c e p t i o nh a n d l i n gm e c h a n i s ma n d r e u s a b l e t e c h n o l o g yw e r ei n v o l v e d 。b yt h e u s eo fc o m p i l e r - g e n e r a t e dd l lf i l e s ，c a r lb e c u s t o m i z e dt oa c h i e v em o d e li n p u td a t ap r o c e s s i n ga n do r g a n i z a t i o n k e yw o r d s ：s w a t ；m o d e li n t e g r a t i o n ；r u n n i n gc o n f i g u r a t i o n ；o b j e c t o r i e n t e d ；c 拌 2 图表目录 图表目录 图la v s w a t 结构图5 图2b a s i n s 3 1 系统组件浏览图6 图3 基于d p s i r 概念框架的m u li n od s s 7 图4 空间离散流程图1 5 图5s w a t 模型水文循环一17 图6 陆相水文循环计算机模拟流程图18 图7s w a t 模型输入输出文件逻辑调用结构图2 0 图8 子流域划分图2 2 图9 基本模拟配置文件示例2 3 图1 0 复杂流域配置文件结构实例2 5 图1 l 程序集结构图3 5 图1 2 工厂方法模式结构图3 6 图13 组合模式结构3 7 图l4 代理模式结构图3 7 图15s w a t 模型输入文件类结构图4 0 图1 6d a t a 类结构图4 l 图17d a t a 类的派生类和i r e c 接口4 2 图l8s u b 类4 3 图19m g t c o m p o n e n t 类及其子类4 6 图2 0m g t 和m g t o p e r a ti o n 类4 6 图2 1p r o p e r t y 类及其继承结构图4 8 图2 2 设置环境变量4 9 图2 3 运行文件定制4 9 图2 4 模型运行5 0 图2 5 参数修改5 0 表l 配置文件命令汇总2l 表2 部分f c l 命名空间3 2 5 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 甲删 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 s w a t ( s o i la n dw a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型是美国农业部( u s d a ) 下属的农业研究 所( a r s - - a g r i c u l t u r a lr e s e a r c hs e r v i c e ) 开发的流域尺度、连续时段、基于过程的综合模型， 可以模拟地表径流、入渗、侧流、地下水流、回流、融雪径流、土壤温度、土壤湿度、蒸散 发、产沙、输沙、作物生长、养分( 氮、磷) 流失、流域水质、农药杀虫剂等多种过程以 及各种农业管理措施( 耕作、灌溉、施肥、收割、用水调度等) 对这些过程的影响l 】。 s w a t 模型已经与g i s 软件a r c v i e w ，a r c g i s ，g r a s s ，i d r i s i 等进行了不同程度的集 成，为遥感和g i s 技术集成运用到流域模拟提供了极大的便利，并且被集成到美国环保署 ( e p a ) 开发的b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i o np o i n ta n dn o n p o i ms o u r c e s ) 模型系统中，成为e p a 非点源污染控制研究的主要模型系统1 4 埘。由于s w a t 模型功能强大、 模拟精度高，国内外利用s w a t 模型进行相关研究已有较多的成功案例，如印度n a g w a n 的产 污重点区域评价1 9 1 ；芬兰、细t 她n j o k i 流域进行的点源和非点源污染负荷迁移过程的模拟【1 0 l ； 在美国缅因州海湾近海流域评价( c o a s t a lw a t e r s h e d a s s e s s m e n to f g u l f o f m a i n e ) 项目中， s w a t 模型被用来模拟缅冈州海湾和得克萨斯州b o s q u er i v e r 的点源和农业非点源污染状 况，并对污染控制提供决策支持【1 l 1 2 1 。国内方面，南京师范大学的李硕对江西兴国县的潋 水流域进行了多种地理过程的模拟，并对模型的空间离散化和参数化做了深入探讨1 1 3 l ；张 雪松等利用s w a t 模型进行了中尺度流域的产沙模拟【1 4 】；胡远安等在芦溪小流域做了非点源 的水文模拟”l ；s w a t 模型在黑河流域、太湖流域、黄土高原、东南丘陵区、青藏高原也都 有应用的范例【16 2 1 1 。 在s w a t 模型得到广泛应用的同时，模型自身局限性以及应用过程中模型的集成调用方 面存在的问题也逐渐显露出来。a m a n j o ts i n g h 等在用s w a t 模型评估o n t a r i o 流域水质污染时 发现，由于相邻子流域水文性质的不连续性造成了对河畔湿地的模拟效果不理想，于是他们 采用s w a t + r e m m ( r i p a r i a ne c o l o g i c a lm a n a g e e n tm o d e l ) 来解决这一问题【2 2 1 ：a d r i a n a b r u g g e m a na n dg e e r t ev a n d e rm e i j d e n 为了得到叙利北部干旱地区更好的模拟结果，对 s w a t 模型的改进提出了一系列的建议【2 3 1 ；d o u gm a c d o n a l d 等在进行森林流域模拟研究时用 a l m a n a c 模型代替了s w a t 模型的作物生长模块来模拟树木的生长，得到了更好的结果 南京师范大学硕卜学位论文：s w a t 模型运行结构及文件系统研究 2 4 1 。因此，s w a t 模型并不是一个在任何地域、任何水文条件下都适用的模型，也可能是模 型的某一模块的模拟结果不理想而造成了整个模拟结果的偏差，而解决这一问题的最好方法 就是模型的协作，用相对于某一水文过程更加成熟的模型来代替s w a t 模型中的相应模块。 诸多科研和管理单位做了相关研究，把s w a t 模型作为流域研究和管理的基本工具，同时对 其做适当修改或辅以其他模型，女d t h e r e s ap o s s l e y 矛t l q i m i a ol u 开发的s d as w a t 在集成 s w a t 模型的基础上，增强了空间数据分析和模拟结果的可视化功能1 2 5 1 ；为控制和监测意大 利撒丁岛的水污染而开发的m u l i n od s s 2 6 】；基于数学规划技术( m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g t e c h n i q u e s ，m p t ) 在通用代数建模系统( g e n e r a la l g e b r a i cm o d e l i n gs y s t e m ，g a m s ) 中 实现农业经济模型情景管理的d s i r r 【2 7 1 ；为评估密西西比河上游流域水质污染而开发的 is w a t 2 8 1 等。由此可见，s w a t 有其特定的应用领域和尺度限制，在实际应用中需要采取 多模型协作的方法，如美国环境保护署( e p a ) 开发的b a s i n s ( b e t t e r a s s e s s m e n ts c i e n c e i n t e g r a t i n gp o i n ta n dn o n p o i n ts o u r c e ) 系统；另一方面，很多应用需要将s w a t 模型作为定 量评价工具集成到特定的流域管理系统中，而由7 - s w a t 模型空间运行单元采用多层次组 织，模型运行需要的基础数据结构复杂，类型多样，集成应用涉及问题多，难度大。解决以 上问题的较好方法就是多模型的协作和开发通用的模型集成方法，而面临的瓶颈问题就是模 型集成中跨g i s 系统平台的输入数据组织和处理的通用方法。因此，本文在模型运行结构和 s w a t 模型输入文件解析的基础上，利用面向对象程序设计方法，选择适宜的开发环境，致 力于开发一套用于s w a t 模型输入文件定制的类库，可以将s w a t 模型快速移植到相关的流 域管理系统或构建s w a t 与其他模型协同工作的系统。 1 2 国内外研究现状 流域水文模型是水文科学与计算机科学相结合的产物，经过半个多世纪的发展，其应用 范围已经涉及防洪、水资源管理、非点源污染评价、水利j 二程、城市排水规划、土壤保持等 方面。另外，流域水文模型也是分析气候变化和人类活动对洪、水土流失、水资源和水环境 影响的有效工具。 1 2 1 流域水文模型的发展及集成研究 流域水文模型的研究始于上世纪5 0 年代，6 0 年代到8 0 年代中期取得重大进展，形成 了一批优秀的模型。比较著名的有s t a n f o r d 模型、s r - f c h 模型、a p i 模型、新安江模型、 2 第一章绪论 s s a r r 模型、a r n o 模型、s c s 模型、h e c 一1 模型等【2 9 1 。分布式水文模型的概念由f r e e z e 和 h a r l a n 于1 9 6 9 年提出【3 们，但是由于研究资料和计算机技术的限制直到7 0 年代末以后才大 量出现。主要的分布式水文模型有s h e 模型、s w a t 模型、i h d m 模型等。8 0 年代后期至今， 流域水文模型理论研究发展较为缓慢，大多数的模型只是在原模型基础上为了适应不同的用 途而进行改进。得益于计算机技术的发展和g i s 、r s 的引入，分布式水文模型的发展很快， s w a t 模型就是在9 0 年代中后期由s w e b b 模型和r o t o 模型融合形成，并且得到广泛应用的。 随着分布式水文模型的发展，水文模型对空间数据分析和管理的要求越来越高，而这正 是g i s 的长项，所以水文模型与g i s 的集成变得十分必要，这一点也成为了g i s 和水文模 型方面专家的共识。众多学者对水文模型集成做了相关研究。李硕等从模型、g i s 、数据三 个方面分析了环境模拟与g i s 集成的必要性，对模型集成的概念框架和方式进行了探讨【3 1 l ； 姚长青等回顾了流域模拟模型的发展历史和现状，对流域模拟模型与g i s 集成的方法进行 了分析，并指出了其中存在的问剧3 2 1 ；朱雪芹等综述了水文模型与g i s 集成技术的发展和 现状，讨论了四种集成方法的技术特点和存在的问题【3 3 1 。但是，由于地学模型的多样性和 结构的复杂性，模型集成的研究仍处于探索阶段，导致了多种集成模式并存，各单位的集成 工作都严重依赖于自身的系统框架，如a v s w a t 脱离了a r c v i e w 就无法运行。至今仍没有 入提出一套完整的模型集成方案，因此分析模型集成中存在的问题，研究高效可行的模型集 成方法是目前需要面对的首要问题。 1 2 2s w a t 模型的发展 s w a t 模型是在s w r r b ( s i m u l a t o rf o rw a t e rr e s o u r c e si nr u r a lb a s i n s ) 模型的基础上融 合了几个a r s 模型发展而来，这些模型有c r e a m s ( c h e m i c a l s 。r u n o f f , a n de r o s i o nf r o m a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、g l e a m s ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so na g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n ts y s t e m s ) 和e p i c ( e r o s i o n p r o d u c t i v i t yi m p a c tc a l c u l a t o r ) 1 3 4 1 。 s w r r b 的改进是从对c r e a m s 模型中的日降雨量水文模型的修改开始进行的。主要改 进有：( 1 ) 允许同时计算几个子流域来预测流域的水量；( 2 ) 增加了地下水回流组件；( 3 ) 增加 了水库和池塘组件，模拟对径流和泥沙的影响；( 4 ) 增加了气象模拟功能，包括降雨量、太 阳辐射和温度，可以从时间、空间两个方面模拟长期气象输入数据；( 5 ) 改进了预测径流峰 值率( p e a kr u n o f f r a t e ) 的方法；( 6 ) 引入t e p i c 的作物生长模型； ( 7 ) 增加了简单的水流演 算组件；( 8 ) 增加了模拟泥沙在水库、池塘、河流以及山谷的移动组件；( 9 ) 可以计算传输 3 南京师范大学硕士学位论文：s w a t 模型运行结构及文件系统研究 损失。 2 0 世纪8 0 年代，模型使用的焦点集中在水质评价上，s w r r b 模型也做了相应的改进： 集成了g l e a m s 中的杀虫剂组件，采用了新的产沙公式( m u s l e ) 以及s c s 估计径流峰 值率的新技术。虽然这些改进扩充了模型处理更大范围流域管理问题的能力，但是s w r r b 模型流域划分不能超过1 0 个子流域，而且它具有的简单演算方法只能是从子流域出e l 直接 到流域出口。这种局限性导致了所谓r o t o ( r o u t i n go u t p u t st oo u t l e t ) 模型的开发，它可以获 取多个s w r r b 模型运行结果，并进行河道演算和水库演算。r o t o 提供了区域运算功能， 通过允许多个s w r r b 同时运行，克服了s w r r b 亚流域的限制。尽管这种改进是有效的， 但是多个s w r r b 文件的输入输出也是很麻烦的，并且要占用大量的存储空间。另外，所有 s w r r b 运行必须先独立完成，然后才能输入r o t o 模型进行河道演算和水库演算。为了克 服这种繁琐的问题，开发者把s w r r b 和r o t o 融合成个模型一s w a t 模型。 s w a t 模型在9 0 年代中后期推出，迄今已经推出了9 4 2 版、9 6 2 版、9 8 1 版、9 9 2 版、 2 0 0 0 版( 2 0 0 1 年7 月发布) 和2 0 0 5 版等多个版本，模型的界面也发展到了w i n d o w s ( v i s u a l b a s i c ) 、g r a s s 、a r e v i e w 及a r c g i s 。 1 2 3s w a t 模型集成研究 由于s w a t 模酗功能强大，应用范围广泛，很多科研和管理单位都将其作为流域研究和 管理的基本工具进行集成。目前，比较成熟的s w a t 模型集成系统主要有a v s w a t t 3 5 1 、 b a s i n s t 引、m u l i n od s s t 2 6 1 等。 a v s w a t 是s w a t 模型的a r c v i e w 扩展模块的图形用户界面，其功能组件和a r c v i e wg i s 分析功能可以通过定制化或界面上的工具来完成。a v s w a t 在集成s w a t 模型的基础上，提 供了比较完善的数据前处理和后处理功能，使得模型数据准备、模型模拟、模拟结果分析在 同一个系统中完成，而且图形用户界面很友好，是目前应用最为广泛的s w a t 系统。整个模 拟过程可以分为9 个步骤：( 1 ) 加载a v s w a t 扩展模块；( 2 ) 划分子流域和水文响应单元； ( 3 ) ( 可选) 编辑s w a t 数据库；( 4 ) 定义气候数据；( 5 ) 生成模型输入文件；( 6 ) ( 可选) 编辑模型输入文件；( 7 ) 加载( 需要指定模拟时间段、p e t 计算方法等) 和运行s w a t ；( 8 ) ( 可选) 校准；( 9 ) ( 可选) 对输出结果进行分析和制图。a v s w a t 结构如图1 所示。 4 偷入数据 彳删w at 划分干j 蔬城 ：。? 一j 一1 j 劳# 一黪 一，参萨器荔 鎏擎 气霉站：撬学4 s w r 数据库 浚端黝搿瓣瑷瓣搿虢鬻鞴嚣荔渤 一。薯冀臻姐 爱蔓点臻缓，搿。；缴笺j ? 鬟；搿尹 参数化 = 二一一 蕊澎嚣渤蕊缀戮繇瓣澎鳓鬻鬻绻辩鬟戳缀鳓囊缓 a r c 矽7 p h ， 。谢。瓣i 童孽，誊：荔蕊貔荔缀筻”石千了 编辑和校准 霾滋 勰乒嚏味1二一彩爱荔i - l l i ， 输出罔农和制图 。；。黝 隆l1a v s w a t 纠i 构图 s w a t 模型 b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n ta n dn o n p o i n ts o u r c e ) 是由美国环保 局开发的多尺度流域环境分析系统，它是一个基rg i s 的流域点源, 年t l ：l i - 点源污染分析工具。 b a s i n s 通过一系列的相关组件米进行环境分析。这些g i - h l ：包括：( 1 ) 新建项目1 ：具( b u i l d n e w p r o j e c t ) ；( 2 ) 分析评价i ：具，包括目标控制分析( t a r g e t ) 、科学评价( a s s e s s ) 、 数据挖掘( d a t a m i n i n g ) ；( 3 ) 数据组织和计算j ：具；( 4 ) 子流域划分：具；( 5 ) d e m 、土 地利用、十壤、水质观测数据重分类雨1 管理【：具；( 6 ) 流域特征报告；( 7 ) 两个流域水文模 型，h s p f ( h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m f o r t r a n ) 和s w a t ；( 8 ) 一个a r c v i e w 扩展模 块，p l o a d ；( 9 ) 一个基于g i s 的水文模型，a g w a ( a u t o m a t e dg e o s p a t i a lw a t e r s h e d a s s e s s m e n t ) 。 b a s i n s 系统的地形数据、监测数据及分析评价1 ：具都被集成至l j a r c v i e wg i s 环境中。 水文模l ! 通过动态链接方式集成，运行文f l ：( 乇a r c v i e wr p 生成并传递给模犁。这些模型可以 在w i n d o w s 或d o s 环境下运行，运行结果再传 i i b a s i n s 进行可视化显示、分析、解译等工 作。 系统主要由六个部分组成：国家环境数据库、分析评价1 ：具、数据管理上具、流域特征 报告、水质模型、流域模型和后处理科序，系统框架图利操作平台如图2 所示。 b a s i n s 集成了三个模型( h s p f 、s w a t 、a g w a ) 来模拟有毒化学物质、传统污染物 和养分在地表的输移过程，通过这二个模型的协同来优化模拟。p l o a d 是一个a r c v i e w 扩 ，爹 红寥镰 遴。 歹 羹j习。窜 7、弩oio。习 两， 一壤j誊曩誊警幻厂一l一一l蚕豳圜斡靼 南京师范人学坝i + 学位沦文：s w a t 模型运行结构及文件系统研究 展模块，州米计算污染物沉积情况，分析流域内刚户指定污染物的年平均沉积量。g e n s c n 是一个模型输：结果的后处理程序，它以数据表格和图表的形式显示川户指定地点利时问段 的模巧! 输出数据。 图2b a s i n s 3 1 系统组件浏览图 m u l i n od s s 是意人利撒丁岛水资源管理部门为了控制水污染而开发的一种研究社会经 济、环境与流域管理关系的模型系统，它采用了一种d p s i r ( d r i v e r sp r e s s u r e ss t a t e si m p a c t s r e s p o n s e s ) 概念框架来为决策环境提供一种动态的系统的观点。其中水文模卫! 被用来探寻 环境压力与状态之问的交互作川，可选的模型有四个：s w a t 、输f 【j 系数模删( t h ee x p o r t c o e f f i c i e n tm o d e l ) 、q u a l2 k 、地下水模巧! ( g r o u n d w a t e rv i s t a s ) 。前两个都是川来评估点 源污染与传播对环境影响的流域尺度的模型，但是他们的模拟方法、输出文件的时问分辨率、 宅间离散化标准有所不同。q u a l2 k 是一个复杂的多功能的径流水质模型( s t r e a mw a t e r q u a l i t ym o d e l ) 。地卜j 水模型足一个地下水径流和传输的二维图形j j 户界面，它是一个包括 m o d f l o w 、m t 3 d m s 等在内的地卜水模型t 具包。 其他的s w a t 模型集成环境包括通过数学规划技术( m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g t e c h n i q u e s ，m p t ) 在通用代数建模系统( g e n e r a la l g e b r a i cm o d e l i n gs y s t e m ，g a m s ) 中 实现的农业经济模型情景管理的d s i r r 、增强了s w a t 的空间数据显示平【1 分析功能并支持 6 第一章绪论 大型数据文件的s d as w a t 以及为评估密西西比河上游流域水质污染并迎合其特殊数据格 式而开发的i s w a t 等。 p r o b l e md e s c r l p t i o n 国n r i n gf o r c e s - d e s s 啪5 7 塾a t e s 4 m p a c tr e s p o n s e sc 旦| 巴苎盥a p p r o a c h g o d a t a b a s eh y d r o l o i g l c a lm o d e l s 每 基 2蠡 盛 毫 龛 蓦 u 卜 鲁 5 至 否 l 尝 虽容 嚣 s j 参g 篮 星 吾 茸 1，r 吝o 。詈 e 象 。 卜乏。 考罗 星 軎 墓 嬲 。 。 o 功 壁 m 啦i t 瓣翮t 暑汉讽a n a l y 钠8 塬) i 肭d s s 图3 基于d p s i r 概念框架的m u l i n od s s a v s w a t 是以扩展模块的形式加载的，它采用a r c v i e w 的脚本语言a v e n u e 进行开发， 完全依赖于a r c v i e wg i s 系统。用户只能在a r c v i e w 中运行模型，b a s i n s 添加了流域管理、 水源保护和暴雨等决策分析，但是其依托环境仍然是a r c v i e w 。相对而言，m u l i n od s s 没 有依托某个特定的g i s 系统，但是，这三个s w a t 模型集成系统的开发者都没有提出一套 通用的模型输入数据处理和组织方案，虽然完成了模型集成应用的工作，但是别人无法借鉴 其经验，如果想做类似的工作仍需从头做起。 1 3 1 研究目标 1 3 研究目标和内容 剖析s w a t 模型结构和模型运行的内部机制，明晰各类输入文件的格式和空间运行单元 的组织方法，在此基础上开发一套便于其它应用系统调用的s w a t 模型输入文件c # 类库程序， 探索基于s w a t 模型输入文件类库和相关应用系统平台的模型集成方法。 7 南京师范大学硕十学位论文：s w a t 模型运行结构及文件系统研究 1 3 2 研究内容 本文的研究- 丁作主要从以下几个方面展开： 1 通过查询相关文献，研究s w a t 模型的功能结构和程序化结构。 2 研究s w a t 模型运行结构及输入文件组织方式。 3 利用m i c r o s o f ts t u d i o n e t 编程环境，c # 语言面向对象的机制，a d o n e t 、c 并语言 的反射机制和异常处理机制利用c # 语言在n e t 环境下开发s w a t 模型输入文件类库，实现模 型输入文件的书写和参数修改功能。研究基于s w a t 模型输入文件类库程序和相关应用系统 的集成方案。 1 3 3 论文结构 论文共分5 章。本章主要介绍了论文的研究背景及意义，回顾了国内外相关领域研究的 进展情况，对论文的研究目标、内容及论文结构进行了简单介绍。 第二章分析了s w a t 模型的输入数据的组织结构。首先对s w a t 模型结构做了简介。 然后介绍了s w a t 模型的空间离散化策略及实施方案，总结了s w a t 模型的流域地理过程。 最后给出了s w a t 模型运行文件的组织结构。 第三章详细分析了s w a t 模型的运行结构组织形式，结合实例给出了配置文件的写法。 研究s w a t 模型的模块化运行方式，探讨了模型在不同地理环境下通过修改配置文件书写 的方式来调用模块进行模拟的方法。 第四章给出了基于n e t 环境开发的s w a t 模型输入文件类库。分析了s w a t 模型的集 成过程及关键问题，介绍了n e t 框架和系统可重用性技术，然后详细介绍了s w a t 模型输 入文件类库的类结构和实现细节。为了验证类库的可用性，编写了一个用户界面程序，分别 用模型白带数据和江西潋水的数据进行的模拟运行。研究了基丁类库d l l 程序的s w a t 模型 输入数据组织和处理的通用方法。 第五章是全文的结论与展望。讨论了本文研究取得的成果、不足之处及未来工作的重点。 8 第二章s w a t 模型输入数据组织结构分析 模型输入数据组织结构分析 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 是由美国农业研究院的d r j e f f a m o l d 开发的流域 尺度模型，主要用来预测土地管理操作对于在长时间跨度内不同的土壤、土地利用和管理条 件的大型复杂流域的水文、沉积和农业化学径流等方面的影响。模型结构复杂、功能模块众 多，运行需要的基础数据类型多样、采取多层次空间组织，本章就这些内容进行详细阐述。 2 1s w a t 模型结构简介 s w a t 模型可以模拟流域内部的多种地理过程，模型由：水文( h y d r o l o g y ) 、气象 ( w e a t h e r ) 、泥沙( s e d i m e n t ) 、土壤温度( s o i lt e m p e r a t u r e ) 、作物生长( c r o pg r o w t h ) 、养 分( n u t r i e n t ) 、农药杀虫荆( p e s t i c i d e s ) 和农业管理( a g r i c u l t u r em a n a g e m e n t ) 8 个组件构 成。可以模拟地表径流、入渗、侧流、地下水流、回流、融雪径流、土壤温度、土壤湿度、 蒸散发、产沙、输沙、作物生长、养分流失( 氮、磷) 、流域水质、农药杀虫剂等多种过 程以及多种农业管理措施( 耕作、灌溉、施肥、收割、用水调度等) 对这些过程的影响。 2 1 1s w a t 模型的功能模块 1 水文模块：可以模拟的水文过程有表面径流、下渗、侧流、地下水流、蒸散发、融 雪径流和传输损失。 ( 1 ) 表面径流；s w a t 模型可由降雨量直接计算径流量。径流量通过修改的s c s 径 流曲线数方法( m o d i f i e ds c sc u r v en u m b e r ) 计算。s c s 曲线数模型把土壤类型、土地利 用和管理措施与径流量联系在一起。径流曲线数表示为流域每一土被组合的水持留能力 ( r e t e n t i o np a r a m e t e r ) 的函数。径流曲线数从条件l ( d r yc o n d i t i o n ，w i l t i n gp o i n t ) 到条件 3 ( w e tc o n d i t i o n ，a tf i e l dc a p a c i t y ) 之间非线性变化。美国土壤保护局( s c s ) 对各种水 文土被组合给出了径流曲线数。s w a t 模型还推出了有冻土( f r o z e ns o i l ) 径流计算的版本。 径流峰值率的预测采用了修改的r a t i o n a lf o r m u l a 方法和s c st r 5 5 方法预测【3 6 1 。降雨强 度为降雨量的函数，通过随机方法计算。坡面流