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SWAT模型培训讲义 单位 中国水科院水资源所讲解人 陆垂裕日期 2012 2 22 自我介绍 1976年10月陆垂裕 出生于湖北省黄石市1995 1999武汉水利电力大学 本科 农田水利1998 2001武汉大学 硕士 水利水电工程2001 2004武汉大学 博士 水利水电工程2004 2006中国水科院 博士后 水文水资源2006 至今中国水科院 水资源所 高工 研究领域 土壤水 地下水 地表 地下水质 行业软件开发 水文模型等 讲义提纲 水文科学发展简述SWAT模型简介SWAT主要水循环模拟方法详解SWAT的主要物质循环模拟简介SWAT的输入输出SWAT的软件界面SWAT的参数敏感性分析 自动率定等SWAT应用研究示例讲解基于SWAT原理改进的水循环模拟模型MODCYCLE 自我介绍 联系方式 中国水利水电科学研究院水资源所北京市复兴路甲1号A座920室QQ 63711279手机水文 水循环模型研究简述 水文科学发展简述 国际上 特别是西方认为以17世纪进行的有史以来首批重要水文量测为标志 作为科学水文学的开始 这些量测是 PierrePerrault的塞纳河流域降雨 蒸发和毛管势量测 EdmeMariotte的塞纳河流量量测 EdmondHalley的地中海蒸发和流量量测等等 18 19世纪主要在水力学试验研究方面发展1856年HenryDarcy通过渗透试验得出水在多孔介质中的渗透定律 即著名的达西公式 1863年J Dupuit以Darcy公式为基础提出了Dupuit假设 为开采井的稳定流计算奠定了基础1880年雷诺根据试验提出了针对流体力学的雷诺公式 1889年曼宁提出了明渠稳定流公式 进入20世纪初水文学科开始快速发展40年代以前 水文要素实验和理论研究入渗 1911年 Green Ampt建立了饱和入渗理论公式 至今应用仍然很广泛 蒸发 1926年 Bowen提出第一个理论公式 其中将蒸发通量的潜热和能量通量的感热通过一个比值联系起来 这就是著名的波温比 这是脱离经验公式的显著进步 非饱和水分运动 1907年 Burkingham引进毛管势概念 即土壤水基质势概念 建立非饱和水分运动的理论基础 1931年 Richards建立控制非饱和土壤水的等温输送的基本方程 提出一种量测土壤水基质势的方法 并且研究了土壤水运动的滞后现象 饱和地下水分运动 1935年C V Theis 泰斯 提出了地下水向承压水井运动的非稳定流公式 开创了现代地下水运动理论的新纪元 河川径流 1907年 Hoyt发表了流速仪测流的经典专著 总结了用流速仪测流的实践经验 降雨产流 1933年 Horton提出降雨产流的入渗理论 开始了对陆面通量的从经验向推理的过渡 1932年 Sherman提出流域响应的单位线方法 两者结合形成完整的流域水文推理和计算体系 开创了流域水文的定量途径 40 60年代 应用水文学全面发展 河道洪水演算 1939年 McCarthy提出Muskingum洪水演算方法 水文学法 1941年 Meyer提出Lag和route方法 槽蓄方程 水文学法 1951年 Hayami提出扩散相似法 扩散波方程 水力学法 流域汇流 1945年 Clark提出在等流时线基础上 通过一个概念性蓄水单元调蓄 建立单位线的推理方法 开创了单位线的理论研究时期 蒸发 蒸发研究更系统 更具理论价值 1935 1948年 Thornthweite对蒸发估算的改进 1948年 Penman提出潜在腾发概念及潜在腾发估算的混合公式 1948年开始 Budyko发表关于蒸发的系列文章 60 80年代 流域产流试验研究 1963年 Hewlitt和Hilbert的排水期斜坡土壤水分和能量实验1969年 Betson的暴雨径流产流面积实验1970年 Dunne和Black的小流域透水土壤产流实验这些研究大大丰富了对流域产流过程的认识 提出了若干不同于Horton产流入渗理论的降雨产流机制 并突出认识到流域部分面积产流概念和山坡非饱和水分侧向运动的重要作用 70年代以后 水文学进入模型计算时代 地下水数值模型1988年 MODFLOW 美国 流域水文模型1977年 新安江模型 中国 1979年 TOPMODEL 纽芬兰 1986年 SHE模型 英国 法国 荷兰联合开发 本世纪前半叶 水文测验 积累水文资料 工程实践 积累经验和问题 本世纪后半叶 水文研究 山坡水文实验 流域水文模拟 计算机出现 水循环的各个子系统 各个学科领域对应的水循环子系统 水循环研究的目的 生产实践中与水循环有关的各种问题 天气预报降雨时间 降雨量 降雨范围 气候变化干旱化 湿润化 防洪调度降雨径流关系 洪峰流量 洪峰移动速度 泥沙淤积冲淤平衡流量 河道输沙量 水力发电上游来水量 来水过程 气象学 地表水文学 农田灌溉灌溉方式 灌溉制度 土壤盐渍化埋深控制 排水沟间距 大坝 基坑防渗 排水渗透压力 减压控制 地下水水源地开发开采井间距 开采总量控制 海水入侵咸 淡界面位置 平衡关系 农田水利学 地下水文学 流域水文 水循环模型 优势 各种水文过程统一模拟的平台 使人们可以站在流域整体视角研究各种水文过程的综合影响降雨 蒸发 产流 河网汇流 土壤水运动 地下水运动 流域水文 水循环模型 中国10大一级流域分区 流域 由分水线所包围的河流集水区 流域水文 水循环模型 淮河流域 土壤水模拟 产流 入渗 渗漏 蒸发问题 地下水模拟 河道基流问题 地表水模拟 数字高程 流域划分 汇流路径问题 河道洪水演进问题 流域出流 流域层面上的统一 水资源研究方面的需求水资源评价水资源开发利用评价重点 四水转化 规律反演及水平衡分析 水文研究方面的需求 防洪 径流预测重点 产汇流计算 洪水过程模拟 流域水文模型的应用层面 概念性 斯坦福模型 1966水箱模型 1967新安江模型 1977 物理性 Freeze模型 1971SHE模型 1986TOPMODEL 1979WEP 2001 流域水文模型 流域水文模型 水箱模型 TANK 顶层水箱 模拟地表径流 设置 个出流口第二层水箱 模拟壤中流第三层水箱 模拟地下径流 水箱结构 流域水文模型 水箱模型 TANK 以水箱作为蓄水容器 将降雨径流过程模拟为若干水箱的调蓄作用 模型结构简单 而且不定 水箱个数和孔数等均可以改变 参数值也不受物理概念的约束 所以适应性好 在湿润地区易于取得成功 模型的物理概念不是直接的 没有明确的土壤含水量的概念 参数多且没有一个客观的数学方法来描述 主要依靠试错法来确定参数 由于线性水库的出流没有洪峰滞时 所以计算的出流过程需要作一定时间的滞后才能与实测出流过程相符 这就相当于河网汇流 流域水文模型 新安江 三水源 模型 河海大学赵人俊提出的一个水文模型 是中国少有的一个具有世界影响力的水文模型 三水源指按 山坡水文学 产流理论用一个具有有限容积和测孔 底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流 壤中水径流和地下水径流 适合于湿润地区与半湿润地区水文模拟 流域水文模型 26 流域水文模型 MIKE SHE 圣 维南方程组 分布式物理基础模型主要依据物理定律 其参数都是明确的物理量 可直接测定 但对模型输入信息质量和数量有较高要求 计算成本较高 一般较难满足 同时对复杂的应用条件 如人类活动 难以适应 计算效率不高 概念性模型计算原理简单 相对灵活 但主要参数只有抽象意义 物理意义不强 多数需要反复调算和率定 另外对具体水循环过程刻画不足 概念 物理相结合的半分布式模型 概念性模型和分布式模型优缺点 SWAT模型简介 SOILANDWATERASSESSMENTTOOL SWAT简介 开发者 Dr JeffArnoldfortheUSDAAgriculturalResearchService ARS 美国农业部农业研究局应用方向 评价土地利用管理等人类活动对流域水循环 泥沙 农业污染物质迁移的长期影响和作用特点 属于物理 概念结合的模型 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 适合于长时间尺度的水文循环和物质循环研究 而非短时期水文预报 适合于宏观尺度的模拟 SWAT简介 不仅模拟水循环过程 还能以水循环为载体 研究水土流失 营养物质输移 农药 病原菌等物质循环过程 能够灵活处理资料缺失问题 具有强大的模型数据库 除地形和土地利用等少量基本数据资料外 很多参数 如作物相关参数 土壤参数等可直接选用备用数据 分布式计算 先将流域分成子流域 子流域内继续细分水文响应单元 HRU 单独研究每个水文响应单元的内部循环 并在子流域进行累计汇总 再通过河网对子流域进行有机连接以模拟地表汇流 计算效率很高 SWAT开发历史 前身 SWRRBmodel SimulatorforWaterResourcesinRuralBasins Williamsetal 1985 Arnoldetal 1990 该模型为美国农业部的三个模型的集成成果 CREAMS2 Chemicals Runoff andErosionfromAgriculturalManagementSystems Knisel 1980 PS 农业管理系统中的化学作用 径流和土壤侵蚀 EPIC4 Erosion ProductivityImpactCalculator Williamsetal 1984 ps 土壤侵蚀和生产力影响估算模型 GLEAMS3 GroundwaterLoadingEffectsonAgriculturalManagementSystems Leonardetal 1987 ps 农业管理系统对地下水的负荷影响 SWAT开发历史 SWRRB SimulatorforWaterResourcesinRuralBasins 初始时直接源于CREAMS模型的修正 扩展以下功能 1 多个子流域同时演算 2 地下水基流计算 3 水库蓄滞计算 4 气象模拟与插值 5 提高洪峰模拟精度 6 EPIC植物生长模型 7 简单的洪水演算模块 8 流域产沙及运移 9 考虑地表径流传输损失80年代末 又针对污染物运移模拟进行了增强 包括 1 借鉴GLEAMS模型的农药循环 2 增加SCS曲线法模拟产流过程 3 更新产沙计算公式 SWAT开发历史 SWRRB的主要问题 1 SWRRB最多只能模拟10个子流域 适合于几百平方公里面积的模拟 如面积太大 几千平方公里以上 会影响模拟精度 2 各子流域的产出直接输出到流域出口 无河道循环过程 ROTO RoutingOutputstoOutlet 在80年代末期美国印第安事务局研究亚利桑那州和新墨西哥州的印第安保留区水管理对下游影响评估时开发的 是个单独的连接程序 初始开发时的目的是把多个SWRRB的输出连接起来 并进行河道循环演算 后来发现虽然效果很好 但SWRRB和ROTO分别独立运行很不方便 于是进行整合 SWAT SWRRB ROTO SWAT开发历史 版本进展 SWAT90 第1版 融合SWRRB和ROTO SWAT94 2 子流域划分多个水文响应单元 SWAT96 2 自动施肥 自动灌溉 作物模型考虑CO2作用 Penman Monteith 河水演进中考虑水质 农药传输过程 SWAT98 1 放牧活动 有机肥料 暗管排水 SWAT99 2 重金属 城市尘埃的沉积 冲洗 SWAT2000 微生物运移 Green Ampt模型 气象发生器 无限水库模拟 马斯京根法SWAT2005 气象情景预测 日降雨细化分布SWAT2009 源代码和正式文档近期已经发布 SWAT流域模拟结构 水库也在河网系统内 SWAT子流域划分及河道系统 SWAT的概念性和物理性 概念性 1 模拟结构的概念性全流域 区域 子流域 水文响应单元 松散耦合物理模型 网格 地形单元等 强耦合2 模拟方法的概念性降雨 灌溉入渗 SCS Green Ampt土壤水模拟 概念性的分层下渗模型 田间持水度地下水 均衡模式 不考虑侧向径流地表水 河槽蓄量法 马斯京根法物理模型 Richard方程 运动波 动力波方程 地下水动力学方程物理性 水循环各过程刻画比较全面和贴合实际 几乎所有的实际物理水文过程均有模型计算过程对应 水文响应单元 1 代表了流域的下垫面2 是集合体的概念土地利用 土壤类型 管理方式 草地 30 麦田 50 林地 20 灰潮土 70 红壤土 30 林地 红壤土 20 草地 灰潮土 30 麦田 红壤土 30 麦田 灰潮土 20 子流域 雨养灌2水灌3水 林地 红壤土 雨养 20 草地 灰潮土 雨养 30 麦田 红壤土 灌2水 30 麦田 灰潮土 灌2水 8 麦田 灰潮土 灌3水 12 划分结果 全子流域5个水文响应单元 340个子流域 16种土地利用 28种土壤 共分出2711个水文响应单元 同一HRU 子流域 1 单个水文响应单元用一维土柱模拟土壤水及作物过程 2 水文响应单元相互独立 无空间联系 不发生水分交换 与全分布式模型的区别 基于网格的全分布式水文模型 MIKE SHE 两阶段的水文过程模拟 第1阶段 陆面过程 控制每个子流域水 泥沙 营养物微生物等的内部循环转化过程 并产出到主河道 两阶段的水文过程模拟 第2阶段 河道演进过程 模拟水 泥沙 营养物等通过河道演进直到流域出口 SWAT水循环模拟路径 陆面过程 河道过程 水文响应单元 主河道 池塘 湿地 浅层地下水 深层地下水 SWAT主要水循环模拟方法详解 SWAT主要过程模拟 1 大气水过程2 土壤水过程3 地下水过程4 地表水过程5 植物生长过程6 土地与水分管理 7 泥沙过程8 营养物迁移过程9 农药迁移10 重金属迁移11 病原菌迁移 水循环过程原理 物质循环过程原理 一 SWAT的大气水过程 大气水主过程 2 气象站点与子流域的关系 1 SWAT对气象数据的管理 五大气象要素分开管理 降水站 气温站 湿度站 辐射站 风速站 采用类似泰森多边形的方法 子流域所用的气象数据来自与其形心距离最近的气象站 一 SWAT的大气水过程 气象发生器 WEATHERGENERATOR 作用 1 实际日序列气象数据有缺失时气象发生器可填补之2 气象资料缺乏时可用气象发生器模拟的气象数据替代3 用于情景方案计算时的气象模拟预测4 降雨过程的日内分布预测 用于Green Ampt法计算产流 入渗 根据长测站气象数据的统计规律按照某种随机模拟方法产生日气象数据的计算模块 五大气象要素 降雨 气温 日平均相对湿度 日辐射 日平均风速都能随机生成 局限 必须提供气象站气象数据的统计特征值 一 SWAT的大气水过程 单个气象发生器为1个长测气象站 需给出的信息包括 1 站点位置 经 纬度 高程 2 站点气象数据统计特征值 1 月最大半小时降雨的统计年数 1个数据2 多年平均每月的日最高气温 12个数据3 多年平均每月的日最低气温 12个数据4 多年每月的日最高气温的标准方差 12个数据5 多年每月的日最低气温的标准方差 12个数据6 多年平均每月的降雨量 12个数据7 多年平均每月的日降雨量的标准方差 12个数据8 多年平均每月的日降雨量的偏差系数 12个数据9 每月单日降雨之后第二天放晴的概率 12个数据10 每月单日降雨之后第二天继续降雨的概率 12个数据11 多年平均每月的降雨天数 12个数据12 史上每月的最大半小时降雨量 12个数据13 多年平均每月的日平均辐射 12个数据14 多年平均每月的露点温度 12个数据15 多年平均每月的日风速 12个数据 1个气象发生器共需给出172个数据信息 一 SWAT的大气水过程 大气水主过程 1 降雨 降雪2 冠层截留过程3 积雪 融雪 升华 1 降雨降雪的分离 决定于当日平均气温 降雨 降雪 T TBase T TBase 日平均气温 降雪基温 一 SWAT的大气水分过程 2 再根据截留能力计算冠层截留量和到达地面的雨量 当天截留量 前天截留量 降雨量 到达地面的雨量 降雨量小于当天截留能力与前天截留量之差时 降雨量大于当天截留能力与前天截留量之差时 2 冠层截留过程 仅Green Ampt时使用 当天的截留能力 最大的截留能力 最大叶面积指数 当前叶面积指数 1 先算截留能力 一 SWAT的大气水分过程 3 计算冠层截留蒸发 参考作物腾发量 a 潜在腾发量小于植被截留量 冠层截留蒸发量 当天的实际蒸腾量 当天初始时的截留量 当天结束时的截留量 b 潜在腾发量大于植被截留量 当天初始时的截留量 SWAT关于蒸发的计算循序 冠层截留蒸发 积雪升华 土壤蒸发 参考作物腾发 植物蒸腾 一 SWAT的大气水分过程 参考作物腾发量计算 1 PENMAN MONTEITH公式 5项气象数据需齐备 2 PRIESTLEY TAYLOR公式 不需要风速数据 3 HARGREAVES公式 仅要最高 最低气温数据 SWAT中参考作物滕发量为40cm高 最小叶面阻抗为100 Sm 1 的紫花苜蓿在供水充足条件下的腾发量 植被阻抗 一 SWAT的大气水分过程 2 融雪方程 度 日因子法 前天的融雪量 融雪因子 积雪覆盖度 积雪温度 日最高气温 融雪基温 1 积雪方程 水量平衡法 当天的积雪量 前天的积雪量 当天的降雪量 当天的积雪升华量 当天的融雪量 3 积雪 融雪 升华过程 一 SWAT的大气水分过程 3 积雪升华 当天的潜在积雪升华量 参考作物蒸腾量 扣除植被截留蒸发 地表覆盖指数 1 当天积雪量大于潜在积雪升华量 当天的实际积雪升华量 当天的潜在积雪升华量 2 当天积雪量小于潜在积雪升华量 当天的实际积雪升华量 当天的积雪量 根据植被蒸腾调整潜在积雪升华量 二 SWAT的土壤水过程 土壤水主过程 1 入渗过程2 土表蒸发过程3 植被蒸腾过程4 壤中流过程5 深层渗漏过程6 灌溉过程 土壤水量平衡 当天的土壤水蓄积量 前天的土壤水蓄积量 二 SWAT的土壤水过程 1 入渗计算 两种方法可选 SCS曲线法及Green Ampt方法 1 SCS曲线法计算产流 入渗 日尺度 作用 将降雨分为入渗和地表产流两部分 地表产流量 降雨量 初损 储流参数 入渗量等于降雨量减产流量 二 SWAT的土壤水过程 2 Green Ampt法计算产流 入渗 日内尺度 半小时或小时 当前时段累积入渗量 前一时段累积入渗量 有效水力传导度 时段长度 湿润锋界面土壤基质势 湿润锋界面含水率差值 需要迭代计算 二 SWAT的土壤水过程 2 土壤蒸发量计算 当天的潜在土壤蒸发量 参考作物蒸腾量 扣除植被截留蒸发 地表覆盖指数 1 先算土壤潜在蒸发 2 再对各土层进行潜在蒸发分配 土壤潜在蒸发 埋深关系曲线 单个土层潜在蒸发分配计算 二 SWAT的土壤水过程 土壤潜在蒸发 埋深关系曲线 默认500mm蒸发深度 二 SWAT的土壤水过程 关键参数esco 蒸发补偿因子 对曲线的影响 二 SWAT的土壤水过程 3 最后根据各层土壤含水率情况计算实际蒸发 土层含水率低于田间持水度时含水率 土层含水率高于田间持水度时含水率 二 SWAT的土壤水过程 3 植被蒸腾 根系吸水 计算 如用PRIESTLEY TAYLOR或HARGREAVES公式计算参考作物腾发量 植被潜在蒸腾直接按照参考作物腾发量结合植物叶面积指数计算 如用PENMAN MONTEITH公式计算参考作物腾发量 植被潜在蒸腾仍用PENMAN MONTEITH公式结合实际作物参数计算 1 先算植物根系潜在蒸腾量 二 SWAT的土壤水过程 2 再对各土层进行潜在蒸腾分配 潜在蒸腾 埋深关系曲线 单个土层的潜在蒸腾分配计算 二 SWAT的土壤水过程 3 最后根据各层土壤含水率情况计算实际蒸腾 土层含水量低于植物可利用水量的25 土层含水量高于植物可利用水量的25 植物可利用水量 为田间持水度时土壤含水量与凋萎含水量之间的差值 二 SWAT的土壤水过程 总体积 总孔隙 颗粒 田间持水度时水分所占孔隙 凋萎系数时水分所占孔隙 植物可用水所占孔隙 重力水所占孔隙 二 SWAT的土壤水过程 4 壤中流计算 用类似于运动波的方法计算 重力水 壤中流量 饱和水力传导度 坡度 土壤可排水的孔隙度 山坡的坡长 二 SWAT的土壤水过程 5 深层渗漏计算 上层重力水向下层的渗漏用一种储量方法计算 分层下渗量 饱和水力传导度 完全饱和时含水量 田间持水度时的含水量 土层的重力含水量 计算时段 1天 参考下渗时间 二 SWAT的土壤水过程 6 特殊土壤情况 变性土的裂隙流现象 1 主要用来刻画有裂隙存在时土壤的入渗量会加大 2 SWAT计算每层土壤的裂隙体积 裂隙随含水率动态变化 3 地表产流时 只有超过土壤总裂隙体积的水量才能流走 4 进入裂隙的水量先填充最底层的土壤的裂隙 三 SWAT的地下水过程 模拟特点 1 只概念性分浅层和深层2 只模拟水量平衡 不模拟地下水位3 子流域之间的地下水相对独立 不考虑侧向径流 三 SWAT的地下水过程 浅层地下水主过程 1 补给2 基流3 潜水蒸发4 灌溉5 耗用 浅层地下水水量平衡 当天的浅层地下水蓄存量 前天的浅层地下水蓄存量 浅层补给量 基流产生量 潜水蒸发量 浅层使用量 灌溉 耗用 三 SWAT的地下水过程 1 补给计算 用系数法将来自土壤剖面的深层渗漏分为两部分 一部分为浅层水补给 剩余为深层水补给 其余渗漏量如池塘湿地渗漏 子河道渗漏 主河道渗漏则直接补给浅层地下水 土壤深层渗漏量 补给延迟因子 前一天的土壤深层渗漏补给 当天的土壤深层渗漏补给 深层地下水补给比例 土壤深层渗漏补给 衰减函数模拟其过程 深层地下水补给量 浅层地下水补给量 三 SWAT的地下水过程 2 基流计算 衰减函数 前天的地下水基流产生量 当天的地下水基流产生量 基流衰退常数 当天的总补给量 基流产生时的蓄量阈值 当天浅层地下水的蓄量 三 SWAT的地下水过程 3 潜水蒸发 潜水蒸发直接用系数法计算 1 先算最大可能潜水蒸发量 潜水蒸发系数 参考作物腾发量 2 再根据浅层地下水储量和潜水蒸发储量阈值分情况计算 潜水蒸发储量阈值 当前浅层地下水储量 实际潜水蒸发量 最大可能潜水蒸发量 潜水蒸发的去向 三 SWAT的地下水过程 深层地下水主过程 1 补给4 灌溉5 耗用 深层地下水水量平衡 当天的深层地下水蓄存量 前天的深层地下水蓄存量 深层补给量 深层使用量 灌溉 耗用 四 SWAT的地表水过程 地表水过程包括三部分 1 子河道传输过程 2 水库 池塘 湿地 洼地的蓄滞过程 3 主河道的水量演进过程 水库和池塘 湿地的区别 水库从属于由主河道 水库构成的河网系统 参与河网系统循环过程 池塘 湿地从属于子流域 不参与河网系统循环过程 四 SWAT的地表水过程 地表水的总来源 1 水文响应单元的地表产流 2 水文响应单元产生的壤中流 3 子流域浅层地下水产生的基流 四 SWAT的地表水过程 子流域地表水的传输路径 1 水文响应单元的地表产流先经过子河道过程 产生传输损失 2 剩余地表产流 壤中流 地下水基流一部分进入子流域的池塘 湿地 一部分进入子流域的主河道 3 池塘 湿地的出流进入子流域的主河道 四 SWAT的地表水过程 子河道的传输损失计算 回归系数法 四 SWAT的地表水过程 一 池塘 湿地的滞蓄过程 1 入流2 降雨与蒸发3 渗漏4 出流5 耗用 仅池塘 池塘和湿地的区别 1 池塘的水可被人工耗用2 出流计算方面略有差异 四 SWAT的地表水过程 池塘 湿地水量平衡 当前蓄量 前天蓄量 入流量 出流量 降雨量 蒸发量 渗漏量 1 池塘 湿地入流计算 损失后的地表产流 地下水基流 壤中流 子流域面积 池塘 湿地面积 池塘 湿地排水面积比例 四 SWAT的地表水过程 1 水表面积计算 2 降雨 蒸发计算 2 池塘 湿地的降雨 蒸发计算 当日降雨量 当日参考作物腾发量 蒸发系数 四 SWAT的地表水过程 3 池塘 湿地的渗漏量计算 饱和渗透系数 4 池塘 湿地的出流量计算 池塘 目标库容控制 湿地 正常库容 最大库容控制 四 SWAT的地表水过程 二 水库的滞蓄过程 1 入流2 降雨与蒸发3 渗漏4 出流5 耗用6 灌溉 水库蓄滞过程与池塘 湿地的区别 1 水库的入流为上游河道的汇流 出流为下游河道的入流 2 更加丰富的出流控制方式 日 月观测出流量 目标蓄量控制 正常库容 最大库容控制 3 可作为水文响应单元的灌溉水源 四 SWAT的地表水过程 三 洼地的滞蓄过程 SWAT中洼地是一种特殊的水文响应单元 主要用来模拟种植水稻而人工围建的圩垸 以及子流域内封闭的 一般不向主河道产流排水的下陷区 与池塘 湿地 水库等滞蓄水体的不同之处在于 1 洼地是水文响应单元的一种 具有土壤层结构 可以用土表能积水的水文响应单元来概括 灌溉时水量进入表层积水 2 洼地上可种植作物 3 洼地的入流和出流需指定时间 4 洼地的渗漏进入土壤层 而不是直接进入子流域的地下水系统 5 洼地的出流计算方式比较特殊 四 SWAT的地表水过程 洼地的出流计算 1 超蓄出流 2 泄水出流 一次全部放出 3 暗管排水 洼地最大滞蓄能力 暗管每天的平均流量 四 SWAT的地表水过程 四 主河道的水量演进过程 1 河道入流 上游与本子流域汇流 2 河道水面蒸发3 河岸蓄积4 渗漏5 向下游出流5 耗用6 灌溉 主河道的水量平衡 四 SWAT的地表水过程 河网系统描述 1 SWAT只能描述树状拓扑结构的河网系统 2 河道和水库分别有各自的编号系统 河网系统描述的作用 规定河网系统各单元的计算循序 2 4 6 8 1 3 5 7 9 水库 2 4 6 8 1 3 5 7 9 主河道 Fig fig文件 四 SWAT的地表水过程 主河道水量循环演进计算 1 先不考虑蒸发 渗漏 河岸蓄积 引水的因素 用河槽蓄量法或马斯京根法计算出流 2 在河段的出流量进入下一个河段时 将这些水量在出流量中进行扣除以保持水量平衡 SWAT对河道特征的描述 四 SWAT的地表水过程 1 河段出流计算 1 河槽蓄量法 VARIABLESTORAGEROUTINGMETHOD 2 马斯京根法 MUSKINGUMROUTINGMETHOD 五 SWAT的植物生长过程 为EPIC植物生长模型的简化版本 EPIC模型 1 作物的生长基于日积累的热单位 heatunits 2 潜在生物量的计算基于Monteith提出的方法 3 通过收获指数确定产量 4 植物生长受水分 养分胁迫和温度的影响 5 对作物生长期休眠的模拟 6 详细的根系生长模拟 7 微量营养素循环 8 植物的毒理响应 9 多种作物在同一HRU中的生长 五 SWAT的植物生长过程 SWAT的植物分类 1 温季年生豆类氮素固持 根系生长 2 寒季年生豆类氮素固持 根系生长 休眠过程 3 多年生豆类氮素固持 根系深度固定 休眠过程 4 一般温季年生植物根系生长 5 一般寒季年生植物根系生长 休眠过程 6 一般多年生植物根系深度固定 休眠过程 7 树木根系深度固定 生长量与树木的年龄相关 休眠过程 五 SWAT的植物生长过程 植物热单位理论 1 植物具有可量化的热量需求 并且热量需求与成熟时间有关 2 当平均气温低于作物生长基温时作物不会生长 日平均气温中只有超过作物生长基温的那部分才对作物生长有贡献 3 作物成熟时的总热量需求为在整个作物的生长期内 超过作物生长基温的日平均温度的累加值 即潜在热单位 作物单天热单位计算 作物累积热单位 五 SWAT的植物生长过程 零基温热单位 以零度作为计算热单位的基础 并从当年年初直到年末进行累积 对于非常大的流域 其不同地区的气候可能存在较大的差异 以至于各地区农业管理操作时间不同 如同样种玉米 河南比北京早 通过指定潜在热单位作为预定时间规则 可使管理操作发生的时间在模型中成为温度的函数 对于气候条件年际间变化较大的区域 使用热单位法 管理操作时间将由模型自动调整 无需人工干预 热单位的重要用途 用来预定管理操作发生的时间 作物潜在热单位比例 零积温热单位比例 优点 解决需分区指定作物管理操作问题 解决需分年指定作物管理操作问题 五 SWAT的植物生长过程 作物生长计算框架 潜在生长 限制因素 水分胁迫 温度胁迫 氮素胁迫 磷素胁迫 实际生长 实际产量 理想产量 五 SWAT的植物生长过程 一 潜在生长模拟 1 潜在生物量的增长计算2 潜在冠层高度和叶面积指数的计算3 根系的生长 1 潜在生物量的增长计算 总太阳辐射量 消光系数 叶面积指数 有效光合作用辐射 五 SWAT的植物生长过程 1 叶面积 冠层理想生长公式 2 潜在冠层高度和叶面积指数的计算 2 潜在冠层高度计算公式 3 潜在叶面积指数计算公式 最大叶面积指数之前 衰败期之后 叶面积指数相对比例 五 SWAT的植物生长过程 3 根系生长 1 根系生物量 SWAT假定发芽时的根系生物量比例定为40 成熟时的作物根系生物量比例定为20 2 根系长度 树木 多年生植物 年生植物 五 SWAT的植物生长过程 二 实际生长修正 1 水分胁迫 2 温度胁迫 实际蒸腾量 潜在蒸腾量 生长基温 最优生长温度 五 SWAT的植物生长过程 3 氮素胁迫 豆类植物从不受氮素胁迫 4 磷素胁迫 与氮素胁迫计算公式完全一致 标定因子 与植物当前实际累积吸收的氮量水平相关 计算修正系数 修正当日生物量增长量 修正当日叶面积指数增长量 五 SWAT的植物生长过程 三 产量收获 人工参与下植物的几种命运 1 仅收获 一部分植物的生物量将作为产量从HRU上移除 产量中的营养和植物物质将视为从系统 流域 中损失 而剩余物将作为植物残余进入碳和氮磷循环 但作物仍可生长 如草场的收割 2 仅杀死 终结植物在HRU上的生长 所有的生物量将全部转变为植物残余 适用于年生的野生作物 如野草 芦苇等 3 收获并杀死 终结植物在HRU上的生长 一部分由收获指数 植物生长数据库中指定 确定的生物量比例作为产量从HRU上移除 其它的生物量将作为植物残余保存在土表中 适用于农业作物 如玉米 棉花等 五 SWAT的植物生长过程 收获指数的概念 植物干物质收获量占植物地面部分总生物量的比例称为收获指数 大多数作物收获指数为0 0 1 0之间 块根作物的情况 如红薯 收获指数则可以大于1 0 当天的潜在收获指数 成熟时的最大收获指数 当前植物累积的热单位比例 1 计算潜在收获指数 五 SWAT的植物生长过程 2 计算实际收获指数 认为收获指数受水分亏缺的影响 当天的潜在收获指数 最低收获指数 水分亏缺因子 水分亏缺因子 截止收获日植物累计实际蒸腾量与累积潜在蒸腾量的比值 六 SWAT的土地与水分管理 水土管理 人工干预 土地管理 1 农业种植2 作物收割 多种 3 放牧4 耕耘5 施肥 绿肥 化肥 6 施农药7 过渡带 水分管理 1 灌溉2 暗管排水3 蓄滞区排水4 河道 水库之间输水5 用水消耗 水库 河道等 6 点源 1 城市不透水区产流模拟2 城市区的层埃堆积和冲刷 城市区水文模拟 六 SWAT的土地与水分管理 一 灌溉 1 用户指定灌溉 指定灌溉时间 灌溉水量 灌溉水源 固定 2 自动灌溉 根据土壤水分亏缺状况进行自动灌溉 只需指定亏缺阈值 灌溉水源 过程 1 先计算水源的可供水量 与指定的灌溉取水量进行比较 若水源的可供水量小于指定的灌溉取水量 则只用可供水量进行灌溉 2 从HRU顶层土层至下逐一填充至田间持水度 若指定的灌溉水量超过使土壤剖面达到田间持水率的水量 多余的水量将退回水源 水源 5种 只能选一种 主河道 水库 浅层地下水 深层地下水 流域外供水 水源标示 河道 浅层地下水 深层地下水指定子流域编号 水库指定水库编号 流域外供水无需指定标示 六 SWAT的土地与水分管理 二 暗管排水 HRU可指定暗管排水选项 需要三个参数 1 暗管埋在地面以下的深度2 将土壤剖面的水分排泄至田间持水率所需的时间3 水分从暗管排泄到主河道的时间延迟 暗管排水发生的条件 1 土层中存在重力水2 重力水的滞水面在排水管埋深之上 滞水面高度 排水管高度 剖面含水率 田持时含水率 排水所需时间 六 SWAT的土地与水分管理 三 滞蓄区排水 即洼地的排水 见洼地 四 水量传输 将水从流域的任何河段和水库转移到其它任意河段和水库 需指定 1 传输水源类型 水库 主河道 2 传输水源位置 水库编号 子流域编号 3 目的水源类型 水库 主河道 4 目的水源位置 水库编号 子流域编号 5 被传输的水量 将与传输水源的可供水量进行自动校核 六 SWAT的土地与水分管理 五 用水消耗 1 将水分从任何子流域的浅层地下水 深层地下水 主河道 池塘 以及水库直接移除 2 主要用来模拟工业 生活用水消耗 3 移除的水分认为离开水循环系统 人工ET 4 SWAT2005及以前版本只能指定年平均每月的用水消耗量 不管模拟多少年 每月的消耗量是固定的 2009版本 六 SWAT的土地与水分管理 六 点源 1 SWAT可在沿着河道网络系统的任何地点加入点源 2 点源信息可包括水量 泥沙 有机氮 有机磷 硝态氮 可溶性磷 铵态氮 亚硝态氮 重金属 细菌等数据 3 点源负荷可以基于多年平均 年 月 日时间尺度进行输入 4 主要用于模拟工业用水 城市生活用水 污水处理厂等退水行为 六 SWAT的土地与水分管理 七 农业种植 1 用来指定植物的种植 或指定地表植被 如野生草地 森林 在春天时的开始生长 2 一个HRU在同一时间只能生长一种作物 3 需要以下信息 A 种植时间B 植物达到成熟时需要的总的热单位C 在HRU上种植的植物类型 7种之一 见植物分类 D 如果不是从种子开始生长的植物 如移植的植物 还需提供移植时已经累积的生物量 叶面积指数等信息 八 作物的收获 三种方式 见植物生长模型 六 SWAT的土地与水分管理 九 放牧 1 主要模拟某指定时间内植物生物量被移除 同时牲畜排泄粪便 绿肥 的过程 2 可指定放牧开始的时间 放牧持续的时间 每天被移除的生物量 每天排泄的绿肥量以及绿肥的类型 每天被践踏的生物量是一个可选输入项 4 被践踏的生物量将转化为植物残余进入氮磷循环 3 低于允许放牧的最低生物量时放牧过程可自行停止 六 SWAT的土地与水分管理 十 城市区水文 1 城市区是一种特殊的水文响应单元 地表产流量和径流速度较大 2 考虑透水面积 不透水面积的比例 类似于新安江模型 3 不透水面积进一步细分为与排水系统直接联系和间接联系的 4 城市区的产流量为透水面积 不透水面积的加权平均值 5 城市区类型分5种典型 主要区别在于透水 不透水面积的比例 与排水系统直接联系 间接联系的不透水面积比例 1 工业区 2 商业区 3 科研院校区 4 交通枢纽区 5 居民区 细分为高密度 中密度 低密度三类 SWAT的主要物质循环模拟简介 SWAT的物质循环模拟 物质运移内容 1 土壤侵蚀 泥沙运移 2 营养物 氮 磷 包括有机 无机氮 有机 无机磷 3 农药 4 重金属 5 病原菌 6 生化需氧量 溶解氧 过程 与水循环过程类似 多数先在水文响应单元计算各种产出量 陆面过程 再输出到子流域的滞蓄水体以及河网系统进行循环过程 土壤侵蚀 泥沙运移 土壤侵蚀的概念 土壤侵蚀指景观地貌随时间的变化被损耗的过程 包括土壤颗粒在雨滴和地表水流的侵蚀力作用下发生的分离 输移和土沉积等过程 产沙公式 修正的通用土壤流失方程 USLE 每天的产沙量 地表产流量 雨洪峰值流量 水文响应单元面积 雨水侵蚀度因子 覆盖管理因子 农业活动改造因子 地形因子 粗颗粒因子 土壤侵蚀 泥沙运移 泥沙在地表水体中的循环 主河道中 1 泥沙在主河道的沉积和冲刷 2 泥沙沉积和冲刷导致主河道的变宽和深切 可选 河道参数将会动态改变 包括坡度 河宽 河深 滞蓄水体中 池塘 湿地 水库 洼地 1 随地表径流进入滞蓄水体2 泥沙在滞蓄水体中沉降2 泥沙在滞蓄水体中的输出 氮素的土壤循环 氨氮的吸附 氮素的土壤循环 有机氮 无机氮 植物残余 腐殖质 活跃态 稳定态 铵氮 硝氮 新鲜有机物 土壤的氮分为两大类 1 有机氮 2 无机氮 分为5个氮库 铵氮 硝氮 腐殖质 活跃态 稳定态 新鲜有机物 SWAT的土壤氮素循环模拟路径 氮素的土壤循环 磷素的土壤循环 营养元素的地表水体循环 主河道中 1 藻类的死亡 增加有机氮和有机磷 2 藻类的生长 氮磷固持 包括铵氮 硝氮 无机磷 3 有机氮 有机磷的底泥沉降 3 有机氮的矿化及底泥吸附态铵氮的释放 铵氮 4 铵氮的硝化 亚硝氮 硝氮 5 有机磷的矿化及底泥吸附态无机磷的释放 无机磷 滞蓄水体中 池塘 湿地 水库 不包括洼地 1 随地表径流进入滞蓄水体 并出流进入主河道2 仅考虑营养元素的沉降 不模拟转化过程 农药循环 农药的地表水体循环 主河道中 仅模拟一种农药 1 水中 降解 挥发 底泥沉降 出流 2 底泥中 降解 再悬浮 解吸附 掩埋 滞蓄水体中 仅水库 过程与主河道基本一致 病原菌运移 病原菌的来源 SWAT仅概念性地模拟两种菌群 一种为可长久生存的 一种为相对短命的 病原菌来自于绿肥 动物粪便 SWAT的肥料类型数据库中有各种绿肥的含菌量参数 在施肥过程中 病原菌也一同施入 并在植物叶面和表层10mm的土层中进行分配 另外可通过点源输入 病原菌的运移模拟 HRU的病原菌分布 1 植物叶面 2 土壤溶液 3 吸附在土壤颗粒中 1 植物叶面的雨水冲刷 2 菌群的死亡 生长 3种介质 3 土壤溶液中细菌的淋溶 淋溶的细菌认为死亡 4 地表产流带走 5 在地表水体中 主河道 仅水库 随水流演进 并仅考虑死亡过程 生化需氧量及溶解氧 生化需氧量 CBOD 指水体中有机物质分解所需要的氧气的总量 可由地表径流和点源进入到河网系统 在主河道和水库中循环 溶解氧 DO 1 复氧过程 大气复氧 藻类的光合作用 水体扰动复氧 坝体 2 消耗过程 藻类的呼吸作用 CBOD耗氧 底泥耗氧 铵氮硝化 亚硝氮硝化 1 CBOD的底泥沉降 2 CBOD的氧化分解 耗氧 重金属的运移 重金属 允许模拟3种 SWAT的重金属来源于点源输入 重金属运移是SWAT的物质运移模拟中唯一一个不考虑HRU因素的物质运移 仅是简单地计算随河网系统水流演进过程和物质量平衡 SWAT的优缺点总结 优点 1 开源模型 模型相关研究文档丰富 源代码容易获得 2 开发时间较长 比较成熟 从1990 至今20余年 3 半分布式模型 比全分布式模型易于理解和掌握 同时计算速度较快 比概念性模型更能体现水循环的物理机制 同时精度要好 4 物质循环考虑比较全面 能模拟的物质迁移种类多 应用面广 5 能够充分利用土地利用等遥感信息 6 积累了较丰富的基础数据库 如作物 农药 化肥等 缺点 1 某些水循环机理刻画不尽人意 如灌溉 潜水蒸发 地下水循环等 2 涉及的模拟方向太多 初学容易找不着北 3 没有水量平衡误差分析和物质平衡误差分析 4 模块化程度不高 源程序不易学习和修改 300多个FORTRAN源程序 5 输入文件数量巨大 不易管理 SWAT的输入输出 SWAT的输入文件 TXT文件 水文响应单元个数 5 子流域个数 6 若干点源文件和气象文件 模拟控制 气象数据 子流域 HRU 水库 点源 参数库 SWAT的输出文件 SWAT软件界面操作 SWAT应用界面系统 1 AVSWAT 需ARCVIEW平台支持 2 ARCSWAT 需ARCGIS平台支持 3 MAPWINDOW 需MAPWINDOW平台支持 http www brc tamus edu swat SWAT官方网站 SWAT应用界面系统 1 ARCVIEW3 3 2 AVSWAT 2005 3 SWAT相关文档 原理说明 软件操作 输入输出说明 4 SWAT2005源码 软件培训材料 SWAT应用界面系统 1 DEM 数值高程数据 2 土地利用GIS图件 3 土壤分布GIS图件 4 研究区的气象数据站点 模拟必备基础数据 SWAT的参数敏感性分析 自动率定等 SWAT的参数敏感性分析 问题 SWAT是一个涉及多个参数的综合水文 水循环模拟模型 针对具体的一个应用过程 各个参数对模型影响程度如何 哪些参数对模拟结果的影响最大 敏感性分析的作用 通过合理的抽样多次试算并统计 对各参数的影响等级进行评价并排序 使用户清楚地知道影响模型模拟结果的主要参数 有利于进一步的模型调算工作 SWAT的参数敏感性分析 SWAT2005自带的敏感性分析工具 TheLH OATsensitivityanalysisLH 指Latin Hypercube随机采样方法 与蒙特卡洛法类似 将每个模型参数按其取值范围等分为N个取值区间 每次模拟时该参数按平均概率随机采样 以等分为10个取值区间计 模型运行10次 参数在每个取值区间内的采样概率为1 10 如对于土壤Ks值 其取值范围为0 100cm hr Latin Hypercube随机采样过程中Ks值将被分为 0 10 10 20 20 30 90 100 共10个取值区间 SWAT的参数敏感性分析 SWAT2005自带的敏感性分析工具 TheLH OATsensitivityanalysisOAT One factor At a Time 指每次模拟仅改变1个参数的值 这样便于将模拟结果的变化无偏差地归因到该参数的变化上 LH OAT结合 每次仅对1个参数进行敏感性分析 将其按固定比例调整大小 如取值范围的5 其他参数按Latin ypercube采样方法随机变化 模拟m次并统计分析对模拟结果的影响 m为取值区间的个数 如对n个参数进行敏感性分析 共需m n 1 次模拟 SWAT的参数敏感性分析 共61个参数可供率定 三个主要的输入控制文件 1 Senin dat2 changepar dat3 Responsmet dat AVSWAT界面自动选取27个固定参数进行敏感性分析 280次模拟 如有特殊要求 需自己手动修改这三个文件 SWAT的参数敏感性分析 LH OAT基本参数设置Sensin dat SWAT的参数敏感性分析 LH OAT基本参数设置changepar dat 针对随机变化参数的变动方法 SWAT的参数敏感性分析 LH OAT基本参数设置responsmet dat敏感性分析对象及评价方法控制 可多个对象分析 每个一行数据控制 对象编号 评价方法 评价方法2阈值 临时文件号 水质选项 SWAT的参数敏感性分析 LH OAT基本参数设置敏感性分析对象为进行敏感性评判的数据对象 流量 1 产沙量 2 有机氮 3 有机磷 4 SWAT的参数敏感性分析 LH OAT敏感性分析主要输出文件 SWAT的参数自动率定 不确定性分析 参数自动率定 参数寻优 目的 在模型各参数可行的取值范围内 寻找一套确定的参数 使得模拟值与实测值的整体差别最小 SWAT自带的参数寻优 不确定性分析方法 SCE UA ShuffledComplexEvolution 算法 目标函数 该算法结合了单纯形法 受控随机搜索 生物竞争进化和种群交叉等方法的优点 算法第一步 第零个循环 先运用随机抽样在所有可行参数空间中选择一个初始种群 该可行空间为由changepar