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西北农林科技大学 SWAT模型简介指导教师 郑粉莉学生 潘岱立李娟覃超陈海心于卫洁张晓曦 1 提纲 模型简介水文过程泥沙过程污染物模块应用实例 2 Swat模型简介 1模型结构2数据与数据库3运行与命令模式4应用领域与特点 3 SWAT模型主要用来预测人类活动对水 沙 农业 化学物质的长期影响 它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程 由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性 为了提高模拟的精度 通常SWAT模型将研究流域细分成若干个水文响应单元 HydrologicalResponseUnits HRU 离散的方法有三种 自然子流域 subbasin 山坡 hillslop 和网格 grid 4 SWAT有8个组成模块 水文 气象 泥沙 土壤温度 作物生长 营养物和农业化学品 5 数据与数据库 SWAT模型涉及的各种过程计算方程多达近千个 主要包含水文过程子模型 土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型 所需参数大致可以分为气象水文 地形 土壤 土地利用 农业管理等为能更方便地建立流域基础数据库 SWAT模型结合GIS建立一个扩充模块 AvS WAT 此扩充模块满足了SWAT模型建置与管理基础数据库的需求 6 表一模型所需参数类型 7 数据输入中的注意问题 数据输入与处理过程中的分辨率对水文响应单元的划分和各输出项的精确程度有比较显著的影响 如 产流预测对子流域和的数量具有一定的敏感性因为尺度较大的集总影响了径流曲线数CN值的实际分布从而降低了模拟的准确性但研究没有指出如何确定子流域或最佳的HRU组合的方法 8 SWAT通过子流域命令 进行分布式产流计算 通过汇流演算命令 模拟河网与水库的汇流过程 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 通过输入命令 接受其它模型的输出之值 通过转移命令 把某河段 或水库 的水转移到其他的河段 或水库溉 SWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展 9 SWAT的应用领域主要有营养物模拟 杀虫剂模拟 土地利用与气候变化的水文效TMDL水质分析等 目前较新颖的有 非点源污染模拟和控制环境变化对水文响应的影响洪水短期预报 10 SWAT模型开发的目的是预测大尺度 无测站流域水 泥沙和农药管理的影响 因此它具备一下几个特点 不需要率定对大流域采用易获得的输入数据 11 大流域的计算效率高连续模拟 能够模拟长期管理变化的影响经过改进 目前已经可以预测模拟次降雨的水文效果 12 SWAT模型的流域径流模拟研究 学生 李娟学号 2012051431 西北农林科技大学 13 主要内容 一 径流模拟介绍二 径流模拟的适用性三 径流模拟研究内容四 径流模拟中存在问题 14 一 径流模拟介绍 径流模拟是SWAT模型最基本 最重要的功能 基于SWAT模型的径流模拟是SWAT研究的焦点 SWAT模拟流域径流过程分为两部分 陆面部分 产流和坡面汇流部分 和水循环的水面部分 即河网汇流部分 前者主要控制每个子流域中 水 泥沙 营养物质及化学物质等的输入量 后者决定前述物质输入量经由河道向流域出口的输移运动及负荷的演算过程 15 一 径流模拟介绍 SWAT模型的径流模拟通常将研究流域划分成若干个单元流域 以减小流域下垫面和气候要素时空变异对模拟精度的影响 根据不同植被覆盖和土壤类型 单元流域进一步细分为若干个HRU 每个HRU都单独计算径流量 最后得到流域总径流量 SWAT模型提供Green Ampt方法或SCS曲线法计算地表径流 度 日因子模型计算融雪量 动态存储模型计算壤中流 Hargreaves法 Priestley Tayor法或Penman Monteith法计算潜在蒸散发 SWAT将地下水分为浅层和深层地下水 浅层地下径流汇入流域内河流 深层地下径流汇入流域外河流 河道水流演算采用变动存储系数模型或马斯京根法 16 二 径流模拟的适用性 国外研究 1 Arnold 阿诺德 等验证了模型径流模拟在全美 伊利诺斯州3个流域 密西西比河支流等不同时空尺度 水文条件 地形特征流域的适用性 模型对长期径流量模拟准确 短期则较差 特别是日尺度的模拟效果不理想 日径流的模拟存在系统误差 2 瑞典西南部Ronnea流域径流模拟表明 模型适用于不同水文气象及下垫面条件 年 月径流模拟在面积约250km2流域上的效果最好 日径流模拟在面积约1000km2的流域上的效果最好 大于1000km2面积的流域 模型校准需12 15年的水文数据 17 二 径流模拟的适用性 国内研究 1 黄河中游三川河流域的月平均流量过程的模拟 模型率定期和验证期的效率系数分别为0 71和0 73 但月平均流量较实测结果偏大 2 西北黑河莺落峡以上流域分布式日径流过程的模拟表明 模型在结构上考虑了融雪和冻土对水文循环的影响 较适用于我国西北寒区 18 三 径流模拟研究内容 19 三 径流模拟研究内容 模型的构建 模型数据的输入 20 三 径流模拟研究内容 模型的构建 模型数据的输入 陈利群等研究了站网密度和面平均雨量误差的关系 提出在水文模拟中雨量站的多少存在上限和下限 且雨量站所处空间位置的高程值 坡度和坡向都影响着模拟产流量 21 三 径流模拟研究内容 模型的构建 模拟方法的选择Kannan等通过结合模型本身提供的不同的潜在蒸散发和径流方式 并耦合影响径流模拟的敏感性参数和影响 模拟效率的校准和验证时段的比较 旨在选取适合用于流域模拟的蒸发和径流模式 最后认为 利用曲线指数 CurveNumber CN 的径流方式和HS蒸散发相结合的方法用于日径流模拟效果最好 22 三 径流模拟研究内容 模型的构建 模型参数分析朱新军等对建模过程中对径流过程有较大影响的6个参数 分别进行敏感性分析 并总结敏感参数对流域水量平衡各要素的影响规律 模型验证方法 杨桂莲等将滤波技术分割的基流结果应用SWAT模型的基流校准 为SWAT模型进行地下水研究提供有利途径 23 三 径流模拟研究内容 模型的应用 国外的许多研究都已表明 SWAT模型能很好地用于不同土地覆被下的水文响应分析 1 陈军锋等应用SWAT模型 定量地评估了土地覆被变化对径流 蒸发和洪峰流量的影响 结果表明 随着土地覆被状况由无植被到全是有林地覆被 径流深减小 蒸发量增加 在相同的洪水重现期 流域全为有林地覆被的情景明显小于无植被的情景洪峰流量 2 郝芳华等通过假设3种土地利用情景模拟洛河流域产流变化 模拟表明森林相对于草地和农业用地具有增水的作用 不同土地覆盖下的径流模拟 24 三 径流模拟研究内容 模型的应用 国外应用SWAT模型分析气候变化水文效应的研究也较多 在气候变化研究中 主要应用大气环流模 GCMs 进行气候变化的水文要素分析 国内大多是采用增减研究区气温和降水的方法 研究气候波动的水文效应 李道锋等通过建立5种土地覆被及24组气温和降水组合情景 模拟黄河河源区的年径流量 得出气温减少2 且降水增加20 时 流域径流量增加最大 气候波动的水文效应 25 四 径流模拟存在问题 数据精度低 参数值不确定性大 径流模拟效率低 蒸发变化对径流的影响研究相对较弱 在高寒地区的研究几乎空白 应用性研究不足 26 谢谢 27 泥沙模块 覃超西北农林科技大学水土保持研究所glqinchao 28 土壤侵蚀因子计算 地表径流滞沙演算 Points 壤中流和基流中泥沙演算 河道泥沙演算 概述 29 土壤侵蚀因子计算 地表径流滞沙演算 Points 壤中流和基流中泥沙演算 河道泥沙演算 概述 30 SWAT模型采用修正的MUSLE方程来计算土壤侵蚀量 概述 31 土壤侵蚀因子计算 地表径流滞沙演算 Points 壤中流和基流中泥沙演算 河道泥沙演算 概述 32 土壤可蚀性因子KUSLE1971年 Wischmeier提出了一个通用方程来计算土壤可蚀性K只 但该方程仅适用于粘土和壤土组成少于70 的土壤 1995年Williams提出了另一个替换方程 土壤侵蚀因子计算 33 各因子计算公式如下 土壤侵蚀因子计算 34 植被覆盖和作物管理因子CUSLE该因子含义是在相同地形 土壤和降雨条件下 种植作物或林草地上的土地与连续休闲地土壤流失量的比值 最大取值为1 0 土壤侵蚀因子计算 最小CUSLE可以通过已知的年平均CUSLE值来计算 35 土壤保持措施因子PUSLEPUSLE是指有水保措施的地表土壤流失与不采取任何措施的地表土壤流失的比值 包括等高耕作 带状种植和梯田 土壤侵蚀因子计算 36 土壤侵蚀因子计算 土壤保持措施因子PUSLE 37 土壤侵蚀因子计算 土壤保持措施因子PUSLE 38 地形因子LSUSLE 土壤侵蚀因子计算 39 粗碎块土壤成分计算因子CFRG 土壤侵蚀因子计算 如果土壤中存在直径大于2 0mm的石砾时 CFRG因子可由下式来计算 40 2020 3 19 41 土壤侵蚀因子计算 地表径流滞沙演算 Points 壤中流和基流中泥沙演算 河道泥沙演算 概述 42 地表径流泥沙演算 在比较大的单个子流域中坡面漫流的时间大于1天时 只有一部分地表径流当日汇入主河道 SWAT整合了一个地表径流存储特性来滞后一部分地表径流汇入主河道 地表径流中泥沙也是一样的 当产流结束后 汇入主河道的泥沙为 式中 sed是特定某天汇入主河道的泥沙量 t sed 为该日HRU的产沙量 t sedstor i 1为前一天地表径流中泥沙储量 t surlag为地表径流滞后系数 tconc为HRU汇流时间 h 43 tconc 地表径流泥沙演算 式中 qov为平均坡面流速 m3 s slp为子流域平均坡度 m m n为坡面流的曼宁粗糙度系数Lslp为子流域坡长 m L为河道末端最远点到流域出口的河道距离 km n为河道曼宁粗糙度系数Area为子流域面积 km2 slpch为河道坡度 m m 44 土壤侵蚀因子计算 地表径流滞沙演算 Points 壤中流和基流中泥沙演算 河道泥沙演算 概述 45 壤中流和基流中泥沙演算 SWAT模型也可以模拟壤中流和基流向主河道输入的泥沙 计算式为 式中 sedlat是壤中流和基流的泥沙贡献 t Qlat为特定一天壤中流的径流深 mm Qgw为特定一天基流深 t concsed为壤中流和基流中的泥沙浓度 mg L 46 土壤侵蚀因子计算 地表径流滞沙演算 Points 壤中流和基流中泥沙演算 河道泥沙演算 概述 47 河道泥沙演算 SWAT模型对泥沙在河网中的运移过程计算包含两部分 即泥沙的沉积作用及其对河道的冲刷作用 模型使用一个方程来确定河道中悬浮泥沙的最大浓度 然后将河道中泥沙的实际浓度与之相比较 从而判断沉积和冲刷作用 方程如下 式中 concsed ch mx是河道水体中最大悬浮泥沙浓度 t m3 csp和spexp分别是计算最大再悬浮泥沙负荷线性系数和指数系数 vch pk是洪峰流速 m s 48 河道泥沙演算 式中 seddep为河段泥沙沉积量 t seddeg为河段泥沙冲刷量 t concsed ch i是初始泥沙浓度 t m3 concsed ch mx是河道水体中最大悬浮泥沙浓度 t m3 Vch为河道中的水量 m3 Kch为河道可蚀性因子 cm h Pa Cch是河道覆被因子 当某段时间初始泥沙浓度concsed ch i concsed ch mx时 河道中发生泥沙沉积过程 当concsed ch i concsed ch mx时 河道发生泥沙对河道的冲刷过程 49 河道泥沙演算 式中 sedch为某一时段河段输沙量 t sedch i为某一时段河段初始挟沙量 t seddep为河段泥沙沉积量 t seddeg为河段泥沙冲刷量 t 当泥沙沉积量和冲刷量计算结束后 可按照下式计算该河段的输沙量 则某时段流域出口输沙总量为 50 谢谢 51 污染负荷子模型 SWAT模型能追踪流域内几种形式的氮和磷的迁移和转化 在土壤中氮从一种形态到另一种形态的转化是由氮循环来控制的 同样 土壤中磷的转化由磷循环来控制 营养物质通过地表径流和壤中流进入河道 并在河道中下游输移 SWAT模型模拟地表径流携带杀虫剂进入河道 以溶液或吸附在泥沙的形式 通过渗漏进入土壤剖面和含水层 在溶液中 水循环陆地阶段的杀虫剂运动模型是由GLEAMS模型改进而来的 52 53 SWAT模型可以模拟不同形态氮的迁移转化过程 地表径流流失 入渗淋失和化肥输入等物理过程 有机氮矿化 反硝化等化学过程以及作物吸收等生物过程 氮可以分为有机氮 作物氮和硝酸盐氮三种化学状态 氮的生物固定 有机氮向无机氮的转化以及溶解性氮随侧向壤中流的迁移等过程 有机氮又被划分为火星有机氮和惰性有机氮两种状态 以及铵态氮挥发过程的模拟 54 55 磷可以分为腐殖质中的有机磷 不可溶解的无机磷和植物可利用的土壤溶液中的磷三种化学状态 磷可以通过施肥 粪肥和残余物施用等方式添加到土壤中 通过植物吸收和侵蚀从土壤中移除 与高活性的氮不同 磷的溶解性在大多数环境中是有限的 磷可以与其他离子结合形成一些不可溶的化合物 并从溶液中沉淀 这些特性使得磷在土壤表明积累 从而易于随地表径流运移 56 Brown等 1996 将SWAT模型用于模拟农药施用后在水环境中的迁移转化情况 结果表明 农药使用后初次暴雨将导致水体中农药浓度达到最大值 对水质影响非常大 农药易于被土壤洗后 在水体中的浓度低且活性较大的农药在水体中浓度上升较快 但大多数农药浓度保持在一定水平 变化不大 57 Saleh等 2000 在德克萨斯州的北Bosque河上游应用SWAT模型进行非点源污染负荷模拟 该研究公分两个阶段 第一阶段进行非点源污染负荷模拟和预测 结果表明评价模型有效性的Nash Sutcliffe系数的变化范围为0 65 0 99 第二阶段主要评价流域内奶牛场对环境的影响 研究表明 如果用草地代替堆放奶牛场废弃物和施用此类肥料的地区 流域内的总氮和总磷负荷将分别削减33 和79 58 Srinivasan等 1998 应用SWAT模型对全美2000多个HU HydrologicUnit 进行了径流 泥沙和总氮 总磷的模拟 Santhi等 2001 将SWAT模型在Bosque流域对径流 泥沙和氮磷负荷进行了验证 并对溶解态磷的管理措施效果进行了评价 Mauro等 2002 将SWAT模型融入了著名的Basins系统 并在NorthBosque流域上游进行了氮磷模拟验证 SWAT模型对进入河道的氮磷污染物采用Qual2E模型模拟其迁移转化 59 郝芳华等 2002 2003 在官厅水库流域和黄河流域下游卢氏流域应用SWAT模型对径流 泥沙和氮污染负荷进行模拟 并对不同管理措施的效果进行了模拟分析 万超等 2003 在潘家口水库流域应用SWAT模型对不同水平年进行了面源污染负荷计算 并分析了施肥对于面源污染负荷的影响 60 非点源污染与水质模拟 61 美国环境保护局杀虫剂项目办公室 OPP 2002年在流域尺度上对饮用水的评估中 应用SWAT模型对印第安那州中部White河SugarCreek流域的水质进行研究 径流和除草剂模拟验证结果表明了杀虫剂运移模拟及其对土地管理措施影响预测的可靠性 BrunaGrizzetti将模型应用于西班牙南部的Guadiamar流域 验证模型的产流产沙和营养物质运移 评估土壤固氮和淋滤损失的能力 结果表明模型模拟流域不同出流点的日流量比较可靠 对产沙 氮和总磷聚集的月模拟符合实际 同时指出由于点源输入数据 水质监测数据的缺乏和资料系列的缺失对模型的模拟精度有一定的影响 Qiu对密苏里州北部GoodwaterCreek流域的研究中表明 SWAT模型为河岸缓冲区地表水质经济价值的评估提供了手段 模型在德国EuropeanWaterFrameworkDirective EUWFD 流域尺度的地表径流生态保护和化学物质标准的研究中也得到了应用 模型在希腊塞萨利区西北Pinios河网子流域AliEfenti月径流量 硝酸氮和总氮的模拟 以及在德克萨斯州Bosque河流域的水质模拟表明了模型模拟精度的可靠和分析不同管理情形对点源和非点源污染以及日最大负载总量的应用潜力 非点源污染与水质模拟 62 胡连伍等将模型应用于以农业景观为主的亚热带和暖温带过渡性季风气候区域 对水文 泥沙和营养物质 氮元素 进行模拟 计算了氮元素的自净效率 验证了模型在半湿润地区水文 水质方面的适应性 李硕等利用模型研究江西兴国县潋水河流域的农业非点源污染 实现模拟的空间离散化和参数化过程 证明SWAT模型能较好地预测该流域的产流产沙变化 也有类似的研究指出空间分异性较大的流域对资料的空间处理 模型参数率定和验证应成为模型研究的重要方面 非点源污染与水质模拟 63 模型基础数据库的建立气象数据输入包括日降雨量 最高和最低气温 风速 太阳辐射和相对湿度 其中太阳辐射和相对湿度由SWAT的天气模拟程序生成 模型输入所需图件数据有土地利用图 土壤图 数字高程图 土壤属性 包括土壤水文组成 密度 质地 土壤剖面 饱和水力传导率等 数据库 作物覆盖属性 包括最大叶面积指数 作物残余降解系数等 数据库和肥料数据库来源于经验公式推算 实地调查 参考文献及SWAT2000用户手册 坡度 坡向 坡长 河网 集水区和亚集水区AVSWAT2000提取 研究中考虑了点源输入 大气湿沉降以及人为取水 各种农业管理措施由实地调查获得 非点源污染与水质模拟 基于SWAT2000模型的流域氮营养素环境自净效率模拟 64 模型校核及分析在模型校核过程中选用月日均值的Nash Sut2cliffe系数 Ens 线性回归系数 年日均值相对误差评价模型输出与实测数据的拟合程度 模型校核的顺序依次为水文 泥沙 营养物质 在模型校核过程中 对敏感性参数在可行空间内进行调整以减小模型模拟误差 非点源污染与水质模拟 基于SWAT2000模型的流域氮营养素环境自净效率模拟 65 模型校核及分析 水文校核及分析首先采用自动数字滤波技术进行地表径流与基流分割 然后分别对地表径流与基流进行校核 反复校核模型参数 直到得到较理想的结果 非点源污染与水质模拟 基于SWAT2000模型的流域氮营养素环境自净效率模拟 66 模型校核及分析 泥沙校核及分析本研究MUSLE方程各侵蚀因子的确定基于经验公式及SWAT用户手册 由于缺少实测的坡面侵蚀量和气象统计数据且时间序列比较短 MUSLE中的各侵蚀因子不纳入本次校核参数序列 而选择支流河道沉积传输径流峰值调整因子 APM 和主河道沉积传输径流峰值调整因子 PRF 作为本研究的重点校核参数 非点源污染与水质模拟 基于SWAT2000模型的流域氮营养素环境自净效率模拟 67 模型校核及分析 水质校核及分析由于资料的限制 本研究仅对营养物质中的氨氮和硝酸盐氮进行校核 选择的校核参数有 氮的下渗系数 NPERCO 这是水质最敏感参数 20 时氨氮转化为亚硝酸盐氮的生物氧化速度常数 BC1 支流中亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮的生物氧化速度常数 BC2 有机氮转化为氨氮的速度常数 BC3 这3个参数主要影响不同赋存状态的氮负荷 以上参数在其模型默认值 20 内变动 首先调整NPERCO 使得硝酸盐氮模拟比较合理 然后调整BC1 BC2和BC3 获得比较合理的不同赋存形态氮的模拟结果 校核过程需要反复进行 直到得到一个合理结果 68 流域氮营养素自净效率计算基于模型的流域氮营养素自净能力计算公式为 R DE P TL式中 R为流域氮营养素自净负荷 DE为非点源排放量 P为点源排放量 TL为营养物流出量 非点源污染与水质模拟 基于SWAT2000模型的流域氮营养素环境自净效率模拟 69 SWAT应用实例2 长江源区径流模拟 70 操作流程 1建立基础数据库1 1流域特征数据采用长江源流域1 25000栅格型DEM模型提取水文和流域特征 1 2土壤数据包括土壤空间分布和物理属性数据 土壤的物理属性决定了土壤剖面中水和气体的运动 对水文相应单元中的水循环起着重要影响 本例中根据研究区实际情况建立用户土壤数据库 如表1所示 共18参数 71 需要指出的是 由于其设计主要是针对北美地区 SWAT自带的土壤数据库和数据标准与中国现行标准不同 在应用模型时 需要将卡钦斯基制或国际制的土壤数据转换为美国制数据 SPAW是一种用于农田 池塘和淹水湿地水量预算的软件 其计算使用SCS径流曲线数法 72 1 3土地利用数据SWAT中推荐使用的土地利用数据为美国国家土地覆被数据库NLCD2001分类 在模型应用过程中应将使用的土地分类转换成NLCD分类指标 如本例中使用的分类为LUCC土地利用分类体系故需用对照表进行转化对照 73 1 4气象观测数据SWAT中所需的气象观测数据包括了降水 日最高 最低气温 辐射 风速和相对湿度 实验数据人