农田水文模型SWAP软件简介

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 SoilWaterAtmospherePlantModel是荷兰WageningenUniversityandResearchCenter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 SoilWaterActualTranspirationRate 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 vandenBroek等 1994 和vanDam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 土壤水流运动模块溶质运移模块热量传输模块土壤蒸发模块作物腾发量计算模块作物生长模拟模块 模型机理 土壤水流运动溶质运移土壤蒸发作物腾发量计算作物生长模拟 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vanGenuchten 1980 和Mualem 1976 公式 也可采用土壤实测数据关系表达vanGenuchten 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 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 Bosten Stroosnijder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 WOFOST6 0 Spittersetal 1989 Hijmansetal 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