SWAT模型培训-综合ppt课件

.,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19951999武汉水利电力大学，本科，农田水利19982001武汉大学，硕士，水利水电工程20012004武汉大学，博士，水利水电工程20042006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。,.,4060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。,.,6080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,TTBase?,T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,/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0100cm/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.dat文件指定的参数及其变化范围。随后，该种群被分割成多个个体(complexs)，对应P个参数来说就得到2p+1个点。每个个体运用单纯形法进行独立进化，个体之间定期进行交叉形成新的个体，从而可以获得更多的优化信息。该算法可以搜索全部参数的可行空间，找到全局最优参数的成功率是100%。,SCE-UA算法的特点：,SWAT的参数自动率定/不确定性分析,.,SWAT的参数自动率定/不确定性分析,不确定性分析目的：由于参数有不确定性因素，因此给出某一置信区间内（如90%、95%、97.5%）模拟结果的分布范围，供用户参考。,.,SCE-UA主要输入文件：,SWAT的参数自动率定/不确定性分析,.,SCE-UA主要输出文件：,SWAT的参数自动率定/不确定性分析,.,SWAT-CUP,SWAT-CUP是一个用于SWAT率定验证的计算机程序，为开源程序，可以自由使用和拷贝。该程序将GLUE、ParaSol，SUFI2，MCMC、PSO等处理过程与SWAT关联起来，用于参数敏感性分析（sensitivityanalysis）、参数率定（calibration）、模型验证（validation）、不确定性分析（uncertaintyanalysis）,SWAT-CUP特色:并行处理可视化界面,.,SWAT应用研究示例讲解,.,SWAT应用研究示例,1、径流预测2、ET模拟3、土地利用变化4、气候变化5、水土保持6、水资源评价7、融雪产流,8、水资源管理9、水量平衡分析10、模型耦合研究11、模型改进研究12、参数敏感性分析研究13、流域面源污染,.,SWAT应用类1-径流预测1,袁军营等，基于SWAT模型的柴河水库流域径流模拟研究J,北京师范大学学报(自然科学版),2006.,柴河水库流域位于辽宁省铁岭市，是辽河中游左侧支流柴河上的一座以防洪、灌溉、工业和城市供水为主，兼顾发电、养鱼等综合利用的多年调节大()型水利枢纽工程。总库容6.36亿m3，其控制流域面积1355km2，流域多年平均降水量737mm.,.,SWAT应用类1-径流预测1,袁军营等，基于SWAT模型的柴河水库流域径流模拟研究J,北京师范大学学报(自然科学版),2006.,利用20022003年的实测水量、降水数据进行参数率定,应用20042005年的实测数据进行模型验证。模拟结果表明，SWAT模型在柴河水库流域径流模拟中的适用性和可靠性良好，可为流域水文过程的预测提供可靠的模型基础,.,SWAT应用类1-径流预测2,宋轩等，SWAT模型在淅川县丹江口库区的应用研究J,郑州大学学报(工学版),2010.,淅川县位于河南省西南边陲,豫、鄂、陕三省的结合部，面积2820km2，是南水北调中线工程渠首所在地。属北亚热带向暖温带过渡的季风性气候，多年平均降水量804mm。其主要河流有丹江、鹳河、淇河、滔河、刁河。丹江及其支流域面积占全县面积的93.5%.,.,SWAT应用类1-径流预测2,宋轩等，SWAT模型在淅川县丹江口库区的应用研究J,郑州大学学报(工学版),2010.,通过表1对模拟结果与实测值进行比较，可以看出模型预测相对误差控制在15%的范围内，平均精度达到91%，纳西效率系数也高达0.88，表明年径流的预测值与观测值变化基本一致，说明模型能够较好地模拟丹江口库区年径流的变化,.,SWAT应用类2-ET模拟,钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟J.农业工程学报，2011.,房山区位于北京市西南部，全区的总面积2019km2，山地和丘陵面积占65.3%，平原面积占34.7%。地处华北平原与太行山交界地带，处于暖温带半湿润地区多年平均降雨量为587.6mm。,.,SWAT应用类2-ET模拟,钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟J.农业工程学报，2011.,耕地园林、灌木林/绿地、荒草地为三个占主导地位的土地利用，占总面积的87%。,.,SWAT应用类2-ET模拟,钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟J.农业工程学报，2011.,模型模拟的房山区20022007年蒸腾蒸发值除2003年与遥感监测值相差5%以上外，其余年分均在5%以内。平均值相差为1.9%。不同土地利用情况下的ET值与遥感监测值对比平均相差误差为6.01%。表明模型具有较好的适用性。,不同土地利用,不同年份区域整体,.,SWAT应用类2-ET模拟,钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟J.农业工程学报，2011.,以2020年和2030年为水平年，情景方案设置1、考虑节水灌溉措施下的农业灌溉定额管理；2、考虑农业种植结构优化；3、考虑逐步减少地下水超采，2020年零超采；4、考虑南水北调来水(1.2亿方）,种植结构调整数据,农业节水灌溉,设置8个情景,.,SWAT应用类2-ET模拟,钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟J.农业工程学报，2011.,以2004年为现状年，根据未来2020、2030年房山区水平衡，设定目标ET为546.1mm。将按照8种情景模拟的全年ET结果与目标ET进行比较，从结果看，预测2020、2030年，在情景3（即中度节水、种植结构为优化及地下水超采逐步减少）时模拟的ET值与目标ET值最接近,评论：似乎各个情景区别不大？是不是与耕地面积比重较小有关？,.,SWAT应用类3-土地利用变化1,庞靖鹏，刘昌明等，密云水库流域土地利用变化对产流和产沙的影响J.北京师范大学学报（自然科学版），2010.,研究区为密云水库上游流域。密云水库流域是指潮白河流域密云水库所控制的部分，流域面积为15369km2，其中白河流域面积约为9197km2，潮河流域面积为6172km2。流域内多年平均降水量为488.9mm.,.,SWAT应用类3-土地利用变化1,庞靖鹏，刘昌明等，密云水库流域土地利用变化对产流和产沙的影响J.北京师范大学学报（自然科学版），2010.,先做现状模拟。以19861991年共5年进行连续模拟。率定期(19861988)和验证期(19891991)下会和张家坟2个站点的模拟效果都非常好，纳西效率系数达到0.870.95,.,SWAT应用类3-土地利用变化1,庞靖鹏，刘昌明等，密云水库流域土地利用变化对产流和产沙的影响J.北京师范大学学报（自然科学版），2010.,收集密云水库流域内90年代初、90年代中期、90年代末期三期土地利用。通过分析，地类转移主要在耕地、林地和草地间进行。以草地和耕地向林地、林地和耕地向草地转变最为剧烈。,.,SWAT应用类3-土地利用变化1,庞靖鹏，刘昌明等，密云水库流域土地利用变化对产流和产沙的影响J.北京师范大学学报（自然科学版），2010.,将90年代初、中和末期3期的土地利用图分别输入SWAT模型中,对密云水库流域土地利用变化对密云水库径流和产沙的影响作出定量的分析.（降水气象数据沿用19861991年系列）,与1990年相比，1995年的土地利用条件下径流量略有下降，然而泥沙量却有大幅度的减少。说明采取退耕还林、还草等措施将极大地减少流域内的水土流失,潮河,白河,.,宋艳华等，SWAT模型辅助下的生态恢复水文响应-以陇西黄土高原华家岭南河流域为例J.生态学报，2008.,SWAT应用类3-土地利用变化2,华家岭南河流域位于陇西黄土高原的中部地区，为葫芦河一级支流。面积约为1125km2，流域年平均气温38。多年平均降水量在400550mm之间。,.,宋艳华等，SWAT模型辅助下的生态恢复水文响应-以陇西黄土高原华家岭南河流域为例J.生态学报，2008.,SWAT应用类3-土地利用变化2,对模型进行校准与验证，将19811983年和19851989年分别作为模型的校准期与验证期。年均径流深的模拟值与实测值的相对误差在5%以内,Nash效率系数均在0.6以上。,年过程,月过程,.,宋艳华等，SWAT模型辅助下的生态恢复水文响应-以陇西黄土高原华家岭南河流域为例J.生态学报，2008.,SWAT应用类3-土地利用变化2,情景分析方案,.,宋艳华等，SWAT模型辅助下的生态恢复水文响应-以陇西黄土高原华家岭南河流域为例J.生态学报，2008.,SWAT应用类3-土地利用变化2,结论：1、模拟年均径流深裸地耕地林地草地，草地和森林植被更涵养水源，同时草地比森林植被涵养水源的作用更强；2、模拟年均蒸散发草地林地裸地耕地,草地的蒸散发量最大,比林地高出22%。（注：耕地最小？）,不同情景径流深度,不同情景平均蒸发,.,SWAT应用类3-土地利用变化3,张圣威等，土地覆被和气候变化对拉萨河流域径流量的影响J.水资源保护，2010.,流域面积2.6万km2，年均降水450mm（半湿润区），年均气温7.5度。,.,张圣威等，土地覆被和气候变化对拉萨河流域径流量的影响J.水资源保护，2010.,SWAT应用类3-土地利用变化3,先做现状率定验证,.,张圣威等，土地覆被和气候变化对拉萨河流域径流量的影响J.水资源保护，2010.,SWAT应用类3-土地利用变化3,设置4个土地变化情景进行分析,不同情景下的径流量,.,张圣威等，土地覆被和气候变化对拉萨河流域径流量的影响J.水资源保护，2010.,主要结论：1、气候变化对年径流量的影响显著，若温度升高2度，降水增加20%（年均降水450mm)，径流将增加89%；2、土地利用变化最多影响径流10%；,SWAT应用类3-土地利用变化3,再考虑气候变化,.,朱利等，基于径流模拟的汉江上游区水资源对气候变化响应的研究J.资源科学，2005.,SWAT应用类4-气候变化1,汉江上游两河流域，积水面积2816km2，降水730-1230mm（湿润区），年均气温12度,.,朱利等，基于径流模拟的汉江上游区水资源对气候变化响应的研究J.资源科学，2005.,SWAT应用类4-气候变化1,先做现状率定验证,.,朱利等，基于径流模拟的汉江上游区水资源对气候变化响应的研究J.资源科学，2005.,SWAT应用类4-气候变化1,现状平均量,各情景平均量,进行比较,.,朱利等，基于径流模拟的汉江上游区水资源对气候变化响应的研究J.资源科学，2005.,SWAT应用类4-气候变化1,主要结论：1、径流：温度增加4度，径流减少4%；降水增加10%，径流增加12%；2、蒸发：温度增加4度，蒸发变化7%；降水增加10%，蒸发变化2%。,.,张利平等，南水北调中线工程水源区水文循环过程对气候变化的响应J.水利学报，2010.,SWAT应用类4-气候变化2,摘要：根据联合国政府间气候变化专业委员会第四次评估报告中大气环流模型多模式输出结果，分析了特别情境下21世纪降水、气温、径流、蒸发的响应过程,流域面积9.5万km2，平均降水820mm，平均气温14.6度。,.,张利平等，南水北调中线工程水源区水文循环过程对气候变化的响应J.水利学报，2010.,SWAT应用类4-气候变化2,GCMs模式数据：采用世界气候研究计划（WorldClimateResearchProgramme,WCRP)的耦合模式比较计划-阶段3的多模式数据。未来气候情景预估采用IPCC第四次评估报告中假定的3个情景：1、A2情景，高排放，注重经济增长的区域发展情景；2、A1B情景，中等排放，注重经济增长的全球共同发展情景；3、B1情景，低排放，注重全球可持续发展情景；,气候数据降尺度方法：将未来2011-2099年划分为3个时期，2011-2040,2041-2070,2071-2099.利用SWAT的气象发生器将月尺度资料降解为日尺度资料，并输入SWAT模型中。,.,张利平等，南水北调中线工程水源区水文循环过程对气候变化的响应J.水利学报，2010.,SWAT应用类4-气候变化2,降水状况：A2、A1B、B1情景年降水变化率分别为1.59%，1.41%，0.65%；气温状况：A2、A1B、B1情景分别增长4.33、3.78、2.19度；,2011-2099年间气候预测：,（基准期：1961-1990）,降水变化,气温变化,.,张利平等，南水北调中线工程水源区水文循环过程对气候变化的响应J.水利学报，2010.,SWAT应用类4-气候变化2,径流预测：先减小后增大。A2、A1B、B1情景在2080S期间分别增大13%、7%、10%蒸发预测：A2、A1B、B1情景比较接近，约增加4-5%,且增加幅度有减小趋势；,2011-2099年间相对基准期,径流变化,蒸发变化,.,王林等，退化山地生态系统植被恢复水文效应的SWAT模拟J.山地学报，2008.,SWAT应用类5-水土保持1,晋江流域安溪水文站上游，集水面积2466km2，年降水1715mm,.,王林等，退化山地生态系统植被恢复水文效应的SWAT模拟J.山地学报，2008.,SWAT应用类5-水土保持1,情景设定主要针对农用地和林草地，进行流域内植被恢复的产流产沙模拟,.,王林等，退化山地生态系统植被恢复水文效应的SWAT模拟J.山地学报，2008.,SWAT应用类5-水土保持1,结论：各情景模拟结果都为减水减沙。产流的相对变化系数在1%之下，产沙相对变化系数为2%-8%。还林的减沙效果优于还草。,影响不大？是否本身农用地面积较小？,.,彭顺风等，基于数字流域的地表水资源模拟J.水资源保护，2009.,SWAT应用类6-水资源评价1,研究区为史灌河流域，面积5930km2，年降水量1100mm,.,彭顺风等，基于数字流域的地表水资源模拟J.水资源保护，2009.,SWAT应用类6-水资源评价1,评价思路：通过逐项还原法将水文站的实测值还原为水资源的真值，然后模型仅模拟自然过程下的径流量与之对比,.,甄婷婷等，蓝水绿水资源量估算方法及时空分布规律研究-以卢氏流域为例J.资源科学，2010.,SWAT应用类6-水资源评价2,蓝水：传统意义上的水资源量，为地表水资源量与地下水资源量之和减去重复量,绿水：源于降水，存储于土壤并被植被蒸散发消耗的水资源,位于黄河中下游，流域面积4655km2，多年平均气温14度，降水600-1100mm,.,甄婷婷等，蓝水绿水资源量估算方法及时空分布规律研究-以卢氏流域为例J.资源科学，2010.,SWAT应用类6-水资源评价2,利用SWAT模型进行蓝绿水资源评价：蓝水资源：等于产水量与深层地下水补给之和绿水资源：绿水流等于总蒸散量，绿水储量等于给定时间内的土壤含水量,.,甄婷婷等，蓝水绿水资源量估算方法及时空分布规律研究-以卢氏流域为例J.资源科学，2010.,SWAT应用类6-水资源评价2,将计算结果反映到GIS图上展示结果,.,李慧等，基于SWAT模型的山区冰雪融水河流的日径流模拟研究J.灌溉排水学报，2010.,SWAT应用类7-融雪产流,结论：冬季径流极小，春季过后径流明显增大，表明冬季气温低，冰雪融水极少；春季气温回升，冰雪融水对玛纳斯河径流产生了很大影响，说明在终年积雪的玛纳斯河山区，冰雪融水对其1年的径流起着关键的调控作用,.,杨威等，基于改进SWAT模型的县级综合管理工具在项目县IWEMP中的应用J，海河水利，2011.,SWAT应用类8-水资源管理,摘要：基于SWAT2000源代码，面向县级管理人员开发了县级水资源与水环境综合管理工具。能够基于项目县DEM、土壤、土地利用等基本信息，构建项目县分布式水循环模型，实现对项目县地表水、地下水以及水质时空变化过程的模拟以及对不同规划方案包括节水措施（调整作物种植结构、优化灌溉水量、调整灌溉水源等）和减污措施（点源、面源）的情景预测，模拟分析结果为县级水资源与水环境综合管理规划的制定与选取提供数据支撑。,相当于为SWAT重新开发针对特定应用的界面,.,杨威等，基于改进SWAT模型的县级综合管理工具在项目县IWEMP中的应用J，海河水利，2011.,SWAT应用类8-水资源管理,情景模拟1：作物种植结构调整以成安县为例,将现状成安县小麦玉米轮作（高耗水）种植面积的20%、40%、60%和80%改为棉花种植,结论：将小麦玉米轮作面积的20%、40%、60%和80%改为棉花种植后，全县ET平均下降了1.96%、3.92%、5.89%和7.85%。,.,杨威等，基于改进SWAT模型的县级综合管理工具在项目县IWEMP中的应用J，海河水利，2011.,SWAT应用类8-水资源管理,情景模拟2：优化灌溉水量以馆陶县为例,结论：减少灌溉量对于降低ET作用显著，在减少20%和50%的灌溉量后，ET可以降低的百分比分别为2.3%和12.6%。,原馆陶县现状灌水定额为70mm，在此基础上分别将灌溉水量减少20%和50%,.,杨威等，基于改进SWAT模型的县级综合管理工具在项目县IWEMP中的应用J，海河水利，2011.,SWAT应用类8-水资源管理,情景模拟3：调整灌溉水源以肥乡县为例,结论：外流域调水主要用来补充有咸水区深层地下水开采，因此以旧店乡、东漳堡乡为代表的乡镇深层地下水位在外流域调水后得到明显回升。,将肥乡县现状条件下部分开采深层地下水进行农业灌溉的子流域（主要是有咸水区）改为外流域调水灌溉，外流域调水量约3000万m3。,.,朱新军等，基于分布式模拟的流域水平衡分析研究以海河流域为例J，地理科学进展，2008.,SWAT应用类9-流域水量平衡分析,将海河流域划分为283个子流域和2010个水文响应单元(HRU)，概化入海河口17个，考虑大、中型水库48座,海河流域总面积31.8万km2，其中山地和高原面积18.9万km2，约占60%；平原面积12.9万km2，约占40%。属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区。多年平均降水量一般为500650mm,.,朱新军等，基于分布式模拟的流域水平衡分析研究以海河流域为例J，地理科学进展，2008.,SWAT应用类9-流域水量平衡分析,在子流域水量模拟基础上，统计出15个水资源三级分区的降水、蒸发及径流的空间分布，给出了2003、2004、2005三个年份对比变化。,.,朱新军等，基于分布式模拟的流域水平衡分析研究以海河流域为例J，地理科学进展，2008.,SWAT应用类9-流域水量平衡分析,V=P-E-R+Qin-Qout,流域总的水量平衡,.,王宏等，SWAT/GMS联合模型在华北平原地下水库研究中的应用J，世界地质，2005.,SWAT应用类10-模型耦合研究,研究区位于河北平原子牙河流域。总面积约3.9万km2。,根据1979年DEM数据，提取平原区子流域71个、山区子流域4个，其中山区子流域作为平原区侧向补给量的分区基础，平原区71个子流域作为计算地下水入渗量的单元划分,.,王宏等，SWAT/GMS联合模型在华北平原地下水库研究中的应用J，世界地质，2005.,SWAT应用类10-模型耦合研究1,SWAT：以流域为单元，由SWAT根据水均衡方程，分别算出本区1979年71个子流域水资源量，将计算出的流域内的地下水渗入量直接输入GMS模型中；,.,王宏等，SWAT/GMS联合模型在华北平原地下水库研究中的应用J，世界地质，20