SWAT水文模型

1、SWAT 水文模型介绍之五兆芳芳创作 1 概述 SWAT （ Soil and Water Assessment Tool ）模型是美国农 业部（USDA ）农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的 一个长时段的散布式流域水文模型 .它主要基于 SWRRB 模 型，并吸取了 CREAMS 、GLEAMS 、EPIC 和 ROTO 的主 要特征 .SWAT 具有很强的物理根本，能够利用 GIS 和 RS 提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质， 用来协助水资源办理，即预测和评估流域内水、泥沙和农 业化学品办理所产生的影响 .该模型主要用于长期预测，对 单一洪水事件的演算能力不强，模型主

2、要由 8 个部分组成： 水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农业 办理和杀虫剂 .SWAT 模型拥有参数自动率定模块，其采取 的是 Q.Y.Duan 等在 1992 年提出的 SCE-UA 算法 .模型采取 模块化编程，由各水文计较模块实现各水文进程模拟功 效，其源代码地下，便利用户对模型的改良和维护 . 2 模型原理 SWAT 模型在进行模拟时，首先按照 DEM 把流域划分 为一定数目的子流域，子流域划分的大小可以按照定义形 成河道所需要的最小集水区面积来调整，还可以通过增减 子流域出口数量进行进一步伐整 .然后在每一个子流域内再 划分为水文响应单元 HRU.HRU 是同一个子流域

3、内有着相同 土地利用类型和土壤类型的区域 .每一个水文响应单元内的 水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、 地下水回流和河道运移损失来计较的 .地表径流预算一般采 取 SCS 径流曲线法 . 渗透模块采取存储演算办法，并结合裂 隙流模型来预测通过每一个土壤层的流量，一旦水渗透到 根区底层以下则成为地下水或产生回流 .在土壤剖面中壤中 流的计较与渗透同时进行 .每一层土壤中的壤中流采取动力 蓄水水库来模拟 .河道中流量演算采取变动存储系数法或马 斯金根演算法 .模型中提供了三种预算潜在蒸散发量的计较 办法 Hargreaves、 Priestley-Taylor 和 Penman-M

4、onteith. 每 一个子流域内侵蚀和泥沙量的预算采取改良的 USLE 方程， 河道内泥沙演算采取改良的 Bagnold 泥沙运移方程 .植物吸 收的氮采取供需办法计较，植物的氮日需求量是植物与生 物量中氮浓度的函数 .土壤中向植物供应氮，当需求超出供 应时，出现营养物压力 .地表径流、壤中流和渗透进程运移 的硝态氮量由水量和土壤层中的平均硝态氮浓度来估量 .泥 沙中运移的有机氮采取 McElroy et al. 开发的负荷方程，后 经进一步改良 .该负荷方程基于土壤表层的有机氮浓度、泥 沙量和富集率来估量径流中的有机氮损失 .植物吸引的磷采 取与氮相似的供需办法径流中带走的可溶解磷采取土壤

5、表 层中的不稳定磷、径流量和磷土别离系数来计较 .泥沙运移 的磷采取与有机氮运移相同的方程 .河道中营养物的动态模 拟采取 QUAL2E 模型. 模型中采取的水量平衡表达式为： 式中：为土壤最终含水量， mm ；为土壤前期含水 量，mm； t 为时间步长，d； 为第 i 天降水量，mm；- 为第 i 天的地表径流， mm ； 为第 i 天的蒸发量，mm ； 叫为第 i 天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量， mm ；丄为第 i 天地下水含量，mm.SWAT 模型水文循环陆 地阶段主要有水文、天气、沉积、土壤温度、作物产量、 营养物质和农业办理等部分组成.模型径流量产生计较流程 图如下图 2-1

6、 所示. 图 2-1 SWAT 模型产流计较流程图 当落到地表的降水量多余入渗量时产生地表径 流.SWAT 模型采取 SCS 径流曲线法计较. SCS 曲线方程自上世纪 50 年代逐渐得到普遍使用，属 于经验模型，是对全美小流域降水与径流关系 20 多年的研 究成果模型能反响不合土壤类型和土地利用方法及前期土 壤含水量对降雨径流的影响，它是基于流域的实际入渗量 （F）与实际径流量（Q）之比等于流域该场降雨前的最大 可能入渗量（S）与最大可能径流量（ ）之比的假定根本 上成立的 SCS 模型的降雨-径流根本关系表达式如下： 式中：假定潜在径流量（ ）为降水量（P）与由径流产生 前植物截留、初渗和

7、填洼蓄水组成的流域初损（ 口）的差值. 由此推到上式有： 初损 受土地利用、耕耘方法、浇灌条件、冠层截留、 下渗、填洼等因素的影响，它与土壤最大可能入渗量 S 呈 一定的正比关系，美国农业部土壤保持局在阐发了大量长 期的实验结果根本上，提出了两者最适合的比例系数为 0.2，即： 由此可得 SCS 方程为： 流域当时最大可能滞留量 在空间上与土地利用方法、 土壤类型和坡度等下垫面因素密切相关，模型引入的 值可 较好地确定 S，公式如下： CN 是一个无量纲参数， CN 值是反应降雨前期流域特 征的一个综合参数，它是前期土壤湿度、坡度、土地利用 方法和土壤类型状况等因素的综合 . 模型考虑的蒸散发

8、是指所有地表水转化为水蒸气的进 程， 包含树冠截留的水分蒸发、蒸腾和升华及土壤水的蒸 发.蒸散发是水分转移出流域的主要途径，在许多江河道 域，蒸发量都大于径流量 .准确地评价蒸散发量是预算水资 源量的关头，也是研究气候和土地笼盖变更对河川径流影 响的关头. (1) 潜在蒸散发 模型提供了 Penman-Monteith、Priestley-Taylor 和 Hargreaves 三种计较潜在蒸散发的办法，另外还可以使用实 测资料或已经计较好的逐日潜在蒸散发资料.一般采 取 Penman-Monteith 办法来计较流域的潜在蒸散发 . (2) 实际蒸散发 实际蒸散发以潜在蒸散发为计较根本 在计

9、较流域实际 蒸散发量的时候，模型首先计较植物冠层截留水分的蒸 发，然后计较最大蒸腾量、最大升华量和最大土壤蒸发 量，最后计较实际的升华量和土壤水分蒸发量 (3) 冠层截留蒸发量 模型在计较实际蒸发时假定尽可能蒸发冠层截留的水 分， 如果潜在蒸发量 小于冠层截留的自由水量险 I，贝 y： 式中：日为某日流域的实际蒸发量， mm;：为某日冠层自 由水蒸发量，mm;囱为某日的潜在蒸发量， mm;乐珂为某 日植被冠层自由水初始含量， mm; %1 逆 1 为某日植被冠层自 由水终止含量， mm. 如果潜在蒸发量 大于冠层截留的自由水含量 贝 当植被冠层截留的自由水被全部蒸发掉，持续蒸发所 需的水分就会

10、从植被和土壤中得到 . (4) 植物蒸腾 假定植物生长在一个理想的条件下，植物蒸腾可用以 下表达式计较： 式中：目为某日最大蒸腾量，mm ；为植被冠层自由水蒸发 调整后的潜在蒸发 = 油，mm ； LAI 为叶面积指数.因 为没有考虑到植物下面图层的含水量问题，由此公式计较 处的蒸腾量可能比实际蒸腾量要大一些 . （5） 土壤水分蒸发 在计较土壤水分蒸发时，首先区分出不合深度土壤层 所需要的蒸发量，土壤深度条理的划分决定土壤允许的最 大蒸发量，可由下式计较： 式中：匕仁为 z 深度处蒸发需要的水量， mm; z 为地表以 下土壤的深度，mm.表达式中的系数是为了满足 50%的蒸发 所需水分来自

11、土壤表层 10mm，以及 95%的蒸发所需水分来 自 0100mm 土壤深度规模内. 土壤水分蒸发所需要的水量是有土壤上层蒸发需水量 与土壤下层蒸发需水量决定的： 式中:为 ly 层的蒸发需水量， mm ；电为土壤下层 的蒸发需水量，mm;巨二为土壤上层的蒸发需水量， mm. 土壤深度的划分假定 50%的蒸发需水量由 010mm 内 土壤上层的含水量提供，因此 100mm 的蒸发需水量中 50mm 都要由 10mm 的上层土壤提供，显然上层无法满足需 要，这就需要成立一个系数来调整土壤层深度的划分，以 满足蒸发需水量，调整后的公式可以暗示为： 式中：esco 为土壤蒸发调节系数，该系数是 SW

12、AT 为调整 土壤因毛细作用和土壤裂隙等因素对不合土层蒸发量二提 出的，对于不合的 esco 值对应着相应的土壤层划分深度 渗入到土壤中的水有多种不合运动方法 土壤水可以被 植物吸收或蒸腾而损耗，可以渗透到土壤底层最终补给地 下水，也可以在地表形成径流，即壤中流 .由于主要考虑径 流量的多少，因此对壤中流的计较扼要归纳综合 .模型采取 动力储水办法计较壤中流.相对饱和区厚度 M 计较公式为： 式中：沖爲为土壤饱和区内可流出的水量， mm ； 为 山坡坡长，m;可为土壤可出流的孔隙率； 暗示土壤层总 孔隙度，即 三与土壤层水分含量达到田间持水量的孔隙度 %之差. 山坡出口断面的净水量为： 式中：

13、为出口断面处的流速， mmh.其表达式为： 式中：瓦时为土壤饱和导水率， mmh ;引为坡度. 总结上面表达式，模型中壤中流最终计较公式为： ?地下水 模型采取以下表达式来计较流域地下水： 式中： 三为第 i天进入河道的地下水补给量， mm ； 为第（i ）天进入河道的地下水补给量， mm ；;为时间步 长，d; 式中：墅血屮 seephc】峥1二1| 土壤侵蚀模型 式中： 按照天气条件，泥沙输移量可以高于或低于输移能 力，导致沉积过量的泥沙通过渠道侵蚀再悬浮输移泥沙 .流 速方程为： 式中：F 为流量，m3/s; M 为渠道宽度，m;为径流深，m. 对于低于齐岸深度的径流，径流深使用 Man

14、ning 方程 来计较，假定渠道宽度远大于深度： 式中：为渠道曼宁系数； 为渠道坡度，m/m. 由于降水和径流产生的土壤侵蚀是用 MUSLE 方程来计 较的，MUSLE 是修正的通用土壤流失方程（ USLE）.USLE 方程是通过降水动能函数预测年均侵蚀量，而在 MUSLE 中，用径流因子代替降水动能，改良了泥沙产量的预测， 这样就不需要泥沙输移系数，并且可以将方程用于单次暴 雨事件，因为径流因子是先行湿度和降水动能的函数 .USLE 中需要输移系数是因为降水动能因子暗示的能量只在作用 流域内起作用修正的通用土壤流失方程为； 式中：叵 3 为土壤侵蚀量，t; 为地表径流，mm/h ； 1为 洪

15、峰流量，m3/s；九口为水文响应单元的面积， hm2 ； l?USLE 为土壤侵蚀因子； 5乩 F 为植被笼盖和办理因子；pUSLE 为水土 保持措施因子； 为地形因子；为粗碎屑因子. 当其他影响侵蚀的因子不变时， -因子反应不合类型土 壤抵抗侵蚀力的凹凸.它与土壤物理性质的影响，如机械组 成、有机质含量、土壤结构、土壤渗透性等有关 .当土壤颗 粒粗、渗透性大时，值就低，反之则高；一般情况下 值 得变幅在 0.020.75 之间. 、值得直接测定办法是：在尺度小区（坡长为 22.1m，宽 为 1.83m，坡度为 9% ）上没有任何植被，完全休闲，无水 土保持措施，降水后收集由于坡面径流而冲蚀到

16、集流槽内 的土壤，烘干、称重，由公式计较得到 K 值. 试验测算 式中：冏为颗粒尺度参数；曲加工 式中：贏-爲咏为土壤有机质因子； 気讪 式中：叵为粒径在 0.052.00mm 沙粒的百分含量； 土为粒 径在0.0020.05mm 的淤泥、细砂百分含量； 叫为粒径小于 0.002mm的粘土百分含量； 为各土壤层中有机碳含 量，%. 植被笼盖和办理因子玉;暗示植物笼盖和作物栽培措施 对避免土壤侵蚀的综合效益，其寄义是在地形、土壤、降 水条件相同的情况下，种植作物或林草地的土地与连续休 养地土壤流失量的比值，最大取值为 1.0.由于植被笼盖受植 物生长期的影响， SWAT 模型通过下面的方程调整植

17、被笼 盖和办理因子匹： 式中：汽卫:J 是最小植被笼盖和办理因子值； 是地表 植物残留量，kg/hm2. 最小 C 因子可以由已知年平均 C 值，通过以下方程计 较. 式中：S 匹暗示不合植被笼盖的年均 C 值. 水土保持因子:是指有保持措施的地表土壤流失与不 采纳任何措施的地表土壤流失的比值，这里的水土保持措 施包含等高耕耘、带状种植和梯田 等高耕耘对于中低强度的降水侵蚀具有庇护水土流失 的作用，但对于高强度的降水其庇护作用则很小，等高耕 耘对坡度为 3%8%之间的土地很是有效. 地形因子1 SusLE的计较公式如下： 式中：已为坡长；：为坡长指数； 为坡度. 坡长指数回的计较公式如下： 式

18、中： 为水文相应单元的坡度，曲厂出. CFRG 因子 1 因子是通过下面公式计较的: 式中：，为第一层土壤中砾石的百分比， %. SWAT 模型可以模拟不合形态氮的迁移转化进程，地 表径流流失、入渗淋失、化肥输入等物理进程，有机氮矿 化、反硝化等化学进程以及作物吸收等生物进程，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 的迁移等进程，有机氮又被划分为活泼有机氮和惰性有机 氮两种状态，以及铵态氮挥发进程的模拟 硝态氮主要随地表径流、侧向流或渗流在水体中迁 移， 要计较随水体迁移的硝态氮量必须先计较自由水中硝 态氮浓度，用这个浓度

19、乘以各个水路流动水的总量，便可 得到从土壤中流失的硝态氮总量 . 自由水部分的硝态氮浓度可用下面公式计较： 式中：卜为自由水中硝态氮浓度， kg/mm ;卩刘酣为土壤 中硝态氮的量，kg/hm2 ； 为土壤中自由水的量， mm; 为孔隙度；为土壤饱和含水量. （1） 通过地表径流流失的溶解态氮计较公式： 式中：隔讪为通过地表径流流失的硝态氮， kg/hm2 ;队为 硝态氮渗流系数；奶为地表径流，mm. （2） 通过侧向流流失的溶解态氮的量计较公式： 对于地表 10mm 图层： 对于 10mm 以下的土层： 式中：恥珈,匕.为通过侧向流流失的硝态氮， kg/hm2 ;队为 硝态氮渗流系数； 为自

20、由水的硝态氮浓度， kg/mm ； 5 b 为侧向流，mm. (3) 通过渗流流失的溶解态氮量计较公式： 式中：入顷为通过渗流流失的硝态氮， kg/hm2 ;卩改映 为自由水的硝态氮浓度，kg/mm;四右-为渗流，mm. 有机氮通常是吸附在土壤颗粒上随径流迁移的，这种 形式的氮负荷与土壤流失量密切相关，土壤流失量直接反 应了有机氮负荷有机氮随土壤流失的输移量计较公式为： 式中：poz 讪为有机氮流失量，kg/hm2 ; P。护为有机氮在表层 土壤中的浓度，kg/t;同为土壤流失量，t;血为水文相应单 元的面积，hm2 ； 为氮富集系数，氮富集系数是随土壤流 失的有机氮浓度和土壤表层有机氮浓度的

21、比值 计较富集系数的公式如下： 式中：Pu 叫为地表径流中泥沙含量 P 沁的计较公式如下： 式中：为土壤流失量，t; 为水文相应单元面积 ， hm2； 为地表径流， mm. 溶解态磷在土壤中的迁移主要是通过扩散作用实现 的，扩散是指离子在微小尺度下由于浓度梯度而引起的溶 质迁移，由于溶解态磷不很活泼，所以由地表径流以溶解 态形式带走的土壤表层的磷很少，地表径流输移的溶解态 磷可由下面公式计较： 式中：丄为通过地表径流流失的溶解态磷，kg/hm2 ; 巨二二为土壤中溶解态磷，kg/hm2 ; 为土壤溶质密度， mg/m3 ;也为表层土壤深度， mm ; K 为土壤磷分派系 数，表层土壤中溶解态磷

22、的浓度和地表径流中溶解态磷浓 度的比值. 有机磷和矿物质磷通常是吸附在土壤颗粒上通过径流 迁移的，这种形式的磷负荷与土壤流失量密切相关，土壤 流失量直接反应了有机磷和矿物质磷负荷，有机磷和矿物 质磷随土壤流失输移量计较公式为： 式中：卩沁为有机磷流失量，kg/hm2 ;卩为有机磷在表层土 壤中的浓度，kg/t ；为土壤流失量，t； 为水文相应单元 的面积，hm2；为磷富集系数. 模型中定义的河道均是明渠流， SWAT 用曼宁公式来 定义河道糙率和水流流速 水流在河道中演进进程使用变储 量演算法或马斯金根法，两种办法都是动力波方程 .在模拟 中一般使用马斯金根法来计较. （1）马斯金根法 马斯金

23、根法假定河道内水体形状是由一个楔形蓄水体 和一个棱形蓄水体组成，如下图 所示. 图 ？?河道水体示意图 当洪水波行进到某个河段槽， 入流量大于出流量便形 成了楔形蓄水体当洪水波退去，在河段槽便出现了出流量 大于入流量的负楔蓄体.另外对于楔蓄水体，河段槽内始终 包含一个别积为流域长度上横截面不变的棱柱状水体 总的蓄水容量为： 式中： 打沁为蓄水容量，m?；m 为入流量，m?s;如为出流 量，m?s; 为稳定流情况下的河段传播时间； 、为流量比重 因素. 该公式可以重新整理为如下形式： 流量比重因素的下限为 0.0,上限为 0.5.这个因子是楔 蓄量的函数.对于水库式蓄水，没有楔蓄，上工；而对于一

24、 个完整的楔蓄，二 J 辽；对于河道，落在 0.0 和 0.3 之间， 其平均值接近 02 对于蓄水容量的定义可以参加连续公式并简化为： 式中：三为该时间段开始时的入流量， m3/s； 为该时间 段结束时的入流量， m3/s;匚为该时间段结束时的出流 量，m3/s； 咼:为该时间段结束时的出流量， m3/s. 其中，5+55-】.为了用体积单位暗示所有值，在蓄 水容量公式两端乘以该时间段得到： 为了保持数值稳定和避免出现负出流量的计较，必须 满足以下条件： 流量比重因素 X 的值由使用者输入，蓄水时间常数的 值预算如下： 式中：K 为稳定流情况下的河段传播时间， s； 叫和以皿；为 权重系数，

25、由使用者输入； 为稳定刘情况下渠道蓄满 水的河段传播时间，s；瓦忑为渠道蓄满 1/10 水量时河段 传播时间，s. 要计较KhHiiu 和 Fa】 bnkfuii, Cunge 于 1969 年提出一个公 式： 式中：匚为渠道长度，km ;-为指定深度处的波速， m/s. 波速的计较公式为： 其中流速匚由曼宁公式求解，将曼宁公式代入上式得： 式中：为湿周，m;也或为河段坡度，%;门为曼宁系数； 为流速，m/s. （2）变储量演算法 对于一个给定的河段，储量演算基于连续方程 tn out stored，可写为： 式中：为稳定流情况下的河段传播时间， s； 为该时间 段开始时的入流量， m3/s

26、； 1为该时间段结束时的入流 量，m3/s；匚 J 为该时间段开始时的出流量， m3/s；出 为 该时间段结束时的出流量， m3/s；冋为该时间段开始时 的蓄水容量，m3 ; 曲门为该时间段结束时的蓄水容量， m3. 演进时间是由渠道中的水容量除以水流流量： 式中：J 祸为蓄水容量，m3; 呦为出流量，m3/s. 联合以上两式，简化为： 2Al , - 其中，兰 I为蓄水系数， ； 亘空为入流平均流 量， 2 ， m3/s. 整理上式得： 为用体积单位来表达所有变量，公式两边都乘以时间 段，则有： 3 软件操纵 要创建 SWAT 数据集， ArcSWAT 需要拜访提供流域信 息的准确类型的 A

27、rcGIS 的栅格、矢量和数据文件 .这些必须 的地图主题和数据文件必须在运行 SWAT 之前准备好 . 空间数据包含必须的 ARCSWAT 空间数据和可选的 ARCSWAT 空间数据 .SWAT 空间数据集可以以任何投影类 型来创建，但所有的地图必须用同一投影 . （ 1）必须的 ARCSWAT 空间数据 DEM ，ESRI GRID Format.DEM 的高程值可以用整型 或实数型 . 决定地图分辩率的单位不必与高程的单位 保持一致.例如地图分辩率可以是米（m），而高程可 以是英尺（feet）.地图分辩率单位必须定义为以下几 种 ： 米 （ m ） ， 千 米 （ km ） ， 英 尺

28、（ feet） ， 码 （yards），英里（miles）.高程单位必须定义为以下 几种：米（m），厘米（cm），码（yards），英尺 （feet），英寸（inches）. Land Cover/Land Use ， ESRI GRID ， Shapefile ， or Feature Class Format. 土地利用图中的类别需要重新分 类为 SWAT 需要的土地利用类型 .用户可以用三种办 法重新分类土地利用，第一种是创建地图时用美国地 质勘探局的分类代码；第二种是加载土地利用图时为 每一分类选定 SWAT 土地利用类型；第三种是为土 地利用图的不合分类创建一个能够识别 4 位 SW

29、AT 代码的 look up 表 . Soil ， ESRI GRID，Shapefile，or Feature Class Format. 用户需要输入 SWAT 土壤文件，在创建工程之前把 图中每一类的土壤数据输入 User Soil database 中.要对 土壤图的土壤类型进行重分类， 信息必须在界面中手 动输入，列出土壤信息 look up 表 2）可选的 ARCSWAT 空间数据集 DEM Mask，ESRI GRID ， Shapefile or Feature Class Format.模型可以加载一个 mask 在 DEM 之上. STREAMS ，Shapefile or

30、 Feature Class Format. 在那些地 势很低的地方， DEM 地图网格不克不及精确地判断 河道的位置，就需要有河网描绘的 shapefile 线性文件 . User-Defined Watersheds， Shapefile or Feature Class F o rm at .用户可以自定义子流域划分加载到模型中去， 如果选择自定义子流域也必须自定义河网 . User-Defined Streams，Shapefile or Feature Class Format. 用户自定义子流域后，模型将不会进行河网提取，需 要用户自行定义 . 属性数据包含：土壤属性数据、气象资料

31、数据和水文 数据 .SWAT 模型通过三个个数据库来存储属性数据，其中 气象资料数据通过模型自带的数据库进行存储，另外自定 义的土壤属性数据和蔼象站参数数据通过两个附加的数据 库进行存储，水文数据用于模拟结果率定 . （1）土壤属性数据 模型需要的土壤属性数据包含两大类：土壤物理属性 和土壤化学属性 . 土壤的物理属性对土壤剖面中水和蔼的运动状况起决定作 用，并显著影响水文响应单元（ HRU ）中水文进程的模拟 土壤物理属性参数主要包含土层厚度、土壤层数、密度、 土壤颗粒大小散布和土壤饱和水力传导率等 .由于取得的土 壤属性数据难以完全满足构建 SWAT 模型土壤库的要求， 因此，部分无法直接

32、获得的参数如土壤可利用有效水、饱 和水力传到率等采取美国农业部开发的土壤水特性程序 SPAW 进行预算；部分参数通过对前人的研究成果和经验 公式取得 .预算结果仅简单反应土壤参数特征，在模型参数 校准的进程中还需做进一步伐整 . （2）气象、水文资料数据 SWAT 模型所需要的气象数据包含气象站点的位置以 及各气象站点的实测数据 .气象站点包含雨量站、湿度站、 温度站、风速站、太阳辐射站，其实测数据辨别为日降水 量、相对湿度、日最高 / 最低气温、风速和太阳辐射 .本文采 取北京站的气象资料来构建模型 “天气产生器 ”所需的数 据 .SWAT 模型自带的天气产生器 WXGEN ，其功效有二，

33、一是用于生成气候数据，通过大量根本气象数据构建完成 之后，可以用来生成任意年份的气象数据，二是对缺失的 数据进行填补 . SWAT 模型每次模拟都会生成五个输出文件：输入汇 总文件(input.std)、输出汇总文件(output.std)、HRU 输 出文件(output.hru )、子流域输出文件( output.sub)、河 道输出文件( output.rch). HRU 输出文件包含了流域中每一个水文响应单元的信 息，文件中输出数据介绍如下： MON ：时间步长，按照用户选择可以为日、月、年； AREA ：HRU 的面积， km2； PRECIP :时间步长内 HRU 的降雨量，mm;

34、 SNOFALL ：时间步长内 HRU 的降雪量， mm； SNOMELT :时间步长内 HRU 的冰雪融化量， mm； IRR :浇灌用水量， mm； PET：潜在蒸散发量， mm; ET:实际蒸散发量，mm ； SW-INIT ：土壤初始含水量， mm; SW-END ：时间步长后土壤含水量， mm； PERC:植物蒸腾水量，mm; GW-RCHG ：入渗量， mm； DA-RCHG :深层地下水补给量， mm； REVAP :浅层地下水向表层土壤回流量， mm； SA-IRR :浅层地下水浇灌量， mm； DA-IRR :深层地下水浇灌量， mm； SA-ST :浅层地下水储水量，mm;

35、 DA-ST :深层地下水储水量， mm； SURQ-GEN :地表径流量， mm； SURQ-CNT :地表径流进入河道水量， mm； TLOSS :输移损失水量，mm; LATQ :侧向流水量， mm； GW-Q :地下水弥补河道水量， mm； WYLD :总产流量，包含地表径流、地下水、侧向 流，扣除损失水量， mm； DAILYCN :日径流曲线值； TMP-AV :日平均温度，摄氏度； TMP-MX :日最低温度，摄氏度； TMP-MN :日最低温度，摄氏度； SOL-TMP : 土壤温度，摄氏度； SOLAR :日辐射量， MJ/m2 ； SYLD :产沙量， t/ha； USLE

36、 ：土壤流失量， t/ha； N-APP ：氮肥施用量， kg/ha； P-APP:磷肥施用量，kg/ha; NRAIN ：氮素随降雨进入土壤量， kg/ha； NFIX :植物固氮量， kg/ha； ORGN :有机氮产生量，kg/ha; ORGP :有机磷产生量， kg/ha; SEDP :随泥沙磷流失量，kg/ha; NSURQ :地表径流中硝态氮量， kg/ha； NLATQ :侧向流中硝态氮含量， kg/ha； NO3L :土壤中被冲刷出的硝态氮， kg/ha； NO3GW :地下水流失硝态氮量， kg/ha； SOLP :溶解态磷产生量， kg/ha; P-GW :地下水溶解态磷流

37、失量， kg/ha. MON :时间步长，据用户选择可以为日、月、年； AREA :子流域面积， km2； PRECIP :降水量，mm ； SNOMELT :冰雪融化量， mm； PET:潜在蒸发量，mm; ET:实际蒸发量，mm ； SW: 土壤含水量，mm ； PERC :入渗量，mm ；SURQ :地表径流进入河道水量， mm; GW-Q ：地下水补给河道水量， mm； WYLD :流域产水量， mm; SYLD :流域产沙量， t/ha; ORGN :流域有机氮产生量， kg/ha ; ORGP:流域有机磷产生量， kg/ha; NSURQ :地表径流中硝态氮含量， kg/ha; S

38、OLP :流域溶解态磷产生量， kg/ha ； SEDP：流域矿化磷产生量， kg/ha； MON :时间步长，据用户选择可以为日、月、年； AREA :河道集水面积， km2； FLOW-IN :日平均入流量， m3/s； FLOW-OUT :日平均出流量， m3/s； EVAP :河道蒸发量， m3/s； TLOSS :河道输移损失水量， m3/s； SED-IN :泥沙入流量， t； SED-OUT :泥沙出流量，t SEDCONC :泥沙淤积量， mg/L ； ORGN-IN :有机氮输入量， kg； ORGN-OUT :有机氮输出量， kg； ORGP-IN :有机磷输入量， kg

39、； ORGP-OUT :有机磷输出量，kg ； NO3-IN ：硝态氮输入量， kg； NO3-OUT ：硝态氮输出量， kg； NH4-IN ：氨氮输入量， kg ； NH4-OUT ：氨氮输出量， kg； NO2-IN ：亚硝态氮输入量， kg； NO2-OUT ：亚硝态氮输出量， kg； MINP-IN ：矿化磷输入量， kg； MINP-OUT ：矿化磷输出量， kg； CBOD-IN ：生物需氧量输入量， kg； CBOD-OUT ：生化需氧量输出量， kg； DISOX-IN ：溶解氧输入量， kg DISOX-OUT ：溶解氧输出量， kg； DEM 包含地理平面坐标和高程数据两

40、类信息，由 DEM 自动提取水系或子流域会遇到两个问题，即凹陷与平坦处 水流标的目的的确定和水道起始点位置的确定 .水道起始点 位置处理采取最小水道集水面积阈值的办法形成河道水系 的根本水文进程 . 运用 GIS 软件，对流域 DEM 进行阐发和处理，可得到 栅格格局的水流流向，流域分水线，自动生成河网及其子 流域，河道和子流域编码、面积，河网结构的拓扑关系等 . （ 1） DEM 填洼 采取垫高添平办法对流域 DEM 模型中存在的洼地进行 凹陷处理，将洼地划分为阻挡型和凹陷型辨别处理，并运 用高程增量叠加算法来设定平坦部分的流向， 由此得到一 个与原数字高程模型相对应的无凹陷的 DEM 模型

41、 . （ 2）水流流向确定 计较 DEM 模型每个网格单元与其相岭的八个网格单元 之间的坡度，然后按最陡坡度原则确定单元水流流向，最 终形成包含所有网格单元在内的水流标的目的新矩阵 . （ 3）集水面积计较 沿坡度最陡原则确定的水流路径可以计较任何网格单 元上的坡面集水面积，其集水面积的量值以网格数目的多 少暗示，从而产生包含每个网格单元上坡面汇水面积的新 矩阵. （ 4）流域分水线划分 首先给出闭合流域出口断面的准确地理位置，即 DEM 模型网格单元上的行列坐标值；流域出口点位置确定后， 可以依照确定网格流向的办法来勾绘流域鸿沟 . （5）河网生成与编码 定义最小河道集水面积阈值，当集水面积

42、超出此阈值 时，则这些网格点就确定为河道 .进行河网编码时，首先从 流域出口断面向上游靠左搜索，对每个节点依次递增编 码，直至河道起始点，再从河道起点反标的目的搜寻，直 到找到新的节点或河道起点位置，同时按递增的顺序法则 编码，依次类推，最终搜寻至流域出口断面 . （ 6）特征参数提取 生成完整的河网后，可以确定每一河段左右岸集水面 积、河道上游末端节点及相应的子流域分水线，从而成立 河网节点、河段和子流域之间的关系，包含河段坡度、高 程、上游集水面积及其他信息 .流域勾绘进程中，依据 DEM 计较流域坡长、河道流向和流域水系 . 成立流域模拟的第一步是将流域划分为子流域 .空间数 据的输入时

43、基于网格，网格划分是子流域勾绘的根 本 .SWAT 模型基于 DEM 数据，在每个子流域上应用概念性 集总模型进行计较，再进行汇流演算，最后求得出口断面 流量和污染物质量 .每个子流域包含无限制的 HRU （至少一 个）、河段（一个）、主渠道网络中的池塘（可选）和点 源排放（可选）等 .子流域保持流域的地理位置并同其他的 子流域具有空间联系 .子流域勾绘可以从地表地形定义的子 流域鸿沟中得到，从而子流域的整个面积都流向子流域出 口，或子流域勾绘可以从网格鸿沟中取得，河段或主河道 同流域中的每个子流域想联系 . 应用 GIS 可以将流域划分为多个水文学上相联系的子 流域以便在 SWAT 流域模拟

44、中使用 .SWAT 流域东西应用并 扩展了 Arc View 的 Spatial Analyst Extension 的功效，可以 在 DEM 数据根本上进行子流域勾绘 .定义的参数规模会影响 所生成的子流域大小和数目，勾绘进程要求 grid 格局的 DEM 数据 .应用基于栅格 DEM 进行流域勾绘的八流点法 例，产生水流矢量栅格来填充凹陷点；通过计较栅格中到 达任一单元的水流奉献单元数产生汇流栅格 .那些潜在的座 位河网部分的单元会有较大的汇流值，而那些接近流域鸿 沟和坡面漫流控制的单元则会具有较低的汇流值 . 选择用来模拟子流域的数目取决于整个流域的大小， 输入数据的空间详细程度以及达到

45、研究目标所要求的详细 度.在划份子流域时，要注意流域的地貌特征（坡度、坡 长、渠道长度和渠道宽度等）在子流域水平上计较和汇总 河道的支流数目受到形成支流的汇流网格单元数目阈值的 限制，通过对河道支流下游鸿沟的定位可以对子流域出口 点进行定义 . SWAT 提供两种附加的设置东西： DEM 属性和阈值面 积 .这两种设置东西是相互联系的，第一种设置 DEM 的水平 和垂直单位，这对计较地貌系数以及从以公顷为单位的数 值中计较汇流单元数目阈值有重要作用 .模型中流域勾绘的 其他部分是一套独立的东西按钮，可以单击流域视图上相 应的位置或输入点位置来增加出口或入口点，也可以去除 选中的出口点 . 当出

46、水口确定后，定义主流域出水口 .出水口的类型有 7 种，辨别为： L 连接河道增加的出水口、 O 表格增加的出 水口、 T 手动增加的出水口、 P 手动增加的点源排放口、 D 表格增加的点源排放口、 I 表格增加的排水流域入口、 W 手 动增加的排水流域入口 .然后跟踪每个栅格单元的流向直到 遇到流域出口单元或到达 DEM 网格的鸿沟，完成子流域勾 绘.基于流域的地形特征将流域划分为子流域，保存了河 水、泥沙和化学物质的实际演算所要求的自然河道的路 径、鸿沟和渠道 . 勾绘完成后，会在当前的项目中参加详细的地形陈 述，随后结果专题图也会参加到流域视图中，包含：子流 域、河道、出水口和水库（可选

47、） . 地形陈述描述了流域内 合子流域单元的高程散布；结果专题图含有流域的特征参 数. 当子流域勾绘完成后，可以选择模拟每个子流域内单 个的土壤类型、土地利用将子流域划分为多个水文响应单 元（ HRUs ） .水文响应单元是子流域的一部分， 含有唯一的 土地利用和土壤属性，被假定为在子流域中有统一的水文 行动 .HRU 其实不合于田间小区，而是子流域内特定的土地 利用和土壤类型的总面积，而单个田间小区具有特殊的土 地利用和土壤类型，在整个子流域内可能是离散的，这些 面储蓄堆集集在一起形成 HRU.HRU 应用在模型中，通过聚 集所有相似的土壤类型和土地利用面积组成耽搁的响应单 元，从而简化了模

48、型运行 . HRU 的利益是增加了对子流域负荷预测的准确性 .不合 种类的植被生长和发育有很大的不合，当考虑了子流域内 植被笼盖的多样性时，从子流域中进入主渠道的径流量会 预测的更准确，对给定的子流域应该有 110 个 HRU. 当对 子流域内多个 HRU 进行模拟时，子流域内水文循环的陆地 阶段也进行了模拟，并对子流域内所有的 HRU 的负荷进行 了总汇，子流域的净负荷通过流域河网进行演算 . HRU 的概念标明，假定在子流域的 HRU 之间不存在相 互影响，每个 HRU 的负荷辨别进行计较，然后汇总在一起 确定子流域的总负荷 .可以对每个子流域分派单个 HRU 或多 个 HRU，如果选择一

49、个子流域单个 HRU，则 HRU 有子流 域内的主要土地利用分类和土壤类型来决定；如果选择多 个 HRU ，可以设定土地利用和土壤数据的敏理性，以用来 确定每个子流域内 HRU 的数目和种类，对多个 HRU ，要定 义土地利用和土壤类型面积阈值 .如果一种土地利用类型同 另一种土地利用的相互作用是重要的，可以将这些土地利 用面积定义为子流域而不是 HRU ，只有在子流域水平上， 空间关系才干被详细描述 . 在散布式水文模型的模拟计较中， 对现有的散布式水 文模型与情况模拟模型的精度要求也越来越高 .模型成长趋 势表示为两方面：一是模型自己的适用规模逐渐扩展，空 间上扩展到流域尺度，时间上精确计

50、较到日；二是模型模 拟规模逐渐拓展，在陆地循环和河道循环中计较水文要素 和水质数据 .但这需要模型校正为前提，一般的模型校正需 要大量的数据，如水文站、监测站的实测数据或是实验室 试验数据等 . 事实上，模型的准确性和可靠性是有限的 .模拟精确度 较高的是模拟小区域不透水的集水面上径流的水文模型， 误差在百分之几左右；可靠性最差的是模拟大流域的水质 模型，误差可能达到一个数据量级甚至更大 .按照非点源污 染产出的特点，首先率定的是水文进程，然后是泥沙和污 染物的迁移 .在水文或侵蚀进程出现的误差，会转移并且扩 大到其他进程，致使非点源污染负荷模拟误差增大 . 对散布式模型的大量参数进行阐发 .

51、一是运用摩尔斯分 类筛选法，即 “微扰动 ”阐发办法，考察大量的输入参数与输 出结果之间的相关性，对模型大量的参数进行定性分级筛 选，继而计较经验敏感指标值；二是在筛选分类的根本上 运用付利叶敏感型查验法计较相关性较好的一些参数计较 敏感度指标值，阐发其对输出结果的影响程度，即模型输 出结果对参数的敏理性 .SWAT 模型采取后者进行参数敏理 性阐发计较 . 当模型的结构和输入参数初步确定后， 需要对模型进 行参数校准和验证 .通常将所使用的资料系列分为两部分： 其中一部分用于模型参数校准，而另一部分则用于模型验 证.参数校准是模型验证的重要一步， 他能够揭示模型在设 计和执行进程中的缺陷，在

52、不克不及或难以取得需要的参 数值时，参数校准是相当有用的 尺度的参数校准进程是寻 找实测和预测状态的细微不同，并通过统计的泥河度来权 衡模型的适用性.当模型参数校准完成后， 应用参数校准数 据集意外的实验数据或现场不雅测数据对模型模拟值进行 对比阐发与验证，以评价模型的适用性 为证明一个经过校准了得模型是否可以使用，可以用 不合于校准的数据来进行验证 在 SWAT 模拟中，可以选择 相对误差 Re、相关系数 R2 和 Nash-Suttcliffe 系数来评价模 型的适用性.相对误差计较公式为： 式中：R已为模型模拟相对误差；P”为模拟值；Pi 为实测值.若 肌为正值，说明模型预测或模拟值偏大

53、；若 恥为负值，模型 预测或模拟值偏小；若三，则说明模型模拟结果与实测 值正好吻合. 相关系数计较公式为： 式中：Q 为实测值；PP为模拟值；R*理为平均值；为实测数 据个数.决定系数是实测值与模拟值做线性回归得到， 暗示 两者之间的线性关系，用于评价两者之间的吻合程度 如果 =1，暗示不雅测值与模拟值呈完全线性关系，完全吻 合；如果Ov1，暗示模拟值与实测值有一定的线性相关 性，其值越大线性相关性越好；如果 卫=0，说明模拟值与 实测值无任何线性关系. Nash-Suttcliffe 系数 的计较公式为： 式中：为实测值；“为模拟值；为平均值； 为实测数 据个数当壬1时，三；若为负值，说明模

54、型模拟平均 值比直接使用实测平均值的可信度更低 . SWAT 模型的校准一般分为水平衡和河道流量、泥 沙、营养物质校准等在 SWAT 模型中，产水量是指离开子 流域，并在子流域出口汇入河道的水量，是地表径流、根 区侧向流和地下水径流减去子流域渠道输移损失和水池别 离后的水量泥沙产量是指从子流域到达出口的泥沙量，是 子流域出口处丈量到的泥沙量 . （1）径流验证 径流校准采取数字滤波技巧将实测径流联系为直接径 流和基流两部分，然后辨别对直接径流和基流进行校准 .先 对基流进行校准，对于基流校准调整的参数包含：地下水 再蒸发系数匸空二土壤蒸发抵偿系数 匿因、土壤可利用水 量加 L -人和基流 5 丘系数.在基流校准达到尺度时，对直 接径流进行校准，调整的参数为径流曲线数 ，其调整规 模为初始值的 L，按照不合 HRU 的 值，计较得其面积 平均初始值，最终使总径流量得到较好的拟合 . （2）泥