SWAT水文模型介绍

SWAT水文模型介绍

1概述

SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)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分布式流域水文模型。它主要

基于SWRRB模型，并吸取了CREAMS、GLEAMS.EPIC和ROTO的主要特征。SWAT

具有很强的物理基础，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，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业

化学品管理所产生的影响。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、农业管理和杀虫剂。SWAT模型拥有参数自动率定模块，其采用的是

Q.Y.Duan等在1992年提出的SCE-UA算法。模型采用模块化编程，由各水文计算

模块实现各水文过程模拟功能，其源代码公开，方便用户对模型的改进和维护。

2模型原理

SWAT模型在进行模拟时，首先根据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根据定义形成河流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调整。然后在每一个子流域内再划分为水

文响应单元HRUoHRU是同一个子流域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算的。地表径流估算一般采用SCS径流曲

线法。渗透模块采用存储演算方法，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

中流的计算与渗透同时进行。每一层土壤中的壤中流采用动力蓄水水库来模拟。

河道中流量演算采用变动存储系数法或马斯金根演算法。模型中提供了三种估算

潜在蒸散发量的计算方法一Hargreaves>Priestley-Taylor#Penman-Monteitho每

一个子流域内侵蚀和泥沙量的估算采用改进的USLE方程，河道内泥沙演算采用

改进的Bagnold泥沙运移方程。植物吸收的氮采用供需方法计算，植物的氮日需

求量是植物与生物量中氮浓度的函数。土壤中向植物供给氮，当需求超过供给时,

出现营养物压力。地表径流、壤中流和渗透过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计。泥沙中运移的有机氮采用McElroyetal.开发的负荷

方程，后经进一步改进。该负荷方程基于土壤表层的有机氮浓度、泥沙量和富集

率来估计径流中的有机氮损失。植物吸引的磷采用与氮相似的供需方法。径流中

带走的可溶解磷采用土壤表层中的不稳定磷、径流量和磷土分离系数来计算。泥

沙运移的磷采用与有机氮运移相同的方程。河道中营养物的动态模拟采用

QUAL2E模型。

2.1产汇流模型

模型中采用的水量平衡表达式为：

t

-

SWf=SW0+W(Rday-Qsurf—Ea—WseepQgw)

i=l

式中：SWt为土壤最终含水量，mm；SWo为土壤前期含水量，mm；t为时间步

长，d；Rday为第i天降水量，mm；Qs.f为第i天的地表径流，mm；为第i

天的蒸发量，mm；为第i天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量，mm；

Qgw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、营养物质和农业管理等部分组成。模型径流量产生

计算流程图如下图2-1所示。

图2-1SWAT模型产流计算流程图

2.1.1地表径流

当落到地表的降水量多余入渗量时产生地表径流。SWAT模型采用SCS径流

曲线法计算。

SCS曲线方程自上世纪50年代逐渐得到广泛使用，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。模型能反应不同土壤类型和土地

利用方式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（Qm）之比的假定基础上建立的

SCS模型的降雨-径流基本关系表达式如下：

F_S

QQm

式中：假定潜在径流量（Qm）为降水量（P）与由径流产生前植物截留、初渗和

填洼蓄水构成的流域初损（Ia）的差值。由此推到上式有：

“S+P-Ia

初损la受土地利用、耕作方式、灌溉条件、冠层截留、下渗、填洼等因素的

Ea=Ecan=E。

ElNT⑴=EiNT(i)-Ecan

式中：Ea为某日流域的实际蒸发量，mm；Ecan为某日冠层自由水蒸发量，mm；

Eo为某日的潜在蒸发量，mm；EINT⑴为某日植被冠层自由水初始含量，mm；

E[NT(f)为某日植被冠层目由水终止含量，mm。

如果潜在蒸发量Eo大于冠层截留的自由水含量E@T则：

Ecan=E[NT(i)

EiNT⑴=0

当植被冠层截留的自由水被全部蒸发掉，继续蒸发所需的水分就会从植被和

土壤中得到。

(4)植物蒸腾

假设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算：

当0WLAIW3.0时

Eo*LAI

当LAI>3.0时

Et=Eo

式中：及为某日最人蒸腾量，mm；Eo为植被冠层自山水蒸发调整后的潜在蒸发

E0=E0-Ecan,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，由此公式计算处的蒸腾量可能比实际蒸腾量要大一些。

(5)土壤水分蒸发

在计算土壤水分蒸发时，首先区分出不同深度土壤层所需要的蒸发量，土壤

深度层次的划分决定土壤允许的最大蒸发量，可由下式计算：

E

Esa】.z=sz+eXp(2.347-0.00713xz)

式中：Eaz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土壤表层10mm,以及95%

的蒸发所需水分来自0〜100mm土壤深度范围内。

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:

Esoil,ly-Esoil,zl—^*soiLzu

式中：Es°i]iv为ly层的蒸发需水量，mm；Eson力为土壤下层的蒸发需水量，

mm；ER为土壤上层的蒸发需水量，mm。

土壤深度的划分假设50%的蒸发需水量由。〜10mm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，这就需要建立一个系数来调整土壤层深度的划分，以满足蒸发

需水量，调整后的公式可以表示为：

Esoil,ly-Esoi],zl—Esoil,zuXeSC0

式中：esc。为土壤蒸发调节系数，该系数是SWAT为调整土壤因毛细作用和土壤

裂隙等因素对不同土层蒸发量二提出的，对于不同的esco值对应着相应的土壤

层划分深度。

2.1.3土壤水

渗入到土壤中的水有多种不同运动方式。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，因此对壤中流的计算简要概括。模型采用动力储水

方法计算壤中流。相走饱和区厚度H。计算公式为：

_2XSW)yexcess

°=1000x①d.Lhii]

式中：SW]yexcess为土壤饱和区内可流出的水量，mm；出山为山坡坡长，m；Od

为土壤可出流的孔隙率；①d表示土壤层总孔隙度，即①soil与土壤层水分含量达

到山间持水量的孔隙度中忆之差。

①d=6soil_6fc

山坡出口断面的净水量为：

Qlat=24XHotV]at

式中：Viat为出口断面处的流速，mm/ho其表达式为：

V|at=Ksat-Sip

式中：(at为土壤饱和导水率，rnm/h；sip为坡度。

总结上面表达式，模型中壤中流最终计算公式为:

C_nA9A2XSW]y,excessKsatsip

Qlat=0.024X——

①.Lhni

2.1・4地下水

模型采用以下表达式来计算流域地下水：

Qw.i=Qw,i-i

gg,exp(-agw-At)+wrchrg-[1-exp(-agw-At)]

式中：Qgw.i为第i天进入河道的地下水补给量，mm；Q".一为第(i-1)天进

入河道的地下水补给量，mm；At为时间步长，d；WErg为第i天蓄水层的补给

流量，mm：agw为基流的退水系数。其中补给流量由下式计算：

Wrchrg,i1/bgw)•

=[1-exp(-l/sgw)]-Wseep+exp(—wrchrg>,_1

式中：Wrchrg,i为第i天蓄水层补给量，mm；3gw为补给滞后时间，d;Wseep为

第i天通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量,mm/d；w“h®I为第｛i-1)

天蓄水层补给量，mm,

2.2土壤侵蚀模型

泥沙生成量用MUSLE方程来预测，计算渠道泥沙输移量的公式为：

T=a-Vb

式中：T为输移能力，t/m3；V为流速，m/s；a和b是常数。

根据天气条件、泥沙输移量可以高于或者低于输移能力，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：

F

V=--

w-d

式中：F为流量，m3/s；w为渠道宽度，m；d为径流深，m<>

对于低于齐岸深度的径流，径流深使用Manning方程来计算，假定渠道宽

度远大于深度：

_/F-n\06

日\w-cs0,5/

式中：n为渠道曼宁系数；cs为渠道坡度，m/mo

由于降水和径流产生的土壤侵蚀是用MUSLE方程来计算的，MUSLE是修正

的通用土壤流失方程(USLE)oUSLE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，改善了泥沙产量的预测，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表示的能量只

在作用流域内起作用。修正的通用土壤流失方程为；

m

sed=1L8X(Qsurf*Mpeak,^hru),^USLE'RsLE'^USLE,LSUSLE,CFRG

式中：msed为土壤侵蚀量，t;Qsurf为地表径流，mm/h;qpeak为洪峰流量，m§/s；

Ahru为水文响应单元的面积，hm2；KUSLE为土壤侵蚀因子；CUSLE为植被覆盖和

管理因子；PUSLE为水土保持措施因子；•LSUSLE为地形因子；CFRG为粗碎屑因子。

2.2.1土壤侵蚀因子KUSLE

当其他影响侵蚀的因子不变时，K因子反映不同类型土壤抵抗侵蚀力的高低。

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，K值就低，反之则高；一般情况下K值得变

幅在0.02~0.75之间。

K值得直接测定方法是：在标准小区(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

而冲蚀到集流槽内的土壤，烘干、称重，由公式计算得到K值。

试验测算K值既费时又费力，1971年一些学者发展了一个通用方程来计算土

壤侵蚀因子K值，该方程在土壤黏土和壤土组成少于70%时适用。

114

_0.00021xM-(12-0M)+3.25x(csoilstr-2)+2.5x(cperm-3)

"LE=丽

式中：M为颗粒尺度参数；0M为有机物含量百分比，％；CSOHSU•为土壤分类中的

结构代码；Cperm为土壤剖面可渗透性类别。

1995年另一位学者提出了一个替换方程:

KUSLE=fcsand

式中：Land为粗糙砂土质地土壤侵蚀因子；fc"si为粘壤土土壤侵蚀因子；Lgc为

土壤有机质因子；fh3nd为高砂质土壤侵蚀因子。各因子的计算公式如下：

fcsand=02+0.3xexp[-0.256xms(1-

\JLUU，」

\iric+nisj)^/

f_10.25Xporgc

orgc

Porgc+exp(3.72-2.95xporgC)

f=i_____________87x(1-藁)____________

1-(1-魏+exp…22.9(1一揣)]

式中：ms为粒径在0.05〜2.00mm沙粒的百分含量;1^比为粒径在0.002〜0.05mm

的淤泥、细砂百分含晶m,为粒径小于0.002mm的粘土百分含量；p°「gc为各土

壤层中有机碳含量，%o

2.2.2植被覆盖因子CUSLE

植被覆盖和管理因子CusLE表示植物覆盖和作物栽培措施对防止土壤侵蚀的

综合效益，其含义是在地形、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。由于植被覆盖受植物生

长期的影响，SWAT模型通过下面的方程调整植被覆盖和管理因子CUSLE：

CUSLE=exp{[ln0.8-In(CIISIEmm)]-exp(-0.00115-rsdsurf)

+In(CUSLEmm)}

式中：CUSLEmm是最小植被覆盖和管理因子值；rsdsurf是地表植物残留量，

2

kg/hmo

最小C因子可以由已知年平均C值，通过以下方程计算。

CUSLE,mm=1463xIn(CUSLE,mm)+0.1034

式中：JsLE.mm表示不同植被覆盖的年均C值。

2.2.3水土保持措施因子PUSLE

水土保持因子PUSLE是指有保持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，这里的水土保持措施包括等高耕作、带状种植和梯田。

等高耕作对于中低强度的降水侵蚀具有保护水土流失的作用，但对于高强度

的降水其保护作用则很小，等高耕作对坡度为3%〜8%之间的土地非常有效。

2.2.4地形因子

地形因子LSUSLE的计算公式如下:

LSUSLE=•(65.41-sin2ahin+4.56xsinahill+0.065)

式中：［为坡长；m为坡长指数；othiii为坡度。

坡长指数m的计算公式如下:

m=0.6x[1—exp(—35.835xsip)]

式中：sip为水文相应曲元的坡度，sip=tanahiIP

2.2.5CFRG因子

CFRG因子是通过下面公式计算的：

CFRG=exp(-0.053xrock)

式中：rock为第一层土壤中砾石的百分比，%0

2.3污染负荷模型

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、

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，有机氮又被划分为活泼

有机氮和惰性有机氮两种状态，以及镀态氮挥发过程的模拟。

2.3.1硝态氮污染负荷模型

硝态氮主要随地表径流、侧向流或渗流在水体中迁移，要计算随水体迁移的

硝态氮量必须先计算自由水中硝态氮浓度，用这个浓度乘以各个水路流动水的总

量，即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算：

一Wmobile

PNO31y.exp

(1-0e)-SATIy

PN03,mobile=

wmobi.e

式中：PNO3,mobile为自由水中硝态氮浓度，kg/mm；PNO31y为土壤中硝态氮的量，

kg/hm2；Wmobile为土壤中自由水的量，mm：%为孔隙度；SAT.为土壤饱和含水

量。

（1）通过地表径流流失的溶解态氮计算公式：

PN

03surf=PNO3,PNO3>mobiIe,Qsurf

式中：PN⑦surf为通过地表径流流失的硝态氮，kg/hm2；限。3为硝态氮渗流系数;

Qsurf为地表径流，mm。

（2）通过侧向流流失的溶解态氮的量计算公式：

对于地表10mm图层：

pN

03lat.ly=PNO3,PN%,mobile'Q|at.ly

对于10mm以下的土层:

pN031at,ly=PNO3,mobile.Qlat,]y

式中：PN。31a31y为通过侧向流流失的硝态氮，kg/hm2；限。3为硝态氮渗流系数;

PNO为自由水的硝态氮浓度，kg/mm；乂1为侧向流，mm。

3,mobileldL,

（3）通过渗流流失的溶解态氮量计算公式：

-W

PNO3lat,lyPNO3mobj]e*perc,ly

式中：pNOaiat为通过渗流流失的硝态氮，kg/hm2；p.为自由水的硝态

nidi,iy3.mobileN0

氮浓度,kg/mm；Wperc,ly为渗流，mm。

2.3.2有机氮污染负荷模型

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，土壤流失量直接反映了有机氮负荷。有机氮随土壤流失的输移量

计算公式为：

m

=

PnrgNsurf0.001XPnrgN'T'

Ahru

式中：Porg&urf为有机氮流失量，^g/hm2;p°rgN为有机氮在表层土壤中的浓度，

kg/t；m为土壤流失量，t；Ahru为水文相应单元的面积，hm2；弥为氮富集系数，

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比值。

计算富集系数的公式如下：

crc/X-0.2468

£N=0.78X(psurq)

式中：Psurq为地表径流中泥沙含量。Psurq的计算公式如下：

m

=

Psurq10XAhru-Qsurf

式中：m为土壤流失量，t；Ahru为水文相应单元面积，hm2；Qs^f为地表径流,

mm。

2.3.3溶解态磷污染负荷模型

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跃，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

式计算:

_^solution,surfQsurf

SUFf

Pb.hsurf,卜丁surf

2

式中：Psurf为通过地表径流流失的溶解态磷，kg/hm;PsoIut.n为土壤中溶

23

解态磷，kg/hm；Pb为土壤溶质密度，mg/m；hsu在为表层土壤深度，mm；k.f

为土壤磷分配系数，表层土壤中溶解态磷的浓度和地表径流中溶解态磷浓度的比

fflo

2.3.4有机磷和矿物质磷污染负荷模型

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，土壤流失量直接反映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算公式为：

m

mPsur:=0-001xpp・『・£p

Mhru

式中：mpsE为有机磷流失量，kg/hm2；pp为有机璘在表层土壤中的浓度，kg/t；

m为土壤流失量，t；Agu为水文相应单元的面积，hm2；益为磷富集系数。

2.4河道演算模型

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。水流在河道中演进过程使用变储量演算法或马斯金根法，两种方法都是动力

波方程。在模拟中一般使用马斯金根法来计算。

（1）马斯金根法

马斯金根法假设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

图2-2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体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：

Vstored=K*Qout+K'X,(Qjn—qOut)

式中：Vstored为蓄水容量，m3；qg为入流量，m3/s；q°ut为出流量，m3/s；K为

稳定流情况下的河段传播时间；X为流量比重因素。

该公式可以重新整理为如下形式：

Vstored=K-[X-qin+(1-X)-qout]

流量比重因素的下限为0.0,上限为0.5。这人因子是楔蓄量的函数。对于水

库式蓄水，没有楔蓄，X=0.0：而对于一个完整的楔蓄，X=0.5；对于河流，X落

在0.0和0.3之间，其平均值接近0.2。

对于蓄水容量的定义可以加入连续公式并简叱为：

2-‘I,q也，2+。2，Qin,1^3^out,1

3

式中：qini为该时间段开始时的入流量，m/s；qin?为该时间段结束时的入流

量，m3/s；qw1为该时间段结束时的出流量，m3/s；q®2为该时间段结束时

的出流量，m3/so

_At-2-K•X

a=2-K(1-X)+At

At+2-K-X

C2=2-K(1-X)4-At

_2-K(1-X)-At

C3=2-K(1-X)+At

其中，Ci+C2+C3=l。为了用体积单位表示所有值，在蓄水容量公式两

端乘以该时间段得到：

%t,2=C】•%,2+C2•%「+C3•vq-

为了保持数值稳定和避免出现负出流量的计算，必须满足以下条件：

2-K-X<At<2-K-(l-X)

流量比重因素X的值由使用者输入，蓄水时间常数的值估算如下：

K=coe0•KbnkfulI+coef2,KolbnkfuII

式中：K为稳定流情况下的河段传播时间，s；coef〔和coefz为权重系数，由使用

者输入；KbnkfW为稳定刘情况下渠道蓄满水的河段传播时间，S;Ko.ibnkfull为渠

道蓄满1/10水量时河段传播时间，So

要计算Kbnkfuii和ibnkfuii，CungeJ*1969年提出一个公式:

1000-Lch

K=----------

Ck

式中：kh为渠道长度，km；Ck为指定深度处的波速，m/s。

波速的计算公式为：

d

Ck=T7—(qch)

dAch

其中流速qch由曼宁公式求解，将曼宁公式代入上式得:

式中：Rch为湿周，m；slpch为河段坡度，%;n为曼宁系数；Vc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VE-Vout=AVstored,可写为:

r-V

stored.2stored.

式中：址为稳定流情况下的河段传播时间，s；q.1为该时间段开始时的入流量,

m'/s；q®,2为该时间段结束时的入流量，“F/S；qOut,i为该时间段开始时的出流

3

量，m3/s；qout2为该时间段结束时的出流量，m/s；Vstored1为该时间段开始

时的蓄水容量，m3；Vd2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：

TTVstoredVstored,1^stored.2

TT=-------=-----------=-----------

Qout^OUt,1Qout,2

式中：Vstored为蓄水容量，m3；q°ut为出流量，ni3/So

联合以上两式，简化为：

^out.2=SC,qm,ave+(1—SC),qout,i

其中，SC为蓄水系数，sc=豕^;qm,ave为入流平均流量，

^in.l+t^in»23/

Qin.ave=2--------，m/S0

整理上式得：

（Ystored,1\

^out,2-^Qjn.ave+J

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：

V°ut,2=SC・（Vm+Vst5ed.J

3软件操作

3.1输入数据

要创建SWAT数据集，ArcSWAT需要访问提供流域信息的准确类型的ArcGIS

的栅格、矢量和数据文件。这些必需的地图主题和数据文件必须在运行SWAT之

前准备好。

3.1.1空间数据

空间数据包括必需的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）必需的ARCSWAT空间数据

•DEM,ESRIGRIDFormatoDEM的高程值可以用整型或者实数型。决定地

图分辨率的单位不必与高程的单位保持一致。例如地图分辨率可以是米

（m）,而高程可以是英尺（feet）。地图分辨率单位必须定义为以下几

种：米（m）,公里（km）,英尺（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）。

・LandCover/LandUse,ESRIGRID,Shapefile,orFeatureClassFormato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

以用三种方法重新分类土地利用，第一种是创建地图时用美国地痛勘探

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同分类创建一个能够识别4位

SWAT代码的lookup表。

•Soil,ESRIGRID,Shapefile,orFeatureClassFormate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UserSoil

database+0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lookup表

（2）可选的ARCSWAT空间数据集

•DEMMask,ESRIGRID,ShapefileorFeatureClassFormato模型可以加载

一个mask在DEM之上。

•STREAMS,ShapefileorFeatureClassFormato在那些地势很低的地方,

DFM地图网格不能精确地判断河流的位置，就需要有河网描绘的

shapefile线性文件。

•User-DefinedWatersheds,ShapefileorFeatureClassFormat©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-DefinedStreams,ShapefileorFeatureClassFormato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。

3.1.2属性数据

属性数据包括：土壤属性数据、气象资料数据和水文数据。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气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括两大类：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气的运动状况起决定作用，并显著影响水文

响应单元（HRU）中水文过程的模拟。土壤物理属性参数主要包括土层厚度、

土壤层数、密度、土壤颗粒大小分布和土壤饱和水力传导率等。由于获得的土壤

属性数据难以完全满足构建SWAT模型土壤库的要求，因此，部分无法直接获

取的参数如土壤可利用有效水、饱和水力传到率等采用美国农业部开发的土壤水

特性程序SPAW进行估算；部分参数通过对前人的研究成果和经验公式获得。估

算结果仅简略反映土壤参数特征，在模型参数校准的过程中还需做进一步调整。

(2)气象、水文资料数据

SWAT模型所需要的气象数据包括气象站点的位置以及各气象站点的实测

数据。气象站点包括雨量站、湿度站、温度站、风速站、太阳辐射站，其实测数

据分别为日降水量、相对湿度、日最高/最低气温、风速和太阳辐射。本文采用

北京站的气象资料来构建模型“天气发生器”所需的数据。SWAT模型自带的天气

发生器WXGEN,其功能有二，一是用于生成气候数据，通过大量基础气象数据

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。

3.2输出数据

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)0

3.2.1output.hru

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，根据用户选择可以为日、月、年；

AREA：HRU的面积,km2；

PRECIP：时间步长内HRU的降雨量，mm；

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：灌溉用水量，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：浅层地下水灌溉量，mm；

DA-IRR：深层地下水灌溉量，mm；

SA-ST：浅层地下水储水量，mm；

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；

IATQ：侧向流水量，mm：

GW-Q：地下水补充河道水量，mm；

WYLD：总产流量，包括地表径流、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：日最高温度，摄氏度；

TMPMN；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：土壤流失量，t/ha；

N-APP：氮肥施用量，kg/ha；

P-APP：磷肥施用量，kg/hd；

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；

N03L：土壤中被冲刷出的硝态氮，kg/ha；

N03GW：地下水流失硝态氮量，kg/ha；

SOLP：溶解态磷产生量,kg/ha；

P-GW：地下水溶解态磷流失量，kg/hao

3.2.2output.sub

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,rrm；

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；

SOLP：流域溶解态磷产生量，kg/ha；

SEDP：流域矿化磷产生量，kg/ha；

3.2.3output.rch

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；

ORGP-OUT：有机璘输出量，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；

3.3流域模拟

3.3.1基于DEM的水文参数计算

DEM包括地理平面坐标和高程数据两类信息，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方向的确定和水道起始点位置的确定。

水道起始点位置处理采用最小水道集水面积阈值的方法形成河流水系的基本水

文过程。

运用GIS软件，对流域DEM进行分析和处理，可得到栅格格式的水流流向，

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

采用垫高添平方法对流域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分别处理，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。

(2)水流流向确定

计算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，最终形成包括所有网格单元在内的水流方向新

矩阵。

(3)集水面积计算

沿坡度最陡原则确定的水流路径可以计算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表示，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，可以按照确定网格流向的方法来勾绘流域边

界。

(5)河网生成与编码

定义最小河道集水面积阈值，当集水面积超过此阈值时，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，再从河道起点反方向搜寻，直到找到新的节点

或河道起点位置，同时按递增的顺序规则编码，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，从而建立河网节点、河段和子流域之间的关系，包括河

段坡度、高程、上游集水面积及其他信息。流域勾绘过程中，依据DEM计算流

域坡长、河流流向和流域水系。

3.3.2子流域划分

建立流域模拟的第一步是将流域划分为子流域。空间数据的输入时基于网格,

网格划分是子流域勾绘的基础。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算，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边界中得到，从而

子流域的整个面积都流向子流域出口，或者子流域勾绘可以从网格边界中获得，

河段或者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

模拟中使用。SWAT流域工具应用并扩展\ArcView的SpatialAnalystExtension

的功能，可以在DEM数据基础上进行子流域勾绘。定义的参数范围会影响所生

成的子流域大小和数目，勾绘过程要求grid格式的DEM数据。应用基于栅格DEM

进行流域勾绘的八流点法则，产生水流矢量栅格来填充凹陷点：通过计算栅格中

到达任一单元的水流贡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，而那些接近流域边界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

度以及达到研究目标所要求的详细度。在划分子流域时，要注意流域的地貌特征

（坡度、坡长、渠道长度和渠道宽度等）在子流域水平上计算和汇总。河流的支

流数目受到形成支流的汇流网格单元数目阈值的限制，通过对河流支流下游边界

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工具：DEM属性和阈值面积。这两种设置工具是

相互联系的，第一种设置DEM的水平和垂直单位，这对计算地貌系数以及从以

公顷为单位的数值中计算汇流单元数目阈值有重要作用。模型中流域勾绘的其他

部分是一套独立的工具按钮，可以单击流域视图上相应的位置或者输入点位置来

增加出口或者入口点，也可以去除选中的出口点。

当出水口确定后，定义主流域出水口。出水口的类型有7种，分别为：L连

接河流增加的出水口、0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者

到达DEM网格的边界，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，保留了河水、泥沙和化学物质的实际演算所要求的自然河流的路径、边界

和渠道。

勾绘完成后，会在当前的项目中加入详细的地形报告，随后结果专题图也会

加入到流域视图中，包括：子流域、河流、出水口和水库（可选）。地形报告描

述了流域内合子流域单元的高程分布：结果专题图含有流域的特征参数.

3.3.3水文响应单元

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为。HRU

并不同于田间小区，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

面积聚集在一起形成HRUoHRU应用在模型中，通过聚集所有相似的土壤类型

和土地利用面积构成耽搁的响应单元，从而简化了模型运行。

HRU的好处是增加了对子流域负荷预测的准确性。不同种类的植被生长和发

育有很大的不同，当考虑了子流域内植被覆盖的多样性时，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1~1。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的概念表明，假定在子流域的HRU之间不存在相互影响，每个HRU的

负荷分别进行计算，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

配单个HRU或者多个HRU,如果选择一个子流域单个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

和土壤数据的敏感性，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，空间关系才能被详细描述。

3.4参数敏感度分析

在分布式水文模型的模拟计算中，对现7T的分布式水文模型与环境模拟模型

的精度要求也越来越高。模型发展趋势表现为两方面：一是模型本身的适用范围

逐渐扩展，空间上扩展到流域尺度，时间上精确计算到日；二是模型模拟范围逐

渐拓展，在陆地循环和河道循环中计算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者是

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。根据非点源污染产出

的特点，首先率定的是水文过程，然后是泥沙和污染物的迁移。在水文或者侵蚀

过程出现的误差，会转移并且扩大到其他过程，致使非点源污染负荷模拟误差增

大。

对分布式模型的大量参数进行分析。一是运用摩尔斯分类筛选法，即“微扰

动”分析方法，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，继而计算经验敏感指标值；二是在筛选分类的基础上运用

付利叶敏感型检验法计算相关性较好的一些参数计算敏感度指标值，分析其对输

出结果的影响程度，即模型输出结果对参数的敏感性。SWAT模型采用后者进行

参数敏感性分析计算。

3.5模型校准与验证

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•部分用丁模型参数校准，而另部分

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

行过程中的缺陷，在不能或者难以获得必要的参数值时，参数校准是相当有用的。

标准的参数校准过程是寻找实测和预测状态的细微差别，并通过统计的泥河度来

衡量模型的适用性。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

据或者现场观测数据走模型模拟值进行对比分析与验证，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，可以用不同于校准的数据来进

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。相对误差计算公式为：

P-O

Re=ttx100%

式中：Re为模型模拟相对误差；R为模拟值；Ot为实测值。若Re为正值，说明模

型预测或模拟值偏大；若Re为负值，模型预测或模拟值偏小；若Re=0,则说明

模型模拟结果与实测值正好吻合。

相关系数计算公式为：

R2_l^l(Qo-Qavg)'(Qp-Qavg)\

2

\Js；(Qo-Qavg)Js?(Qp-Qav