SWAT模型培训综合PPT课件

1、1、SWAT模型研修讲座，单位：中国水科学院水资源解说者：陆垂裕日： 2012-2-22，2，自我介绍，1976年10月陆垂裕，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 水利水电工程20042006中国水科学院、博士、水文水资源2006目前中国水科学院、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、水文模式等，3 . 讲义大纲水文科学发展概要SWAT模型概要SWAT主要的水循环模拟方法SWAT主要的物质循环模拟概要SWAT的输入输出SWAT的软件界面SWAT的参数敏感性分析、自动汇率决定等S

2、WAT应用研究例子说明， 基于SWAT原理改进的水循环模拟模型MODCYCLE，4，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：5，水文/水循环模型研究概要，6，水文科学发展概要，国际这些测量是Pierre Perrault的塞纳河流域降雨蒸发毛细管现象测量的Edme Mariotte的塞纳河流量测量埃德蒙halley的地中海蒸发和流量测量等。 7、18、19世纪主要在水力学试验研究方面发展的1856年亨利德西通过渗透试验获得了多孔介质中水的渗透规律，即有名的达西式1863年J.Dupuit基于达西式提出了

3、Dupuit的假说， 为开采井稳定流计算奠定了基础1880年雷诺基于实验提出了对流体力学的雷诺公式1889年曼宁提出了明渠稳定流式20世纪初水文学科开始快速发展的40年代以前：水文要素实验和理论研究的渗透： 1911年，Green-Ampt建立了饱和渗透理论公式， 至今仍广泛应用的蒸发： 1926年，Bowen提出了第一个理论公式，将蒸发通量的潜热和能量通量的感热结合在一起，这就是有名的波温比。 这是脱离经验公式的显着进步。8、非饱和水分运动： 1907年，Burkingham引入毛细管势的概念，即土壤水的基质势的概念，建立了非饱和水分运动的理论基础，1931年，Richards建立了控制非饱

4、和土壤水等温输送的基本方程式，提出了测定土壤水基质势的方法，并提出了土壤饱和地下水分运动： 1935年C.V.Theis (泰国)建议地下水向压力井运动的不稳定流动，打开了现代地下水运动理论新纪元的河川流出： 1907年，Hoyt发表了用流速计制作孔的古典特辑，总结了用流速计制作孔的实践经验。 降雨生产流： 1933年，Horton提出了降雨生产流的渗透理论，从陆面通量的经验开始向推论转变的1932年，Sherman提出了流域响应的单位线法。 两者形成了完整的流域水文推理和计算体系，开辟了流域水文定量途径。 九，九，九， 4060年代：应用水文学全面发展，河道洪水运算： 1939年，McCar

5、thy提出了Muskingum洪水运算方法(水文学法) 1941年，Meyer提出了Lag和route的方法(沟积方程、水文学法) 1951年，Hayami提出了扩散相似法水力学法)流域汇合： 1945年，克拉克基于等流时间线调整了概念蓄水单元，建立了单位线的推论方法，开始了单位线的理论研究时期。 蒸发：蒸发研究更系统，更有理论价值。 1935、1948年，Thornthweite的蒸发估计改善1948年，Penman提出了潜在的飞跃概念和潜在的飞跃估计的混合式，从1948年开始，Budyko发表了一系列关于蒸发的报道。10、6080年代：流域产流试验研究，1963年，Hewlitt和Hilb

6、ert的排水期斜面土壤水分和能量试验，Betson的暴雨流出面积试验，1970年， Dunne和Black的小流域透水土壤产流试验等研究提出了几种与大大丰富了对流域产流过程的认识的Horton产流入渗透理论不同的降雨产流机制，强调了流域的面积产流概念和坡面非饱和水分侧运动的重要作用。 70年代以后：水文学进入模型计算时代，地下水数值模型于1988年，MODFLOW (美国)流域水文模型于1977年，新安江模型于1979年TOPMODEL (新西兰) 1986年，SHE模型(英国、法国、荷兰共同开发)， 水文资料的积累，工程实践，经验和问题的积累，本世纪后半期：水文研究，斜面水文实验，流域水文模

7、拟，计算机出现：12，循环水的各子系统，13，对应各学科领域的循环水的子系统，14，循环水的研究目的，生产实践中的水的循环降雨范围是？ 气候变化是干燥的吗？ 湿润化？ 防洪计划降雨流失关系？ 洪峰流量？ 洪峰的移动速度是多少？ 泥沙堆积流的平衡流量是？ 河里的沙子量是多少？ 水力发电上游的水量是多少？ 水流呢？ 气象学，地表水文学，15，农地灌溉方式？ 灌溉制度？ 土壤的盐渍化有很深的控制吗？ 排水沟的间隔是多少？ 水库、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离是？ 开采总量管理？ 海水会侵入咸/薄界面的位置吗？ 平衡关系？ 农田水利学、地下水文学、16、流域水文/水

8、循环模型，优势：统一模拟各种水文过程的平台，使人们能够从整个流域的角度，从各种水文过程的综合影响降雨/蒸发、产流、河网汇合、土壤水运动、地下水运动、17、流域水文/水循环模型、中国十大一级流域划分， 流域：由分水线包围的河流集水区18、流域水文/水循环模型、淮河流域、19、土壤水模拟、产流、渗透、漏出、蒸发问题、地下水模拟、河流支流问题、地表水模拟、数字海拔、流域区分、汇合路径问题、河流洪水发展问题、流域流出、流域水平上的统一20水资源研究方面的需求水资源评价水资源开发利用评价要点：“四水化”规则的反转和水平衡分析，水文研究方面的需求：防洪、径流预测要点：集水区计算、洪水过程模拟、流域水文模型

9、的应用水平，21，概念：斯坦福大学模型，1966水箱模型1977 物理性： Freeze模型1971 SHE模型，1986 top模型，1979 WEP，2001 ，流域水文模型，22，流域水文模型，水箱模型(TANK )，顶部水箱：模拟地表流出，设置23个流出口的第1、模拟水箱结构、23、流域水文模型、水箱模型以水箱为蓄水容器，将降雨流出过程模拟几个水箱的调整作用模型结构简单，且不稳定，水箱的个数和孔的数量等可以变化，参数值也不受物理概念的制约在湿润地区容易成功模型的物理概念不直接，没有明确的土壤含水量的概念，参数多，没有客观的数学方法，主要通过试错法决定参数线性坝的流出没有洪峰滞留，所以计

10、算的流出过程，在与实测流出过程一致前需要一定时间的延迟，因此、24、流域水文模型、新安江(三水源)模型、河海大学赵人俊倡导的水文模型是我国较少的具有世界影响力的水文模型。三水源是根据“斜面水文学”的产流理论，用具有有限容积和测量孔、底孔的自由水储水库把总流出量划分成饱和地基流出量、土壤水流出量和地下水流出量。 适合湿润地区和半湿润地区的水文模拟。 流域水文模型，26，流域水文模型，MIKE-SHE，圣维南方方程，27，分散物理基础模型主要基于物理规律，其参数均以明确的物理量直接测量。 但是模型输入信息的质量和数量要求很高，计算成本高，一般难以满足。 同时难以适应复杂的应用条件(如人类活动)，计

11、算效率高的概念模型的计算原理简单，比较灵活，但主要参数只有抽象的意义，物理意义不强，很多需要重复计算和概率。 此外具体水循环过程描述不足的概念-物理结合的半分散模型？ 概念和分布式模型的优缺点，28，SWAT模型介绍(soil and water assment tool )，29，SWAT介绍开发者： dr.jeffarnedfortheusdaagriculturalresearch -美国农业部农业研究局应用方向：表示土地利用管理等人类活动对流域水循环、泥沙、农业污染物迁移的长期影响和作用特征：属于物理和概念结合的模式，具有较强的物理基础，可以考虑天气、土壤性质、地形、植被、人类土地管理

12、的综合作用，同时， 可以灵活处理各种复杂应用条件的短期水文预报，而不是适合长时间尺度的水文循环和物质循环研究的宏观尺度模拟，30，SWAT介绍，不仅可以模拟水循环过程，还可以以水循环为载体，水土流失、营养物质输送、农药、病原菌等有强有力的模型数据库，除了地形和土地利用等少量基本数据外，作物相关参数、土壤参数等多种参数可以直接选择备用数据的分散计算，将流域分成子流域，在子流域内继续细分水文响应单元(HRU )， 分别研究各个水文响应单元的内部循环，在子流域累计统计，通过河网有机连接子流域模拟地表汇合，计算效率高，31，SWAT开发历史，前身： swrbmodel (simulatorforwat

13、erresourcesi Arnold et al .1990 )这个模式是美国农业部三种模式的整合成果： CREAMS2 (Chemicals，Runoff，anderosionfromagriculturalmanagementsystems ) (kniel，kniel (PS:农业管理系统中的化学作用、流出和土壤侵蚀) epic4(erosion-productivityimpactcalculator ) (William et al .1984 ) . gleams3(groundwaterloadingeffectsonagriculturalmanagementsystems

14、) (Leonard et al .1987) (ps:农业管理系统给地下水带来的负荷的影响)，32，SWAT开发的历史， SWR br (simulatorforwaterresourcesinruralbasins )初期直接来源于CREAMS模型的修正，扩展了以下功能：1)多个子流域同时计算2 )地下水支流的计算3 )水库的停滞计算4 )天气模拟和插值5 ) 提高洪峰的模拟精度6) EPIC植物生长模式7 )简单的洪水运算模块8 )流域产沙和输送9 )考虑到地表流出的输送损失，加强了污染物的输送模拟。 参考GLEAMS模型的农药循环2 )增加SCS曲线法模拟生产过程3 )更新产沙计算公式

15、.33，SWAT开发历史，swrbb的主要问题： 1，swrbb最多只能模拟10个子流域，面积数百平方公里面积过大(数千平方公里以上)和影响模拟精度的2、各子流域的产出直接出口到流域的出口，没有河道循环的过程，ROTO (Routing Outputs to Outlet )在80年代末由美国印第安事务局在亚利桑那州和新墨西哥州的印第安人初始开发时的目的是连接多个SWRRB的输出，进行河道循环运算。 此后虽然效果很好，但发现SWRRB和ROTO各自独立动作很不方便，并进行了整合。 SWAT=SWRRB ROTO，34，SWAT开发历史，版本进展： SWAT90:第一版，SWRRB和ROTO融合

16、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，作物模型具有CO2作用， Penman-Monteith，在河水的进化中考虑水质、农药的输送过程SWAT98.1 :放牧活动、有机肥料、暗管排水、SWAT99.2 :重金属、城市尘埃的堆积、清洗SWAT2000 :微生物移动、Green-Ampt模型、气象发生器、无限水库模拟马斯金斯根法SWAT2005 :气象场景预测，日降雨细分分布SWAT2009:源代码和正式文件最近公布，35、SWAT流域模拟结构、水库也在河网系统内，36、SWAT流域划分和河道系统.37 SWAT的概念和物理性、概念： 模拟结构概念全流域/地区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，模拟方法概念降雨/灌溉渗透： SCS，绿色- ampt土壤水模拟：概念的层次下渗透模型， 旱地保水度地下水：均衡模型不考虑侧方流出地表水：河槽蓄水量法、质量京根法物理模型：理查德方程式、运动波/动力波方程式、地下水动力学方程式物理性：水循环各过