SWAT模型培训-综合课件

1、SWAT模型培训讲义,讲解人： 陆垂裕 日期：2012-2-22,1,PPT学习交流,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,2,PPT学习交流,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 SW

2、AT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,3,PPT学习交流,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： 手机：,4,PPT学习交流,水文/水循环模型研究简述,5,PPT学习交流,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： Pierre Perrault的塞纳河流域降雨、蒸发和毛管势量测； Edme Mariotte的塞纳河流量量测； Edmond Hal

3、ley的地中海蒸发和流量量测等等。,6,PPT学习交流,18、19世纪主要在水力学试验研究方面发展 1856年 Henry Darcy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

4、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。,7,PPT学习交流,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

5、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。,8,PPT学习交流,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

6、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。,9,PPT学习交流,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Horto

7、n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）,10,PPT学习交流,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,11,PPT学习交流,水循环的各个子系统,12,PPT学习交流,各个学科领域对应的水循环子系统,13,PPT学习交流,

8、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,14,PPT学习交流,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,15,PPT学习交流,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

9、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,16,PPT学习交流,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,17,PPT学习交流,流域水文/水循环模型,淮河流域,18,PPT学习交流,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,流域层面上的统一,19,PPT学习交流,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，

10、洪水过程模拟,流域水文模型的应用层面,20,PPT学习交流,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，1971 SHE模型，1986 TOPMODEL，1979 WEP，2001 ,流域水文模型,21,PPT学习交流,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,22,PPT学习交流,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

11、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。,23,PPT学习交流,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。,24,PPT学

12、习交流,流域水文模型,25,PPT学习交流,流域水文模型,MIKE-SHE,圣-维南方程组,26,PPT学习交流,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,27,PPT学习交流,SWAT模型简介,（SOIL AND WATER ASSESSMENT T

13、OOL）,28,PPT学习交流,SWAT简介,开发者: Dr. Jeff Arnold for the USDA Agricultural Research Service (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；,29,PPT学习交流,SWAT简介,不仅模拟水循环过程，还能以水循

14、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,30,PPT学习交流,SWAT开发历史,前身：SWRRB model (Simulator for Water Resources in Rural Basins) (Williams et al

15、., 1985; Arnold et al., 1990) 该模型为美国农业部的三个模型的集成成果： CREAMS2 (Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems) (Knisel, 1980)；(PS:农业管理系统中的化学作用、径流和土壤侵蚀） EPIC4 (Erosion-Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984). (ps:土壤侵蚀和生产力影响估算模型） GLEAMS3 (Groundwater Loading Effects o

16、n Agricultural Management Systems) (Leonard et al., 1987) (ps:农业管理系统对地下水的负荷影响）,31,PPT学习交流,SWAT开发历史,SWRRB（Simulator for Water Resources in Rural Basins） 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

17、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；,32,PPT学习交流,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 (Routing Outputs to Outlet) 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

18、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,33,PPT学习交流,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

19、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,34,PPT学习交流,SWAT流域模拟结构,水库也在河网系统内,35,PPT学习交流,SWAT子流域划分及河道系统,36,PPT学习交流,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：Ri

20、chard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,37,PPT学习交流,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%

21、) 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,38,PPT学习交流,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,39,PPT学习交流,同一HRU,子流域,40,PPT学习交流,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,41,PPT学习交流,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,42,PPT学习交流,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,43,PPT学习交流,两

22、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,44,PPT学习交流,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,45,PPT学习交流,SWAT主要水循环模拟方法详解,46,PPT学习交流,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,+,47,PPT学习交流,一、SWAT的大气水过程,大气水主过程,2、气象站点与子

23、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,48,PPT学习交流,一、SWAT的大气水过程,气象发生器（WEATHER GENERATOR）？,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

24、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,49,PPT学习交流,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

25、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,50,PPT学习交流,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,T TBase?,T TBase?,日平均气温,降雪基温,5

26、1,PPT学习交流,一、SWAT的大气水分过程,（2）再根据截留能力计算冠层截留量和到达地面的雨量,当天截留量,前天截留量,降雨量,到达地面的雨量,降雨量小于当天截留能力与前天截留量之差时,降雨量大于当天截留能力与前天截留量之差时,2、冠层截留过程(仅Green-Ampt时使用）,当天的截留能力,最大的截留能力,最大叶面积指数,当前叶面积指数,（1）先算截留能力,52,PPT学习交流,一、SWAT的大气水分过程,（3）计算冠层截留蒸发,参考作物腾发量,a、潜在腾发量小于植被截留量,冠层截留蒸发量,当天的实际蒸腾量,当天初始时的截留量,当天结束时的截留量,b、潜在腾发量大于植被截留量,当天初始时

27、的截留量,SWAT关于蒸发的计算循序：,冠层截留蒸发,积雪升华,土壤蒸发,参考作物腾发,植物蒸腾,53,PPT学习交流,一、SWAT的大气水分过程,参考作物腾发量计算：,1、PENMAN-MONTEITH 公式，5项气象数据需齐备,2、PRIESTLEY-TAYLOR 公式，不需要风速数据,3、HARGREAVES 公式，仅要最高、最低气温数据,SWAT中参考作物滕发量为40cm高，最小叶面阻抗为100（S m-1） 的紫花苜蓿在供水充足条件下的腾发量,植被阻抗,54,PPT学习交流,一、SWAT的大气水分过程,（2）融雪方程（度-日因子法）：,前天的融雪量,融雪因子,积雪覆盖度,积雪温度,日

28、最高气温,融雪基温,（1）积雪方程（水量平衡法）,当天的积雪量,前天的积雪量,当天的降雪量,当天的积雪升华量,当天的融雪量,3、积雪/融雪/升华过程,55,PPT学习交流,一、SWAT的大气水分过程,（3）积雪升华：,当天的潜在积雪升华量,参考作物蒸腾量（扣除植被截留蒸发）,地表覆盖指数,1、当天积雪量大于潜在积雪升华量,当天的实际积雪升华量,当天的潜在积雪升华量,2、当天积雪量小于潜在积雪升华量,当天的实际积雪升华量,当天的积雪量,根据植被蒸腾调整潜在积雪升华量,56,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,土壤水主过程,1、入渗过程 2、土表蒸发过程 3、植被蒸腾过程 4、壤中流过程 5

29、、深层渗漏过程 6、灌溉过程,土壤水量平衡：,当天的土壤水蓄积量,前天的土壤水蓄积量,57,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,1、入渗计算,两种方法可选，SCS曲线法及Green-Ampt方法,1）SCS曲线法计算产流-入渗（日尺度）,作用：将降雨分为入渗和地表产流两部分,地表 产流量,降雨量,初损,储流参数,入渗量等于降雨量减产流量,58,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,2）Green-Ampt法计算产流-入渗（日内尺度，半小时或小时）,当前时段累积入渗量,前一时段累积入渗量,有效水力传导度,时段长度,湿润锋界面土壤基质势,湿润锋界面含水率差值,需要迭代计算,59,PPT学

30、习交流,二、SWAT的土壤水过程,2、土壤蒸发量计算：,当天的潜在土壤蒸发量,参考作物蒸腾量 （扣除植被截留蒸发）,地表覆盖指数,1）先算土壤潜在蒸发,2）再对各土层进行潜在蒸发分配,土壤潜在蒸发-埋深关系曲线,单个土层潜在蒸发分配计算,60,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,土壤潜在蒸发-埋深关系曲线（默认500mm蒸发深度）,61,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,关键参数esco(蒸发补偿因子)对曲线的影响,62,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,3）最后根据各层土壤含水率情况计算实际蒸发,土层含水率低于田间持水度时含水率,土层含水率高于田间持水度时含水率,63,

31、PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,3、植被蒸腾(根系吸水）计算：,如用 PRIESTLEY-TAYLOR 或 HARGREAVES 公式计算参考作物腾发量， 植被潜在蒸腾直接按照参考作物腾发量结合植物叶面积指数计算,如用 PENMAN-MONTEITH 公式计算参考作物腾发量，植被潜在蒸腾仍用 PENMAN-MONTEITH公式结合实际作物参数计算,1）先算植物根系潜在蒸腾量,64,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,2）再对各土层进行潜在蒸腾分配,潜在蒸腾-埋深关系曲线,单个土层的潜在蒸腾分配计算,65,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,3）最后根据各层土壤含水率情况计

32、算实际蒸腾,土层含水量低于植物可利用水量的25%,土层含水量高于植物可利用水量的25%,植物可利用水量？,为田间持水度时土壤含水量与凋萎含水量之间的差值,66,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,总体积,总孔隙,颗粒,田间持水度时水分所占孔隙,凋萎系数时水分所占孔隙,植物可用水所占孔隙,重力水所占孔隙,67,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,4、壤中流计算,用类似于运动波的方法计算,重力水,壤中流量,饱和水力传导度,坡度,土壤可排水的孔隙度,山坡的坡长,68,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,5、深层渗漏计算,上层重力水向下层的渗漏用一种储量方法计算,分层下渗量,饱和水力

33、传导度,完全饱和时含水量,田间持水度时的含水量,土层的重力含水量,计算时段(1天),参考下渗时间,69,PPT学习交流,二、SWAT的土壤水过程,6、特殊土壤情况：变性土的裂隙流现象,1）主要用来刻画有裂隙存在时土壤的入渗量会加大； 2）SWAT计算每层土壤的裂隙体积，裂隙随含水率动态变化； 3）地表产流时，只有超过土壤总裂隙体积的水量才能流走； 4）进入裂隙的水量先填充最底层的土壤的裂隙,70,PPT学习交流,三、SWAT的地下水过程,模拟特点：1、只概念性分浅层和深层2、只模拟水量平衡，不模拟地下水位3、子流域之间的地下水相对独立（不考虑侧向径流）,71,PPT学习交流,三、SWAT的地下

34、水过程,浅层地下水主过程,1、补给 2、基流 3、潜水蒸发 4、灌溉 5、耗用,浅层地下水水量平衡：,当天的浅层地下水蓄存量,前天的浅层地下水蓄存量,浅层补给量,基流产生量,潜水蒸发量,浅层使用量(灌溉/耗用),72,PPT学习交流,三、SWAT的地下水过程,1、补给计算：,用系数法将来自土壤剖面的深层渗漏分为两部分，一部分为浅层水补给，剩余为深层水补给。其余渗漏量如池塘湿地渗漏、子河道渗漏、主河道渗漏则直接补给浅层地下水,土壤深层渗漏量,补给延迟因子,前一天的土壤深层渗漏补给,当天的土壤深层渗漏补给,深层地下水补给比例,土壤深层渗漏补给（衰减函数模拟其过程）：,深层地下水补给量,浅层地下水补

35、给量,73,PPT学习交流,三、SWAT的地下水过程,2、基流计算(衰减函数) ：,前天的地下水基流产生量,当天的地下水基流产生量,基流衰退常数,当天的总补给量,基流产生时的蓄量阈值,当天浅层地下水的蓄量,74,PPT学习交流,三、SWAT的地下水过程,3、潜水蒸发,潜水蒸发直接用系数法计算,1）先算最大可能潜水蒸发量,潜水蒸发系数,参考作物腾发量,2）再根据浅层地下水储量和潜水蒸发储量阈值分情况计算,潜水蒸发储量阈值,当前浅层地下水储量,实际潜水蒸发量,最大可能潜水蒸发量,潜水蒸发的去向？,75,PPT学习交流,三、SWAT的地下水过程,深层地下水主过程,1、补给 4、灌溉 5、耗用,深层地

36、下水水量平衡：,当天的深层地下水蓄存量,前天的深层地下水蓄存量,深层补给量,深层使用量(灌溉/耗用),76,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,地表水过程包括三部分,1、子河道传输过程； 2、水库、池塘、湿地、洼地 的蓄滞过程； 3、主河道的水量演进过程,水库和池塘/湿地的区别：,水库从属于由主河道-水库构成的河网系统，参与河网系统循环过程；池塘/湿地从属于子流域，不参与河网系统循环过程,77,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,地表水的总来源：,1、水文响应单元的地表产流； 2、水文响应单元产生的壤中流； 3、子流域浅层地下水产生的基流；,78,PPT学习交流,四、SWAT的地表

37、水过程,子流域地表水的传输路径,1、水文响应单元的地表产流先经过子河道过程，产生传输损失； 2、剩余地表产流、壤中流、地下水基流一部分进入子流域的池塘/湿地，一部分进入子流域的主河道； 3、池塘/湿地的出流进入子流域的主河道；,79,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,子河道的传输损失计算(回归系数法)：,80,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,一、池塘/湿地的滞蓄过程,1、入流 2、降雨与蒸发 3、渗漏 4、出流 5、耗用 (仅池塘),池塘和湿地的区别:,1、池塘的水可被人工耗用 2、出流计算方面略有差异,81,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,池塘/湿地水量平衡,当前

38、蓄量,前天蓄量,入流量,出流量,降雨量,蒸发量,渗漏量,1）池塘/湿地入流计算：,损失后的地表产流,地下水基流,壤中流,子流域面积,池塘/湿地面积,池塘/湿地排水面积比例,82,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,（1）水表面积计算：,（2）降雨/蒸发计算:,2）池塘/湿地的降雨/蒸发计算：,当日降雨量,当日参考作物腾发量,蒸发系数,83,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,3）池塘/湿地的渗漏量计算：,饱和渗透系数,4）池塘/湿地的出流量计算：,池塘：目标库容控制,湿地：正常库容-最大库容控制,84,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,二、水库的滞蓄过程,1、入流 2、降雨

39、与蒸发 3、渗漏 4、出流 5、耗用 6、灌溉,水库蓄滞过程与池塘/湿地的区别:,1、水库的入流为上游河道的汇流，出流为下游河道的入流； 2、更加丰富的出流控制方式(日/月观测出流量、目标蓄量控制、正常库容-最大库容控制)； 3、可作为水文响应单元的灌溉水源,85,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,三、洼地的滞蓄过程,SWAT中洼地是一种特殊的水文响应单元，主要用来模拟种植水稻而人工围建的圩垸，以及子流域内封闭的，一般不向主河道产流排水的下陷区。与池塘/湿地、水库等滞蓄水体的不同之处在于：,1、洼地是水文响应单元的一种，具有土壤层结构。可以用土表能积水的水文响应单元来概括；灌溉时水量进

40、入表层积水。 2、洼地上可种植作物； 3、洼地的入流和出流需指定时间； 4、洼地的渗漏进入土壤层，而不是直接进入子流域的地下水系统； 5、洼地的出流计算方式比较特殊,86,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,洼地的出流计算：,1）超蓄出流,2）泄水出流（一次全部放出）,3）暗管排水,洼地最大滞蓄能力,暗管每天的平均流量,87,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,四、主河道的水量演进过程,1、河道入流(上游与本子流域汇流) 2、河道水面蒸发 3、河岸蓄积 4、渗漏 5、向下游出流 5、耗用 6、灌溉,主河道的水量平衡：,88,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,河网系统描述：,

41、1、SWAT只能描述树状拓扑结构的河网系统； 2、河道和水库分别有各自的编号系统,河网系统描述的作用：,规定河网系统各单元的计算循序,2,4,6,8,1,3,5,7,9,水库,2,4,6,8,1,3,5,7,9,主河道,Fig.fig文件,89,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,主河道水量循环演进计算：,1、先不考虑蒸发、渗漏、河岸蓄积、引水的因素，用河槽蓄量法或马斯京根法计算出流； 2、在河段的出流量进入下一个河段时，将这些水量在出流量中进行扣除以保持水量平衡,SWAT对河道特征的描述：,90,PPT学习交流,四、SWAT的地表水过程,1）河段出流计算,（1）河槽蓄量法(VARIAB

42、LE STORAGE ROUTING METHOD)； （2）马斯京根法(MUSKINGUM ROUTING METHOD),91,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,为EPIC植物生长模型的简化版本,EPIC模型： 1、作物的生长基于日积累的热单位（heat units）； 2、潜在生物量的计算基于Monteith提出的方法； 3、通过收获指数确定产量； 4、植物生长受水分、养分胁迫和温度的影响； 5、对作物生长期休眠的模拟； 6、详细的根系生长模拟； 7、微量营养素循环； 8、植物的毒理响应； 9、多种作物在同一HRU中的生长；,92,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,S

43、WAT的植物分类,1、温季年生豆类 氮素固持；根系生长； 2、寒季年生豆类 氮素固持；根系生长；休眠过程； 3、多年生豆类 氮素固持；根系深度固定；休眠过程； 4、一般温季年生植物 根系生长； 5、一般寒季年生植物 根系生长；休眠过程； 6、一般多年生植物 根系深度固定；休眠过程； 7、树木 根系深度固定；生长量与树木的年龄相关；休眠过程,93,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,植物热单位理论,1、植物具有可量化的热量需求，并且热量需求与成熟时间有关。 2、当平均气温低于作物生长基温时作物不会生长，日平均气温中只有超过作物生长基温的那部分才对作物生长有贡献。 3、作物成熟时的总热量需

44、求为在整个作物的生长期内，超过作物生长基温的日平均温度的累加值，即潜在热单位。,作物单天热单位计算：,作物累积热单位：,94,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,零基温热单位,以零度作为计算热单位的基础，并从当年年初直到年末进行累积。,对于非常大的流域，其不同地区的气候可能存在较大的差异，以至于各地区农业管理操作时间不同，如同样种玉米，河南比北京早。通过指定潜在热单位作为预定时间规则，可使管理操作发生的时间在模型中成为温度的函数。 对于气候条件年际间变化较大的区域，使用热单位法，管理操作时间将由模型自动调整，无需人工干预。,热单位的重要用途-用来预定管理操作发生的时间,作物潜在热单位比

45、例,零积温热单位比例,优点：,解决需分区指定作物管理操作问题,解决需分年指定作物管理操作问题,95,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,作物生长计算框架：,潜在生长,限制因素： 水分胁迫、温度胁迫、氮素胁迫、磷素胁迫,实际生长,实际产量,理想产量,96,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,一、潜在生长模拟,1、潜在生物量的增长计算 2、潜在冠层高度和叶面积指数的计算 3、根系的生长,1、潜在生物量的增长计算：,总太阳辐射量,消光系数,叶面积指数,有效光合作用辐射,97,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,1）叶面积/冠层理想生长公式,2、潜在冠层高度和叶面积指数的计算：

46、,2）潜在冠层高度计算公式,3）潜在叶面积指数计算公式,最大叶面积指数之前,衰败期之后,叶面积指数相对比例,98,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,3、根系生长：,1）根系生物量：SWAT假定发芽时的根系生物量比例定为40%，成熟时的作物根系生物量比例定为20%,2）根系长度：,树木/多年生植物,年生植物,99,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,二、实际生长修正,1、水分胁迫,2、温度胁迫,实际蒸腾量,潜在蒸腾量,生长基温,最优生长温度,100,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,3、氮素胁迫（豆类植物从不受氮素胁迫）,4、磷素胁迫（与氮素胁迫计算公式完全一致）,标

47、定因子，与植物当前实际累积吸收的氮量水平相关,计算修正系数,修正当日生物量增长量,修正当日叶面积指数增长量,101,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,三、产量收获,人工参与下植物的几种命运：,1、仅收获。一部分植物的生物量将作为产量从HRU上移除，产量中的营养和植物物质将视为从系统（流域）中损失，而剩余物将作为植物残余进入碳和氮磷循环。但作物仍可生长（如草场的收割）,2、仅杀死。终结植物在HRU上的生长，所有的生物量将全部转变为植物残余。适用于年生的野生作物（如野草、芦苇等）,3、收获并杀死。终结植物在HRU上的生长。一部分由收获指数（植物生长数据库中指定）确定的生物量比例作为产量从

48、HRU上移除，其它的生物量将作为植物残余保存在土表中。适用于农业作物（如玉米、棉花等）,102,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,收获指数的概念：,植物干物质收获量占植物地面部分总生物量的比例称为收获指数。大多数作物收获指数为0.01.0之间。块根作物的情况，如红薯，收获指数则可以大于1.0。,当天的潜在收获指数,成熟时的最大收获指数,当前植物累积的热单位比例,1、计算潜在收获指数,103,PPT学习交流,五、SWAT的植物生长过程,2、计算实际收获指数,认为收获指数受水分亏缺的影响,当天的潜在收获指数,最低收获指数,水分亏缺因子,水分亏缺因子：截止收获日植物累计实际蒸腾量与累积潜在

49、蒸腾量的比值,104,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,水土管理(人工干预),土地管理： 1、农业种植 2、作物收割（多种） 3、放牧 4、耕耘 5、施肥（绿肥、化肥） 6、施农药 7、过渡带,水分管理： 1、灌溉 2、暗管排水 3、蓄滞区排水 4、河道、水库之间输水 5、用水消耗（水库、河道等） 6、点源,1、城市不透水区产流模拟 2、城市区的层埃堆积和冲刷,城市区水文模拟,105,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,一、灌溉：,1、用户指定灌溉：指定灌溉时间、灌溉水量、灌溉水源(固定）； 2、自动灌溉：根据土壤水分亏缺状况进行自动灌溉。只需指定亏缺阈值、灌溉水源；,过

50、程： 1：先计算水源的可供水量，与指定的灌溉取水量进行比较，若水源的可供水量小于指定的灌溉取水量，则只用可供水量进行灌溉。 2：从HRU顶层土层至下逐一填充至田间持水度。若指定的灌溉水量超过使土壤剖面达到田间持水率的水量，多余的水量将退回水源。,水源(5种，只能选一种)： 主河道、水库、浅层地下水、深层地下水、流域外供水； 水源标示： 河道、浅层地下水、深层地下水指定子流域编号；水库指定水库编号；流域外供水无需指定标示,106,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,二、暗管排水,HRU可指定暗管排水选项。需要三个参数： 1、暗管埋在地面以下的深度 2、将土壤剖面的水分排泄至田间持水率所

51、需的时间 3、水分从暗管排泄到主河道的时间延迟,暗管排水发生的条件： 1、土层中存在重力水 2、重力水的滞水面在排水管埋深之上,滞水面高度,排水管高度,剖面含水率,田持时含水率,排水所需时间,107,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,三、滞蓄区排水,即洼地的排水（见洼地）,四、水量传输,将水从流域的任何河段和水库转移到其它任意河段和水库，需指定：,1、传输水源类型（水库？主河道？)； 2、传输水源位置（水库编号、子流域编号）； 3、目的水源类型（水库？主河道？）； 4、目的水源位置（水库编号、子流域编号） ； 5、被传输的水量（将与传输水源的可供水量进行自动校核）,108,PPT学

52、习交流,六、SWAT的土地与水分管理,五、用水消耗,1、将水分从任何子流域的浅层地下水、深层地下水、主河道、池塘、以及水库直接移除； 2、主要用来模拟工业、生活用水消耗； 3、移除的水分认为离开水循环系统(人工ET？）； 4、SWAT2005及以前版本只能指定年平均每月的用水消耗量。不管模拟多少年，每月的消耗量是固定的。2009版本？,109,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,六、点源,1、SWAT可在沿着河道网络系统的任何地点加入点源； 2、点源信息可包括水量、泥沙、有机氮、有机磷、硝态氮、可溶性磷、铵态氮、亚硝态氮、重金属、细菌等数据； 3、点源负荷可以基于多年平均、年、月、日

53、时间尺度进行输入； 4、主要用于模拟工业用水、城市生活用水、污水处理厂等退水行为,110,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,七、农业种植,1、用来指定植物的种植，或指定地表植被（如野生草地、森林）在春天时的开始生长； 2、一个HRU在同一时间只能生长一种作物； 3、需要以下信息：,A、种植时间 B、植物达到成熟时需要的总的热单位 C、在HRU上种植的植物类型（7种之一，见植物分类）； D、如果不是从种子开始生长的植物，如移植的植物，还需提供移植时已经累积的生物量、叶面积指数等信息,八、作物的收获（三种方式，见植物生长模型）,111,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,九、

54、放牧,1、主要模拟某指定时间内植物生物量被移除，同时牲畜排泄粪便（绿肥）的过程； 2、可指定放牧开始的时间、放牧持续的时间、每天被移除的生物量、每天排泄的绿肥量以及绿肥的类型。每天被践踏的生物量是一个可选输入项； 4、被践踏的生物量将转化为植物残余进入氮磷循环； 3、低于允许放牧的最低生物量时放牧过程可自行停止；,112,PPT学习交流,六、SWAT的土地与水分管理,十、城市区水文,1、城市区是一种特殊的水文响应单元，地表产流量和径流速度较大； 2、考虑透水面积、不透水面积的比例，类似于新安江模型； 3、不透水面积进一步细分为与排水系统直接联系和间接联系的； 4、城市区的产流量为透水面积、不透

55、水面积的加权平均值； 5、城市区类型分5种典型，主要区别在于透水/不透水面积的比例，与排水系统直接联系/间接联系的不透水面积比例：,（1）工业区；（2）商业区；（3）科研院校区；（4）交通枢纽区； （5）居民区。细分为高密度、中密度、低密度三类,113,PPT学习交流,SWAT的主要物质循环模拟简介,114,PPT学习交流,SWAT的物质循环模拟,物质运移内容：,1、土壤侵蚀（泥沙运移）； 2、营养物(氮/磷）。包括有机/无机氮、有机/无机磷； 3、农药； 4、重金属； 5、病原菌； 6、生化需氧量、溶解氧,过程：,与水循环过程类似，多数先在水文响应单元计算各种产出量（陆面过程），再输出到子流

56、域的滞蓄水体以及河网系统进行循环过程,115,PPT学习交流,土壤侵蚀（泥沙运移）,土壤侵蚀的概念：,土壤侵蚀指景观地貌随时间的变化被损耗的过程，包括土壤颗粒在雨滴和地表水流的侵蚀力作用下发生的分离、输移和土沉积等过程。,产沙公式：修正的通用土壤流失方程（USLE）,每天的产沙量,地表产流量,雨洪峰值流量,水文响应单元面积,雨水侵蚀度因子,覆盖管理因子,农业活动改造因子,地形因子,粗颗粒因子,116,PPT学习交流,土壤侵蚀（泥沙运移）,泥沙在地表水体中的循环：,主河道中： 1、泥沙在主河道的沉积和冲刷； 2、泥沙沉积和冲刷导致主河道的变宽和深切（可选，河道参数将会动态改变，包括坡度、河宽、河

57、深）,滞蓄水体中（池塘、湿地、水库、洼地）： 1、随地表径流进入滞蓄水体 2、泥沙在滞蓄水体中沉降 2、泥沙在滞蓄水体中的输出,117,PPT学习交流,氮素的土壤循环,氨氮的吸附,118,PPT学习交流,氮素的土壤循环,有机氮,无机氮,植物残余,腐殖质,活跃态,稳定态,铵氮,硝氮,新鲜有机物,土壤的氮分为两大类：1、有机氮；2、无机氮,分为5个氮库：铵氮、硝氮、腐殖质(活跃态/稳定态）、新鲜有机物,SWAT的土壤氮素循环模拟路径,119,PPT学习交流,氮素的土壤循环,120,PPT学习交流,磷素的土壤循环,121,PPT学习交流,营养元素的地表水体循环,主河道中： 1、藻类的死亡-增加有机氮

58、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；,122,PPT学习交流,农药循环,123,PPT学习交流,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）,1

59、24,PPT学习交流,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,125,PPT学习交流,生化需氧量及溶解氧,生化需氧量(CBO