第二章4 SWAT模型.ppt

1、2.5 SWAT模型,提 纲,1 SWAT 起源与发展 2 SWAT 原理概述 3 SWAT 结构与功能 4 SWAT 面临的问题与挑战,1 SWAT 起源与发展,20世纪90年代，美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）的Jeff Arnold博士将SWRRB和ROTO整合为一个新的模型，即SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 本模型开发目的最初是在具有不同土壤类型、土地利用、和管理条件特征的大尺度复杂流域内，预测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。,1 SWAT 起源与发展,其中以下三种模型对SWAT模型影

2、响较大： CREAMS模型 (Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems) (该模型主要用于农业管理系统中的化学作用、 土壤侵蚀和径流） GLEAMS模型 (Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems (该模型主要用于农业管理系统对地下水的负 荷影响） EPIC模型 (Erosion-Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984). (该模型主要用于土壤侵蚀和

3、生产力影响估算模型）,SWAT发展历程,加入估计径流洪峰流速的SCS径流曲线以及产沙MUSLE,与河道演算模型相融合,田间尺度非点源污染模型,考虑了气候、土壤和管理措施等因素的相互作用,和EPIC模型的作物生长模块相结合，以d为时间步长,SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.l、SWAT99.2、SWAT2000,SWAT2003,SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）是Dr. Jeff为美国农业部农业服务中心开发的流域尺度模型,SWAT简介,SWAT简介,SWAT,基于物理机制，且介于物理与概念之间，具有很强的物理基 础，能够考虑天气、土壤性质

4、、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。,SWAT自开发以来不断在发展和完善。在世界范围内具有十分广泛的应用。,1 SWAT 起源与发展,SWAT应用举例： A. Arnold和Srinivasan（1999）应用20年的气象数据模拟了美国78663个子流域内的水文循环及水量的平衡关系。,B美墨Rio Grande/Rio Bravo 流域的水文模拟。流域面积60万km2，研究跨国河流Rio Grande/Ro Bravo 流域的水文和水质状况，及生态系统的动态过程。,C欧洲15国应用SWAT模型模拟农业产生的营养盐的输移情况。,D在印度的应用，量化气候变化对

5、印度水资源的影响，并进行洪水和干旱模拟分析。,F在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。,G在中国SWAT已有多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。,提 纲,1 SWAT 起源与发展 2 SWAT 原理概述 3 SWAT 结构与功能 4 SWAT 面临的问题与挑战,2 SWAT 原理概述,SWAT模拟的流域水文过程分为两大部分： 水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分） 水循环的水面部分（即河网汇流部分） 前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移过程。,SWAT水文循环示意图,水循环的陆面部分 在产流计算中，SWAT引

6、入水文响应单元（HRU，Hydrologcial Response Unit）的概念，来反映植被覆盖和土壤类型的变化对产流及蒸发的影响。 在每个HRU内单独计算产流量，然后叠加得到子流域产流量，再进行坡面汇流，进入子流域主河道。最后通过河网汇流演算得到流域总径流量。,2 SWAT 原理概述,水循环的陆面部分 SWAT的水循环陆面部分中，主要考虑到气候、水文和植被覆盖等几个方面因素。,2 SWAT 原理概述,水循环的陆面部分 气候因素 流域气候为水文循环提供了湿度和能量并决定了水循环中不同要素的相对重要性。湿度和能量控制着流域的水量平衡。需要输入的气候因素变量主要包括： 日降水量 最大最小气温

7、太阳辐射 风速 相对湿度 这些变量的数值可通过天气发生器模型自动生成，也可直接输入实测数据。其中太阳辐射、风速、相对湿度等通常由于资料缺失而由模型生成。,2 SWAT 原理概述,水循环的陆面部分 水文因素 大气降水经过冠层截留（或直接）降落到地面。降到地面上的水一部分下渗到土壤；一部分形成地表径流。地表径流快速汇入河道，对短期河流响应起到很大贡献。下渗到土壤中的水可保持在土壤中被后期蒸发掉，或者经由地下路径较缓慢流入地表水系统。,2 SWAT 原理概述,SWAT原理地表水过程,水量平衡方程如下：,地表水过程（续）,地表产流计算：,产流计算：,CN值可针对不同的土壤类型、土地利用和植被覆盖的组合

8、查表获得，CN值是无量纲的反映降雨前期流域特征的一个综合参数，将前期土壤湿度、坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素综合在一起。,SWAT 地表水过程（续）,水循环的陆面部分 植被因素 SWAT利用一个通用的植物生长模型模拟所有类型的植被覆盖。 植物生长模型能区分一年生植物和多年生植物。被用来判定根系区水和营养物的移动、蒸腾和生物量或产量。,2 SWAT 原理概述,水循环的陆面部分 水土流失 SWAT采用修改MUSLE模型（Universal Soil Loss Equation,Williams,1975）来模拟每个水文响应单元HRU的水土流失和泥沙的产生。 MUSLE模型能够与水文模型很好

9、的结合，利用水文模型提供产流量和洪峰流量进行水土流失的模拟计算。,2 SWAT 原理概述,水循环的陆面部分 营养物质 SWAT模拟流域内几种不同形式的氮、磷的运动与转换。氮、磷营养物质可以通过地表径流和壤中流进入主河道传输到下游河段。,2 SWAT 原理概述,水循环的陆面部分 杀虫剂 杀虫剂可以用来研究流域内化学物质的运动。SWAT模拟杀虫剂经由地表径流进入河网，通过下渗进入土壤和地下含水层的运动过程，所用的模拟方程来自GLEAMS模型（Leonard et al.,1987）。,2 SWAT 原理概述,水循环的陆面部分 管理措施 SWAT允许用户定义每个HRU的农业管理措施。用户可定义生长季

10、节的起止时间，肥料、杀虫剂和灌溉的时间和数据等。另外，在SWAT中可以每年变换不同的管理措施。,2 SWAT 原理概述,水循环的水面部分 水循环的水面过程即河道汇流部分，主要考虑水、沙、营养物（N，P）和杀虫剂在河网中的输移，包括主河道以及水库的汇流计算。,2 SWAT 原理概述,水循环的水面部分 主河道（或河段）汇流 主河道的演算分为4部分：水、泥沙、营养物和有机化学物质。 在进行河道汇流演算时，有一部分水份在输移过程中损失，包括河道蒸发和河床渗漏。另一部分被人类取用。河道补充水份的来源为直接降雨或点源输入。 河道水流演算多采用变动存储系数模型（variable storage coeffi

11、cient method, Williams,1969）或Muskingum方法。,2 SWAT 原理概述,SWAT 地表水过程,水循环的水面部分 水库汇流演算 水库水量平衡包括：入流、出流、降雨、蒸发和渗漏。在计算水库出流时，SWAT提供三种方式： 需要输入实测出流数据； 对于小的无观测值的水库，需要规定一个出流量； 对于大水库，需要一个月调控目标。,2 SWAT 原理概述,提 纲,1 SWAT 起源与发展 2 SWAT 原理概述 3 SWAT 结构与功能 4 SWAT 面临的问题与挑战,（1）SWAT 结构,SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟，例如水循环和营养物迁移转化等。流

12、域内泥沙、营养物的产生与迁移等都是建立在流域内水循环的基础之上。,水文模块,流域水循环可以分为两个部分，一是陆面水循环，陆面水文过程控制着每个子流域向河道输入的水量、泥沙量和营养物量。第二部分是河道的水文过程，它决定着流域内主河道向流域出口输送的水量、泥沙量和营养物量。,土壤侵蚀与泥沙输运模块,在SWAT中，对由降雨及地表径流产生的流沙量的计算采用MUSLE（Modified version of universal soil loss equation），即改进通用土壤流失方程。改进了流沙产量预测的准确度，并且可以预测单次降雨事件中的产沙量,sed为泥沙日产量,ton；Q为表面径流量，mm/

13、ha；qpeq为地表径流峰值流速，m3/s；areahru为水文响应单元面积（ha）；K为土壤侵蚀系数；C为作物经营管理系数；P为水土保持系数；LS为地形系数；GFRG为粗糙系数。,营养物质输运模块,植物生长与经营模块,SWAT采用的植物生长模块是EPIC模型中植物生长模块的简化版。EPIC模型中，采用Monteith法衡量植物生长情况，并引入收获指数来计算温度、水、营养物对植物生长的影响。SWAT的植物生长模块不考虑EPIC中的植物根系生长、微量营养物循环、毒理反应及植物共生等作用。,植物生长模块,经营模块,农林地的管理,水资源管理,SWAT主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的影响

14、，模拟流域内多种不同的水循环过程。 为流域尺度的农业管理、供水管理和气候变化影响研究，提供水循环模拟、评价和管理工具。,（2）SWAT 主要功能,模型主要输入数据,提 纲,1 SWAT 起源与发展 2 SWAT 原理概述 3 SWAT 结构与功能 4 SWAT 面临的问题与挑战,- SWAT 输入与调参问题 - SWAT 平原区应用问题 - SWAT 地下水模拟问题 - SWAT 城市水循环模拟问题,4 SWAT 面临的问题与挑战,- SWAT 输入与调参问题 SWAT模拟功能强大、参数很多且具有空间分布性，而官方网站上提供AVSWAT在模型输入与参数调试方面不太方便。哪怕只改变一个降水站点数

15、据信息或一个参数，就需要重新进行一次参数文件的生成，而这个过程的运行在流域SWAT模型中要耗费很长时间，使得SWAT应用受到一定的限制。,4 SWAT 面临的问题与挑战,- SWAT 在平原区应用问题 目前官方网站上提供AVSWAT是基于ARCVIEW开发的界面程序，根据DEM自动提取河网的，但在平原区由于地势平坦很难有效地提取河网，需要进行改进。,4 SWAT 面临的问题与挑战,- SWAT 在地下水模拟中问题 SWAT考虑到对浅层和深层地下水的模拟，采用的是基于水循环过程的水量平衡模型，能够满足一般管理上的需要。但是，对于地下水流场变化的模拟较弱。可以通过耦合地下水动力学模型加以解决。,4 SWAT 面临的问题与挑战,- SWAT 在城市水循环模拟中问题 SWAT主要是针对农业管理开发的流域分布式模型，在城市水循环模拟考虑不足。但是，世行专家提议可以通过输入与输出信息前后处理的方式解决。由于SWAT是一个