中科院 SWAT模型结构与软件

SWAT模型结构与软件SWAT模型的用途SWAT模型的结构SWAT模型相关软件123SWAT模型结构与软件主要内容SWAT模型应用示例41SWAT模型的用途1.1模型作用概述1.1.1模型的目标SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）模型可用于预测土地管理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理措施的大面积复杂流域中径流、泥沙负荷及营养物质流失的长期影响。隔水层降水(P)蒸散发（Ea）入渗土壤含水量变化补给浅层地下水浅层地下水蒸发地表径流（Qsurf）壤中流（Qlat）浅层含水层非饱和带回归流（Qgw）1.1.2从文献看模型作用FromGassmanetal.,20071.1.3从输出变量看模型作用1.2模型的发展与演变模型改进GLEAMS模型CREAMS模型EPIC模型杀虫剂模块日降水等水文模块作物生长模块SWRRB模型SWAT模型ROTO模型ESWAT模型SWATMODSWAT-G模型SWIM模型QUAL2E河道水质模型SWAT模型是一个半分布式水文模型，以相对均质的水文响应单元（HRU）为模拟单元，能够模拟复杂流域中的径流、泥沙、氮-磷、杀虫剂等流出量及蒸散发量，还可输出日土壤水、土壤温度等时态变量，并能预测土地管理措施的影响。简要概括，SWAT模型具有如下特点：（1）长时期连续模拟；（2）模拟产水、侵蚀产沙和非点源污染；（3）充分结合GIS，操作方便；（4）模型核心代码公开，扩展方便；（5）不断更新的软件及辅助工具；（6）活跃的、广大的科研团体。1.3SWAT模型的特点2.1模型核心部分理论构架2SWAT模型的结构降水灌溉降雨降雪融雪下渗地表径流土壤水蒸发植物蒸散发壤中流渗漏输移损失池塘/水库蒸发灌溉池塘/水库出流池塘/水库渗透灌溉潜水蒸发渗透回归流灌溉灌溉用水输移损失河段出流量雪盖土壤水土壤分层（最多10层）河流浅层地下水深层地下水池塘/水库调蓄2.2模型详细结构不饱和带浅含水层降水地表径流基流壤中流蒸散发深层损失(修改自Bauwens,2006)下渗根系层深含水层汇流陆面水文模拟水分的垂直向下运动土壤层浅含水层深含水层壤中流渗漏入渗基流水分损失2.3模型的软件组成SWAT程序包SWAT操作界面SWAT200X可执行程序基于现有GIS软件（如ArcGIS、ArcView和MapWindow等）的二次开发，用于将地理、气象等数据准备为模型所需参数的格式。利用准备好的模型参数，模拟每天的流域过程，输出模拟结果。划分HRUDEM提取水系划分子流域HRU的空间离散分布HRU参数2.4模型对流域的空间剖分2.5模型的文件组成输入输出控制文件运行控制流域参数气象数据模型自带数据库子流域及HRU参数文件输出文件2.6模块调用流程SWAT计算Subbasin内部水分运动的流程进入HRU/Subbasin循环读入或生成气象数据计算土壤温度计算降雪和融雪降水+融雪0计算地表径流和下渗计算土壤水,汇流,蒸散发,水塘,湿地水平衡,地下水计算洪峰流量,输移损失,产沙,养分与杀虫剂退出HRU/Subbasin循环地表径流0?否否是是3SWAT模型的相关软件3.1SWAT模型的界面SWAT操作界面ArcView3.xAVSWAT200xDiLuzio等(1998,2000,2002)ArcGISArcSWAT200xOlivera等(2006)MapWindowMWSWATGeorge和Leon(2007)3.2SWAT模型的核心代码3.3SWAT模型的辅助工具SWAT辅助工具基流分割bflow.exeArnold等(1995)自动参数率定SWAT-CUPAbbaspour(2007)参数管理SWATeditor结果可视化VizSWAT气候统计pcpSTAT.exe4SWAT模型应用示例4.1例子概述界面平台：ArcGIS9.2withSP6SWAT版本：ArcSWAT2.1.6参数自动率定软件：SWAT-CUP目的：利用SWAT模型进行径流模拟4.2软件安装软件下载与安装SWAT-CUP：ArcSWAT：安装ArcGIS9.2以及相应补丁4.3输入数据收集土壤类型图及土壤属性表植被图流域DEM日降水、最高最低气温、太阳辐射、风速、空气相对湿度等气象数据，和气候统计数据观测径流管理措施、水库、湿地等具体信息4.4数据整理土壤属性表按格式导入模型数据库的usersoil表中，同时制作土壤类型检索表植被类型采用SWAT的编码，制作植被类型检索表气象数据格式整理气候统计数据按格式导入模型数据库的userwgn表中，制作气象站检索表4.5模型参数提取4.5模型参数提取4.5模型参数提取子流域文件HRU参数文件4.6模拟结果020406080100Precipitation(mm)0100200300400500ObservedSimulatedPrecipitationYear1993199419951996Streamflow(mm)SWATwithdefaultparameters初始参数模拟结果与实测值相比：峰值太高；基流略低。控制多级汇流面积的河道结点4.7模拟结果的提取查看模拟结果output.rch4.7参数率定（Calibration）由于输入数据存在着不确定性，因此需要将输入数据的范围限定在合理范围内，对参数进行率定(Arnold和Allen,1996;王中根等,2007)。模型的参数率定过程，一般是指通过让参数取值适合当前流域具体情况，使模型的模拟输出值与实际观测值之间达到最小的误差。该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节。参数率定可以根据经验知识手工进行，也可基于一定的数学方法通过计算机自动进行。4.7参数率定备调参数初步筛选序号参数名称参数含义1CN2初始CN2值2ESCO土壤蒸发深度调节因子3EPCO植被蒸腾吸水调节因子4OV_N坡面漫流的曼宁系数5LAT_TTIME壤中流运行时间（天）6SLSOIL壤中流坡长（m）7ALPHA_BF基流消退系数8GW_DELAY地下水滞后时间（天）9GWQMN基流产生的水位阈值（mm）10GW_REVAP地下水上行补给系数11REVAPMN发生上行补给的水位阈值（mm）12RCHRG_DP深层地下水补给系数13SHALLST浅含水层初始水深（mm）14CH_N2主河道的曼宁系数15CH_K2主河道的有效水力传导度（mm/hr）16SURLAG地表径流滞后系数17SFTMP允许降雪产生的温度（℃）18SMTMP允许融雪发生的温度（℃）19SMFMX最大融雪因子（mmH2O/℃-天）20SMFMN最小融雪因子（mmH2O/℃-天）21TIMP雪被温度滞后因子22FFCB土壤初始含水量（用含水量占田间持水量的比例表示）4.7参数率定参数敏感性分析21/121/1YYYIXXXSensitivityanalysisstudiesthe“sensitivity”oftheoutputofasystemtochangesintheparameters,inputvariablesorinitialconditions4.7参数率定参数敏感性分析4.7参数率定通过参数敏感性分析，选择敏感参数参数默认值范围调整后的参数CN2D*(0.8~1.2)D*0.81D*ESCO0.950.01~10.40SMTMP0.5-5~53.9ALPHA_BF0.0480~10.041GWQMN0.00~500040.2RCHRG_DP0.050~10.29CH_K20.00~150115.2D*为模型默认参数值，随HRU不同而不同。4.7参数率定YearStreamflow(mm)05101520ObservedSimulated1993199419951996采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等），对模型参数进行自动率定4.8验证（Validation）验证模型对“独立”数据的模拟结果是否准确，通过模型建立的输入-输出关系是否经得起考验。目的：用独立于模型验证时段的气象数据驱动模型，比较模拟结果和观测值的吻合程度。方法：其它模拟结果文件介绍ArcViewSWAT运行示例推荐用SWAT-CUP做参数率定感言模型的学习需要有理论结合实践的过程运行一遍模型很容易，想把模型的来龙去脉搞清楚则不易学习过程中，很多碰壁或努力一般不会白费掌握经验后，适时帮助后来人CRE,GUCAS李润奎[e-mail]