SWAT模型讲义

第二讲SWAT模型概述提纲1.1SWAT起源与发展1.2SWAT原理概述1.3SWAT结构与功能1.4SWAT面临的问题与挑战几个关键问题-SWAT是什么？-SWAT能做什么？-SWAT面临问题与挑战？1.1SWAT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JeffArnold博士将SWRRB和ROTO整合为一个新的模型，即SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）1.1SWAT起源与发展模型改进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SWAT-G模型SWIM模型SWATMOD模型GLEAMS模型ESWAT模型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。1.1SWAT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RioGrande/RioBravo流域的水文模拟。流域面积60万km2，研究跨国河流RioGrande/RíoBravo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已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。提纲1.1SWAT起源与发展1.2SWAT原理概述1.3SWAT结构与功能1.4SWAT面临的问题与挑战1.2SWAT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引入水文响应单元（HRU，HydrologcialResponseUnit）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，在进行坡面汇流，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。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。1.2SWAT原理概述水循环的陆面部分气候因素SWAT所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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。1.2SWAT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。1.2SWAT原理概述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。1.2SWAT原理概述水循环的陆面部分水土流失SWAT采用修改MUSLE模型（UniversalSoilLossEquation,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。1.2SWAT原理概述水循环的陆面部分营养物资SWAT模拟流域内几种不同形式的氮、磷的运动与转换。氮、磷营养物资可以通过地表径流和壤中流进入主河道传输到下游河段。1.2SWAT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资的运动。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（Leonardetal.,1987）。1.2SWAT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。1.2SWAT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。1.2SWAT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（variablestoragecoefficientmethod,Williams,1969）或Muskingum方法。1.2SWAT原理概述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：①需要输入实测出流数据；②对于小的无观测值的水库，需要规定一个出流量；③对于大水库，需要一个月调控目标。1.2SWAT原理概述提纲1.1SWAT起源与发展1.2SWAT原理概述1.3SWAT结构与功能1.4SWAT面临的问题与挑战降水灌溉降雨降雪融雪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水分层（10层）河流浅层地下水深层地下水池塘/水库调蓄下渗1.3SWAT结构与功能SWAT采用类似于HYMO模型（WilliamsandHann,1973）的命令结构来控制径流和化学物质的演算。通过子流域命令，进行分布式产流计算；通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程；通过叠加命令，把实测的数据和点源数据输入到模型中同模拟值进行比较；通过输入命令，接受其它模型的输出之值；通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段（或水库）中，也可直接用作农业灌溉。SWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展。（1）SWAT结构开始输入数据参数初始化日循环？上一年最后一天计算并输出最终计算结果程序结束循环控制命令河道演算计算通过河道的径流，沉积物和污染物水库演算计算通过水库的径流，沉积物和污染物输移计算从任意一个子流域或水库向另外一个子流域或水库水分输移的计算子流域计算读入或生成降水和最大/最小气温数据生成太阳辐射，风速和湿度数据计算土壤温度计算降雪和融雪叠加计算叠加任意二个水文过程总的水量，沉积物，污染物输入控制读入实测EP、径流数据或者SWAT输出存储将输出数据写入文件，以供另一个SWAT循环使用降雨+融雪0计算地表径流和下渗地表径流0？计算洪峰流量、输移损失、产沙量、营养物、杀虫剂土壤水演算、ET、作物生长、池塘/水库水量平衡、地下径流及水位计算结束演算是否是否SWAT主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的影响，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Rivernetworkcontrolledbydams&floodgates12643810161720181921222324255111413915127源头子流域河段子流域11539681017121314161175191820222123242524（1）SWAT主要功能提纲1.1SWAT起源与发展1.2SWAT原理概述1.3SWAT结构与功能1.4SWAT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1.4SWAT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，为此需要开发了模型输入与参数调试模块，可以十分快速的进行模型输入和参数的调整。1.4SWAT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，目前通过编程实现人工判断单元流向自动实现运行控制文件的生成，解决了平原区建模的难题。1.4SWAT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。但可以通过耦合地下水动力学模型加以解决。目前，我们即将完成这方面的开发工作。1.4SWAT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是一个开放的构架，也可以通过添加相应的功能模块，实现城市水循环的模拟问题。1.4SWAT面临的问题与挑战谢谢！Thanks!