第二章4-SWAT模型

2.5SWAT模型提纲1SWAT起源与发展2SWAT原理概述3SWAT结构与功能4SWAT面临的问题与挑战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)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。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模型其中以下三种模型对SWAT模型影响较大：CREAMS模型(Chemicals,Runoff,andErosionfromAgriculturalManagementSystems)(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(GroundwaterLoadingEffectsonAgriculturalManagementSystems(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-ProductivityImpactCalculator)(Williamsetal.,1984).(该模型主要用于土壤侵蚀和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SWATSWRRBGLEAMSCREAMS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,SWAT2003SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）是Dr.Jeff为美国农业部农业服务中心开发的流域尺度模型控制水流在子流间和河网中的演进过程，使得添加水库的调蓄作用变得异常简单。采用模块化设计思路，水循环的每一个环节对应一个模块，十分方便模型的扩展和应用。在每一个网格单元或子流域上应用传统的概念性模型来推求降雨，再进行汇流演算，最后得到出口断面流量。SWAT简介用来模拟和分析水土流失、非点源污染和农业管理等问题SWAT简介SWAT模型特点物理概念模型输入参数简单计算效率高可以对流域进行长期模拟基于物理机制，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、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。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已有多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。提纲1SWAT起源与发展2SWAT原理概述3SWAT结构与功能4SWAT面临的问题与挑战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，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。2SWAT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。2SWAT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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。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。2SWAT原理概述SWAT原理——地表水过程tigwseepasurfdaytQWEQRSWSW10)(式中：SWt为时段末土壤含水量，mm；SW0为时段初土壤含水量，mm；t为计算时段；Rday为第i天的降雨量，mm；Qsurf为第i天的地表径流，mm；Ea为第i天的蒸发量，mm；Wseep为第i天渗漏量，mm；Qgw为第i天基流量，mm。水量平衡方程如下：地表水过程（续）地表产流计算：SWAT产流计算包括SCS和Green&Ampt模型。其中，SCS曲线数法用的较多，该模型有以下基本假定：实际蓄水量F与最大蓄水容量S之间的比值等于径流量Q与降雨量P和初损Ia差值之比值；Ia和S之间为线性关系。其降雨－径流关系表达式如下：SWAT产流计算包括SCS和Green&Ampt模型。其中，SCS曲线数法用的较多，该模型有以下基本假定：实际蓄水量F与最大蓄水容量S之间的比值等于径流量Q与降雨量P和初损Ia差值之比值；Ia和S之间为线性关系。其降雨－径流关系表达式如下：aIPQSF（8.2）式中：P为一次性降雨总量，mm；Q为地表径流量，mm；Ia为初损，mm，即产生地表径流之前的降雨损失；F为后损，mm，即产生地表径流之后的降雨损失；S为流域当时的可能最大滞留量mm，是后损F的上限。其中：aSIa（8.3）式中：a为常数，在SCS模型中一般取为0.2。aIPQSF产流计算：根据水量平衡，可得：QIPFa（8.4）式中，)P/()(2SIIPQaa（8.5）254/25400CNS（8.6）CN值可针对不同的土壤类型、土地利用和植被覆盖的组合查表获得，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(Antecedentmoisturecondition,AMC）、坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素综合在一起。CN值可针对不同的土壤类型、土地利用和植被覆盖的组合查表获得，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。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。2SWAT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。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（Leonardetal.,1987）。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。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。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。2SWAT原理概述SWAT地表水过程SWAT针对HRU计算汇流时间，包括河道汇流和坡面汇流时间。河道汇流时间计算如下：375.0125.075.0csA62.0nLct式中：ct为河道汇流时间，h；L为河道长度，km；n为河道曼宁系数；A为HRU面积，km2；cs为河道坡度，m/m。坡面汇流时间用下式计算：3.06.0)(0556.0osnslt式中：ot为坡面汇流时间，h；sl为子流域平均坡长，m；n为HRU坡面曼宁系数；s为坡面坡度，m/m。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。2SWAT原理概述提纲1SWAT起源与发展2SWAT原理概述3SWAT结构与功能4SWAT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。四大子模块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（Modifiedversionofuniversalsoillossequation），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CFRGLSPCKareaQsedhrupeq56.0)q(8.11sed为泥沙日产量,ton；Q为表面径流量，mm/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。营养物质输运模块地表径流中各形态氮迁移转化过程河道中各形态氮迁移转化过程（QUAL2E）硝基氮有机氮有机氮氮氨亚硝基氮硝基氮地表径流中各形态磷迁移转化过程河道中各形态氮迁移转化过程可溶性磷固相磷有机磷无机磷植物生长与经营模块冠层截留土壤水分吸收蒸腾作用流域水文循环残体转化硝基氮及可溶性磷的吸收固氮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