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SWAT模型的原理、结构及应用研究
文章来源：(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101;2.? 文章作者：王中根1,刘昌明1,黄友波2   2006-12-15  字体:[大 中 小]  我要投稿!
摘　要:SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流
域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种
不同的水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨
SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功
应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。关
　键　词:SWAT;分布式水文模型;黑河流域;应用研究中
图分类号:P343.3　　S
WAT(SoilandWaterAssessmentTool)是在SWRRB模型[1](Williamsetal.,1985;A
rnoldetal.,1990)基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。它具有很强的物
理基础,适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域,并
能在资料缺乏的地区建模,在加拿大和北美寒区具有广泛的应用[2]。从
模型结构看,SWAT属于第二类分布式水文模型[3],即在每一个网格单元(或子流域
)上应用传统的概念性模型来推求净雨,再进行汇流演算,最后求得出口断面流量。它明
显不同于SHE模型等第一类分布式水文模型,即应用数值分析来建立相邻网格单元之间的
时空关系。从建模技术看,SWAT采用先进的模块化设计思路,水循环的每一个环节对应
一个子模块,十分方便模型的扩展和应用。在运行方式上,SWAT采用独特的命令代码控
制方式,用来控制水流在子流域间和河网中的演进过程,这种控制方式使得添加水库的调
蓄作用变得异常简单。SWAT的功能十分强大,还能够用来模拟和分析水土流失、非点源
污染、农业管理等问题。由
于篇幅原因,本文仅探讨SWAT的水文学原理和模型的结构与运行方式,应用研究的
重点放在径流模拟上。因为径流模拟是水文模拟研究中最基本、最重要的一个环节,也是
研究其它水文问题的基础。1
　SWAT模型原理介绍S
WAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。它可以模
拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性,为了提
高模拟的精度,通常SWAT模型将研究流域细分成若干个单元流域。流域离散的方法有三
种:自然子流域(subbasin)、山坡(hillslop)和网格(grid)。关于流域离散方法的探讨见
参考文献[4]。S
WAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环
的水面部分(即河道汇流部分)。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化
学物质等的输入量;后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。1
.1　水循环的陆面部分流
域内蒸发量随植被覆盖和土壤的不同而变化,可通过水文响应单元(HRU)[2]的划分来
反映这种变化。每个HRU都单独计算径流量,然后演算得到流域总径流量。在实际的计算
中,一般要考虑气候、水文和植被覆盖这三个方面的因素。1
.1.1　气候因素流
域气候(特别是湿度和能量的输入)控制着水量平衡,并决定了水循环中不同要素的
相对重要性。SWAT所需要输入的气候因素变量包括:日降水量、最大最小气温、太阳辐
射、风速和相对湿度。这些变量的数值可通过模型自动生成,也可直接输入实测数据。1
.1.2　水文因素降
水可被植被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,或者经由地下路径缓慢流入地表水系统。冠
层蓄水:SWAT有两种计算地表径流的方法。当采用Green&Ampt方法时需要单独
计算冠层截留。计算主要输入为:冠层最大蓄水量和时段叶面指数(LAI)。当计算蒸发时
,冠层水首先蒸发。下
渗:计算下渗考虑两个主要参数:1初始下渗率(依赖于土壤湿度和供水条件);2最
终下渗率(等于土壤饱和水力传导度)。当用SCS曲线法计算地表径流时,由于计算时间步
长为日,不能直接模拟下渗。下渗量的计算基于水量平衡。Green&Ampt模型可以直接模
拟下渗,但需要次降雨数据。重
新分配:是指降水或灌溉停止时水在土壤剖面中的持续运动。它是由土壤水不均匀引
起的。SWAT中重新分配过程采用存储演算技术预测根系区每个土层中的水流。当一个土
层中的蓄水量超过田间持水量,而下土层处于非饱和态时,便产生渗漏。渗漏的速率由土
层饱和水力传导率控制。土壤水重新分配受土温的影响,当温度低于零度时该土层中的水
停止运动。蒸
散发:蒸散发包括水面蒸发、裸地蒸发和植被蒸腾。土壤水蒸发和植物蒸腾被分开模
拟。潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面指数估算。实际土壤水蒸发用土壤厚度和含水量
的指数关系式计算。植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算。潜在蒸散发有
三种计算方法:Hargreaves(Hargreavesetal.,1985)[5]、Priestley-Taylor(PriestleyandT
aylor,1972)[6]和Penman-Monteith(Monteith,1965)[7]。壤
中流:壤中流的计算与重新分配同时进行,用动态存储模型预测。该模型考虑到水力
传导度、坡度和土壤含水量的时空变化。地
表径流:SWAT模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量。地表径流量的计
算可用SCS曲线方法或Green&Ampt方法计算。SWAT还考虑到冻土上地表径流量的计算
。洪峰流量的计算采用推理模型。它是子流域汇流期间的降水量、地表径流量和子流域汇
流时间的函数。池
塘:池塘是子流域内截获地表径流的蓄水结构。池塘被假定远离主河道,不接受上游
子流域的来水。池塘蓄水量是池塘蓄水容量、日入流和出流、渗流和蒸发的函数。支
流河道:SWAT在一个子流域内定义了两种类型的河道:主河道和支流河道。支流河
道不接受地下水。SWAT根据支流河道的特性计算子流域汇流时间。输
移损失:这种类型的损失发生在短期或间歇性河流地区(如干旱半干旱地区),该地区
只在特定时期有地下水补给或全年根本无地下水补给。当支流河道中输移损失发生时,需要
调整地表径流量和洪峰流量。地
下径流:SWAT将地下水分为两层:浅层地下水和深层地下水。浅层地下径流汇入流
域内河流;深层地下径流汇入流域外河流。1
.1.3　植被因素S
WAT利用一个单一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
.2　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
.2.1　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。其中进行洪水演算时若
水流向下游,其一部分被蒸发和通过河床流失,另一部分被人类取用。补充的来源为直接
降雨或点源输入。河道水流演算多采用变动存储系数模型或Muskingum方法。1
.2.2　水库汇流演算水
库水量平衡包括:入流、出流、降雨、蒸发和渗流。在计算水库出流时,SWAT提供
三种估算出流量的方法以供选择: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。2
　SWAT模型的结构及运行控制2
.1　模型的结构S
WAT具体计算涉及到:地表径流、土壤水、地下水以及河道汇流,模型结构框图(
图1)。2
.2　模型的运行控制S
WAT采用类似于HYMO模型(WilliamsandHann,1973)的命令结构(commands
tructure)来控制径流和化学物质的演算(见图2)。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

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图1　SWAT模型结构示意图F
ig.1　SchematicofSWATModelStructure灌
溉。SWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展。3
　实例研究——SWAT在黑河(莺落峡)流域中的应用3
.1　黑河(莺落峡)流域概况黑
河位于甘肃省西北部,发源于祁连山脉西南麓,是河西走廊三大内陆河之一。按自然
地理特点,可分为三个区:祁连山东区与祁连山前山区、河西走廊区及阿拉善高平原区。其
中,黑河干流山区莺落峡以上流域面积10009km2,该部分流域海拔范围1674～5120m。根据
1959～1993年资料统计[8],黑河莺落峡以上流域的冰川覆盖度为0.59%,年径流量1
6.05×108m3,冰川融水补给率为3.4%。黑河流域山区年降水量可达400mm左右,年蒸发
能力为1600mm。森林主要分布于中山地带,灌木和牧草分布在流域各处。3
.2　模型输入数据S
WAT模型参数繁多,本文重点进行分布式日径流过程的模拟。模型主要计算输入数据
为:DEM、水文和气象测站的空间分布信息、土壤类型与土地利用的空间分布数据、降水
系列数据、蒸发系列数据等。

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图2　SWAT模型的运行命令控制图F
ig.2　SWATcommandstructureD
EM为栅格数据,利用GIS软件将黑河莺落峡流域划分为4个子流域,并提取出数字河
网图(见图3)。本文共用到14个雨量站点的资料,径流数据为莺落峡水文站的日观测资料
。站点的空间分布见图3。降水系列数据为1998年日降水数据。蒸发采用月数据平均生成
日数据。土地利用为1∶10万数字图(见图4)。土壤类型分布数据来源于遥感和实际调查
,计算时每个子流域按最典型的一种土壤确定。土壤属性数据来自文献[9]。

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在ArcView3.2平台上,运行AVSWAT2000(SWAT模型的ArcView界面)自动生成
格式化的模型参数和输入数据。经过SWAT模拟计算,主要结果如下。(
1)子流域月径流模拟结果(表2):(
2)莺落峡日径流模拟结果:从
日径流过程的模拟结果(图5)看,模型效率系数达到0.83,SWAT完全满足水资源
管理的应用之需。模型能够输出各个子流域的模拟数值,对于探讨水循环空间变化规律具
有很大的帮助。

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Fig.5　DailyrunoffsimulationsofHeihe(YingluoValley)basinin19984
　结语S
WAT模型的引入为西部寒冷地区水文过程的模拟提供了有用工具,它独特的分布式结
构和运行控制方式也为我国分布式水文模型的研制开拓了视野。经研究发现:(
1)SWAT模型在结构上考虑融雪和冻土对水文循环的影响,较适用于我国西北寒区。(
2)SWAT模型不适用于单一事件的洪水过程的模拟。计算时段以日或月为好,比较适
用于面向水资源管理的长时段的分布式水文过程模拟。(
3)SWAT模型是在国外数据条件下构建的。因此,在应用时需对模型的数据库部分进
行修改,特别需要建立用户自己的土壤属性数据库。土地利用的编码也要进行转换。(
4)实列研究表明,降雨空间分布对模拟结果影响很大。而AVSWAT2000在降雨空间
处理上不太理想。建议采用“泰森多边形法”或者“距离倒数加权法(IDW)”等生成子流
域的降雨输入数据,本文采用的是后一种方法。S
WAT模型除了本文介绍的分布式径流模拟功能之外,还能用于面源污染、水土流失、土
地利用和农业管理等方面的研究,是一个十分值得推广的综合性流域水文模型。参
考文献[
1]　Arnold,J.G.,J.R.WilliamsandD.R.Maidment.Continuous-timewaterandsediment-routingmodelforlarge
basins.JournalofHydraulicEngineering.1995,121(2):171～183.[
2]　Neitsch,S.L.,J.G.Arnold,J.R.KiniryandJ.R.Williams.SoilandWaterAssessmentToolTheoreticalDocu-m
entation,Version2000. http://www.brc.tamus.edu/swat/.2001.[
3]　王中根,刘昌明等.基于DEM的分布式水文模型构建方法.地理科学进展,2002,21(5):430～439.[
4]　王中根,刘昌明,吴险峰.基于DEM的分布式水文模型研究综述.自然资源学报,2003,18(2):1～6.[
5]　Hargreaves,G.L.,G.H.Hargreaves.andJ.P.Riley.AgriculturalbenefitsforSenegalRiverBasin.J.Irrig.andD
rain.Engr,1985,111(2):113～124.[
6]　Priestley,C.H.B.andR.J.Taylor.Ontheassessmentofsurfaceheatfluxandevaporationusinglarge-scaleparam-e
ters.Mon.WeatherRav,1972,100:81～92.[
7]　Penman.H.L.Evaporation:Anintroductorysurvey.NetherlandsJournalofAgriculturalScience,1956(4):7～29.[
8]　丁永建,叶佰生,周文娟.黑河流域过去40a来降水时空分布特性.冰川冻土,1999,21(1):42～48.[
9]　甘肃省土壤普查办公室.甘肃土壤.北京:农业出版社,1993.83～426.T
heTheoryofSWATModelanditsApplicationinHeiheBasinW
ANGZhong-gen1,LIUChang-ming1,HuangYou-bo2(
1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)(
2.HydraulicandElectricEngineeringDepartmentofWuhanUniversity,Wuhan430072,China)A
bstract:SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)modelisariverbasin,orwatershed,s
calemodeldevelopedtopredicttheimpactoflandmanagementpracticesonwater,sedi-m
ent,andagriculturalchemicalyieldsinlarge,complexwatershedswithvaryingsoils,l
anduse,andmanagementconditionsoverlongperiodsoftime.Themodelisphysicallyb
asedandenablesuserstostudylong-termimpacts.T
hispapermainlyintroducesanddiscussestheissuesofthehydrologicaltheory,thes
tructureandfunctionsofSWATmodel.SWATseparatesthehydrologyofawatershedi
ntotwomajordivisions.Thefirstdivisionisthelandphaseofthehydrologiccyclewhichc
ontrolstheloadingstothemainchannelineachsubbasin.Theseconddivisionisthewatero
rroutingphaseofthehydrologiccyclewhichcanbedefinedasthemovementofwater,s
ediments,etc.throughthechannelnetworkofthewatershedtotheoutlet.SWATusesac
ommandstructureforroutingrunoffandchemicalsthroughawatershed.Usingaroutingc
ommandlanguage,themodelcansimulateabasinsubdividedintogridcellsorsubbasin.I
ncasestudy,SWATmodelwasusedtosimulatethehydrologyofHeihe(YingluoV
alley)BasininthecoldNorthwestChina.First,BasedonDEM,Heihe(YingluoV
alley)Basinwassubdividedintofoursubbasins.Bybuildingusersoiltypedatabaseandm
odifyinglandusecoding,themodelmadeagoodrunoffsimulationresultonadailytimes
tep,andthemodelNSE(Nash-Sutcliffeerrorjudgestandard)isupto0.83.So,SWATm
odelcanbeappliedtowaterresourcemanagementinNorthwestChina.K
eywords:SWAT;Distributedhydrologicalmodel;Heheibasin;ApplicationStudy