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SWATSWAT模型培训讲义模型培训讲义单位：中国水科院水资源所单位：中国水科院水资源所 讲解人：讲解人：陆垂裕陆垂裕日期：日期：2012-2-222012-2-22自我介绍1976年10月 陆垂裕，出生于湖北省黄石市19951999 武汉水利电力大学，本科，农田水利19982001 武汉大学，硕士，水利水电工程20012004 武汉大学，博士，水利水电工程20042006 中国水科院，博士后，水文水资源2006至今 中国水科院，水资源所，高工研究领域：土壤水/地下水，地表/地下水质，行业软件开发，水文模型等讲 义 提 纲水文科学发展简述SWAT模型简介SWAT主要水循环模拟方法详解SWAT的主要物质循环模拟简介SWAT的输入输出SWAT的软件界面SWAT的参数敏感性分析、自动率定等SWAT应用研究示例讲解基于SWAT原理改进的水循环模拟模型MODCYCLE自我介绍联系方式：中国水利水电科学研究院水资源所北京市复兴路甲1号A座920室QQ：63711279手机：[phone]水文水文/水循环模型研水循环模型研究简述究简述水文科学发展简述水文科学发展简述 国际上，特别是西方认为以国际上，特别是西方认为以1717世纪进世纪进行的有史以来首批重要水文量测为标志，行的有史以来首批重要水文量测为标志，作为科学水文学的开始。这些量测是：作为科学水文学的开始。这些量测是：Pierre PerraultPierre Perrault的塞纳河流域降雨、蒸发的塞纳河流域降雨、蒸发和毛管势量测；和毛管势量测；Edme MariotteEdme Mariotte的塞纳河流量量测；的塞纳河流量量测；Edmond HalleyEdmond Halley的地中海蒸发和流量量测等的地中海蒸发和流量量测等等。等。1818、1919世纪主要在水力学世纪主要在水力学世纪主要在水力学世纪主要在水力学试验研究试验研究试验研究试验研究方面发展方面发展方面发展方面发展18561856年年 Henry DarcyHenry Darcy通过渗透试验得出水在多孔介质中的渗透定律，通过渗透试验得出水在多孔介质中的渗透定律，即著名的达西公式；即著名的达西公式；18631863年年J.DupuitJ.Dupuit以以DarcyDarcy公式为基础提出了公式为基础提出了DupuitDupuit假设，为开采井假设，为开采井的稳定流计算奠定了基础的稳定流计算奠定了基础18801880年雷诺根据试验提出了针对流体力学的雷诺公式；年雷诺根据试验提出了针对流体力学的雷诺公式；18891889年曼宁提出了明渠稳定流公式；年曼宁提出了明渠稳定流公式；进入进入进入进入2020世纪初水文学科开始快速发展世纪初水文学科开始快速发展世纪初水文学科开始快速发展世纪初水文学科开始快速发展4040年代以前：水文要素实验和理论研究年代以前：水文要素实验和理论研究入渗：入渗：入渗：入渗：19111911年年,Green-Ampt,Green-Ampt 建立了饱和入渗理论公式，至今应用建立了饱和入渗理论公式，至今应用仍然很广泛；仍然很广泛；蒸发：蒸发：蒸发：蒸发：19261926年年,Bowen,Bowen提出第一个理论公式，其中将蒸发通量的潜提出第一个理论公式，其中将蒸发通量的潜热和能量通量的感热通过一个比值联系起来，这就是著名的波温比。热和能量通量的感热通过一个比值联系起来，这就是著名的波温比。这是脱离经验公式的显著进步。这是脱离经验公式的显著进步。非饱和水分运动：非饱和水分运动：非饱和水分运动：非饱和水分运动：1907 1907 年，年，BurkinghamBurkingham引进毛管势概念，即土壤水基质势概念，引进毛管势概念，即土壤水基质势概念，建立建立非饱和水分运动的理论基础；非饱和水分运动的理论基础；1931 1931 年，年，Richards Richards 建立控制建立控制非饱和土壤水的等温输送的基本方程，非饱和土壤水的等温输送的基本方程，提出一种量测土壤水基质势的方法，并且研究了土壤水运动的滞后提出一种量测土壤水基质势的方法，并且研究了土壤水运动的滞后现象。现象。饱和地下水分运动：饱和地下水分运动：饱和地下水分运动：饱和地下水分运动：19351935年年C.V.TheisC.V.Theis（泰斯）提出了地下水向承压水井运动的非稳定（泰斯）提出了地下水向承压水井运动的非稳定 流公式，开创了现代地下水运动理论的新纪元；流公式，开创了现代地下水运动理论的新纪元；河川径流：河川径流：河川径流：河川径流：1907 1907 年，年，Hoyt Hoyt 发表了流速仪测流的经典专著，总结了用发表了流速仪测流的经典专著，总结了用流速仪测流的实践经验。流速仪测流的实践经验。降雨产流：降雨产流：降雨产流：降雨产流：19331933年，年，HortonHorton提出降雨产流的入渗理论，开始了对陆面通量的从提出降雨产流的入渗理论，开始了对陆面通量的从经验向推理的过渡；经验向推理的过渡；19321932年，年，ShermanSherman提出流域响应的单位线方法。提出流域响应的单位线方法。两者结合形成完整的流域水文推理和计算体系，开创了流域水文的两者结合形成完整的流域水文推理和计算体系，开创了流域水文的定量途径。定量途径。4040404060606060年代：应用水文学全面发展年代：应用水文学全面发展年代：应用水文学全面发展年代：应用水文学全面发展河道洪水演算：河道洪水演算：河道洪水演算：河道洪水演算：19391939年，年，McCarthyMcCarthy提出提出MuskingumMuskingum洪水演算方法洪水演算方法（水文学法）（水文学法）；19411941年，年，MeyerMeyer提出提出LagLag和和routeroute方法方法（槽蓄方程，水文学法）（槽蓄方程，水文学法）；19511951年，年，HayamiHayami提出扩散相似法提出扩散相似法（扩散波方程，水力学法）（扩散波方程，水力学法）流域汇流：流域汇流：流域汇流：流域汇流：19451945年，年，ClarkClark提出在等流时线基础上，通过一个概念性蓄水单元提出在等流时线基础上，通过一个概念性蓄水单元调蓄，建立单位线的推理方法，开创了单位线的理论研究时期。调蓄，建立单位线的推理方法，开创了单位线的理论研究时期。蒸发：蒸发：蒸发：蒸发：蒸发研究更系统，更具理论价值。蒸发研究更系统，更具理论价值。19351935，19481948年，年，ThornthweiteThornthweite对蒸发估算的改进；对蒸发估算的改进；19481948年，年，PenmanPenman提出潜在腾发概念及潜在腾发估算的混合公式；提出潜在腾发概念及潜在腾发估算的混合公式；19481948年开始，年开始，BudykoBudyko发表关于蒸发的系列文章。发表关于蒸发的系列文章。6060606080808080年代：流域产流试验研究年代：流域产流试验研究年代：流域产流试验研究年代：流域产流试验研究19631963年，年，HewlittHewlitt和和HilbertHilbert的排水期斜坡土壤水分和能量实验的排水期斜坡土壤水分和能量实验19691969年，年，BetsonBetson的暴雨径流产流面积实验的暴雨径流产流面积实验19701970年，年，DunneDunne和和BlackBlack的小流域透水土壤产流实验的小流域透水土壤产流实验 这些研究大大丰富了对流域产流过程的认识，提出了若干不同于这些研究大大丰富了对流域产流过程的认识，提出了若干不同于HortonHorton产流入渗理论的降雨产流机制，并突出认识到流域部分面积产产流入渗理论的降雨产流机制，并突出认识到流域部分面积产流概念和山坡非饱和水分侧向运动的重要作用流概念和山坡非饱和水分侧向运动的重要作用.70707070年代以后：水文学进入模型计算时代年代以后：水文学进入模型计算时代年代以后：水文学进入模型计算时代年代以后：水文学进入模型计算时代地下水数值模型地下水数值模型19881988年，年，MODFLOWMODFLOW（美国）（美国）流域水文模型流域水文模型19771977年，新安江模型（中国）年，新安江模型（中国）19791979年，年，TOPMODELTOPMODEL（纽芬兰）（纽芬兰）19861986年，年，SHESHE模型（英国、法国、荷兰联合开发）模型（英国、法国、荷兰联合开发）本世纪前半叶：本世纪前半叶：水文测验水文测验水文测验水文测验积累水文资料积累水文资料积累水文资料积累水文资料工程实践工程实践工程实践工程实践积累经验和问题积累经验和问题积累经验和问题积累经验和问题本世纪后半叶：本世纪后半叶：水文研究水文研究水文研究水文研究山坡水文实验山坡水文实验山坡水文实验山坡水文实验流域水文模拟流域水文模拟流域水文模拟流域水文模拟计算机出现计算机出现计算机出现计算机出现水循环的各个子系统大气环流系统大气环流系统地表水系统地表水系统土壤水系统土壤水系统地下水系统地下水系统气象学领域地表水文学领域农田水利学领域地下水文学领域大气环流系统地表水系统土壤水系统地下水系统各个学科领域对应的水循环子系统水循环研究的目的生产实践中与水循环有关的各种问题：生产实践中与水循环有关的各种问题：天气预报天气预报降雨时间？降雨量？降雨范围？气候变化气候变化干旱化？湿润化？防洪调度防洪调度降雨径流关系？洪峰流量？洪峰移动速度？泥沙淤积泥沙淤积冲淤平衡流量？河道输沙量？水力发电水力发电上游来水量？来水过程？气象学地表水文学农田灌溉农田灌溉灌溉方式？灌溉制度？土壤盐渍化土壤盐渍化埋深控制？排水沟间距？大坝、基坑防渗大坝、基坑防渗/排水排水渗透压力？减压控制？地下水水源地开发地下水水源地开发开采井间距？开采总量控制？海水入侵海水入侵咸/淡界面位置？平衡关系?农田水利学地下水文学流域水文流域水文/水循环模型水循环模型优势：优势：各种水文过程统一模拟的平台，使人们可以站在流域各种水文过程统一模拟的平台，使人们可以站在流域整体视角研究各种水文过程的综合影响整体视角研究各种水文过程的综合影响 降雨/蒸发、产流、河网汇流、土壤水运动、地下水运动流域水文流域水文/水循环模型水循环模型中国中国10大一级流域分区大一级流域分区流域：由分水线所流域：由分水线所包围的河流集水区包围的河流集水区流域水文流域水文/水循环模型水循环模型淮河流域淮河流域淮南市淮河干流土壤水模拟土壤水模拟产流、入渗、渗漏、蒸发问题产流、入渗、渗漏、蒸发问题地下水模拟地下水模拟河道基流问题地表水模拟地表水模拟数字高程数字高程流域划分、汇流路径问题河道洪水演进问题地下水运动土壤水运动降水入渗蒸散水文过程地表径流汇流流域出流流流域域层层面面上上的的统统一一水资源研究方面的需求水资源评价水资源开发利用评价重点：“四水转化”规律反演及水平衡分析水文研究方面的需求：防洪、径流预测重点：产汇流计算，洪水过程模拟 流域水文模型的应用层面流域水文模型的应用层面概念性概念性概念性概念性：斯坦福模型，斯坦福模型，斯坦福模型，斯坦福模型，1966196619661966 水箱模型，水箱模型，水箱模型，水箱模型，1967196719671967 新安江模型，新安江模型，新安江模型，新安江模型，1977197719771977 物理性物理性物理性物理性：FreezeFreezeFreezeFreeze模型，模型，模型，模型，1971197119711971 SHE SHE SHE SHE模型，模型，模型，模型，1986198619861986 TOPMODEL TOPMODEL TOPMODEL TOPMODEL，1979197919791979 WEP WEP WEP WEP，2001200120012001 流域水文模型流域水文模型 流域水文模型流域水文模型水箱模型水箱模型水箱模型水箱模型(TANK)(TANK)顶层水箱：模拟地表径流，设置个出流口顶层水箱：模拟地表径流，设置个出流口第二层水箱：模拟壤中流第二层水箱：模拟壤中流第三层水箱：模拟地下径流第三层水箱：模拟地下径流、水箱结构、水箱结构 流域水文模型流域水文模型水箱模型水箱模型水箱模型水箱模型(TANK)(TANK)以水箱作为蓄水容器，将降雨径流过程模拟为若干水箱的调蓄作用；模型结构简单，而且不定，水箱个数和孔数等均可以改变，参数值也不受物理概念的约束，所以适应性好，在湿润地区易于取得成功；模型的物理概念不是直接的，没有明确的土壤含水量的概念，参数多且没有一个客观的数学方法来描述，主要依靠试错法来确定参数；由于线性水库的出流没有洪峰滞时，所以计算的出流过程需要作一定时间的滞后才能与实测出流过程相符，这就相当于河网汇流。流域水文模型流域水文模型新安江（三水源）模型新安江（三水源）模型新安江（三水源）模型新安江（三水源）模型 河海大学赵人俊提出的一个水文模型，是中国少有的一个具有世界影响力的水文模型。三水源指按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。适合于湿润地区与半湿润地区水文模拟。流域水文模型流域水文模型26 流域水文模型流域水文模型MIKE-SHEMIKE-SHE圣圣-维南方程组维南方程组 分布式分布式物理基础物理基础模型主要依据物理定律，其参数都是明确模型主要依据物理定律，其参数都是明确的物理量，可直接测定。但对模型输入信息质量和数量有较的物理量，可直接测定。但对模型输入信息质量和数量有较高要求，计算成本较高，一般较难满足。同时对复杂的应用高要求，计算成本较高，一般较难满足。同时对复杂的应用条件条件(如人类活动如人类活动)难以适应，计算效率不高；难以适应，计算效率不高；概念性模型计算原理简单，相对灵活，但主要参数只有抽概念性模型计算原理简单，相对灵活，但主要参数只有抽象意义，物理意义不强，多数需要反复调算和率定。另外象意义，物理意义不强，多数需要反复调算和率定。另外对具体水循环过程刻画不足；对具体水循环过程刻画不足；概念概念-物理相结合的半分布式模型？物理相结合的半分布式模型？概念性模型和分布式模型优缺点概念性模型和分布式模型优缺点SWATSWAT模型简介模型简介（SOIL AND WATER ASSESSMENT TOOL）SWAT简介开发者开发者:Dr.Jeff Arnold for the USDA Agricultural Dr.Jeff Arnold for the USDA Agricultural Research Service(ARS)-Research Service(ARS)-美国农业部农业研究局美国农业部农业研究局应用方向应用方向:评价土地利用管理等人类活动对流域水循环、泥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沙、农业污染物质迁移的长期影响和作用特点：特点：1.1.属于物理概念结合的模型，具有很强的物理基础，能属于物理概念结合的模型，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；综合作用，同时能够灵活处理各种复杂应用条件；2.2.适合于长时间尺度的水文循环和物质循环研究，而非短适合于长时间尺度的水文循环和物质循环研究，而非短时期水文预报；时期水文预报；3.3.适合于宏观尺度的模拟；适合于宏观尺度的模拟；SWAT简介4.4.不仅模拟水循环过程，还能以水循环为载体，研究水土不仅模拟水循环过程，还能以水循环为载体，研究水土流失、营养物质输移、农药、病原菌等物质循环过程；流失、营养物质输移、农药、病原菌等物质循环过程；5.5.能够灵活处理资料缺失问题。具有强大的模型数据库，能够灵活处理资料缺失问题。具有强大的模型数据库，除地形和土地利用等少量基本数据资料外，很多参数，除地形和土地利用等少量基本数据资料外，很多参数，如作物相关参数、土壤参数等可直接选用备用数据；如作物相关参数、土壤参数等可直接选用备用数据；6.6.分布式计算，先将流域分成子流域，子流域内继续细分分布式计算，先将流域分成子流域，子流域内继续细分水文响应单元（水文响应单元（HRUHRU），单独研究每个水文响应单元的），单独研究每个水文响应单元的内部循环，并在子流域进行累计汇总，再通过河网对子内部循环，并在子流域进行累计汇总，再通过河网对子流域进行有机连接以模拟地表汇流，计算效率很高流域进行有机连接以模拟地表汇流，计算效率很高SWAT开发历史前身前身：SWRRB model(Simulator for Water Resources in Rural Basins)(Williams et al.,1985;Arnold et al.,1990)该模型为美国农业部的三个模型的集成成果该模型为美国农业部的三个模型的集成成果：CREAMS2(Chemicals,Runoff,and Erosion from Agricultural Management Systems)(Knisel,1980)；(PS:农业管农业管理系统中的化学作用、径流和土壤侵蚀）理系统中的化学作用、径流和土壤侵蚀）EPIC4(Erosion-Productivity Impact Calculator)(Williams et al.,1984).(ps:土壤侵蚀和生产力影响估算模型）土壤侵蚀和生产力影响估算模型）GLEAMS3(Groundwater Loading Effects on AgriculturalManagement Systems)(Leonard et al.,1987)(ps:农业管理系统对农业管理系统对地下水的负荷影响）地下水的负荷影响）SWAT开发历史SWRRBSWRRB（Simulator for Water Resources in Rural BasinsSimulator for Water Resources in Rural Basins）初始时直接源于初始时直接源于CREAMSCREAMS模型的修正，扩展以下功能：模型的修正，扩展以下功能：1)1)多个子流域同时演算；多个子流域同时演算；2)2)地下水基流计算；地下水基流计算；3)3)水库蓄滞计算水库蓄滞计算;4);4)气象模拟与插值；气象模拟与插值；5)5)提高洪峰模拟精度；提高洪峰模拟精度；6)EPIC6)EPIC植物生长模型；植物生长模型；7)7)简单的洪水演算模块；简单的洪水演算模块；8)8)流域产沙及运移；流域产沙及运移；9)9)考虑地表径流传输损失考虑地表径流传输损失 8080年代末，又针对污染物运移模拟进行了增强，包括：年代末，又针对污染物运移模拟进行了增强，包括：1)1)借鉴借鉴GLEAMSGLEAMS模型的农药循环模型的农药循环;2);2)增加增加SCSSCS曲线法模拟产流过程；曲线法模拟产流过程；3)3)更新产沙计算公式；更新产沙计算公式；SWAT开发历史SWRRBSWRRB的主要问题：的主要问题：1 1、SWRRBSWRRB最多只能模拟最多只能模拟1010个子流域，适合于几百平方公里面积的模拟，个子流域，适合于几百平方公里面积的模拟，如面积太大如面积太大(几千平方公里以上几千平方公里以上)会影响模拟精度；会影响模拟精度；2 2、各子流域的产出直接输出到流域出口，无河道循环过程、各子流域的产出直接输出到流域出口，无河道循环过程ROTO(Routing Outputs to Outlet)在在8080年代末期美国印第安事务局研究亚利桑那州和新墨西哥州的印年代末期美国印第安事务局研究亚利桑那州和新墨西哥州的印第安保留区水管理对下游影响评估时开发的，是个单独的连接程序。初第安保留区水管理对下游影响评估时开发的，是个单独的连接程序。初始开发时的目的是把多个始开发时的目的是把多个SWRRBSWRRB的输出连接起来，并进行河道循环演算。的输出连接起来，并进行河道循环演算。后来发现虽然效果很好，但后来发现虽然效果很好，但SWRRBSWRRB和和ROTOROTO分别独立运行很不方便，于是分别独立运行很不方便，于是进行整合。进行整合。SWAT=SWRRB+ROTOSWAT开发历史 版本进展：版本进展：SWAT90:SWAT90:第第1 1版，融合版，融合SWRRBSWRRB和和ROTOROTO；SWAT94.2SWAT94.2：子流域划分多个水文响应单元；：子流域划分多个水文响应单元；SWAT96.2SWAT96.2：自动施肥、自动灌溉、作物模型考虑：自动施肥、自动灌溉、作物模型考虑CO2CO2作用、作用、Penman-MonteithPenman-Monteith、河水演进中考虑水质、农药传输过程；、河水演进中考虑水质、农药传输过程；SWAT98.1SWAT98.1：放牧活动、有机肥料、暗管排水、：放牧活动、有机肥料、暗管排水、SWAT99.2SWAT99.2：重金属、城市尘埃的沉积、冲洗；：重金属、城市尘埃的沉积、冲洗；SWAT2000SWAT2000：微生物运移、：微生物运移、Green-AmptGreen-Ampt模型、模型、气象发生器气象发生器、无限水库模拟、马斯京根法无限水库模拟、马斯京根法 SWAT2005SWAT2005：气象情景预测、日降雨细化分布：气象情景预测、日降雨细化分布 SWAT2009SWAT2009：源代码和正式文档近期已经发布源代码和正式文档近期已经发布SWATSWAT流域模拟结构流域模拟结构可选可选水库也在河水库也在河网系统内网系统内SWATSWAT子流域划分及河道系统子流域划分及河道系统SWATSWAT的概念性和物理性的概念性和物理性概念性：概念性：1 1、模拟结构的概念性、模拟结构的概念性 全流域/区域子流域水文响应单元，松散耦合 物理模型：网格、地形单元等，强耦合2 2、模拟方法的概念性、模拟方法的概念性 降雨/灌溉入渗：SCS、Green-Ampt 土壤水模拟：概念性的分层下渗模型，田间持水度 地下水：均衡模式，不考虑侧向径流 地表水：河槽蓄量法、马斯京根法 物理模型：Richard方程、运动波/动力波方程、地下水动力学方程物理性：物理性：水循环各过程刻画比较全面和贴合实际，几乎所有的实际物理水文过程均有模型计算过程对应水文响应单元？水文响应单元？1 1、代表了流域的下垫面、代表了流域的下垫面2 2、是集合体的概念、是集合体的概念 土地利用+土壤类型+管理方式草地(30%)麦田(50%)林地(20%)灰潮土(70%）红壤土(30%）林地-红壤土(20%)草地-灰潮土(30%)麦田-红壤土(30%)麦田-灰潮土(20%)子子流流域域雨养灌2水灌3水林地-红壤土-雨养(20%)草地-灰潮土-雨养(30%)麦田-红壤土-灌2水(30%)麦田-灰潮土-灌2水(8%)麦田-灰潮土-灌3水(12%）划分结果：划分结果：全子流域全子流域 5 个水文响应单元个水文响应单元340340个子流域，个子流域，1616种种土地利用，土地利用，2828种土种土壤，共分出壤，共分出27112711个个水文响应单元水文响应单元同一HRU子流域子流域1 1、单个水文响应单、单个水文响应单元用一维土柱模拟元用一维土柱模拟土壤水及作物过程土壤水及作物过程2 2、水文响应单元相、水文响应单元相互独立，无空间联系，互独立，无空间联系，不发生水分交换不发生水分交换与全分布式模型的区别基于网格的全分布式水文模型基于网格的全分布式水文模型 -MIKE-SHE-MIKE-SHE单元格一维非饱和渗流模型饱和流动模型地表水模型两阶段的水文过程模拟 第第1 1阶段：阶段：陆面过程，控制每个子流域水、泥沙、营养物陆面过程，控制每个子流域水、泥沙、营养物微生物等的内部循环转化过程，并产出到主河道微生物等的内部循环转化过程，并产出到主河道两阶段的水文过程模拟 第第2 2阶段：阶段：河道演进过程，模拟水、泥沙、营养物等通过河道演进过程，模拟水、泥沙、营养物等通过河道演进直到流域出口河道演进直到流域出口 SWATSWAT水循环模拟路径水循环模拟路径陆面过程陆面过程河道过程河道过程水文响水文响应单元应单元主河道主河道池塘池塘/湿地湿地浅层地下水浅层地下水深层地下水深层地下水SWATSWAT主要水循环模拟方主要水循环模拟方法详解法详解SWATSWAT主要过程模拟主要过程模拟1、大气水过程、大气水过程2、土壤水过程、土壤水过程3、地下水过程、地下水过程4、地表水过程、地表水过程5、植物生长过程、植物生长过程6、土地与水分管理、土地与水分管理7、泥沙过程、泥沙过程8、营养物迁移过程、营养物迁移过程9、农药迁移、农药迁移10、重金属迁移、重金属迁移11、病原菌迁移、病原菌迁移水循环过程原理水循环过程原理物质循环过程原理物质循环过程原理+一、SWAT的大气水过程大气水主过程大气水主过程2、气象站点与子流域的关系、气象站点与子流域的关系1、SWAT对气象数据的管理对气象数据的管理 五大气象要素分开管理：降水五大气象要素分开管理：降水站、气温站、湿度站、辐射站、站、气温站、湿度站、辐射站、风速站风速站 采用类似泰森多边形的方法，采用类似泰森多边形的方法，子流域所用的气象数据来自与子流域所用的气象数据来自与其形心距离最近的气象站其形心距离最近的气象站一、SWAT的大气水过程气象发生器（气象发生器（WEATHER GENERATORWEATHER GENERATOR）？）？作用：作用：1 1、实际日序列气象数据有缺失时气象发生器可填补之、实际日序列气象数据有缺失时气象发生器可填补之2 2、气象资料缺乏时可用气象发生器模拟的气象数据替代、气象资料缺乏时可用气象发生器模拟的气象数据替代3 3、用于情景方案计算时的气象模拟预测、用于情景方案计算时的气象模拟预测4 4、降雨过程的日内分布预测，用于、降雨过程的日内分布预测，用于Green-AmptGreen-Ampt法计算产流法计算产流-入渗入渗 根据长测站气象数据的统计规律按照某种随机模拟方法产生日气根据长测站气象数据的统计规律按照某种随机模拟方法产生日气象数据的计算模块，五大气象要素：降雨、气温、日平均相对湿度、象数据的计算模块，五大气象要素：降雨、气温、日平均相对湿度、日辐射、日平均风速都能随机生成日辐射、日平均风速都能随机生成局限：必须提供气象站气象数据的统计特征值局限：必须提供气象站气象数据的统计特征值一、SWAT的大气水过程单个气象发生器为单个气象发生器为1 1个长测气象站，需给出的信息包括：个长测气象站，需给出的信息包括：1 1、站点位置、站点位置：经：经/纬度，高程纬度，高程2 2、站点气象数据统计特征值：、站点气象数据统计特征值：1 1）月最大半小时降雨的统计年数。）月最大半小时降雨的统计年数。1 1个数据个数据 2 2）多年平均每月的日最高气温。）多年平均每月的日最高气温。1212个数据个数据 3 3）多年平均每月的日最低气温。）多年平均每月的日最低气温。1212个数据个数据 4 4）多年每月的日最高气温的标准方差。）多年每月的日最高气温的标准方差。1212个数据个数据 5 5）多年每月的日最低气温的标准方差。）多年每月的日最低气温的标准方差。1212个数据个数据 6 6）多年平均每月的降雨量。）多年平均每月的降雨量。1212个数据个数据 7 7）多年平均每月的日降雨量的标准方差。）多年平均每月的日降雨量的标准方差。1212个数据个数据 8 8）多年平均每月的日降雨量的偏差系数。）多年平均每月的日降雨量的偏差系数。1212个数据个数据 9 9）每月单日降雨之后第二天放晴的概率。）每月单日降雨之后第二天放晴的概率。1212个数据个数据 1010）每月单日降雨之后第二天继续降雨的概率。）每月单日降雨之后第二天继续降雨的概率。1212个数据个数据 1111）多年平均每月的降雨天数。）多年平均每月的降雨天数。1212个数据个数据 1212）史上每月的最大半小时降雨量，）史上每月的最大半小时降雨量，1212个数据个数据 1313）多年平均每月的日平均辐射。）多年平均每月的日平均辐射。1212个数据个数据 1414）多年平均每月的露点温度。）多年平均每月的露点温度。1212个数据个数据 1515）多年平均每月的日风速。）多年平均每月的日风速。1212个数据个数据1 1个气象发生器个气象发生器共需给出共需给出172172个个数据信息数据信息一、SWAT的大气水过程大气水主过程大气水主过程 1 1、降雨、降雪、降雨、降雪 2 2、冠层截留过程、冠层截留过程 3 3、积雪、积雪/融雪融雪/升华升华1、降雨降雪的分离，决定于当日平均气温：、降雨降雪的分离，决定于当日平均气温：降雨降雨降雪降雪T TBase?T-增加有机氮和有机磷；增加有机氮和有机磷；2 2、藻类的生长、藻类的生长-氮磷固持（包括铵氮、硝氮、无机磷）；氮磷固持（包括铵氮、硝氮、无机磷）；3 3、有机氮、有机氮/有机磷的底泥沉降；有机磷的底泥沉降；3 3、有机氮的矿化及底泥吸附态铵氮的释放、有机氮的矿化及底泥吸附态铵氮的释放-铵氮；铵氮；4 4、铵氮的硝化、铵氮的硝化-亚硝氮亚硝氮-硝氮；硝氮；5 5、有机磷的矿化及底泥吸附态无机磷的释放、有机磷的矿化及底泥吸附态无机磷的释放-无机磷无机磷滞蓄水体中（池塘、湿地、水库滞蓄水体中（池塘、湿地、水库,不包括洼地）：不包括洼地）：1 1、随地表径流进入滞蓄水体，并出流进入主河道、随地表径流进入滞蓄水体，并出流进入主河道2 2、仅考虑营养元素的沉降，不模拟转化过程；、仅考虑营养元素的沉降，不模拟转化过程；农药循环叶面施药叶面施药挥发挥发分解分解冲刷冲刷入渗入渗淋溶淋溶挥发挥发产流带走产流带走分解分解地表施药地表施药农药的地表水体循环主河道中（仅模拟一种农药）：主河道中（仅模拟一种农药）：1 1、水中：降解、挥发、底泥沉降、出流；、水中：降解、挥发、底泥沉降、出流；2 2、底泥中：降解、再悬浮、解吸附、掩埋；、底泥中：降解、再悬浮、解吸附、掩埋；滞蓄水体中（仅水库，过程与主河道基本一致）滞蓄水体中（仅水库，过程与主河道基本一致）病原菌运移病原菌的来源：病原菌的来源：SWAT SWAT仅概念性地模拟两种菌群，一种为可长久生存的，一种为相仅概念性地模拟两种菌群，一种为可长久生存的，一种为相对短命的。病原菌来自于绿肥对短命的。病原菌来自于绿肥(动物粪便），动物粪便），SWATSWAT的肥料类型数据库的肥料类型数据库中有各种绿肥的含菌量参数。在施肥过程中，病原菌也一同施入，中有各种绿肥的含菌量参数。在施肥过程中，病原菌也一同施入，并在植物叶面和表层并在植物叶面和表层10mm10mm的土层中进行分配。另外可通过点源输入。的土层中进行分配。另外可通过点源输入。病原菌的运移模拟：病原菌的运移模拟：HRU的病原菌分布：的病原菌分布：1 1、植物叶面；、植物叶面；2 2、土壤溶液；、土壤溶液；3 3、吸附在土壤颗粒中、吸附在土壤颗粒中1 1、植物叶面的雨水冲刷；、植物叶面的雨水冲刷；2 2、菌群的死亡、菌群的死亡-生长生长(3(3种介质）；种介质）；3 3、土壤、土壤溶液中细菌的淋溶（淋溶的细菌认为死亡）；溶液中细菌的淋溶（淋溶的细菌认为死亡）；4 4、地表产流带走；、地表产流带走；5 5、在地表水体中（主河道、仅水库）随水流演进，并仅考虑死亡过程在地表水体中（主河道、仅水库）随水流演进，并仅考虑死亡过程生化需氧量及溶解氧生化需氧量生化需氧量(CBOD)：指水体中有机物质分解所需要的氧气的总量。可由地表径流和点指水体中有机物质分解所需要的氧气的总量。可由地表径流和点源进入到河网系统，在主河道和水库中循环。源进入到河网系统，在主河道和水库中循环。溶解氧溶解氧(DO)：1 1、复氧过程。大气复氧、藻类的光合作用、水体扰动复氧、复氧过程。大气复氧、藻类的光合作用、水体扰动复氧(坝体坝体)2 2、消耗过程。藻类的呼吸作用、消耗过程。藻类的呼吸作用、CBODCBOD耗氧、底泥耗氧、铵氮硝化、耗氧、底泥耗氧、铵氮硝化、亚硝氮硝化亚硝氮硝化.1 1、CBODCBOD的底泥沉降；的底泥沉降；2 2、CBODCBOD的氧化分解（耗氧）；的氧化分解（耗氧）；重金属的运移重金属（允许模拟重金属（允许模拟3种）：种）：SWAT SWAT的重金属来源于点源输入。重金属运移是的重金属来源于点源输入。重金属运移是SWATSWAT的物质运移模的物质运移模拟中唯一一个不考虑拟中唯一一个不考虑HRUHRU因素的物质运移，仅是简单地计算随河网系因素的物质运移，仅是简单地计算随河网系统水流演进过程和物质量平衡。统水流演进过程和物质量平衡。SWAT的优缺点总结优点：优点：1 1、开源模型。模型相关研究文档丰富、源代码容易获得；、开源模型。模型相关研究文档丰富、源代码容易获得；2 2、开发时间较长，比较成熟。从、开发时间较长，比较成熟。从19901990至今至今2020余年；余年；3 3、半分布式模型。比全分布式模型易于理解和掌握，同时计算速度较快；比、半分布式模型。比全分布式模型易于理解和掌握，同时计算速度较快；比概念性模型更能体现水循环的物理机制，同时精度要好；概念性模型更能体现水循环的物理机制，同时精度要好；4 4、物质循环考虑比较全面，能模拟的物质迁移种类多，应用面广；、物质循环考虑比较全面，能模拟的物质迁移种类多，应用面广；5 5、能够充分利用土地利用等遥感信息；、能够充分利用土地利用等遥感信息；6 6、积累了较丰富的基础数据库，如作物、农药、化肥等；、积累了较丰富的基础数据库，如作物、农药、化肥等；缺点：缺点：1 1、某些水循环机理刻画不尽人意，如灌溉、潜水蒸发、地下水循环等；、某些水循环机理刻画不尽人意，如灌溉、潜水蒸发、地下水循环等；2 2、涉及的模拟方向太多，初学容易找不着北；、涉及的模拟方向太多，初学容易找不着北；3 3、没有水量平衡误差分析和物质平衡误差分析；、没有水量平衡误差分析和物质平衡误差分析；4 4、模块化程度不高，源程序不易学习和修改（、模块化程度不高，源程序不易学习和修改（300300多个多个FORTRANFORTRAN源程序）；源程序）；5 5、输入文件数量巨大，不易管理。、输入文件数量巨大，不易管理。SWATSWAT的输入输出的输入输出SWAT的输入文件TXTTXT文件文件水文响应单水文响应单元个数元个数*5+5+子流域个数子流域个数*6+6+若干点若干点源文件和气源文件和气象文件象文件模拟控制模拟控制气象数据气象数据子流域子流域HRU水库水库点源点源参数库参数库SWAT的输出文件SWATSWAT软件界面操作软件界面操作SWAT应用界面系统1 1、AVSWAT-AVSWAT-需需 ARCVIEW ARCVIEW 平台支持；平台支持；2 2、ARCSWAT-ARCSWAT-需需 ARCGIS ARCGIS 平台支持；平台支持；3 3、MAPWINDOW-MAPWINDOW-需需 MAPWINDOW MAPWINDOW 平台支持平台支持http:/www.brc.tamus.edu/swat/SWAT官方网站：SWAT应用界面系统1 1、ARCVIEW3.3ARCVIEW3.3；2 2、AVSWAT-2005AVSWAT-2005；3 3、SWATSWAT相关文档。原理说明、软件操作、输入相关文档。原理说明、软件操作、输入输出说明；输出说明；4 4、SWAT2005SWAT2005源码源码软件培训材料软件培训材料：SWAT应用界面系统1 1、DEMDEM（数值高程数据）；（数值高程数据）；2 2、土地利用、土地利用GISGIS图件；图件；3 3、土壤分布、土壤分布GISGIS图件；图件；4 4、研究区的气象数据站点。、研究区的气象数据站点。模拟必备基础数据：模拟必备基础数据：SWATSWAT的参数敏感性的参数敏感性分析、自动率定等分析、自动率定等SWAT的参数敏感性分析问题：问题：SWAT是一个涉及多个参数的综合水文是一个涉及多个参数的综合水文/水循环模拟水循环模拟模型，针对具体的一个应