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第二讲 SWAT模型概述 提提 纲纲o1.1 SWAT 起源与发展起源与发展o1.2 SWAT 原理概述原理概述o1.3 SWAT 结构与功能结构与功能o1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战几个关键问题几个关键问题-SWAT 是什么？是什么？-SWAT 能做什么？能做什么？-SWAT 面临问题与挑战？面临问题与挑战？1.1 SWAT 起源与发展起源与发展o2020世世纪纪9090年年代代，美美国国农农业业部部（USDAUSDA）农农业业研研究究中中心心（ARSARS）的的Jeff Jeff ArnoldArnold博博士士将将SWRRBSWRRB和和ROTOROTO整合为一个新的模型，即整合为一个新的模型，即oSWAT（Soil and Water Assessment Tool）1.1 SWAT 起源与发展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oSWATSWAT自自开开发发以以来来不不断断在在发发展展和和完完善善。在在世世界界范范围围内内具具有有十十分分广泛的应用。广泛的应用。1.1 SWAT 起源与发展起源与发展SWATSWAT应用举例：应用举例：应用举例：应用举例：A.ArnoldA.Arnold和和和和SrinivasanSrinivasan（19991999）应用）应用）应用）应用2020年的气象数据模拟了美国年的气象数据模拟了美国年的气象数据模拟了美国年的气象数据模拟了美国7866378663个子流个子流个子流个子流域内的水文循环及水量的平衡关系。域内的水文循环及水量的平衡关系。域内的水文循环及水量的平衡关系。域内的水文循环及水量的平衡关系。B B美墨美墨美墨美墨Rio Grande/Rio Bravo Rio Grande/Rio Bravo 流域的水文模拟。流域面积流域的水文模拟。流域面积流域的水文模拟。流域面积流域的水文模拟。流域面积6060万万万万kmkm2 2，研究跨，研究跨，研究跨，研究跨国河流国河流国河流国河流Rio Grande/RRio Grande/R o Bravo o Bravo 流域的水文和水质状况，及生态系统的动态过流域的水文和水质状况，及生态系统的动态过流域的水文和水质状况，及生态系统的动态过流域的水文和水质状况，及生态系统的动态过程。程。程。程。C C欧洲欧洲欧洲欧洲1515国应用国应用国应用国应用SWATSWAT模型模拟农业产生的营养盐的输移情况。模型模拟农业产生的营养盐的输移情况。模型模拟农业产生的营养盐的输移情况。模型模拟农业产生的营养盐的输移情况。D 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。和干旱模拟分析。和干旱模拟分析。和干旱模拟分析。F F在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。GG在中国在中国在中国在中国SWATSWAT已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。提提 纲纲o1.1 SWAT 起源与发展起源与发展o1.2 SWAT 原理概述原理概述o1.3 SWAT 结构与功能结构与功能o1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战1.2 SWAT 原理概述原理概述ooSWATSWATSWATSWAT模拟的流域水文过程分为两大部分：模拟的流域水文过程分为两大部分：模拟的流域水文过程分为两大部分：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）水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）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）水循环的水面部分即河网汇流部分）水循环的水面部分（即河网汇流部分）水循环的水面部分（即河网汇流部分）前前前前者者者者控控控控制制制制着着着着每每每每个个个个子子子子流流流流域域域域内内内内主主主主河河河河道道道道的的的的水水水水、沙沙沙沙、营营营营养养养养物物物物质质质质和和和和化化化化学学学学物物物物质质质质等等等等输输输输入入入入量量量量；后后后后者者者者决决决决定定定定水水水水、沙沙沙沙等等等等物物物物质从河网向流域出口的输移过程。质从河网向流域出口的输移过程。质从河网向流域出口的输移过程。质从河网向流域出口的输移过程。SWATSWAT水文循环示意图水文循环示意图水文循环示意图水文循环示意图oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分 在在在在 产产产产 流流流流 计计计计 算算算算 中中中中，SWATSWAT引引引引 入入入入 水水水水 文文文文 响响响响 应应应应 单单单单 元元元元（HRUHRU，Hydrologcial Hydrologcial Response Response UnitUnit）的的的的概概概概念念念念，来来来来反反反反映映映映植植植植被被被被覆覆覆覆盖和土壤类型的变化对产流及蒸发的影响。盖和土壤类型的变化对产流及蒸发的影响。盖和土壤类型的变化对产流及蒸发的影响。盖和土壤类型的变化对产流及蒸发的影响。在在在在每每每每个个个个HRUHRU内内内内单单单单独独独独计计计计算算算算产产产产流流流流量量量量，然然然然后后后后叠叠叠叠加加加加得得得得到到到到子子子子流流流流域域域域产产产产流流流流量量量量，在在在在进进进进行行行行坡坡坡坡面面面面汇汇汇汇流流流流，进进进进入入入入子子子子流流流流域域域域主主主主河河河河道道道道。最最最最后后后后通通通通过过过过河河河河网网网网汇汇汇汇流流流流演演演演算得到流域总径流量。算得到流域总径流量。算得到流域总径流量。算得到流域总径流量。SWATSWAT的的的的水水水水循循循循环环环环陆陆陆陆面面面面部部部部分分分分中中中中，主主主主要要要要考考考考虑虑虑虑到到到到气气气气候候候候、水水水水文文文文和和和和植植植植被被被被覆盖等几个方面因素。覆盖等几个方面因素。覆盖等几个方面因素。覆盖等几个方面因素。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分 气候因素气候因素气候因素气候因素 SWAT所需要输入的气候因素变量主要包括：l 日降水量l 最大最小气温l 太阳辐射l 风速l 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。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水文因素水文因素水文因素水文因素 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。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分植被因素植被因素 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。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水土流失水土流失 SWAT采用修改MUSLE模型Universal Soil Loss Equation,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。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分营养物资营养物资营养物资营养物资 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。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分杀虫剂杀虫剂杀虫剂杀虫剂 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（Leonard et al.,1987）。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分水循环的陆面部分管理措施管理措施管理措施管理措施 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。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的水面部分水循环的水面部分水循环的水面部分水循环的水面部分 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 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的水面部分水循环的水面部分水循环的水面部分水循环的水面部分 主河道（或河段）汇流主河道（或河段）汇流主河道（或河段）汇流主河道（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（variable storage coefficient method,Williams,1969）或Muskingum方法。1.2 SWAT 原理概述原理概述oo水循环的水面部分水循环的水面部分水循环的水面部分水循环的水面部分 水库汇流演算水库汇流演算水库汇流演算水库汇流演算 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：需要输入实测出流数据；对于小的无观测值的水库，需要规定一个出流量；对于大水库，需要一个月调控目标。1.2 SWAT 原理概述原理概述提提 纲纲o1.1 SWAT 起源与发展起源与发展o1.2 SWAT 原理概述原理概述o1.3 SWAT 结构与功能结构与功能o1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战1.3 SWAT 结结构构与与功功能能ooSWATSWAT采用类似于采用类似于采用类似于采用类似于HYMOHYMO模型（模型（模型（模型（Williams Williams and Hann,1973and Hann,1973）的命令结构来控制径流和化）的命令结构来控制径流和化）的命令结构来控制径流和化）的命令结构来控制径流和化学物质的演算。学物质的演算。学物质的演算。学物质的演算。oo通过子流域命令，进行分布式产流计算；通过子流域命令，进行分布式产流计算；通过子流域命令，进行分布式产流计算；通过子流域命令，进行分布式产流计算；oo通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程；通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程；通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程；oo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；拟值进行比较；拟值进行比较；拟值进行比较；oo通过输入命令，接受其它模型的输出之值；通过输入命令，接受其它模型的输出之值；通过输入命令，接受其它模型的输出之值；通过输入命令，接受其它模型的输出之值；oo通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段通过转移命令，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。（或水库）中，也可直接用作农业灌溉。（或水库）中，也可直接用作农业灌溉。（或水库）中，也可直接用作农业灌溉。ooSWATSWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展。模型的命令代码能够根据需要进行扩展。模型的命令代码能够根据需要进行扩展。模型的命令代码能够根据需要进行扩展。（1）SWAT 结构结构oSWATSWAT主主要要用用来来预预测测人人类类活活动动对对水水、沙沙、农农业业、化化学学物物质质的的影影响响，模模拟拟流流域域内多种不同的水循环过程。内多种不同的水循环过程。o为为流流域域尺尺度度的的农农业业管管理理、供供水水管管理理和和气气候候变变化化影影响响研研究究，提提供供水水循循环环模模拟、评价和管理工具。拟、评价和管理工具。（2）SWAT 主要功能主要功能（1）SWAT 主要功能主要功能提提 纲纲o1.1 SWAT 起源与发展起源与发展o1.2 SWAT 原理概述原理概述o1.3 SWAT 结构与功能结构与功能o1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战-SWAT 输入与调参问题输入与调参问题-SWAT 平原区应用问题平原区应用问题-SWAT 地下水模拟问题地下水模拟问题 -SWAT 城市水循环模拟问题城市水循环模拟问题1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战-SWAT 输入与调参问题输入与调参问题 SWATSWAT模拟功能强大、参数很多且具有空间分布性，模拟功能强大、参数很多且具有空间分布性，模拟功能强大、参数很多且具有空间分布性，模拟功能强大、参数很多且具有空间分布性，而官方网站上提供而官方网站上提供而官方网站上提供而官方网站上提供AVSWATAVSWAT在模型输入与参数调试方面不在模型输入与参数调试方面不在模型输入与参数调试方面不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，太方便。哪怕只改变一个降水站点数据信息或一个参数，太方便。哪怕只改变一个降水站点数据信息或一个参数，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，而这个过程的运行就需要重新进行一次参数文件的生成，而这个过程的运行就需要重新进行一次参数文件的生成，而这个过程的运行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在流域在流域在流域SWATSWAT模型中要耗费很长时间，使得模型中要耗费很长时间，使得模型中要耗费很长时间，使得模型中要耗费很长时间，使得SWATSWAT应用受应用受应用受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，到一定的限制，为此需要开发了模型输入与参数调试模块到一定的限制，为此需要开发了模型输入与参数调试模块，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。可以十分快速的进行模型输入和参数的调整。可以十分快速的进行模型输入和参数的调整。可以十分快速的进行模型输入和参数的调整。1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战-SWAT 在平原区应用问题在平原区应用问题 目前官方网站上提供目前官方网站上提供目前官方网站上提供目前官方网站上提供AVSWATAVSWAT是基于是基于是基于是基于ARCVIEWARCVIEW开发开发开发开发的界面程序，根据的界面程序，根据的界面程序，根据的界面程序，根据DEMDEM自动提取河网的，但在平原区由自动提取河网的，但在平原区由自动提取河网的，但在平原区由自动提取河网的，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，目前于地势平坦很难有效地提取河网。需要进行改进，目前于地势平坦很难有效地提取河网。需要进行改进，目前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通过编程实现人工判断单元流向自动实现运行控制文件通过编程实现人工判断单元流向自动实现运行控制文件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。的生成，解决了平原区建模的难题。的生成，解决了平原区建模的难题。的生成解决了平原区建模的难题。1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战-SWAT 在地下水模拟中问题在地下水模拟中问题 SWATSWAT考虑到对浅层和深层地下水的模拟，采用的是基考虑到对浅层和深层地下水的模拟，采用的是基考虑到对浅层和深层地下水的模拟，采用的是基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于水循环过程的水量平衡模型，能够满足一般管理上的需于水循环过程的水量平衡模型，能够满足一般管理上的需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。但可以通过要。但是，对于地下水流场变化的模拟较弱。但可以通过要。但是，对于地下水流场变化的模拟较弱。但可以通过要。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，我们即将完成这耦合地下水动力学模型加以解决。目前，我们即将完成这耦合地下水动力学模型加以解决。目前，我们即将完成这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。方面的开发工作。方面的开发工作。方面的开发工作。1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战-SWAT 在城市水循环模拟中问题在城市水循环模拟中问题 SWATSWAT主要是针对农业管理开发的流域分布式模型，在主要是针对农业管理开发的流域分布式模型，在主要是针对农业管理开发的流域分布式模型，在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城市水循环模拟考虑不足。但是，世行专家提议可以通过城市水循环模拟考虑不足。但是，世行专家提议可以通过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。由于输入与输出信息前后处理的方式解决。由于输入与输出信息前后处理的方式解决。由于输入与输出信息前后处理的方式解决。由于SWATSWAT是一个是一个是一个是一个开放的构架，也可以通过添加相应的功能模块，实现城市开放的构架，也可以通过添加相应的功能模块，实现城市开放的构架，也可以通过添加相应的功能模块，实现城市开放的构架，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。水循环的模拟问题。水循环的模拟问题。水循环的模拟问题。1.4 SWAT 面临的问题与挑战面临的问题与挑战 谢谢！Thanks!