SWAT模型

采用模块化设计思路，水循环 的每一个环节对应一个则模块， 十分方便模型的扩展和应用。
SWAT简 简 介
运行上采取命令代码控制方式， 用来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。
用来模拟和分析水土流失、 非点源污染和农业管理等 问题
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SWAT简介
SWAT
Ea
第i天蒸发量mmH2O, 第i天壤中流量mmH2O,
表示第i天地表径流量mmH2O,
wk.baidu.com
Wseep 第i天的下渗量mmH O, 2
Qlat
Qgw
第i天的基流量mmH2O,
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二、河道水文过程
在SWAT中，曼宁方程用来计算流量和流速，马斯京根方程用来模拟水流 在河道中的应用 曼宁方程 q为流道流量，m3/s。A为 过水断面面积，m2。R为 水力半径，m。Slp为底面 坡度。n为河道曼宁系数。 v为流速，m/s
土壤 数据
土壤图
GRID或.ship file 格式
野外采样测 量或有关单 位提供数据
气象 数据
气象资 料表
.dbf或.txt格式
各气象站点 ，国家气象 局
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SWAT模型在我国应用存在的问题
1、模型所需数据不完备，精确度不够，获取难度较大。 2、模型所采用的概念性或经验性公式在我国可能出现效果不好或模 拟精度不高等问题。 3、模型参数收集包括驱动所需的站点气象参数、土壤属性数据以及 土地利用实时变化等观测不全或难以获取，也大大地限制了模型的 使用。 4、模型输入参数如气象数据、土地覆盖变化及ΗΡΥ子流域划分对模 型的水文模拟精度存在较大的影响。
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营养物质输运模块
地表径流中 各形态氮迁 移转化过程
硝基氮 有机氮
可溶性磷 固相磷
地表径流中 各形态磷迁 移转化过程
有机氮 河道中各形 态氮迁移转 化过程 （QUAL2E） 氮氨 亚硝基氮 硝基氮
有机磷 河道中各 形态氮迁 移转化过 程 无机磷
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植物生长与经营模块
植物生长模块
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经营模块
农林地的管理
水资源管理
植物播种 时间， 时间，施 肥措施， 肥措施， 杀虫剂喷 洒措施， 洒措施， 作物收割 时间
流域内的 灌溉， 灌溉，排 蓄水， 水，蓄水， 生活用水， 生活用水， 工业用水 等
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SWAT模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程。 SWAT模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程。由于流 模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程 域下垫面和气候的空间差异性，为了便于模拟，SWAI， 域下垫面和气候的空间差异性，为了便于模拟，SWAI，模型按 照不同的土地利用方式和土壤类型将流域细分为若干个子流域。 照不同的土地利用方式和土壤类型将流域细分为若干个子流域。 模型在该模块包括有水文、气象、泥沙、土壤温度、 模型在该模块包括有水文、气象、泥沙、土壤温度、植物 生长、营养物、农业/杀虫剂和农业管理等8个组件。 生长、营养物、农业/杀虫剂和农业管理等8个组件。
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马斯京根方程 马斯京根法将河道看成柱体和楔体的组合
V为河道水量m3,qin为上游流量m3/s,qout为下游流量m3/s，K为河道贮水时 间s, X为衡量河段出流与入流相互关系的权重因子，Lch为河道长度Km，v为 流速m/s.
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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 （Modified version of universal soil loss equation），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
可模拟多年生长作物 的轮作以及每年三季 作物的种植情况， 作物的种植情况，模 拟多种农业管理措施 的影响要求输入灌溉 施肥和农药/杀虫剂 、施肥和农药 杀虫剂 的数据。 的数据。
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模型基础数据库
1
流域的数字高程 模型(DEM):用来 模型 划分子流域和寻 找出流路径。
2
土地利用数据: 土地利用数据 主要用来计算 植被生长、耗 水和地表产汇 流。
采用其所整合的EPIC 采用其所整合的 模型进行模拟计算， 模型进行模拟计算， 对N、P两种元素进行 、 两种元素进行 独立模拟。 独立模拟。
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农药/ 农药/杀虫剂组件
农业管理组件
可模拟地表径流、 可模拟地表径流、渗 土壤挥发、 漏、土壤挥发、泥沙 携带等过程农药/杀虫 携带等过程农药 杀虫 的迁移损耗情况。 的迁移损耗情况。
水文组件
气象组件
泥沙组件
模拟计算各个HRU上 上 模拟计算各个 上地表径流、下渗、 上地表径流、下渗、蒸 散发等过程。 散发等过程。还考虑到 冻土上地表径流的计算
可向模型输入降雨量、 可向模型输入降雨量、 气温、太阳辐射、 气温、太阳辐射、相对 温度和风速等气象因素 变量。 变量。
通过修正的土壤流失方 程（MUSLE） ） 来计算泥沙负荷量， 来计算泥沙负荷量，
冠层截留 土壤水分吸收 蒸腾作用
固氮
流域水文 循环
硝基氮及可溶性磷的吸收
残体转化
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，并引入收获指数来计算温度、水、 营养物对植物生长的影响。SWAT，的植物生长模块不考虑EPIC中的植物根 系生长、微量营养物循环、毒理反应及植物共生等作用。
四大子模块
经营管理模块
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水文模块
流域水循环可以分为两个部分，一是陆面水循环， 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 着每个子流域向河道输入的水量、泥沙量和营养物量。 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、 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。 量和营养物量。
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一、陆面水循环
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SWAT中陆面水循环可用下式来表示
SWt = SWo + ∑ (Rday − Qsruf − Ea − Wseep − Qlat − Qgw )
i i =1
SWt表示土壤水最终含量mmH2O， SWo 土壤水初始含量mmH2O,
Rday 表示第i天的降水量mmH2O， Qsruf
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土壤漫度组件
作物生长组件
营养物组件
以土壤密度， 以土壤密度，土层厚度 和土壤含水量等参数作 为输入数据。 为输入数据。以地表温 日平均温度、 度、日平均温度、土壤 温度衰减深度来共同表 征土壤温度。 征土壤温度。
利用温度作为控制条 件，将研究区域作物 分为一年生和多年生 植物， 植物，对根系区水和 营养物的移动蒸腾量 和作物产量进行计算
四大特点
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
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模型结构
SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟， SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟，例如水 可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟 循环和营养物迁移转化等。流域内泥沙、 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。 移等都是建立在流域内水循环的基础之上。
sed = 11.8(Q × q peq × areahru ) 0.56 • K • C • P • LS • CFRG
sed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。
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SWAT在中国的发展前景
(1)模型参数简化和不确定性研究
水文模型参数的数量可以增加对水文物理过程的解释，但并不是参数越多模 型就模拟得越精确，而且参数获取也是水文模拟中最大的问题之一。因此，模型 参数的率定、校准和验证将是S环尽口，模型的重要研究内容之一。
(2)SWAT模型下非点源污染的研究
当前我国农业管理的集约化水平较低，由农业引起的非点源污染情况非常严 重。因此近些年来非点源污染研究已经成为我国环境界的重要研究热点。通过集 成SWAT模型空间数据，使其输入效率、模拟输出显示和模型运行效率的集成大 大提高，为非点源污染研究、环境变化条件下水文响应研究和水资源管理等工作 提供了强大的平台。
田间尺度非点源污染 模型
SWAT
SWRRB
GLEAMS
CREAMS
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SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）是DR Jeff为美国农业部 农业服务中心开发的流域尺度模型
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。
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流域非点源模型SWAT
复旦大学
SWAT发展历程
SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.l、 SWAT99.2、SWAT2000,SWAT2003 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 和EPIC模型的作物生长模 块相结合，以d为时间步长 考虑了气候、土壤 和管理措施等因素 的相互作用
3
土壤数据:用来 土壤数据 计算壤中流和 浅层地下水量。
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4
气象数据:包括日降 气象数据 雨资料、日最高最 低气温、风速、日 辐射量、相对湿度、 气温站位置高程、 雨量站位置高程等， 用来计算流 量和蒸散发量
5
农业管理措施和 水库和湖泊位置， 出流点等
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模型主要输入数据
数据 名称 地形 数据 土地 利用 数据 DEM 植被图 类型 GRID或.ship file 格式 GRID或.ship file 格式 所需参数 地形高程、坡度 、坡向、河流等 植被种类、空间 分布、叶面积指 数、冠层高度、 植被根系 各层土壤含水率 、空隙率、饱和 水力传导、各组 成颗粒含量、径 流曲线 日降雨量、日最 高最低温度、相 对湿度、日辐射 量、风速 获得渠道 数字高程模 型（DEM） 高清析遥感 图像解释 说明 前3层数据 坐标必须统 一。并且用 等面积投影 ；土壤分类 采用美国分 类系统；气 象资料还需 要气象和水 文站点高程 及位置的文 件。