SWAT模型
SWAT模型
a
24
1.2 SWAT 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（variable storage coefficient method, Williams,1969） 或Muskingum方 法。
a
13
1.2 SWAT 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。
a
14
SWAT水文循环示意图
a
15
1.2 SWAT 原理概述
水循环的陆面部分
在 产 流 计 算 中 ， SWAT 引 入 水 文 响 应 单 元 （ HRU ， Hydrologcial Response Unit）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 ，在进行坡面汇流，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。
a
17
1.2 SWAT 原理概述冠层截留（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。
(完整版)SWAT模型
SWAT SWRRB
考虑了气候、土壤 和管理措施等因素 的相互作用
GLEAMS
田间尺度非点源污染 模型
CREAMS
陕西科技大学
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
陕西科技大学
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
陕西科技大学
经营模块
农林地的管理
植物播种 时间，施 肥措施， 杀虫剂喷 洒措施， 作物收割 时间
水资源管理
流域内的 灌溉，排 水，蓄水， 生活用水， 工业用水 等
陕西科技大学
SWAT模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程。由于流域 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。
采用其所整合的EPIC 模型进行模拟计算， 对N、P两种元素进行
独立模拟。
陕西科技大学
农药/杀虫剂组件
可模拟地表径流、渗 漏、土壤挥发、泥沙 携带等过程农药/杀虫 的迁移损耗情况。
农业管理组件
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，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
来计算泥沙负荷量，
SWAT模型原理
SWAT模型原理SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool，土壤和水资源评估工具）是用于评估流域水循环、水质和土壤侵蚀的数学模型。
它是由美国农业部（USDA）开发的，用于支持农业决策和流域管理。
1.数据输入：SWAT模型的输入数据包括气象数据、土地利用数据、土壤数据和管理实践数据。
气象数据主要包括降水、温度、风速和日照等信息。
土地利用数据描述了流域中不同土地利用类型的分布情况，如农田、森林、草地等。
土壤数据描述了土壤的物理和化学特性，如土壤类型、质地、土壤有机质含量等。
管理实践数据描述了农田管理措施，如施肥、灌溉和农药使用等。
2.水文模拟：SWAT模型使用降水和蒸散发数据来计算流域的水量平衡。
降水通过自然和人为的蓄水和径流过程，形成地表径流和地下径流。
蒸散发是指水分从土地表面蒸发和植物透传到大气中的过程。
模型根据土壤含水量和植被类型，计算蒸散发的损失。
这些水文过程模拟有助于了解流域水资源的分布和利用情况。
3.土壤侵蚀模拟：SWAT模型还模拟土壤水分和沉积物的侵蚀过程。
地表径流会携带土壤颗粒和污染物，导致土壤侵蚀和水质恶化。
模型根据地表流量和土壤侵蚀的相关因素，如坡度、覆盖度和土壤侵蚀性指数等，计算土壤侵蚀的速率。
这对于评估土地利用变化和管理实践对土壤质量和水质的影响非常重要。
4.模型校准和验证：SWAT模型的输出结果需要与实际观测数据进行校准和验证。
校准是调整模型参数，使模型的输出尽可能接近实际观测结果。
验证是使用另一组独立数据来验证模型的准确性和适用性。
这个过程对于提高模型的可靠性和预测能力非常重要。
5.方案评估和决策支持：SWAT模型可以用于评估不同的土地利用和管理方案，并提供决策支持。
通过模拟不同管理实践的效果，可以评估其对水资源、土壤侵蚀和水质的影响。
这有助于制定合理的流域管理策略，促进可持续农业和水资源管理。
总之，SWAT模型基于水文和土壤侵蚀的基本原理，结合实际观测数据和参数，用于模拟流域的水文过程和土壤侵蚀过程。
SWAT模型
SWAT模型SWAT模型是一种常用的水文模型，广泛应用于流域水文模拟和水资源管理等领域。
SWAT模型的全称是Soil and Water Assessment Tool，该模型结合了土壤、水文和气象等多方面因素，能够对流域内水文循环过程进行较为精确的模拟和预测。
在这篇文章中，我们将探讨SWAT模型的基本原理、应用范围以及未来发展方向。
SWAT模型的基本原理SWAT模型是一种基于过程的模型，其基本原理是通过对流域内水文循环过程的各种因素进行细致的建模和模拟，从而实现对流域水文过程的定量分析和预测。
SWAT模型主要考虑的因素包括降水、蒸发蒸腾、径流、土壤蓄水、植被覆盖等，模型通过对这些因素之间的相互作用进行建模，可以对流域内的水文过程进行较为准确的描述。
SWAT模型采用分布式建模方法，将流域划分为多个子集水区，然后对每个子集水区内的水文过程进行独立的模拟，最后通过整合各个子集水区的模拟结果得到对整个流域的水文过程的模拟结果。
这种分布式建模方法能够更好地考虑流域内地形、土壤和植被等空间异质性因素对水文过程的影响，提高模拟结果的准确性。
SWAT模型的应用范围SWAT模型主要应用于流域水文过程的模拟和预测，在水资源管理、土地利用规划、洪水风险评估等方面发挥着重要作用。
具体来说，SWAT模型可以用于以下几个方面：1.水资源管理：SWAT模型能够对流域内降水、径流等水文过程进行模拟，帮助决策者了解流域内水资源的分布和利用情况，指导水资源管理的决策。
2.土地利用规划：SWAT模型可以模拟不同土地利用类型对水文过程的影响，帮助规划者制定合理的土地利用规划，保护流域水资源。
3.洪水风险评估：通过模拟洪水过程，SWAT模型可以评估流域内不同地区的洪水风险，为防洪减灾提供科学依据。
4.水质预测：SWAT模型还可以模拟流域内污染物的输运过程，帮助监测人员预测流域内水质状况，保护水质。
SWAT模型的未来发展方向随着科学技术的不断发展和水资源管理需求的提高，SWAT模型也在不断完善和发展。
swat率定标准
swat率定标准
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是一种广泛应用于水资源管理和土壤侵蚀研究的流域水文模型。
SWAT模型被用于评估流域的水循环、土壤侵蚀、水库调度、氮磷排放等方面的问题。
SWAT模型的使用涉及到许多参数和输入数据。
一些与SWAT模型的率定（Calibration）相关的标准和方法包括：
1. 流域数据集：SWAT模型的成功率定需要准确的流域水文数据集，如降雨量、蒸散发、土地利用、土壤类型等。
这些数据应该经过精确测量和验证。
2. 模型参数：SWAT模型包含许多参数，如气象、植被、土壤、产流等参数。
在率定过程中，可以通过观测数据对这些参数进行调整，以获得更准确的模拟结果。
3. 目标函数：在进行率定时，需要选择合适的目标函数来比较观测值与模拟结果之间的差异。
常用的目标函数包括模型效率系数（如NSE、R²等），通过选择合适的目标函数，可以评估模型的性能。
4. 可行性：SWAT模型的率定需要保持一定的实际可行性。
模型应能够模拟流域的关键过程，并与现场观测结果相匹配。
需要指出的是，SWAT模型的率定是一个复杂的过程，可能需要进行多次迭代和调整。
最佳的率定策略可能因具体应用和研究目的而有所不同。
建议在使用SWAT模型进行率定时，参考相关文献、专业指导和实地观测，以确保模型的准确性和适用性。
swat模型结构
swat模型结构SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是美国农业部（USDA）开发的一个集水区水资源管理模型，可用于评估和模拟不同土地利用方式和管理措施对水文过程和水质的影响。
SWAT模型是一个基于物理和经验过程的集成模型，可用于研究和管理农业、环境和水资源领域的问题。
SWAT模型的结构主要包括五个组成部分：水文子模型、气象子模型、水库和湖泊子模型、生物和土壤子模型以及管理子模型。
1.水文子模型：该子模型用于模拟和预测水文过程，包括降雨、蒸发腾发、径流形成和水循环等。
模型基于集水区的地形、土壤和植被等特征，采用水文平衡方程来计算径流量和水体的分布。
2.气象子模型：该子模型用于模拟和预测气象变量对水文过程的影响，包括降水、温度、风速和辐射等。
模型利用实测或模拟的气象数据输入，通过气象因子和水文过程之间的关系来计算水文变量。
3.水库和湖泊子模型：该子模型用于模拟和预测水库和湖泊的水量和水质变化，包括水位、库容、水质浓度和水体流动等。
模型基于物理和经验方程，考虑水库和湖泊的水平衡和水质反应等影响因素。
4.生物和土壤子模型：该子模型用于模拟和预测植被生长和土壤过程的影响，包括植被生长、光合作用、蒸腾作用、养分循环和土壤水分运动等。
模型基于物理和生理机制，利用土壤特性和植物参数来计算植被和土壤过程的变化。
5.管理子模型：该子模型用于模拟和评估不同土地利用方式和管理措施对水资源和水质的影响，包括农业管理、土地利用变化、水分管理和养分管理等。
模型基于经验和规则，采用管理指标和策略来调整水文和生态过程，以优化资源利用和环境效益。
SWAT模型的工作流程主要包括以下几个步骤：数据准备、模型参数设定、模型运行和结果分析。
首先，需要收集和整理集水区的地理、气象、土壤和植被等数据，以及水文和水质观测数据。
然后，根据收集的数据，设定模型的参数和初始条件，包括地形、土壤、植被、气象和管理等方面。
SWAT水文模型
SWAT水文模型介绍1概述SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模型。
它主要基于SWRRB模型，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。
SWAT 具有很强的物理基础，能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。
该模型主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算能力不强，模型主要由8个部分组成：水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农业管理和杀虫剂。
SWAT模型拥有参数自动率定模块，其采用的是等在1992年提出的SCE-UA算法。
模型采用模块化编程，由各水文计算模块实现各水文过程模拟功能，其源代码公开，方便用户对模型的改进和维护。
2模型原理SWAT模型在进行模拟时，首先根据DEM把流域划分为一定数目的子流域，子流域划分的大小可以根据定义形成河流所需要的最小集水区面积来调整，还可以通过增减子流域出口数量进行进一步调整。
然后在每一个子流域内再划分为水文响应单元HRU。
HRU是同一个子流域内有着相同土地利用类型和土壤类型的区域。
每一个水文响应单元内的水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失来计算的。
地表径流估算一般采用SCS径流曲线法。
渗透模块采用存储演算方法，并结合裂隙流模型来预测通过每一个土壤层的流量，一旦水渗透到根区底层以下则成为地下水或产生回流。
在土壤剖面中壤中流的计算与渗透同时进行。
每一层土壤中的壤中流采用动力蓄水水库来模拟。
河道中流量演算采用变动存储系数法或马斯金根演算法。
模型中提供了三种估算潜在蒸散发量的计算方法—Hargreaves、Priestley-Taylor和Penman-Monteith。
每一个子流域内侵蚀和泥沙量的估算采用改进的USLE方程，河道内泥沙演算采用改进的Bagnold泥沙运移方程。
SWAT模型
B
20
1.2 SWAT 原理概述
水循环的陆面部分
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。
B
21
1.2 SWAT 原理概述
SWAT （ Soil and Water Assessment Tool）
B
4
1.1 SWAT 起源与发展
GLEAMS 模型
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
B
SWAT 模型 模型 改进
ROTO 模型
ESWAT 模型
SWAT-G 模型
SWIM 模型
B
36
1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- SWAT 在地下水模拟中问题
SWAT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 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 方面的开发工作。
B
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）。
B
22
1.2 SWAT 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。
SWAT模型
SWAT模型非点源应用的研究一．SWA T模型简介SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美国农业部（USDA）的农业研究中心Jeff Amonld 博士1994年开发的。
模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。
SWA T模型采用日为时间连续计算。
是一种基于GIS基础之上的分布式流域水文模型，近年来得到了快速的发展和应用，主要是利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程，如水量、水质、以及杀虫剂的输移与转化过程。
二.SWAT模型的产生SWA T模型的最直接前身是SWRRB模型。
而SWRRB模型则起始于20世纪70年代美国农业部农业研究中心开发的CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)模型。
此时的SWRRB模型还是一个仅能够模拟土地利用对田间水分、泥沙、农业化学物质流失影响、具有物理机制的田间尺度非点源污染模型。
为了解决水质评价问题，SWRRB模型于20世纪80年代后期引进了重点描述地下水中化学物质、农药对农业生态系统影响的GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)模型的杀虫剂部分。
同时，为了研究土壤侵蚀对作物生产力的影响，引进作物生长模型EPIC(Erosion- Productivity Impact Calculator)。
至此，SWRRB模型已可模拟评价复杂农业管理措施下的小流域尺度非点源污染，但于较大尺度流域的模拟尚不可靠，最大仅能用于500km2的流域范围内。
20世纪80年代晚期，美国印第安事务局（the Bureau of Indian Affairs）急需一个适于数千平方公里的模型来评价亚里桑那州和新墨西哥州的印第安保留土地区的水资源管理措施对下游流域的影响。
SWAT模型参数及运行过程
SWAT模型参数及运行过程SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 是一种基于分布式水文模型的农业水文模型，被广泛应用于研究、管理和决策支持系统中。
下面将介绍SWAT模型的参数设置，以及其运行过程。
1.SWAT模型参数设置：- 模型时间尺度（Time Step）：定义模拟的时间跨度，可选择从小时到年。
- 流域面积（Watershed Area）：描述研究区域的地理范围，单位为平方千米或英亩。
- 坡度（Slope）：描述研究区域的地表坡度，以百分比表示。
- 壤土类型（Soil Type）：描述地区土壤的类型，包括土壤质地、土壤有机质含量等。
- 植被类型（Land Use Type）：描述地区植被覆盖类型，包括农田、林地、草地等。
- 降水数据（Precipitation Data）：包括降水量、降水强度等降水信息。
- 水文过程模型（Hydrological Process Model）：描述地区的水文循环过程，包括蒸散发、径流产生、地下水补给等。
- 水利设施（Water Management Practice）：描述地区水利设施的使用情况，如灌溉、排水等。
2.SWAT模型运行过程：数据输入：首先需要收集和整理与研究区相关的地理、气象、土壤和植被数据。
这些数据包括流域边界、坡度、土壤类型、植被类型、降水量和温度等数据。
数据可以从局部观测站点、遥感数据和气象模型等获取。
参数设置：在模型中设置先前提到的参数，以准确描述研究区域的水文过程和土壤特性。
参数设置可以根据实地观测数据和经验来进行。
模型运行：针对所设置的参数和数据，SWAT模型通过数学方程和水文过程模型进行数值模拟。
模型会根据给定的时间尺度分别计算降水、蒸散发、径流产生、地下水补给等水文过程，并给出模拟结果。
模型评估：通过对模拟结果与实际观测数据进行比较和评估，来判断模型的精度和对研究区域水文过程的描述能力。
可以使用多种统计指标来评估模拟结果的准确性，如R方、均方根误差等。
swat模型
• 大型流域模拟过程中，一般采用流域-子流域-水文响应单元的空间离散 方法：
以分水岭上的分水线为界进行分割，可以把一个流域分成若干个子流域，每个子流域内 部有相应的河道，这些河道又将一个个的子流域连成一个整体。 当流域面积较大时，在划分出来的子流域内部，依然分布着多种土壤类型和多种土地利用 方式。为了反映子流域内部不同的土地利用和不同的土壤类型引起的蒸散发、表面径流、 入渗水、农业管理措施等其他水文条件和人类经济活动引起的差异性，可以在子流域内部 进一步划分水文响应单元。
• 优点：确保所有参数在其取值范围内均被采样，并且明确地确定哪一个 参数改变了模型的输出，减少了需要调整的参数数目，提高了计算效率 。
• 原理： LH-OAT先执行LH采样，然后执行OAT采样，见下图。
模型参数敏感性分析
• 首先，每个参数被划分为N个区间，在每个区间内取一个采样点（LH采 样）。然后，一次改变一个采样点（OAT）。
• 水文循环是最主要的流域过程，也是流域内部过程的主要驱动力， 包括：降雨、植被截留、蒸散发、地表积水、入渗、坡面流及河道 水流、土壤水侧向运动(壤中流)、深层渗水等。
SWAT模型 的流域水文
过程
水循环的 陆面部分 控制每个子流域内主河道的水、沙、
（产流、坡面汇流） 营养物质和化学物质等的输入量
水循环的 水面部分
（河道汇流）
决定水、沙等物质从河网向流域 出口的输移运动
SWAT模型的流域地理过程
•陆相水文循环
模拟过程：气候模拟(降水、融雪、土壤温度等)、水文模拟(植物截 留、入渗、壤中流、蒸散发、表面径流、地下径流等)、作物／植 被生长模拟、土壤侵蚀与产沙模拟、养分(氮、磷)输移模拟、杀虫 剂模拟、农业管理操作模拟。对应于SWAT模型的几个功能模块。
SWAT水文模型
式中： 为ly层的蒸发需水量，mm； 为土壤下层的蒸发需水量，mm； 为土壤上层的蒸发需水量，mm。
土壤深度的划分假设50%的蒸发需水量由0～10mm内土壤上层的含水量提供，因此100mm的蒸发需水量中50mm都要由10mm的上层土壤提供，显然上层无法满足需要，这就需要建立一个系数来调整土壤层深度的划分，以满足蒸发需水量，调整后的公式可以表示为：
式中： 为渠道曼宁系数； 为渠道坡度，m/m。
由于降水和径流产生的土壤侵蚀是用MUSLE方程来计算的，MUSLE是修正的通用土壤流失方程（USLE）。USLE方程是通过降水动能函数预测年均侵蚀量，而在MUSLE中，用径流因子代替降水动能，改善了泥沙产量的预测，这样就不需要泥沙输移系数，并且可以将方程用于单次暴雨事件，因为径流因子是先行湿度和降水动能的函数。USLE中需要输移系数是因为降水动能因子表示的能量只在作用流域内起作用。修正的通用土壤流失方程为;
（3）冠层截留蒸发量
模型在计算实际蒸发时假定尽可能蒸发冠层截留的水分，如果潜在蒸发量 小于冠层截留的自由水量 ，则：
式中： 为某日流域的实际蒸发量，mm； 为某日冠层自由水蒸发量，mm； 为某日的潜在蒸发量，mm； 为某日植被冠层自由水初始含量，mm； 为某日植被冠层自由水终止含量，mm。
如果潜在蒸发量 大于冠层截留的自由水含量 则：
由此可得SCS方程为：
流域当时最大可能滞留量 在空间上与土地利用方式、土壤类型和坡度等下垫面因素密切相关，模型引入的 值可较好地确定 ，公式如下：
CN是一个无量纲参数，CN值是反映降雨前期流域特征的一个综合参数，它是前期土壤湿度、坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素的综合。
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用一、SWAT模型简介SWAT模型是由美国农业部和美国农业研究服务局（USDA-ARS）研发的一种集水文、气象、土壤、植被和管理措施等因素于一体的水文模型。
该模型主要用于模拟流域尺度的水文过程、土壤侵蚀、产污过程以及土壤养分水平等情况，可用于评估不同土地利用方式和水资源管理措施对流域水文循环和水质的影响。
SWAT模型以尺度化的方式模拟水文和水质过程，能够根据陆地利用、植被覆盖和土壤特性等不同空间尺度上的差异而进行模拟，适用于大尺度流域的水文和水质模拟。
SWAT模型是一个基于过程的模型，能够模拟自然界中的各种水文和水质过程，并且能够考虑人类活动对这些过程的影响。
模型基于土地利用、土壤和植被、气候和地形等信息，结合水文循环、土壤侵蚀、水质产污过程等因素进行综合模拟。
SWAT模型的核心是水文过程和土壤侵蚀过程的模拟，其中包括降雨产流、蒸散发、蓄水和排水、土壤侵蚀、河流水沙输移等一系列过程的模拟。
SWAT模型还考虑了水质产污因素，例如土壤养分和农药的产流、入渗和输移，能够模拟流域水体的营养盐和农药的污染情况。
通过SWAT模型的模拟和预测，可以更好地理解水体污染源的分布、积累和传输规律，为合理开展水环境管理和保护提供科学依据。
SWAT模型因其综合考虑了土地利用、植被覆盖、气候等因素，能够模拟和预测流域尺度的水文与水质过程，已经在许多地区得到了广泛的应用。
特别是在水环境非点源污染研究中，SWAT模型展现出了其独特的优势和应用价值。
1. 模拟土壤侵蚀和产污过程土壤侵蚀和土壤养分的产污是流域水环境非点源污染的重要来源，而SWAT模型能够综合考虑土地利用、降雨、土壤类型、土壤侵蚀和产污过程等因素，实现对流域土壤侵蚀和养分流失的定量模拟。
通过模拟土壤侵蚀和产污过程，可以评估不同土地利用方式和管理措施对流域水质的影响，为制定合理的水资源管理政策提供科学依据。
2. 评估流域水体营养物质和农药的输移流域土地利用和农业生产活动会导致营养物质和农药的大量输入，而这些物质在土壤中的输移和对水环境的影响是水环境非点源污染的重要环节。
SWAT模型
1SWAT模型原理介绍SWAT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]。
SWAT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)。
SWAT水文模型
SWAT水文模型介绍1概述SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模型。
它主要基于SWRRB模型，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。
SWAT具有很强的物理基础，能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。
该模型主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算法。
蒸散发、模型。
每泥硝态氮量由水量和土壤层中的平均硝态氮浓度来估计。
泥沙中运移的有机氮采用McElroy et al.开发的负荷方程，后经进一步改进。
该负荷方程基于土壤表层的有机氮浓度、泥沙量和富集率来估计径流中的有机氮损失。
植物吸引的磷采用与氮相似的供需方法。
径流中带走的可溶解磷采用土壤表层中的不稳定磷、径流量和磷土分离系数来计算。
泥沙运移的磷采用与有机氮运移相同的方程。
河道中营养物的动态模拟采用QUAL2E模型。
2.1产汇流模型模型中采用的水量平衡表达式为：式中：为土壤最终含水量，mm；为土壤前期含水量，mm；t为时间步长，d；为第i 天降水量，mm；为第i天的地表径流，mm；为第i天的蒸发量，mm；为第i天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量，mm；为第i天地下水含量，mm。
SWAT模型水文循环陆地阶段主要有水文、天气、沉积、土壤温度、作物产量、营养物质和农业管理等部分组成。
模型径流SCS流关系）与最大可能径流量（）之比的假定基础上建立的式中：假定潜在径流量（）为降水量（）与由径流产生前植物截留、初渗和填洼蓄水构成的流）的差值。
由此推到上式有：受土地利用、耕作方式、灌溉条件、冠层截留、下渗、填洼等因素的影响，它与土壤最大可能入渗量S呈一定的正比关系，美国农业部土壤保持局在分析了大量长期的实验结果基础上，提出了二者最合适的比例系数为0.2，即：由此可得SCS方程为：流域当时最大可能滞留量在空间上与土地利用方式、土壤类型和坡度等下垫面因素密切相关，模型引入的值可较好地确定，公式如下：CN是一个无量纲参数，CN值是反映降雨前期流域特征的一个综合参数，它是前期土壤湿度、坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素的综合。
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用
SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用一、SWAT模型的特点及原理1. SWAT模型的特点SWAT模型是一种分布式水文模型，其基本特点可以概括为以下几点：（1）SWAT模型采用了一种基于土地利用、土地管理和气候条件的半分布式的流域水文过程模拟方法，可以有效地模拟土壤侵蚀、径流和污染物迁移等水文过程。
（2）SWAT模型可以进行多年份、多空间尺度的水文模拟，能够较好地反映不同时空尺度上的水文过程。
（3）SWAT模型集成了土壤、植被、陆面、地下水和河流等多种因素，可以全面、系统地模拟流域水文过程。
（4）SWAT模型具有模拟复杂陆面-地下水-河流系统的能力，可适用于不同地域的流域水文过程模拟。
2. SWAT模型的原理SWAT模型主要基于土地利用、土地管理和气候条件等因素，采用了一系列的地理信息系统（GIS）和数学模型，用以模拟流域水文过程。
其基本原理可以简要概括为以下几步：（1）对流域进行分割和划分，建立流域单元和子单元，并确定流域内各单元的水文信息。
（2）建立流域水文过程模型，模拟土壤侵蚀、降雨径流、地下水补给和土壤水分平衡等水文过程。
（3）应用地理信息系统技术，对流域内的土地利用、土壤类型、植被分布、降雨情况等信息进行空间分析和数据处理。
（4）对模型进行参数化和校正，利用观测数据对模型参数进行优化，提高模型的适用性和精度。
（5）通过模型模拟，得到流域内的径流量及污染物迁移情况，对流域水文环境进行评价和预测。
二、SWAT模型在水环境非点源污染研究中的应用1. SWAT模型在土壤侵蚀模拟中的应用土壤侵蚀是水环境非点源污染的主要途径之一，对流域水环境带来了严重的影响。
SWAT模型可以对不同土地利用和土地管理情况下的土壤侵蚀进行仿真模拟，从而评估土壤侵蚀的程度和影响，并为相关的土壤保护和治理提供科学依据。
2. SWAT模型在水质模拟中的应用水质污染是水环境非点源污染的重要表现形式，对河流湖泊的水质及水生态系统造成了严重的影响。
SWAT模型
提纲
1.1 SWAT 起源与发展 1.2 SWAT 原理概述 1.3 SWAT 结构与功能 1.4 SWAT 面临的问题与挑战
几个关键问题
- SWAT 是什么？ - SWAT 能做什么？ - SWAT 面临问题与挑战？
1.1 SWAT 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Jeff Arnold博 士将SWRRB和ROTO整合为一个新的模 型，即
- SWAT 在城市水循环模拟中问题
SWAT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 输入与输出信息前后处理的方式解决。由于SWAT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 水循环的模拟问题。
谢谢！ Thanks !
1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- SWAT 输入与调参问题
SWAT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AVSWAT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， 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SWAT模型中要耗费很长时间，使得SWAT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， 可以十分快速的进行模型输入和参数的调整。
1.3 SWAT
结 构 与 功 能
灌溉
降水
降雨
降雪 雪盖 融雪
下渗 土壤水 土壤水分层（10层） 土壤水蒸发 植物蒸散发 壤中流 渗漏
地表径流 输移损失 池塘/水库调蓄 池塘/水库蒸发
灌溉 池塘/水库出流 池塘/水库渗透
浅层地下水
灌 溉 潜水蒸发 渗 透 回归流
SWAT模型
2021/5/27
35
1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- SWAT 在平原区应用问题
目前官方网站上提供AVSWAT是基于ARCVIEW开发 的界面程序，根据DEM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 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。
2021/5/27
36
1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- SWAT 在地下水模拟中问题
SWAT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 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 方面的开发工作。
在每个HRU内单独计算产流量，然后叠加得到子流域产流量 ，在进行坡面汇流，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。
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。
2021/5/27
16
1.2 SWAT 原理概述
水循环的陆面部分
气候因素
SWAT所需要输入的气候因素变量主要包括：
2021/5/27
18
1.2 SWAT 原理概述
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。
2021/5/27
19
1.2 SWAT 原理概述
水循环的陆面部分
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.2 SWAT 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。
1.2 SWAT 原理概述
• 水循环的陆面部分
在 产 流 计 算 中 ， SWAT 引 入 水 文 响 应 单 元 （ HRU ， Hydrologcial Response Unit）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， 在进行坡面汇流，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。
第二讲 SWAT模型概述
提纲
• 1.1 SWAT 起源与发展 • 1.2 SWAT 原理概述 • 1.3 SWAT 结构与功能 • 1.4 SWAT 面临的问题与挑战
几个关键问题
- SWAT 是什么？ - SWAT 能做什么？ - SWAT 面临问题与挑战？ຫໍສະໝຸດ 1.1 SWAT 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Jeff Arnold博士将 SWRRB和ROTO整合为一个新的模型，即
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。
1.2 SWAT 原理概述
• 水循环的陆面部分
气候因素
SWAT所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。
1.2 SWAT 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
1.2 SWAT 原理概述
1.2 SWAT 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 （ variable storage coefficient method, Williams,1969）或Muskingum方法。
1.2 SWAT 原理概述
• 水循环的陆面部分
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
• 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）。
SWAT （ Soil and Water Assessment Tool）
1.1 SWAT 起源与发展
GLEAMS 模型
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 模型 改进
ROTO 模型
ESWAT 模型
SWAT-G 模型
SWIM 模型
• 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。
1.2 SWAT 原理概述
• 水循环的陆面部分
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
• 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。
1.2 SWAT 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。
SWATMOD 模型
1.1 SWAT 起源与发展
• 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。
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Rio Grande/Rio Bravo 流域的水文模拟。流域面积60万km2，研究 跨国河流Rio Grande/Río Bravo 流域的水文和水质状况，及生态系统的动态 过程。
1.2 SWAT 原理概述
• 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。
提纲
• 1.1 SWAT 起源与发展 • 1.2 SWAT 原理概述 • 1.3 SWAT 结构与功能 • 1.4 SWAT 面临的问题与挑战
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已经多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。
提纲
• 1.1 SWAT 起源与发展 • 1.2 SWAT 原理概述 • 1.3 SWAT 结构与功能 • 1.4 SWAT 面临的问题与挑战