农田水文模型SWAP软件简介上课讲义

1 Ya,k Yp,k
K
y,k
1
Ta,k Tp,k
Ya
Yp
n k 1
Ya,k Yp,k
k
模型边界条件
上边界条件： 1、有效降雨量 2、作物潜在腾发量和土壤潜在腾发量 3、作物实际腾发量和土壤实际腾发量 4、灌溉制度
模型边界条件
下边界条件： 1、地下水位 2、底部水流通量 3、来自深层水流通量 4、作为地下水位函数的水流通量 5、底部的压力水头 6、底部水流通量为零 7、土壤剖面的自由排水 8、土壤－空气界面的自由出流量
详细的作物模型模拟作物的生长过程，而简单模型则模拟作 物的最终产量
SWAP模型中的简单作物模型是静态模型，它只描述作物最 终产量与水分的关系。简单作物模型要求输入叶面积指数、 作物高度以及作物根深与作物各发展阶段的函数。简单作物 模型计算作物的实际产量与潜在产量的比值即相对产量
作物生长模型
J.Doorenbos和A.H.Kassam模型（D-K模型）
Black经验公式：
Ea
t1/2 1 dry
if
Bosten－Stroosnijder公式：
Ep 2,
Ea
Ep
f Ep 2, Ea 2
1/ 2
Ep
作物生长模型
SWAP 模 型中采用的作物模型包括详细作物生长模型 (WOFOST 6.0; Spitters et al., 1989; Hijmans et al., 1994)和简单 作物模型
lroot ( z)
0
Tp
lroot ( z)dz
Droot
在SWAP中，假设根系密度均匀分布，所以上式可以
写为
Sp(z)
0
lroot ( z)
Tp
lroot (z)dz
1 Droot
Tp
Droot
实际上，土壤的过度干早或者过度湿润和土壤盐分
过高产生的应力都会减少 Sp(z) 的值
左图给出了水应力引起根系吸水减少的系数αrw与 土壤水势h以及潜在腾发量 Tp 之间关系; 右图给出 了盐应力引起根系吸水胁迫系数 αrs与土壤水电导 度 ECsw 之间的关系
SWAP模型的早期版本是Feddes等(1978)开发的SWATR (Soil Water Actual Transpiration Rate)模型。该模型为有作物生长 条件下的土壤水分运动模拟模型，适用于多层土壤，并能够 考虑地下水动态变化的影响。在后来的20多年中，该模型经 过Beimans等(1983), Wesseling等(1991)、van den Broek等 (1994)和van Dam等(1997)的不断补充和完善，增加了更多的 系统边界条件、作物生长模拟、土壤膨胀收缩效应和溶质运
t z
根据Darcy定律, 可得出Richard方程:
c(h) h
k
(h)
h z
1
s(h)
t
t
z
土壤水分特征曲线
在SWAP模型中，土壤水力函数可采用van Genuchten (1980) 和Mualem (1976)公式，也可采用土壤实测数据关系表达
van Genuchten (1980)：
Ddis Ldis v
由单 元 体 的质量守恒定律，溶质运移的连续方程 可以表达为:
X t
J z
Ss
X c bQ Ss ( c bQ) kr Sc
溶质运移方程
c t
bQ
qc z
z
Ddif Ddis
c z
c
bQ
kr
Sc
作物腾发量
SWAP中主要用以下两个步骤来计算作物的需水量： 首先，通过改进后的彭曼公式来计算作物的潜在蒸发蒸腾 量 其次，考虑到实际中作物由于水分胁迫和盐分胁迫而会引 起根吸水的减少，从而计算出实际的作物腾发量
J qc
Ddif Ddis
c z
溶质扩散系数对土壤的实际含水率是十分敏感的，由于它严重的影响着溶质 运移的路径和有效横向运移面积。在SWAP模型中，采用Millington和Quirk (1961）提出的公式来描述水流路径弯曲度，扩散系数表达式为
Ddif
Dw
7/3 2
por
溶质运移
在层流条件下，Ddis与孔隙流速v (cm/d)成正比关系:
r
s r
n 1
1 h n n
用上面所示的土壤水分特征曲线，联合Mualem(1976)提出的
非饱和土K壤(水) 力K传s导 度s 模型rr ， 可1得以1下关s系式rr :
n1 n
n
根系吸水
一定土壤深度的潜在根系吸水率S p (z，) 可由以下公
式得出：
Sp (z)
SWAP模型示意图
模型组成
模型由六部分组成：
土壤水流运动模块 溶质运移模块 热量传输模块 土壤蒸发模块 作物腾发量计算模块 作物生长模拟模块
模型机理
土壤水流运动 溶质运移 土壤蒸发 作物腾发量计算 作物生长模拟
土壤水流运动方程
根 据 微 单元土壤体积的水平衡原理可得出以下 土壤水的连续方程: q s(h)
土壤水盐运移与作物生长模拟 模型—SWAP原理与应用
主要内容：
➢ 模型介绍 ➢ 模型组成 ➢ 模型机理 ➢ 模型输入 ➢ 模型输出 ➢ 模型率定
SWAP介绍
Soil Water Atmosphere Plant Model是荷 兰 Wageningen University and Research Center开发的用于模拟田块尺度的非 饱和带水流及盐分运移、热量传递和作物生长与产量的模型
根系吸水
SWAP中假设水和盐应力同时作用时对作物根系吸水的影响是 相乘的关系，所以实际的根吸水率 Sa(z) 可以由下式计算:
Sa (z) rsrwS p (z)
溶质运移
土壤水中溶质的主要运移机理是分子扩散、对流、机械弥散。在SWAP模型中， 溶质运移按对流一弥散方程进行计算
弥散通量可表达为：
作物腾发量
Penman-Monteith：
ETp
v
W
来自百度文库
Rn G
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v
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1
rcrop rair
ETp ETrad ETaero
土壤蒸发
当土 壤 湿 度较大时，土壤蒸发量决定于大气条件，等于潜在土壤 蒸发量。当土壤较干燥时，土壤蒸发量将减少。表层土壤最大土 壤蒸发量 Emax可按达西定律计算。在SWAP中也可用Black等(1969), Bosten和Stroosnijder (1986)提出的经验公式计算