第三讲 SWAT水文循环原理

Qlat 24 H 0 vlat
式中：vlat 为出口断面处的流速，mm/h。
H0
ly,excess
ly ,excess
1000 d Lhill
式中：SW 为土壤饱和区内可流出的水量，mm；L 1.3 SWAT 土壤水过程
hill 为山坡坡长，m；Φd
Baidu Nhomakorabea
总空隙度 Φsoil 与土壤层水分含量达到田间持水量的空隙度 Φfc 之差。
式中：SWt 为时段末土壤含水量，mm；SW0 为时段初土壤含水量，mm；t 为计算时段； Rday 为第 i 天的降雨量，mm；Qsurf 为第 i 天的地表径流，mm；Ea 为第 i 天的蒸发量，mm； Wseep 为第 i 天渗漏量，mm；Qgw 为第 i 天基流量，mm。
t
1.1 SWAT 地表水过程
第三讲 SWAT水文循环原理
SWAT 的子流域的构成主要可以分为八部分——水文、气象、沉积物量、土 壤温度、作物生长、营养物质、农药，和农业管理。
SWAT 水文循环
降雨 蒸腾
灌溉
典型 深度
地表 土壤剖面 植物根区
蒸发 侧向 流动 地表径流 土壤湿度 再分布
渗流/补给 回流 浅含水层 传输损失
浅层渗流/补给深层
2 SWly ,excess 1000 d Lhill
式中：SWly,excess 为土壤饱和区内可流出的水量，mm；Lhill 为山坡坡长，m；Φd 为土壤层 总空隙度 Φsoil 与土壤层水分含量达到田间持水量的空隙度 Φfc 之差。
d＝ soil fc
山坡出口断面的净水量为：
1.2 SWAT 蒸散发过程
1）潜在蒸散发
③ Hargreaves and Samani 公式（1985） ，需要输入的资料仅为气温。
RAmax b ET0 a T 17.8Tmax Tmin L
式中： a、b ——经验参数，a 取值 0.0023～0.0032；b 取值 0.5～0.6； RAmax——太阳最大可能辐射量，MJ/m2。
d＝ soil fc
山坡出口断面的净水量为：
Qlat 24 H 0 vlat
式中：vlat 为出口断面处的流速，mm/h。
vlat K sat slp
式中：Ksat 为土壤饱和导水率，mm/h。 SWAT 壤中流计算基本公式为：
Qlat 0.024（
2 SWly ,excess K sat slp
1.2 SWAT 蒸散发过程
2）实际蒸散发
SW T 中实际蒸发的包括：冠层截留蒸发、植被蒸腾和土壤水蒸发。 A
冠层截留蒸发： 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 E0 小于冠层截留的自由水量 RINT，则，
Ea Ecan E0 E INT ( f ) E INT (i ) Ecan
Rn G 86.7 D ET0 L
ra
式中：ET0 为蒸散能力，mm；Δ 为饱和水汽压斜率，kPa/℃；Rn 为净辐射量，MJ/m2； G 为土壤热通量，MJ/m2；ρ 为空气密度，g/m3；D 为饱合水汽压差，kPa；ra 为边界层阻 力，s/m；L 为汽化潜热，MJ/kg；γ 为湿度计常数。
loss 深层地下水 Deep aquifer
基流 return flow 浅层地下水 Shallow aquifer
1.3 SWAT 土壤水过程
土壤水可以被植物吸收或蒸腾而损耗， 可以渗漏到土壤底层最终补给地下水， 也可以壤 中流形式补给地表径流。 SWAT 计算相对饱和区厚度 H0 的公式：
H0
提 纲
1.1 SWAT 地表水过程
1.2 SWAT 蒸散发过程 1.3 SWAT 土壤水过程
1.4 SWAT 地下水过程
1.2 SWAT 蒸散发过程
蒸发模拟：
蒸散发包括冠层截留水蒸发、蒸腾和升华及土壤水的蒸发。 蒸散发是水分转移出流域的主要途径。准确地评价蒸散发 量是估算水资源量的关键，也是研究气候和土地覆被变化 对河川径流影响的关键问题。
河流与地下水的交互关系
浅层地下水模拟
取用水 Water use
入渗补给 Recharge
深层地下水补给 To deep aquifer
潜水蒸发 Revap
浅层含水层 Shallow Aquifer
基流 Return flow
SW (t ) SW(t-1 ) wrchrg wdeep Qgw wuse wrevap
Lhill
）
提 纲
1.1 SWAT 地表水过程
1.2 SWAT 蒸散发过程 1.3 SWAT 土壤水过程
1.4 SWAT 地下水过程
1.4 SWAT 地下水过程
承压含水 层补给区 非承压含 水层补给 区
不透 水层 承压 含水 层
非饱和流 饱和流
非承压含水层
河流
不透 水层
1.4 SWAT 地下水过程
式中：Ea 为实际日蒸发量，mm；Ecan 为冠层水蒸发量，mm；E0 为潜在蒸发量，mm； EINT（i）为冠层时段初蓄水量，mm；EINT（f）为冠层时段末蓄水量，mm。
1.2 SWAT 蒸散发过程
2）实际蒸散发
植物蒸腾：假设植被生长在一个理想的条件下，植物蒸腾可用以下表达式计算：
' E0 LAI Et 3.0 ' Et E0
0 LAI 3.0
LAI 3.0
式中：Et 为日最大蒸腾量，mm；E’0 为冠层水蒸发后的潜在蒸发，mm；LAI 为叶面积 指数。
1.2 SWAT 蒸散发过程
2）实际蒸散发
土壤水分蒸发：在计算土壤水分蒸发时，首先区分出不同深度土壤层需要的蒸发量，土 壤深度层次的划分决定土壤允许的最大蒸发量，可由下式计算：
产流计算：
SWAT 产流计算包括 SCS 和 Green & Ampt 模型。其中，SCS 曲线数法用的较多，该模型有 SWAT 产流计算包括 SCS 和 Green & Ampt 模型。其中，SCS 曲线数法用的较多，该模型有 以下基本假定：实际蓄水量 F 与最大蓄水容量 S 之间的比值等于径流量 Q 与降雨量 P 和初损 Ia 以下基本假定：实际蓄水量 F 与最大蓄水容量 S 之间的比值等于径流量 Q 与降雨量 P 和初损 Ia 差值之比值；Ia 和 S 之间为线性关系。其降雨－径流关系表达式如下： 差值之比值；Ia 和 S 之间为线性关系。其降雨－径流关系表达式如下：
深层地下水模拟
1）潜在蒸散发 SWAT提供了Penman-Monteith、Priestley-Taylor和Hargreaves等三种 计算潜在蒸散发能力的方法，另外还可以使用实测资料或已经计算好 的逐日潜在蒸散发资料。
1.2 SWAT 蒸散发过程
1）潜在蒸散发
① Penman-Montieth 公式（Montieth，1965） ，需要输入的资料为辐射、气温、风速和 相对湿度。
E ' soil ,ly E soli ,ly exp[ E ' soil ,ly Esoli ,ly
2.5( SWly FCly ) FCly WPly
]
SWly＜FCly
SWly>=FCly
式中：E’soil,ly 为调整后的土壤 ly 层蒸发需水量，mm；SWly 为土壤 ly 层含水量，mm； FCly 为土壤 ly 层的田间持水量，mm；WPly 为土壤 ly 层的凋萎含水量，mm。
2 t j 88.2 XT sin 2 LAT sinSD cos 2 LAT cosSDsin XT RAmax 301.0 0.0335sin 365 360 360
深含水层
提 纲
1.1 SWAT 地表水过程
1.2 SWAT 蒸散发过程 1.3 SWAT 土壤水过程
1.4 SWAT 地下水过程
1.1 SWAT 地表水过程
水量平衡方程如下：
SWt SW0 ( Rday Qsurf Ea Wseep Qgw )
i 1
1.2 SWAT 蒸散发过程
1）潜在蒸散发
② Priestley-Taylor 公式（1972） ，需要输入的资料为辐射和气温。
R ET0 1.28 n L
净辐射量，MJ/m2；L 为汽化潜热，MJ/kg。


式中：ET0 为蒸散能力，mm；Δ 为饱和水汽压斜率，kPa/℃；γ 为湿度计常数；Rn 为
式中：a 为常数，在 SCS 模型中一般取为 0.2。
（8.3）
1.1 SWAT 地表水过程
产流计算：
根据水量平衡，可得：
F P Ia Q
式中，
（8.
Q ( P I a ) 2 /(P I a S ) S 25400 / CN 254
CN值可针对不同的土壤类型、土地利用和植被覆盖的组合查表获得，CN 值是无量纲的反映降雨前期流域特征的一个综合参数，将前期土壤湿度、 土地利用方式和土壤类型状况等因素综合在一起。 坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素综合在一起。
SWAT 水库模拟
SWAT 水库模拟
水库的水量平衡方程为：
SWAT 水库模拟
水库出流计算（ Reservoir outflow ）: 实测日出流数据
实测月出流数据
没有控制的水库年平均出流
控制水库的目标出流数据
SWAT 水库模拟
水库调控计算（Target release for controlled reservoir）:
E soil , z E s''
z z exp(2.347 0.00713 z )
式中：Esoil,z 为 z 深度处蒸发需要的水量，mm；z 为地表以下土壤的深度，mm；Es’’为 最大可能土壤水蒸发量。
土壤水分蒸发所需要的水量是由土壤上层蒸发需水量与土壤下层蒸发需水量决定的：
提 纲
1.1 SWAT 地表水过程
1.2 SWAT 蒸散发过程 1.3 SWAT 土壤水过程
1.4 SWAT 地下水过程
1.3 SWAT 土壤水过程
蒸散发 Evapotranspiration
入渗
infiltration
渗漏 percolation
壤中流 lateral flow
（8.
（8.
CN 值可针对不同的土壤类型、土地利用和植被覆盖的组合查表获得，CN 值是无量纲的反
降雨前期流域特征的一个综合参数， 将前期土壤湿度(Antecedent moisture condition, AMC） 坡 、
1.1 SWAT 地表水过程
产流计算：
SWAT 针对 HRU 计算汇流时间，包括河道汇流和坡面汇流时间。河道汇流 时间计算如下： 0.62 L n 0.75 ct 0.125 A cs 0.375 式中：ct 为河道汇流时间，h；L 为河道长度，km；n 为河道曼宁系数；A 为 HRU 面积，km2；cs 为河道坡度，m/m。坡面汇流时间用下式计算： 0.0556( sl n) 0.6 ot s 0.3 式中：ot 为坡面汇流时间，h；sl 为子流域平均坡长，m；n 为 HRU 坡面曼 宁系数；s 为坡面坡度，m/m。
FF Q Q S S P II a P
a
（8.2）
式中：P 为一次性降雨总量，mm；Q 为地表径流量，mm；Ia 为初损，mm，即产生地表径流 之前的降雨损失；F 为后损，mm，即产生地表径流之后的降雨损失；S 为流域当时的可能最大滞 留量 mm，是后损 F 的上限。其中：
I a aS
Esoil ,ly Esoil , zl E soil , zu
式中：Esoil,ly 为 ly 层的蒸发需水量，mm；Esoil,zl 为土壤下层的蒸发需水量，mm；Esoil,zu 为土壤上层的蒸发需水量，mm。
1.2 SWAT 蒸散发过程
2）实际蒸散发
随着 esco 值的减小，模型能够从更深层的土壤获得水分供给蒸发。当土壤层含水量低 于田间持水量时，蒸发需水量也相应减少，蒸发需水量可由下式求得：