中科院 SWAT模型结构与软件
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SWAT模型的界面 3.1 SWAT模型的界面
ArcView 3.x AVSWAT200x
Di Luzio等(1998, 2000, 2002) 等
SWAT 操作界面
ArcGIS
ArcSWAT200x
Olivera等(2006) 等
Map Window
MWSWAT
George和Leon(2007) 和
由于输入数据存在着不确定性， 由于输入数据存在着不确定性，因此需要将输入数据的范围 限定在合理范围内，对参数进行率定(Arnold和Allen, 1996; 王 限定在合理范围内，对参数进行率定 和 中根等, 中根等 2007)。 。 模型的参数率定过程，一般是指通过让参数取值适合当前流 模型的参数率定过程， 域具体情况， 域具体情况，使模型的模拟输出值与实际观测值之间达到最小的 误差。 误差。 该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节。 该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节。 参数率定可以根据经验知识手工进行， 参数率定可以根据经验知识手工进行，也可基于一定的数学 方法通过计算机自动进行。 方法通过计算机自动进行。
蒸散发（Ea） 蒸散发 降水(P) 降水
非饱和带 浅层含水层 隔水层
入渗
土壤含水量变化
地表径流（ 地表径流 （ Qsurf ） 壤中流（Qlat） 壤中流 回 归 流 （ Qgw ）
浅层地下水蒸发
补给浅层地下水
1.1.2 从文献看模型作用
From Gassman et al., 2007
1.1.3 从输出变量看模型作用
1.2 模型的发展与演变
GLEAMS 模型
杀虫剂 模块
QUAL2E 河道水质模型
ESWAT模型 ESWAT模型
SWATSWAT-G模型 CREAMS 模型 日降水等 水文模块 SWRRB 模型 SWAT 模型 模型 改进 SWIM模型 SWIM模型 EPIC 模型 作物生长 模块 ROTO模型 ROTO模型 SWATMOD
Observed Simulated
10
5
0 1993 1994 Year
1995
1996
验证（Validation） 4.8 验证（Validation）
目的： 目的：
验证模型对“独立”数据的模拟结果是否准确， 验证模型对“独立”数据的模拟结果是否准确，通过 模型建立的输入-输出关系是否经得起考验。 模型建立的输入-输出关系是否经得起考验。
（1）长时期连续模拟； ）长时期连续模拟； （2）模拟产水、侵蚀产沙和非点源污染； ）模拟产水、侵蚀产沙和非点源污染； 操作方便； （3）充分结合 ）充分结合GIS ，操作方便； （4）模型核心代码公开，扩展方便； ）模型核心代码公开，扩展方便； （5）不断更新的软件及辅助工具； ）不断更新的软件及辅助工具； （6）活跃的、广大的科研团体。 ）活跃的、广大的科研团体。
4.2 软件安装 软件下载与安装
安装ArcGIS 9.2以及相应补丁 安装ArcGIS 9.2以及相应补丁 ArcSWAT： ArcSWAT：
http://swatmodel.tamu.edu/
SWAT-CUP： SWAT-CUP：
http://www.eawag.ch/forschung/siam/software/swat/index
20
400
0
500
1993
1994 Year
1995
1996
Precipitationຫໍສະໝຸດ Baidu(mm)
模拟结果
80
100
SWAT with default parameters
4.7 模拟结果的提取
控 制 多 级 汇 流 面 积 的 河 道 结 点
查看模拟结果 output.rch
参数率定（Calibration） 4.7 参数率定（Calibration）
2.3 模型的软件组成
SWAT 操作界面
基于现有GIS软件（如ArcGIS、 软件（ 基于现有 软件 、 ArcView和Map Window等）的 和 等 二次开发，用于将地理、 二次开发，用于将地理、气象等 数据准备为模型所需参数的格式。 数据准备为模型所需参数的格式。
SWAT 程序包 SWAT200X 可执行程序
备调参数 初步筛选
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
4.7 参数率定
参数敏感性分析
Sensitivity analysis studies the “sensitivity” of the output of a system to changes in the parameters, input variables or initial conditions
4.3 输入数据收集
流域DEM 流域DEM 植被图 土壤类型图及土壤属性表 日降水、最高最低气温、太阳辐射、风速、 日降水、最高最低气温、太阳辐射、风速、空 气相对湿度等气象数据， 气相对湿度等气象数据，和气候统计数据 观测径流 管理措施、水库、 管理措施、水库、湿地等具体信息
4.4 数据整理
植被类型采用SWAT的编码， 植被类型采用SWAT的编码，制作植被类型 SWAT的编码 检索表 土壤属性表按格式导入模型数据库的usersoil 土壤属性表按格式导入模型数据库的usersoil 表中， 表中，同时制作土壤类型检索表 气象数据格式整理 气候统计数据按格式导入模型数据库的 userwgn表中 表中， userwgn表中，制作气象站检索表
SWAT模型 SWAT模型
结构与软件
SWAT模型结构与软件 SWAT模型结构与软件
主要内容 1 2 3 4
SWAT模型的用途 模型的用途 SWAT模型的结构 模型的结构 SWAT模型相关软件 模型相关软件 SWAT模型应用示例 模型应用示例
SWAT模型的用途 1 SWAT模型的用途
1.1 模型作用概述
(Y 2 − Y 1) / Y 1 I= ( X 2 − X 1) / X 1
4.7 参数率定
参数敏感性分析
4.7 参数率定
通过参数敏感性分析， 通过参数敏感性分析，选择敏感参数
参数 CN2 ESCO SMTMP ALPHA_BF GWQMN RCHRG_DP CH_K2 默认值 D* 0.95 0.5 0.048 0.0 0.05 0.0 范围 (0.8~1.2)D* 0.01~1 -5~5 0~1 0~5000 0~1 0~150 调整后的参数 0.81 D* 0.40 3.9 0.041 40.2 0.29 115.2
利用准备好的模型参数， 利用准备好的模型参数，模拟每 天的流域过程，输出模拟结果。 天的流域过程，输出模拟结果。
2.4 模型对流域的空间剖分
提取水系 DEM划分子流域 划分HRU 划分HRU HRU 参数 HRU的空间离散分布 HRU的空间离散分布
2.5 模型的文件组成
输入输出 控制文件 运行控制 流域参数 气象数据
SWAT模型应用示例 4 SWAT模型应用示例
4.1 例子概述
目的：利用SWAT模型进行径流模拟 目的：利用SWAT模型进行径流模拟 SWAT
界面平台：ArcGIS 9.2 with SP6 界面平台： SWAT版本： SWAT版本：ArcSWAT 2.1.6 版本 参数自动率定软件： 参数自动率定软件：SWAT-CUP
SWAT模型的特点 1.3 SWAT模型的特点
SWAT模型是一个半分布式水文模型，以相对均质的水文 SWAT模型是一个半分布式水文模型，以相对均质的水文 响应单元（HRU）为模拟单元，能够模拟复杂流域中的径流、 响应单元（HRU）为模拟单元，能够模拟复杂流域中的径流、 泥沙、氮泥沙、氮-磷、杀虫剂等流出量及蒸散发量，还可输出日土壤 水、土壤温度等时态变量，并能预测土地管理措施的影响。 简要概括，SWAT模型具有如下特点： 模型具有如下特点： 简要概括，SWAT模型具有如下特点
D*为模型默认参数值， HRU不同而不同。 D*为模型默认参数值，随HRU不同而不同。 为模型默认参数值 不同而不同
4.7 参数率定
采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等），对 采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等），对 ）， 模型参数进行自动率定
20
15 Streamflow (mm)
否 否 计算土壤水,汇流 计算土壤水 汇流, 汇流 蒸散发,水塘 水塘,湿地 蒸散发 水塘 湿地 水平衡,地下水 水平衡 地下水 退出HRU/Subbasin 循环 退出
地表径流>0? 地表径流 是
计算洪峰流量,输移损 计算洪峰流量 输移损 产沙,养分与杀虫剂 失,产沙 养分与杀虫剂 产沙
SWAT模型的相关软件 3 SWAT模型的相关软件
感言
模型的学习需要有理论结合实践的过程 运行一遍模型很容易， 运行一遍模型很容易，想把模型的来龙去脉搞清楚则不易 学习过程中， 学习过程中，很多碰壁或努力一般不会白费 掌握经验后，适时帮助后来人 掌握经验后，
2 SWAT模型的结构 模型的结构
2.1 模型核心部分理论构架
2.2 模型详细结构
陆面水文模拟
降水 蒸散发
根系层
地表径流 壤中流 下渗 基流 深层损失
(修改自 Bauwens, 修改自 2006)
汇流
不饱和带 浅含水层 深含水层
水分的垂直向下运动
入渗
土壤层 壤中流 渗漏
基流 水分损失 深含水层 浅含水层
子流域及HRU参数文件 子流域及HRU参数文件 HRU
输出文件
模型自带 数据库
2.6 模块调用流程
进入 HRU/Subbasin 循环 读入或生成气象数据 计算土壤温度 计算降雪和融雪
降水+融雪 降水 融雪>0 融雪 是 计算地表径流和下渗
SWAT计算 计算Subbasin内部 内部 计算 水分运动的流程
SWAT模型的核心代码 3.2 SWAT模型的核心代码
SWAT模型的辅助工具 3.3 SWAT模型的辅助工具
气候统计 基流分割 pcpSTAT.exe bflow.exe
Arnold等(1995) 等 SWAT 辅助工具
自动参数率定 SWAT-CUP
Abbaspour (2007)
参数管理 结果可视化 SWAT editor VizSWAT
4.5 模型参数提取
4.5 模型参数提取
4.5 模型参数提取
子流域文件
HRU参数文件 HRU参数文件
4.6 模拟结果
100 0
初始参数
Streamflow (mm)
60
Observed Simulated Precipitation
200
40
300
与实测值相比： 与实测值相比： 峰值太高； 峰值太高； 基流略低。 基流略低。
1.1.1 模型的目标
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型可用于预测土地管 （ ） 理措施对于具有多种土壤类型、 理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理措施的大面积复杂流域 中径流、泥沙负荷及营养物质流失的长期影响。 中径流、泥沙负荷及营养物质流失的长期影响。
4.7 参数率定
序号 1 参数名称 CN2 ESCO EPCO OV_N LAT_TTIME SLSOIL ALPHA_BF GW_DELAY GWQMN GW_REVAP REVAPMN RCHRG_DP SHALLST CH_N2 CH_K2 SURLAG SFTMP SMTMP SMFMX SMFMN TIMP FFCB 参数含义 初始CN2值 土壤蒸发深度调节因子 植被蒸腾吸水调节因子 坡面漫流的曼宁系数 壤中流运行时间（天） 壤中流坡长（m） 基流消退系数 地下水滞后时间（天） 基流产生的水位阈值（mm） 地下水上行补给系数 发生上行补给的水位阈值（mm） 深层地下水补给系数 浅含水层初始水深（mm） 主河道的曼宁系数 主河道的有效水力传导度（mm/hr） 地表径流滞后系数 允许降雪产生的温度（℃） 允许融雪发生的温度（℃） 最大融雪因子（mmH2O/℃-天） 最小融雪因子（mmH2O/℃-天） 雪被温度滞后因子 土壤初始含水量（用含水量占田间持水量的比例表示）
方法： 方法：
用独立于模型验证时段的气象数据驱动模型， 用独立于模型验证时段的气象数据驱动模型，比较模 拟结果和观测值的吻合程度。 拟结果和观测值的吻合程度。
其它
模拟结果文件介绍>> 模拟结果文件介绍>> ArcView SWAT运行示例>> SWAT运行示例 运行示例>> 推荐用SWAT-CUP做参数率定 推荐用SWAT-CUP做参数率定
ArcView 3.x AVSWAT200x
Di Luzio等(1998, 2000, 2002) 等
SWAT 操作界面
ArcGIS
ArcSWAT200x
Olivera等(2006) 等
Map Window
MWSWAT
George和Leon(2007) 和
由于输入数据存在着不确定性， 由于输入数据存在着不确定性，因此需要将输入数据的范围 限定在合理范围内，对参数进行率定(Arnold和Allen, 1996; 王 限定在合理范围内，对参数进行率定 和 中根等, 中根等 2007)。 。 模型的参数率定过程，一般是指通过让参数取值适合当前流 模型的参数率定过程， 域具体情况， 域具体情况，使模型的模拟输出值与实际观测值之间达到最小的 误差。 误差。 该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节。 该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节。 参数率定可以根据经验知识手工进行， 参数率定可以根据经验知识手工进行，也可基于一定的数学 方法通过计算机自动进行。 方法通过计算机自动进行。
蒸散发（Ea） 蒸散发 降水(P) 降水
非饱和带 浅层含水层 隔水层
入渗
土壤含水量变化
地表径流（ 地表径流 （ Qsurf ） 壤中流（Qlat） 壤中流 回 归 流 （ Qgw ）
浅层地下水蒸发
补给浅层地下水
1.1.2 从文献看模型作用
From Gassman et al., 2007
1.1.3 从输出变量看模型作用
1.2 模型的发展与演变
GLEAMS 模型
杀虫剂 模块
QUAL2E 河道水质模型
ESWAT模型 ESWAT模型
SWATSWAT-G模型 CREAMS 模型 日降水等 水文模块 SWRRB 模型 SWAT 模型 模型 改进 SWIM模型 SWIM模型 EPIC 模型 作物生长 模块 ROTO模型 ROTO模型 SWATMOD
Observed Simulated
10
5
0 1993 1994 Year
1995
1996
验证（Validation） 4.8 验证（Validation）
目的： 目的：
验证模型对“独立”数据的模拟结果是否准确， 验证模型对“独立”数据的模拟结果是否准确，通过 模型建立的输入-输出关系是否经得起考验。 模型建立的输入-输出关系是否经得起考验。
（1）长时期连续模拟； ）长时期连续模拟； （2）模拟产水、侵蚀产沙和非点源污染； ）模拟产水、侵蚀产沙和非点源污染； 操作方便； （3）充分结合 ）充分结合GIS ，操作方便； （4）模型核心代码公开，扩展方便； ）模型核心代码公开，扩展方便； （5）不断更新的软件及辅助工具； ）不断更新的软件及辅助工具； （6）活跃的、广大的科研团体。 ）活跃的、广大的科研团体。
4.2 软件安装 软件下载与安装
安装ArcGIS 9.2以及相应补丁 安装ArcGIS 9.2以及相应补丁 ArcSWAT： ArcSWAT：
http://swatmodel.tamu.edu/
SWAT-CUP： SWAT-CUP：
http://www.eawag.ch/forschung/siam/software/swat/index
20
400
0
500
1993
1994 Year
1995
1996
Precipitationຫໍສະໝຸດ Baidu(mm)
模拟结果
80
100
SWAT with default parameters
4.7 模拟结果的提取
控 制 多 级 汇 流 面 积 的 河 道 结 点
查看模拟结果 output.rch
参数率定（Calibration） 4.7 参数率定（Calibration）
2.3 模型的软件组成
SWAT 操作界面
基于现有GIS软件（如ArcGIS、 软件（ 基于现有 软件 、 ArcView和Map Window等）的 和 等 二次开发，用于将地理、 二次开发，用于将地理、气象等 数据准备为模型所需参数的格式。 数据准备为模型所需参数的格式。
SWAT 程序包 SWAT200X 可执行程序
备调参数 初步筛选
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
4.7 参数率定
参数敏感性分析
Sensitivity analysis studies the “sensitivity” of the output of a system to changes in the parameters, input variables or initial conditions
4.3 输入数据收集
流域DEM 流域DEM 植被图 土壤类型图及土壤属性表 日降水、最高最低气温、太阳辐射、风速、 日降水、最高最低气温、太阳辐射、风速、空 气相对湿度等气象数据， 气相对湿度等气象数据，和气候统计数据 观测径流 管理措施、水库、 管理措施、水库、湿地等具体信息
4.4 数据整理
植被类型采用SWAT的编码， 植被类型采用SWAT的编码，制作植被类型 SWAT的编码 检索表 土壤属性表按格式导入模型数据库的usersoil 土壤属性表按格式导入模型数据库的usersoil 表中， 表中，同时制作土壤类型检索表 气象数据格式整理 气候统计数据按格式导入模型数据库的 userwgn表中 表中， userwgn表中，制作气象站检索表
SWAT模型 SWAT模型
结构与软件
SWAT模型结构与软件 SWAT模型结构与软件
主要内容 1 2 3 4
SWAT模型的用途 模型的用途 SWAT模型的结构 模型的结构 SWAT模型相关软件 模型相关软件 SWAT模型应用示例 模型应用示例
SWAT模型的用途 1 SWAT模型的用途
1.1 模型作用概述
(Y 2 − Y 1) / Y 1 I= ( X 2 − X 1) / X 1
4.7 参数率定
参数敏感性分析
4.7 参数率定
通过参数敏感性分析， 通过参数敏感性分析，选择敏感参数
参数 CN2 ESCO SMTMP ALPHA_BF GWQMN RCHRG_DP CH_K2 默认值 D* 0.95 0.5 0.048 0.0 0.05 0.0 范围 (0.8~1.2)D* 0.01~1 -5~5 0~1 0~5000 0~1 0~150 调整后的参数 0.81 D* 0.40 3.9 0.041 40.2 0.29 115.2
利用准备好的模型参数， 利用准备好的模型参数，模拟每 天的流域过程，输出模拟结果。 天的流域过程，输出模拟结果。
2.4 模型对流域的空间剖分
提取水系 DEM划分子流域 划分HRU 划分HRU HRU 参数 HRU的空间离散分布 HRU的空间离散分布
2.5 模型的文件组成
输入输出 控制文件 运行控制 流域参数 气象数据
SWAT模型应用示例 4 SWAT模型应用示例
4.1 例子概述
目的：利用SWAT模型进行径流模拟 目的：利用SWAT模型进行径流模拟 SWAT
界面平台：ArcGIS 9.2 with SP6 界面平台： SWAT版本： SWAT版本：ArcSWAT 2.1.6 版本 参数自动率定软件： 参数自动率定软件：SWAT-CUP
SWAT模型的特点 1.3 SWAT模型的特点
SWAT模型是一个半分布式水文模型，以相对均质的水文 SWAT模型是一个半分布式水文模型，以相对均质的水文 响应单元（HRU）为模拟单元，能够模拟复杂流域中的径流、 响应单元（HRU）为模拟单元，能够模拟复杂流域中的径流、 泥沙、氮泥沙、氮-磷、杀虫剂等流出量及蒸散发量，还可输出日土壤 水、土壤温度等时态变量，并能预测土地管理措施的影响。 简要概括，SWAT模型具有如下特点： 模型具有如下特点： 简要概括，SWAT模型具有如下特点
D*为模型默认参数值， HRU不同而不同。 D*为模型默认参数值，随HRU不同而不同。 为模型默认参数值 不同而不同
4.7 参数率定
采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等），对 采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等），对 ）， 模型参数进行自动率定
20
15 Streamflow (mm)
否 否 计算土壤水,汇流 计算土壤水 汇流, 汇流 蒸散发,水塘 水塘,湿地 蒸散发 水塘 湿地 水平衡,地下水 水平衡 地下水 退出HRU/Subbasin 循环 退出
地表径流>0? 地表径流 是
计算洪峰流量,输移损 计算洪峰流量 输移损 产沙,养分与杀虫剂 失,产沙 养分与杀虫剂 产沙
SWAT模型的相关软件 3 SWAT模型的相关软件
感言
模型的学习需要有理论结合实践的过程 运行一遍模型很容易， 运行一遍模型很容易，想把模型的来龙去脉搞清楚则不易 学习过程中， 学习过程中，很多碰壁或努力一般不会白费 掌握经验后，适时帮助后来人 掌握经验后，
2 SWAT模型的结构 模型的结构
2.1 模型核心部分理论构架
2.2 模型详细结构
陆面水文模拟
降水 蒸散发
根系层
地表径流 壤中流 下渗 基流 深层损失
(修改自 Bauwens, 修改自 2006)
汇流
不饱和带 浅含水层 深含水层
水分的垂直向下运动
入渗
土壤层 壤中流 渗漏
基流 水分损失 深含水层 浅含水层
子流域及HRU参数文件 子流域及HRU参数文件 HRU
输出文件
模型自带 数据库
2.6 模块调用流程
进入 HRU/Subbasin 循环 读入或生成气象数据 计算土壤温度 计算降雪和融雪
降水+融雪 降水 融雪>0 融雪 是 计算地表径流和下渗
SWAT计算 计算Subbasin内部 内部 计算 水分运动的流程
SWAT模型的核心代码 3.2 SWAT模型的核心代码
SWAT模型的辅助工具 3.3 SWAT模型的辅助工具
气候统计 基流分割 pcpSTAT.exe bflow.exe
Arnold等(1995) 等 SWAT 辅助工具
自动参数率定 SWAT-CUP
Abbaspour (2007)
参数管理 结果可视化 SWAT editor VizSWAT
4.5 模型参数提取
4.5 模型参数提取
4.5 模型参数提取
子流域文件
HRU参数文件 HRU参数文件
4.6 模拟结果
100 0
初始参数
Streamflow (mm)
60
Observed Simulated Precipitation
200
40
300
与实测值相比： 与实测值相比： 峰值太高； 峰值太高； 基流略低。 基流略低。
1.1.1 模型的目标
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型可用于预测土地管 （ ） 理措施对于具有多种土壤类型、 理措施对于具有多种土壤类型、土地利用和管理措施的大面积复杂流域 中径流、泥沙负荷及营养物质流失的长期影响。 中径流、泥沙负荷及营养物质流失的长期影响。
4.7 参数率定
序号 1 参数名称 CN2 ESCO EPCO OV_N LAT_TTIME SLSOIL ALPHA_BF GW_DELAY GWQMN GW_REVAP REVAPMN RCHRG_DP SHALLST CH_N2 CH_K2 SURLAG SFTMP SMTMP SMFMX SMFMN TIMP FFCB 参数含义 初始CN2值 土壤蒸发深度调节因子 植被蒸腾吸水调节因子 坡面漫流的曼宁系数 壤中流运行时间（天） 壤中流坡长（m） 基流消退系数 地下水滞后时间（天） 基流产生的水位阈值（mm） 地下水上行补给系数 发生上行补给的水位阈值（mm） 深层地下水补给系数 浅含水层初始水深（mm） 主河道的曼宁系数 主河道的有效水力传导度（mm/hr） 地表径流滞后系数 允许降雪产生的温度（℃） 允许融雪发生的温度（℃） 最大融雪因子（mmH2O/℃-天） 最小融雪因子（mmH2O/℃-天） 雪被温度滞后因子 土壤初始含水量（用含水量占田间持水量的比例表示）
方法： 方法：
用独立于模型验证时段的气象数据驱动模型， 用独立于模型验证时段的气象数据驱动模型，比较模 拟结果和观测值的吻合程度。 拟结果和观测值的吻合程度。
其它
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