SWAT模型
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拟值进行比较； 通过输入命令，接受其它模型的输出之值； 通过转移命令，把某河段（或水库）的水转移到其他的河段
（或水库）中，也可直接用作农业灌溉。 SWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展。
B
29
开始 输入数据 参数初始化 日循环
程序结束
计算并输出最 终计算结果 是
？上一年 最后一天
否 循环控制命令
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。
河道演算 水库演算 输移计算
计算通过河道的径流， 沉积物和污染物
计算通过水库的径流， 沉积物和污染物
从任意一个子流域或水库向另外一 个子流域或水库水分输移的计算
子流域计算 叠加计算 输入控制 存储
读入或生成降水和最 大/最小气温数据
生成太阳辐射，风速 和湿度数据
计算土壤温度
计算降雪和融雪
降雨+融雪>0
计算
结 束 演算
（2）SWAT 主要功能
SWAT主要用来预测人类活动对水 、沙、农业、化学物质的影响，模 拟流域内多种不同的水循环过程。
为流域尺度的农业管理、供水管理 和气候变化影响研究，提供水循环 模拟、评价和管理工具。
B
31
（1）SWAT 主要功能
1 2
4 3
源头子流域 河段子流域
5 6
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
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。
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
B
23
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。
B
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。
B
33
1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- SWAT 输入与调参问题 - SWAT 平原区应用问题 - SWAT 地下水模拟问题 - SWAT 城市水循环模拟问题
B
34
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。
B
8
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。
B
9
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。
B
10
F．在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。
B
11
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。
B
12
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
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
B
25
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。
B
26
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
B
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。
B
17
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。
B
18
37
1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- 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。
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。
B
19
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。
SWATMOD 模型
5
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。
B
6
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
7
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。
7
12 15
11
8
9
10
13
14 16
17 18
20
22
19
21
23
24 25
2
4
8
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R iver netw ork
1
3
6
10
17
5
controlled by dam s
7
11
22
& floodgates
12
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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
是
计算地 表径流
和下渗
否
叠加任意二个水文过程总的水 量，沉积物，污染物
读入实测EP、径流数据 或者SWAT输出
将输出数据写入文件， 以供另一个SWAT循环使用
地表径流 >0？
计算洪峰流 量、 输移损 失、 产沙 量、营养物、
杀虫剂
土壤水演 算、ET、作 物生长、池 塘/水库水量 平衡、地下 径流及水位
B
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。
B
14
SWAT水文循环示意图
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。
B
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：
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。
B
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。
深层地下水 灌溉
河流 灌溉用水 输移损失 河段出流量
（1）SWAT 结构
SWAT采用类似于HYMO模型（Williams and Hann,1973）的命令结构来控制径流和 化学物质的演算。
通过子流域命令，进行分布式产流计算； 通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程； 通过叠加命令，把实测的数据和点源数据输入到模型中同模
第二讲 SWAT模型概述
1
B
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
B
2
几个关键问题
- SWAT 是什么？ - SWAT 能做什么？ - SWAT 面临问题与挑战？
B
3
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
B
27
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
B
38
谢谢！ Thanks !
B
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（或水库）中，也可直接用作农业灌溉。 SWAT模型的命令代码能够根据需要进行扩展。
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开始 输入数据 参数初始化 日循环
程序结束
计算并输出最 终计算结果 是
？上一年 最后一天
否 循环控制命令
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）。
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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。
河道演算 水库演算 输移计算
计算通过河道的径流， 沉积物和污染物
计算通过水库的径流， 沉积物和污染物
从任意一个子流域或水库向另外一 个子流域或水库水分输移的计算
子流域计算 叠加计算 输入控制 存储
读入或生成降水和最 大/最小气温数据
生成太阳辐射，风速 和湿度数据
计算土壤温度
计算降雪和融雪
降雨+融雪>0
计算
结 束 演算
（2）SWAT 主要功能
SWAT主要用来预测人类活动对水 、沙、农业、化学物质的影响，模 拟流域内多种不同的水循环过程。
为流域尺度的农业管理、供水管理 和气候变化影响研究，提供水循环 模拟、评价和管理工具。
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（1）SWAT 主要功能
1 2
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源头子流域 河段子流域
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SWAT （ Soil and Water Assessment Tool）
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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
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SWAT 模型 模型 改进
ROTO 模型
ESWAT 模型
SWAT-G 模型
SWIM 模型
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。
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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。
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1.2 SWAT 原理概述
B
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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。
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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。
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1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- SWAT 输入与调参问题 - SWAT 平原区应用问题 - SWAT 地下水模拟问题 - SWAT 城市水循环模拟问题
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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。
B
8
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。
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9
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。
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F．在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。
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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。
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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
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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。
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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。
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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
B
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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。
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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。
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1.4 SWAT 面临的问题与挑战
- 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。
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。
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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。
SWATMOD 模型
5
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。
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6
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。
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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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R iver netw ork
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controlled by dam s
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& floodgates
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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
是
计算地 表径流
和下渗
否
叠加任意二个水文过程总的水 量，沉积物，污染物
读入实测EP、径流数据 或者SWAT输出
将输出数据写入文件， 以供另一个SWAT循环使用
地表径流 >0？
计算洪峰流 量、 输移损 失、 产沙 量、营养物、
杀虫剂
土壤水演 算、ET、作 物生长、池 塘/水库水量 平衡、地下 径流及水位
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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。
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SWAT水文循环示意图
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。
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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。
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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。
深层地下水 灌溉
河流 灌溉用水 输移损失 河段出流量
（1）SWAT 结构
SWAT采用类似于HYMO模型（Williams and Hann,1973）的命令结构来控制径流和 化学物质的演算。
通过子流域命令，进行分布式产流计算； 通过汇流演算命令，模拟河网与水库的汇流过程； 通过叠加命令，把实测的数据和点源数据输入到模型中同模
第二讲 SWAT模型概述
1
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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
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几个关键问题
- SWAT 是什么？ - SWAT 能做什么？ - SWAT 面临问题与挑战？
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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
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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
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谢谢！ Thanks !
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