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第二讲 SWAT模型概述
1
2019
-
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？
-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 SWAT 起源与发展
-
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。
-
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。
-
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
-
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）
-
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。
-
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。
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
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。
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 （ Soil and Water Assessment Tool）
-
1.1 SWAT 起源与发展
GLEAMS 模型
CREAMS 模型
EPIC 模型
-
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）。
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。
-
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：
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
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。
-
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．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。
-
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。
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
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。
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2019
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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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 SWAT 起源与发展
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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。
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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
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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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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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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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）
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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。 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。
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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1.2 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。
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 （ 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
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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
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）。
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。
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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：
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
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。
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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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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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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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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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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。
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
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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。