学案第二章4-SWAT模型

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,学案第二章4-SWAT模型,提 纲,1 SWAT,起源与发展,2 SWAT,原理概述,3 SWAT,结构与功能,4 SWAT,面临的问题与挑战,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,SWAT(Soil,and Water Assessment,Tool),本,模型开发目的最初是在具有不同土壤类型、,土地利用,、和管理条件特征的大尺度复杂流域内，预测评价,土地利用,管理等人类活动对流域水循环、泥沙、农业污染,物质迁移,的长期影响和作用。,1,SWAT 起源与发展,模型,改进,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,SWAT,模型,ROTO,模型,SWAT-G,模型,SWIM,模型,SWATMOD,模型,GLEAMS,模型,ESWAT,模型,其中以下三种模型对SWAT模型影响较大：,CREAMS模型 (Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems) (该模型主要用于农业管理系统中的化学作用、 土壤侵蚀和径流）,GLEAMS模型 (Groundwater Loading Effects on Agricultural,Management Systems (该模型主要用于农业管理系统对地下水的负 荷影响）,EPIC模型 (Erosion-Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984). (该模型主要用于土壤侵蚀和生产力影响估算模型）,SWAT发展历程,加入估计径流洪峰流速的,SCS,径流曲线以及产沙,MUSLE,与河道演算模型相融合,SWAT,SWRRB,GLEAMS,CREAMS,田间尺度非点源污染模型,考虑了气候、土壤和管理措施等因素的相互作用,和,EPIC,模型的作物生长模块相结合，以,d,为时间步长,SWAT94.2,、,SWAT96.2,、,SWAT98.l,、,SWAT99.2,、,SWAT2000,SWAT2003,SWAT,（,Soil and Water Assessment Tool,）是,Dr. Jeff,为美国农业部农业服务中心开发的流域尺度模型,控制水流在子流间和河网中的演进过程，使得添加水库的调蓄作用变得异常简单。,采用模块化设计思路，水循环的每一个环节对应一个模块，十分方便模型的扩展和应用。,在每一个网格单元或子流域上应用传统的概念性模型来推求降雨，再进行汇流演算，最后得到出口断面流量。,SWAT,简介,用来模拟和分析水土流失、非点源污染和农业管理等问题,SWAT,简介,SWAT,模型特点,物理概念模型,输入参数简单,计算效率高,可以对流域,进行长期模拟,基于物理机制，且介于物理与概念之间，具有很强的物理基 础，能够考虑天气、土壤性质、地形、植被、人类土地管理 的综合作用，同时能够灵活处理各种复杂应用条件。,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。,1,SWAT 起源与发展,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,美墨,Rio Grande/Rio Bravo,流域的水文模拟。流域面积,60,万,km,2,，研究跨国河流,Rio Grande/R,o 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。,F在英格兰流域的应用，进行水量和水质模拟。,G,在中国,SWAT,已有多个用于水资源和水环境、农业生产等方面的案例。,提 纲,1 SWAT,起源与发展,2 SWAT,原理概述,3 SWAT,结构与功能,4 SWAT,面临的问题与挑战,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。,SWAT,水文循环示意图,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，,再,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。,2,SWAT,原理概述,水循环的陆面部分,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。,2,SWAT,原理概述,水循环的陆面部分,气候因素,流域气候为水文循环提供了湿度和能量并决定了水循环中不同要素的相对重要性。湿度和能量控制着流域的水量平衡。,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。,其中太阳辐射、风速、相对湿度等通常由于资料缺失而由模型生成。,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。,2,SWAT,原理概述,SWAT,原理,地表水过程,水量平衡方程如下：,地表水过程,（续）,地表产流计算：,产流计算：,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、坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素综合在一起。,SWAT,地表水过程,（续）,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。,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。,2,SWAT,原理概述,水循环的陆面部分,营养物质,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,物质,可以通过地表径流和壤中流进入主河道传输到下游河段。,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,物质,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,）。,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。,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。,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。,2,SWAT,原理概述,SWAT,地表水过程,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：,需要输入实测出流数据；,对于小的无观测值的水库，需要规定一个出流量；,对于大水库，需要一个月调控目标。,2,SWAT,原理概述,提 纲,1 SWAT,起源与发展,2 SWAT,原理概述,3 SWAT,结构与功能,4 SWAT,面临的问题与挑战,（,1,）,SWAT,结构,SWAT,可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟，例如水循环和营养物迁移转化等。流域内泥沙、营养物的产生与迁移等都是建立在流域内水循环的基础之上。,水文模块,土壤侵蚀与泥沙运输模块,营养物运输模块,植物生长与经营管理模块,四大子模块,水文模块,流域水循环可以分为两个部分，一是陆面水循环，陆面水文过程控制着每个子流域向河道输入的水量、泥沙量和营养物量。第二部分是河道的水文过程，它决定着流域内主河道向流域出口输送的水量、泥沙量和营养物量。,土壤侵蚀与泥沙输运模块,在,SWAT,中，对由降雨及地表径流产生的流沙量的计算采用,MUSLE,（,Modified version of universal soil loss equation,），即改进通用土壤流失方程。改进了流沙产量预测的准确度，并且可以预测单次降雨事件中的产沙量,sed,为泥沙日产量,ton,；,Q,为表面径流量，,mm/ha,；,q,peq,为地表径流峰值流速，,m,3,/s,；,area,hru,为水文响应单元面积（,ha,）；,K,为土壤侵蚀系数；,C,为作物经营管理系数；,P,为水土保持系数；,LS,为地形系数；,GFRG,为粗糙系数。,营养物质输运模块,地表径流中各形态氮迁移转化过程,河道中各形态氮迁移转化过程（,QUAL2E,）,硝基氮,有机氮,有机氮,氮氨,亚硝基氮,硝基氮,地表径流中各形态磷迁移转化过程,河道中各形态氮迁移转化过程,可溶性磷,固相磷,有机磷,无机磷,植物生长与经营模块,冠层截留,土壤水分吸收,蒸腾作用,流域水文循环,残体转化,硝基氮及可溶性磷的吸收,固氮,SWAT,采用的植物生长模块是,EPIC,模型中植物生长模块的简化版。,EPIC,模型中，采用,Monteith,法衡量植物生长情况，并引入收获指数来计算温度、水、营养物对植物生长的影响。,SWAT,的植物生长模块不考虑,EPIC,中的植物根系生长、微量营养物循环、毒理反应及植物共生等作用。,植物生长模块,经营模块,农林地的管理,水资源管理,植物播种时间，施肥措施，杀虫剂喷洒措施，作物收割时间,流域内的灌溉，排水，蓄水，生活用水，工业用水等,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。,（,2,）,SWAT,主要功能,模型主要输入数据,数据名称,数据,类型,所需参数,获得渠道,说明,地形数据,DEM,GRID,或,.ship file,格式,地形高程、坡度、坡向、河流等,数字高程模型（,DEM,）,前,3,层数据坐标必须统一。并且用等面积投影；土壤分类采用美国分类系统；气象资料还需要气象和水文站点高程及位置的文件。,土地利用,植被图,GRID,或,.ship file,格式,植被种类、空间分布、叶面积指数、冠层高度、植被根系,高清析遥感图像解释,土壤数据,土壤图,GRID,或,.ship file,格式,各层土壤含水率、空隙率、饱和水力传导、各组成颗粒含量、径流曲线,野外采样测量或有关单位提供数据,气象数据,气象资料表,.dbf,或,.txt,格式,日降雨量、日最高最低温度、相对湿度、日辐射量、风速,各气象站点，国家气象局,提 纲,1 SWAT,起源与发展,2 SWAT,原理概述,3 SWAT,结构与功能,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,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。,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。,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。可以通过耦合地下水动力学模型加以解决。,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。,4,SWAT,面临的问题与挑战,SWAT,模型在我国应用存在的问题,1,、模型所需数据不完备，精确度不够，获取难度较大。,2,、模型所采用的概念性或经验性公式在我国可能出现效果不好或模拟精度不高等问题。,3,、模型参数收集包括驱动所需的站点气象参数、土壤属性数据以及土地利用实时变化等观测不全或难以获取，也大大地限制了模型的使用。,4,、模型输入参数如气象数据、土地覆盖变化及子流域划分对模型的水文模拟精度存在较大的影响。,