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1、流域水文过程与模拟,Soil and Water Assessment Tool,主要内容,SWAT模型概述SWAT模型原理、模型结构模型构建和运行参数率定和灵敏度分析：SWATcup应用实例：山西清水河流域径流泥沙模拟常见错误分析,SWAT模型概述,SWAT模型(soil and Water Assessment Tool)是美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)研制开发一个具有很强物理机制的、长时段的流域分布式水文模型模拟预测不同土地利用及多种土地管理措施对复杂多变的大中流域的水文泥沙和化学物质的长期影响进行分析。SWAT 官方网站：http:/www.brc.tamus.edu/s
2、wat/,SWAT的研发目标,评价不同的土地管理措施对流域产流、产沙及农业化学物质运移转化的影响：土地管理措施：农业管理措施、水管理措施和城市化农业化学物质：化肥、农药影响是长期的，特别是某些农业化学物质的转化和迁移速度较慢。因此，要求模型能够进行长时间的连续模拟能够用于较大的流域及复杂的下垫面条件：各种土壤、土地利用类型及农业管理措施的组合要求：实用性和物理性的协调,SWAT概述,SWAT 模型的特点,具有物理基础水、沙、营养物迁移、作物生长等的过程在模型中直接模拟，不是黑箱子式的统计模型可直接利用气象、地形、土壤、植被及管理措施等各种信息物理性使得SWAT可以变换输入条件，对管理措施的不同
3、情景进行模拟分布式：子流域、水文响应单元所需要的输入容易获得：采用政府机构的公开数据库，基本的输入数据很容易获取,SWAT概述,SWAT 模型的特点,计算效率比较高计算时段：天,月，年，不适合次洪过程模拟空间剖分方式：HRU采用的方程，尤其是土壤水部分：概念性模型可以进行较长时段的模拟，如20年有较好的输入输出界面，并与GIS结合：AV2000，AVSWATX，ARCSWAT，VIzSWAT适用于较大的流域:100-5000km2能够处理多种土地管理措施：农业管理措施、水管理措施和城市化,SWAT概述,SWAT 模型的发展历史,SWAT的前身：SWRRB，Simulator for Water
4、 Resources in Rural Basins与SWAT的发展有密切关系的几个模型：CREAMS:Chemicals,Runoff,and Erosion from Agricultural Management SystemsGLEAMS:Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems，其杀虫剂模型被引入到SWATEPIC:Erosion-Productivity Impact Calculator，其作物模型被引入到SWAT还有很多其他模型的方程被引入到SWAT中,SWAT概述,SWAT 模型的发展历史,S
5、WAT是20世纪90年代开发完成的，经过了几个版本的发展SWAT94.2：水文响应单元SWAT96.2：管理措施中增加自动施肥、自动灌溉选项，冠层截留，CO2的模拟，P-M公式等SWAT98.1：融雪模型，河道内水质模型SWAT99.2：千年虫（表示年的变量的位数由2位升至4位），城市化地区的水文模型（SWMM）SWAT2000：细菌，Green-Ampt模型等,SWAT概述,坡面过程,沟道、洪水汇流,SWAT模型原理,空间离散方式,流域首先被划分为坡面(land phase)和演进(routing phase)两大部分，演进部分按照水力联系，以河网为基础，组合水库、子河网等部件，构成所有生物
6、地球化学物质（水、泥沙、农业化学物质、细菌等）共同演进的主干线路，坡面部分在降雨和人类活动的驱动下，产生径流、泥沙和农业化学物质，以侧向入流的形式提供给演进部分。,水文响应单元,子流域可以进一步划分为水文响应单元水文响应单元：Hydrological Response Units(HRUs)是子流域中土壤、土地利用和管理措施的一种唯一的组合，在子流域中没有空间属性，是进行水文模拟的基本单位一个子流域可以有一个HRU，也可以有多个HRUs。如子流域有多个HRUs，则针对每个HRU单独进行陆面过程的计算，然后将所有HRUs的输出累加,空间离散,水文响应单元,子流域划分,土地利用,空间离散,水文响应
7、单元,空间离散,坡面部分空间离散-垂直方向,自上而下分为：冠层canopy根区(root zone)和非饱和区(vadose zone,unsaturated zone)：进一步划分为若干土壤层 soil layer浅层地下水 shallow aquifer(unconfined aquifer)深层地下水 deep aquifer(confined aquifer),空间离散,根区,浅层地下水,不饱和区,不透水层,深层地下水,降水(降雨&降雪),蒸腾,入渗/植物吸收/土壤含水量变化,渗漏至浅层地下水,浅层地下水再蒸发,地表汇流,侧向流,回归流,补充深层地下水,流出流域,陆面上的水文过程,SW
8、AT模型结构,SWAT模型可以模拟流域内部的多种地理过程，模型由:水文(hydrology)、气象(weather)、泥沙(sediment)、土壤温度(soil temperature)、作物生长(crop growth)、养分(nutrient)、农药/杀虫剂(pesticides)和农业管理(agriculture management)8个组件构成,SWAT模型结构,水文模型SWAT模型的水量平衡方程为：SWt为土壤最终含水量(mm)，SWo为土壤前期含水量(mm)，t为时间步长(day)，Rday为第i天降雨量(mm)，Qsurf为第i天的地表径流(mm)，Ea为第i天的蒸发量(mm
9、)，Wseep为第i天存在于土壤剖面地层的渗透量和侧流量(mm)，Qgw为第i天地下水含量(mm)。,地表径流,（1）产流计算 SWAT模型采用SCS径流曲线数法对流域地表径流量进行模拟，该模型有三个基本假定：存在土壤最大蓄水容量S；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：,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(Antecedent moisture condition,AMC)、坡度、土地利用方式和土壤类型状况
10、等因素综合在一起,水文模型,（2）汇流计算,地表径流,SWAT模型针对HRU 计算汇流时间，包括河道汇流和坡面汇流时间。河道汇流时间用下式计算：,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)。,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,水文模型,蒸发散,水文模型,蒸发散是指所有地表水转化为水蒸气的过程，包括树冠截留的水分蒸发、蒸腾和升华及土壤水的蒸发.（1）潜在蒸散发 模型提供了Penman-Monteith、Priestley-Ta
11、ylor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。（2）实际蒸散发（3）层截留蒸发量（4）植物蒸腾（5）土壤水分蒸发,土壤水,水文模型,下渗到土壤中的水以不同的方式运动着。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，也可以在地下形成径流，即壤中流。模型采用动力贮水方法计算壤中流。相对饱和区厚度H0计算公式为：,SWly,excess为土壤饱和区内可流出的水量(mm)，Lhill为山坡坡长(m)，d为土壤有效孔隙度是土壤层总空隙度与土壤层水含量达到田间持水量的空隙度之差。,地下水,水文模型,SWAT模型中
12、地下水流对总产水量的贡献通过浅水带蓄水模型来模拟。地下水的补给路径从土壤根部带由入渗水补给到浅水层(Shallow Aquifer)。也可以通过日径流观测值可以计算出回退系数，计算出浅水带出流量。模型采用下列表达式计算流域地下水：,式中，Qgw，i为第i天进入河道的地下水补给量(mm)，Qgw，i-1为第(i-1)天进入河道的地下水补给量(mm)，t为时间步长(day)，wrchrg为第i天蓄水层的补给流量(mm)，gw为基流的退水系数。,土壤侵蚀,由降雨和径流引起的土壤侵蚀计算利用MUSLE模型(Modified Universal Soil Loss Equation)(Williams,
13、1975)计算。,sed 一天内的产沙量，(T)Qsurf 一天内的地表径流量，(mm H2O/ha)qpeak 峰值流量，(m3/s)areahru 水文响应单元的面积，(ha)KUSLE USLE方程中的土壤可侵蚀性因子CUSLE USLE方程中的作物经营管理因子PUSLE USLE方程中的土壤侵蚀防治措施因子LSUSLE USLE方程中的地形因子CFRG 土壤的糙度因子,坡面土壤侵蚀模型,坡面氮运动过程,坡面磷运动过程,SWAT数据库的建立,DEM,地类,土壤,模型土地利用和植被覆盖属性表,土地利用/植被属性数据库,植被的参数如最大可能叶面积指数、最大根系深度、最大树冠高度采用实测数据，
14、而USLE方程中土地覆盖因子C的最小值等参考我国黄土高原植被研究成果，对于没有条件测定的参数选用模型中的默认值。,土壤水文组,模型土壤物理化学属性输入文件,土壤属性数据库,一些难以获得的参数值,如地表反射率SOL_ALB查阅文献（杨兴国等，2005）确定，阴离子交换孔隙度ANION_EXCL采用模型默认值0.5；可以实测获得的参数植被根系深度值SOL_ZMX、土壤层的结构TEXTURE、土壤表面到各层土壤的深度值SOL_Z、土壤的有机质含量、饱和水力传导系数SOL_K、土壤各层中粘粒、粉沙、砂粒、砾石的含量等数据根据典型剖面的实测值结合山西土壤确定；计算获得参数如USLE方程中的土壤可蚀性系数
15、K另外，我国的土壤质地分类体系与SWAT模型采用的标准不同，因此，要利用我国现有的土壤普查资料就必然涉及到不同分类标准的土壤质地转换问题，本文采用蔡永明等(2003)的三次样条插值法，换算土壤颗粒组成。,基于DEM的水文参数的提取,流域水系提取流程,河网的生成,子流域的划分,集水面积800ha,实际水系图,基于DEM提取水系,水文响应单元,HRU循环流程示意图,确定土地利用的面积阈值确定为5，土壤类型的阈值为 20%，则在子流域内划分HRU。HRU确定以后，模型运行流程如图(图6-9)所示。,SWAT模型运行,参数的灵敏性分析,参数率定方法（SUFI）,SUFI-2算法中所有不确定性的程度用Pfactor来衡量，Pfactor是数据含不确定因素的比例，通常用95PPU表示，即模拟的数据包括了95的不确定性。剔除了5的极坏模拟。另一个衡量校准效果的因子是Rfactor，Rfactor是95PPU的平均厚度除以标准偏差的值。SUFI-2算法是寻求最大化反映实测数据与最小化参数的不确定性。,年模拟与验证的结果分析,径流量,输沙量,月模拟与验证的结果分析,月径流模拟与验证的结果分析,校准期,验证期,汛期月径流模拟与验证的结果分析,月输沙模拟与验证的结果分析,几类错误分析,
