SWAT模型
SWAT模型

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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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1.2 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
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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。
SWAT模型原理

SWAT模型原理SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool,土壤和水资源评估工具)是用于评估流域水循环、水质和土壤侵蚀的数学模型。
它是由美国农业部(USDA)开发的,用于支持农业决策和流域管理。
1.数据输入:SWAT模型的输入数据包括气象数据、土地利用数据、土壤数据和管理实践数据。
气象数据主要包括降水、温度、风速和日照等信息。
土地利用数据描述了流域中不同土地利用类型的分布情况,如农田、森林、草地等。
土壤数据描述了土壤的物理和化学特性,如土壤类型、质地、土壤有机质含量等。
管理实践数据描述了农田管理措施,如施肥、灌溉和农药使用等。
2.水文模拟:SWAT模型使用降水和蒸散发数据来计算流域的水量平衡。
降水通过自然和人为的蓄水和径流过程,形成地表径流和地下径流。
蒸散发是指水分从土地表面蒸发和植物透传到大气中的过程。
模型根据土壤含水量和植被类型,计算蒸散发的损失。
这些水文过程模拟有助于了解流域水资源的分布和利用情况。
3.土壤侵蚀模拟:SWAT模型还模拟土壤水分和沉积物的侵蚀过程。
地表径流会携带土壤颗粒和污染物,导致土壤侵蚀和水质恶化。
模型根据地表流量和土壤侵蚀的相关因素,如坡度、覆盖度和土壤侵蚀性指数等,计算土壤侵蚀的速率。
这对于评估土地利用变化和管理实践对土壤质量和水质的影响非常重要。
4.模型校准和验证:SWAT模型的输出结果需要与实际观测数据进行校准和验证。
校准是调整模型参数,使模型的输出尽可能接近实际观测结果。
验证是使用另一组独立数据来验证模型的准确性和适用性。
这个过程对于提高模型的可靠性和预测能力非常重要。
5.方案评估和决策支持:SWAT模型可以用于评估不同的土地利用和管理方案,并提供决策支持。
通过模拟不同管理实践的效果,可以评估其对水资源、土壤侵蚀和水质的影响。
这有助于制定合理的流域管理策略,促进可持续农业和水资源管理。
总之,SWAT模型基于水文和土壤侵蚀的基本原理,结合实际观测数据和参数,用于模拟流域的水文过程和土壤侵蚀过程。
SWAT模型

SWAT模型SWAT模型是一种常用的水文模型,广泛应用于流域水文模拟和水资源管理等领域。
SWAT模型的全称是Soil and Water Assessment Tool,该模型结合了土壤、水文和气象等多方面因素,能够对流域内水文循环过程进行较为精确的模拟和预测。
在这篇文章中,我们将探讨SWAT模型的基本原理、应用范围以及未来发展方向。
SWAT模型的基本原理SWAT模型是一种基于过程的模型,其基本原理是通过对流域内水文循环过程的各种因素进行细致的建模和模拟,从而实现对流域水文过程的定量分析和预测。
SWAT模型主要考虑的因素包括降水、蒸发蒸腾、径流、土壤蓄水、植被覆盖等,模型通过对这些因素之间的相互作用进行建模,可以对流域内的水文过程进行较为准确的描述。
SWAT模型采用分布式建模方法,将流域划分为多个子集水区,然后对每个子集水区内的水文过程进行独立的模拟,最后通过整合各个子集水区的模拟结果得到对整个流域的水文过程的模拟结果。
这种分布式建模方法能够更好地考虑流域内地形、土壤和植被等空间异质性因素对水文过程的影响,提高模拟结果的准确性。
SWAT模型的应用范围SWAT模型主要应用于流域水文过程的模拟和预测,在水资源管理、土地利用规划、洪水风险评估等方面发挥着重要作用。
具体来说,SWAT模型可以用于以下几个方面:1.水资源管理:SWAT模型能够对流域内降水、径流等水文过程进行模拟,帮助决策者了解流域内水资源的分布和利用情况,指导水资源管理的决策。
2.土地利用规划:SWAT模型可以模拟不同土地利用类型对水文过程的影响,帮助规划者制定合理的土地利用规划,保护流域水资源。
3.洪水风险评估:通过模拟洪水过程,SWAT模型可以评估流域内不同地区的洪水风险,为防洪减灾提供科学依据。
4.水质预测:SWAT模型还可以模拟流域内污染物的输运过程,帮助监测人员预测流域内水质状况,保护水质。
SWAT模型的未来发展方向随着科学技术的不断发展和水资源管理需求的提高,SWAT模型也在不断完善和发展。
第二章4-SWAT模型

地表水过程(续)
地表产流计算:
SWAT 产流计算包括 SCS 和 Green & Ampt 模型。其中,SCS 曲线数法用的较多,该模型有
SWAT 产流计算包括 SCS 和 Green & Ampt 模型。其中,SCS 曲线数法用的较多,该模型有
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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
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流间和河网中的
swat模型结构

swat模型结构SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是美国农业部(USDA)开发的一个集水区水资源管理模型,可用于评估和模拟不同土地利用方式和管理措施对水文过程和水质的影响。
SWAT模型是一个基于物理和经验过程的集成模型,可用于研究和管理农业、环境和水资源领域的问题。
SWAT模型的结构主要包括五个组成部分:水文子模型、气象子模型、水库和湖泊子模型、生物和土壤子模型以及管理子模型。
1.水文子模型:该子模型用于模拟和预测水文过程,包括降雨、蒸发腾发、径流形成和水循环等。
模型基于集水区的地形、土壤和植被等特征,采用水文平衡方程来计算径流量和水体的分布。
2.气象子模型:该子模型用于模拟和预测气象变量对水文过程的影响,包括降水、温度、风速和辐射等。
模型利用实测或模拟的气象数据输入,通过气象因子和水文过程之间的关系来计算水文变量。
3.水库和湖泊子模型:该子模型用于模拟和预测水库和湖泊的水量和水质变化,包括水位、库容、水质浓度和水体流动等。
模型基于物理和经验方程,考虑水库和湖泊的水平衡和水质反应等影响因素。
4.生物和土壤子模型:该子模型用于模拟和预测植被生长和土壤过程的影响,包括植被生长、光合作用、蒸腾作用、养分循环和土壤水分运动等。
模型基于物理和生理机制,利用土壤特性和植物参数来计算植被和土壤过程的变化。
5.管理子模型:该子模型用于模拟和评估不同土地利用方式和管理措施对水资源和水质的影响,包括农业管理、土地利用变化、水分管理和养分管理等。
模型基于经验和规则,采用管理指标和策略来调整水文和生态过程,以优化资源利用和环境效益。
SWAT模型的工作流程主要包括以下几个步骤:数据准备、模型参数设定、模型运行和结果分析。
首先,需要收集和整理集水区的地理、气象、土壤和植被等数据,以及水文和水质观测数据。
然后,根据收集的数据,设定模型的参数和初始条件,包括地形、土壤、植被、气象和管理等方面。
SWAT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
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
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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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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。
SWAT模型

SWAT模型非点源应用的研究一.SWA T模型简介SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美国农业部(USDA)的农业研究中心Jeff Amonld 博士1994年开发的。
模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下,土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。
SWA T模型采用日为时间连续计算。
是一种基于GIS基础之上的分布式流域水文模型,近年来得到了快速的发展和应用,主要是利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程,如水量、水质、以及杀虫剂的输移与转化过程。
二.SWAT模型的产生SWA T模型的最直接前身是SWRRB模型。
而SWRRB模型则起始于20世纪70年代美国农业部农业研究中心开发的CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)模型。
此时的SWRRB模型还是一个仅能够模拟土地利用对田间水分、泥沙、农业化学物质流失影响、具有物理机制的田间尺度非点源污染模型。
为了解决水质评价问题,SWRRB模型于20世纪80年代后期引进了重点描述地下水中化学物质、农药对农业生态系统影响的GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)模型的杀虫剂部分。
同时,为了研究土壤侵蚀对作物生产力的影响,引进作物生长模型EPIC(Erosion- Productivity Impact Calculator)。
至此,SWRRB模型已可模拟评价复杂农业管理措施下的小流域尺度非点源污染,但于较大尺度流域的模拟尚不可靠,最大仅能用于500km2的流域范围内。
20世纪80年代晚期,美国印第安事务局(the Bureau of Indian Affairs)急需一个适于数千平方公里的模型来评价亚里桑那州和新墨西哥州的印第安保留土地区的水资源管理措施对下游流域的影响。
SWAT模型参数及运行过程

SWAT模型参数及运行过程SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 是一种基于分布式水文模型的农业水文模型,被广泛应用于研究、管理和决策支持系统中。
下面将介绍SWAT模型的参数设置,以及其运行过程。
1.SWAT模型参数设置:- 模型时间尺度(Time Step):定义模拟的时间跨度,可选择从小时到年。
- 流域面积(Watershed Area):描述研究区域的地理范围,单位为平方千米或英亩。
- 坡度(Slope):描述研究区域的地表坡度,以百分比表示。
- 壤土类型(Soil Type):描述地区土壤的类型,包括土壤质地、土壤有机质含量等。
- 植被类型(Land Use Type):描述地区植被覆盖类型,包括农田、林地、草地等。
- 降水数据(Precipitation Data):包括降水量、降水强度等降水信息。
- 水文过程模型(Hydrological Process Model):描述地区的水文循环过程,包括蒸散发、径流产生、地下水补给等。
- 水利设施(Water Management Practice):描述地区水利设施的使用情况,如灌溉、排水等。
2.SWAT模型运行过程:数据输入:首先需要收集和整理与研究区相关的地理、气象、土壤和植被数据。
这些数据包括流域边界、坡度、土壤类型、植被类型、降水量和温度等数据。
数据可以从局部观测站点、遥感数据和气象模型等获取。
参数设置:在模型中设置先前提到的参数,以准确描述研究区域的水文过程和土壤特性。
参数设置可以根据实地观测数据和经验来进行。
模型运行:针对所设置的参数和数据,SWAT模型通过数学方程和水文过程模型进行数值模拟。
模型会根据给定的时间尺度分别计算降水、蒸散发、径流产生、地下水补给等水文过程,并给出模拟结果。
模型评估:通过对模拟结果与实际观测数据进行比较和评估,来判断模型的精度和对研究区域水文过程的描述能力。
可以使用多种统计指标来评估模拟结果的准确性,如R方、均方根误差等。
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马斯京根方程 马斯京根法将河道看成柱体和楔体的组合
V为河道水量m3,qin为上游流量m3/s,qout为下游流量m3/s,K为河道贮水时 间s, X为衡量河段出流与入流相互关系的权重因子,Lch为河道长度Km,v为 流速m/s.
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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
采用模块化设计思路,水循环 的每一个环节对应一个则模块, 十分方便模型的扩展和应用。
SWAT简 简 介
运行上采取命令代码控制方式, 用来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。
用来模拟和分析水土流失、 非点源污染和农业管理等 问题
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SWAT简介
SWAT
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经营模块
农林地的管理
水资源管理
植物播种 时间, 时间,施 肥措施, 肥措施, 杀虫剂喷 洒措施, 洒措施, 作物收割 时间
流域内的 灌溉, 灌溉,排 蓄水, 水,蓄水, 生活用水, 生活用水, 工业用水 等
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SWAT模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程。 SWAT模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程。由于流 模型可以模拟流域内多种水文循环物理过程 域下垫面和气候的空间差异性,为了便于模拟,SWAI, 域下垫面和气候的空间差异性,为了便于模拟,SWAI,模型按 照不同的土地利用方式和土壤类型将流域细分为若干个子流域。 照不同的土地利用方式和土壤类型将流域细分为若干个子流域。 模型在该模块包括有水文、气象、泥沙、土壤温度、 模型在该模块包括有水文、气象、泥沙、土壤温度、植物 生长、营养物、农业/杀虫剂和农业管理等8个组件。 生长、营养物、农业/杀虫剂和农业管理等8个组件。
土壤 数据
土壤图
GRID或.ship file 格式
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
各气象站点 ,国家气象 局
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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ΗΡΥ子流域划分对模 型的水文模拟精度存在较大的影响。
冠层截留 土壤水分吸收 蒸腾作用
固氮
流域水文 循环
硝基氮及可溶性磷的吸收
残体转化
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。
sed = 11.8(Q × q peq × areahru ) 0.56 • K • C • P • LS • CFRG
sed为泥沙日产量,ton;Q为表面径流量,mm/ha;qpeq为地表径流峰值流速, m3/s;areahru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。
田间尺度非点源污染 模型
SWAT
SWRRB
GLEAMS
CREAMS
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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
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。
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SWAT在中国的发展前景
(1)模型参数简化和不确定性研究
水文模型参数的数量可以增加对水文物理过程的解释,但并不是参数越多模 型就模拟得越精确,而且参数获取也是水文模拟中最大的问题之一。因此,模型 参数的率定、校准和验证将是S环尽口,模型的重要研究内容之一。
(2)SWAT模型下非点源污染的研究
可模拟多年生长作物 的轮作以及每年三季 作物的种植情况, 作物的种植情况,模 拟多种农业管理措施 的影响要求输入灌溉 施肥和农药/杀虫剂 、施肥和农药 杀虫剂 的数据。 的数据。
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模型基础数据库
1
流域的数字高程 模型(DEM):用来 模型 划分子流域和寻 找出流路径。
2
土地利用数据: 土地利用数据 主要用来计算 植被生长、耗 水和地表产汇 流。
四大特点
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
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模型结构
SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟, SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟,例如水 可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟 循环和营养物迁移转化等。流域内泥沙、 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。 移等都是建立在流域内水循环的基础之上。
采用其所整合的EPIC 采用其所整合的 模型进行模拟计算, 模型进行模拟计算, 对N、P两种元素进行 、 两种元素进行 独立模拟。 独立模拟。
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农药/ 农药/杀虫剂组件
农业管理组件
可模拟地表径流、 可模拟地表径流、渗 土壤挥发、 漏、土壤挥发、泥沙 携带等过程农药/杀虫 携带等过程农药 杀虫 的迁移损耗情况。 的迁移损耗情况。
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土壤漫度组件
作物生长组件
营养物组件
以土壤密度, 以土壤密度,土层厚度 和土壤含水量等参数作 为输入数据。 为输入数据。以地表温 日平均温度、 度、日平均温度、土壤 温度衰减深度来共同表 征土壤温度。 征土壤温度。
利用温度作为控制条 件,将研究区域作物 分为一年生和多年生 植物, 植物,对根系区水和 营养物的移动蒸腾量 和作物产量进行计算
3
土壤数据:用来 土壤数据 计算壤中流和 浅层地下水量。
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4
气象数据:包括日降 气象数据 雨资料、日最高最 低气温、风速、日 辐射量、相对湿度、 气温站位置高程、 雨量站位置高程等, 用来计算流 量和蒸散发量
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农业管理措施和 水库和湖泊位置, 出流点等
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模型主要输入数据
数据 名称 地形 数据 土地 利用 数据 DEM 植被图 类型 GRID或.ship file 格式 GRID或.ship file 格式 所需参数 地形高程、坡度 、坡向、河流等 植被种类、空间 分布、叶面积指 数、冠层高度、 植被根系 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 日降雨量、日最 高最低温度、相 对湿度、日辐射 量、风速 获得渠道 数字高程模 型(DEM) 高清析遥感 图像解释 说明 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。
四大子模块
经营管理模块
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水文模块
流域水循环可以分为两个部分,一是陆面水循环, 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 着每个子流域向河道输入的水量、泥沙量和营养物量。 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、 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。 量和营养物量。
当前我国农业管理的集约化水平较低,由农业引起的非点源污染情况非常严 重。因此近些年来非点源污染研究已经成为我国环境界的重要研究热点。通过集 成SWAT模型空间数据,使其输入效率、模拟输出显示和模型运行效率的集成大 大提高,为非点源污染研究、环境变化条件下水文响应研究和水资源管理等工作 提供了强大的平台。
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流域非点源模型SWAT
复旦大学
SWAT发展历程
SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.l、 SWAT99.2、SWAT2000,SWAT2003 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 和EPIC模型的作物生长模 块相结合,以d为时间步长 考虑了气候、土壤 和管理措施等因素 的相互作用
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一、陆面水循环
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SWAT中陆面水循环可用下式来表示
SWt = SWo + ∑ (Rday − Qsruf − Ea − Wseep − Qlat − Qgw )
i i =1
SWt表示土壤水最终含量mmH2O, SWo 土壤水初始含量mmH2O,
Rday 表示第i天的降水量mmH2O, Qsruf
水文组件
气象组件
泥沙组件
模拟计算各个HRU上 上 模拟计算各个 上地表径流、下渗、 上地表径流、下渗、蒸 散发等过程。 散发等过程。还考虑到 冻土上地表径流的计算
可向模型输入降雨量、 可向模型输入降雨量、 气温、太阳辐射、 气温、太阳辐射、相对 温度和风速等气象因素 变量。 变量。
通过修正的土壤流失方 程(MUSLE) ) 来计算泥沙负荷量, 来计算泥沙负荷量,
Ea
第i天蒸发量mmH2O, 第i天壤中流量mmH2O,
表示第i天地表径流量mmH2O,
Wseep 第i天的下渗量mmH O, 2
Qlat
Qgw
第i天的基流量mmH2O,