ArcGIS课程设计-SWAT模型
ARCSWAT模型使用
ARCSWAT模型使用ARCSWAT（Agricultural Non-Point Source Pollution and Watershed Assessment Tool）是一种水文地质模型，用于评估洪水径流、土壤侵蚀和非点源污染等问题，并为水资源管理和土地利用规划提供支持。
以下是使用ARCSWAT模型的一般步骤：1.地理数据准备：收集包括数字高程模型（DEM）、土地利用/覆盖、土壤类型和气象数据等地理信息系统（GIS）数据，并进行预处理。
这些数据将用于模型的输入。
2.模型参数设定：根据研究区域的特点设置ARCSWAT模型的各种参数，包括降雨-径流转化系数、植被覆盖系数和各种河道和土壤特性参数。
3.模型运行：通过输入地理数据和参数设定，运行ARCSWAT模型以模拟研究区域的水文过程。
模型将计算径流量、土壤侵蚀、植物蒸散发和非点源污染负荷等。
4.模型验证：使用实测数据和已知水文事件来验证ARCSWAT模型的准确性和可靠性。
模型的输出与现场观测数据进行比较，以评估其预测能力。
5.土地利用规划和管理决策：通过模型的输出结果，评估不同土地利用和河道管理方案对水资源和水环境的影响，并从中选择最佳方案。
使用ARCSWAT模型可以对水资源和水环境进行综合评估和管理。
它提供了一种量化的工具，用于研究区域的水文循环、土壤侵蚀、氮磷流失和水质等问题的分析。
ARCSWAT模型的应用广泛，可以用于研究农业区域的水资源管理、城市雨水管理、水库水源管理和环境保护等。
然而，ARCSWAT模型的使用需要一定的专业知识和技能。
首先，需要熟悉地理信息系统和水文学的基本原理和方法。
其次，需要对模型的参数设定进行合理选择，并根据研究区域的特点进行调整。
最后，对模型输出结果进行解释和分析，以及制定相应的规划和管理措施。
总之，ARCSWAT模型是一种有效的工具，用于评估和管理土地利用对水资源和水环境的影响。
它为农业、城市和环境领域的决策者提供了决策依据，用于制定合理的管理方案和政策措施。
ARCSWAT模型使用
ARCSWAT模型使用ARCSWAT (Agricultural non-Point Source Pollution Watershed Assessment Tool) 模型是一种常用于评估农业非点源污染的水域评估工具。
本文将介绍ARCSWAT模型的基本原理、使用方法和应用领域。
ARCSWAT模型是美国农业部（USDA）和环境保护局（EPA）联合开发的一个用于模拟和评估农业非点源污染物运输和水质的决策支持系统。
该模型基于SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型，增加了农业管理和非点源污染扩散的模块。
ARCSWAT模型能够模拟农场、小流域和水族区域的土壤侵蚀、氮磷迁移、农药利用和非点源污染物负荷等环境过程。
1.水文组件：模拟降雨、蒸腾、径流等水文过程。
2.水质组件：模拟污染物的产生、迁移和去除过程。
3.土壤侵蚀组件：模拟植被覆盖、土壤侵蚀和沉积过程。
4.作物生长组件：模拟作物的生长、需水、生物量和农药应用等过程。
5.辅助数据库：提供地理、土壤、土地利用和观测数据等输入。
使用ARCSWAT模型进行评估首先需要进行模型参数化。
模型参数的获取可以通过野外实测、文献数据和专家知识等渠道获得。
然后，需收集和整理相关的输入数据，如流域地理和气象数据、土壤特性、土地利用和作物管理参数等。
接下来，使用ArcGIS等地理信息系统软件进行数据预处理，将输入数据转换为模型能够接受的格式。
最后，设定模拟运行的时间段和相关参数，运行模型获得模拟结果。
ARCSWAT模型的应用领域主要包括农业非点源污染控制和水资源管理。
通过模拟土壤侵蚀和水质的输运过程，可以评估不同农业管理措施对农田和水资源的影响。
模型可以用于研究减少农业面源污染的最佳管理实践，制定农田管理政策，提高农业生产的可持续性。
此外，ARCSWAT模型还可以用于评估气候变化对水资源和非点源污染的影响，指导水资源管理和环境规划。
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水文模型
SWAT水文模型介绍1概述SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模型。
它主要基于SWRRB模型，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。
SWAT具有很强的物理基础，能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。
该模型主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算能力不强，模型主要由8个部分组成：水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农业管理和杀虫剂。
SWAT模型拥有参数自动率定模块，其采用的是等在1992年提出的SCE-UA算法。
模型采用模块化编程，由各水文计算模块实现各水文过程模拟功能，其源代码公开，方便用户对模型的改进和维护。
2模型原理SWAT模型在进行模拟时，首先根据DEM把流域划分为一定数目的子流域，子流域划分的大小可以根据定义形成河流所需要的最小集水区面积来调整，还可以通过增减子流域出口数量进行进一步调整。
然后在每一个子流域内再划分为水文响应单元HRU。
HRU 是同一个子流域内有着相同土地利用类型和土壤类型的区域。
每一个水文响应单元内的水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失来计算的。
地表径流估算一般采用SCS径流曲线法。
渗透模块采用存储演算方法，并结合裂隙流模型来预测通过每一个土壤层的流量，一旦水渗透到根区底层以下则成为地下水或产生回流。
在土壤剖面中壤中流的计算与渗透同时进行。
每一层土壤中的壤中流采用动力蓄水水库来模拟。
河道中流量演算采用变动存储系数法或马斯金根演算法。
模型中提供了三种估算潜在蒸散发量的计算方法—Hargreaves、Priestley-Taylor和Penman-Monteith。
每一个子流域内侵蚀和泥沙量的估算采用改进的USLE方程，河道内泥沙演算采用改进的Bagnold泥沙运移方程。
基于GIS的SWAT模型空间数据库的建立
１ 研 究区概况及研 究方法
图１ Ｓ ＷＡＴ模 型 空 间数
达溪 河 源于 陕西 省 陇 县 河 北 乡 ， 流 径 甘 肃 省 灵 台
县， 在 陕西 省 长武 县亭 口镇 汇入 泾河 ， 是 泾河 的二级 支 流 。达溪 河 流域深 居 西 北 内陆 ， 位 于 泾 河 流 域 中上 游 黄 土 高原 区 ， 水 土 流失 严重 。达 溪河 流域 面积为 ２ ５ ３ ７ ｋ ｍ ， 干流 全长 １ ２ ７ ｋ ｍ， 径 流 补 给 以雨 水 为 主 ， 降 雨 多 集 中在 ７ 一 － ９月 ， 多 年平 均降水 量 为 ５ ５ ５ ． ９ ｍｍ， 多 年平 均 径流 量为 １ ． ６ ０ ０亿 ｍ 。
活 用水 主要 取 自达溪 河及 其 支流 的地 表水 。水 资 源短
缺、 严重 的水 土 流失 以及 生 态 环境 恶 化 是 达 溪 河 流 域
长期 面 临 的问题 。因此 ， 构 建 达溪 河 流域 Ｓ ＷＡ Ｔ模 型
基础空间数据库 （ Ｄ Ｅ Ｍ、 土壤类型 、 土地利用图等 ） ， 成 为该 流域 水 文循 环模 拟 的前 提 与 关 键 ， 同时 对 流 域 水 资 源管理 、 规 划及 生态 环 境保 护也 具有 重要 意 义 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — ０ ８ － ３ １ 基 金 项 目 ：“十 二 五 ” 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目
Ｓ ＷＡ Ｔ （ Ｓ ｏ ｉ ｌ ａ ｎ ｄ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ａ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｔ ｏ ｏ １ ） 模 型 可 用
１ ． ２ 研 究方 法
来 模拟 预测 具 有多 种 土 壤 类 型 、 土 地 利 用 与 管理 条 件 的流 域 中土地 管理 措施 对水 、 沙、 化 学物 质 等 的长期 影
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。
SWAT模型参数及运行过程
第1章SWAT模型1.1SWA T模型参数1.1.1DEM数据DEM大部分是比较光滑的地形表面模型，但是由于误差及某些特殊地形的存在，造成DEM表面会有一些凹陷的地区存在，导致得到精度不高的水流方向结果，使得原始DEM数据不能满足研究的需要。
因此，在进行绝大多数模拟实验之前，都会将原始DEM数据通过ArcGIS软件的水文分析模型进行洼地填充，最终得到满足研究需求的无洼地DEM数据。
1.1.2土地利用数据通过对洱海流域高分辨遥感影像监督分类取得研究区的土地利用空间分布图后，首先查看分布图的投影坐标体系，如果与研究中设定的不相同，则需要利用ArcToolbox的投影模块Projections对其进行投影转换；第二步需要建立图中分类编码与模型中土地分类编码之间的联系，以供模型模拟使用。
1.1.3气象数据气象数据主要包括流域的气温数据（日平均、最高和最低）、太阳辐射、风速、相对湿度、降水数据（包括降雨强度、月均降雨量、月均降雨量标准偏差、降雨的偏度系数、月内干日数、月内湿日数、平均降雨天数等参数）。
在数据类型上，这些数据可以是统计数据，也可以通过SWAT模型的天气发生器模拟生成，或者是统计和模拟数据的结合；在数据格式上，这些气象数据需要以DBF格式保存在ArcGIS自带的属性数据库中；在时间尺度上，模型的模拟时间步长可以为年、月、日。
1.1.4土壤数据SWAT 模型需要将各类土壤的水文、水传导属性作为输入值, 并将其分为按土壤类型和按土壤层输入的两类参数。
按土壤类型输入的参数包括：(1)每类土壤所属的水文单元组；(2)植被根系最大深度；(3)土壤表面到最底层深度；(4)土壤空隙比等。
按土壤层分层输入的数据有；(5)土壤表面到各土壤层深度；(6)土壤容重；(7)有效田间持水量；(8)饱和导水率；(9)每层土壤中的粘粒、粉沙、沙粒、砾石含量；(10)USLE方程中的土壤可蚀性K；(11)田间土壤反照率；(12)土壤电导率。
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。
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《地理信息系统ArcGIS》
课程设计
专业：水文与水资源工程专业
姓名：
学号：
指导教师：
日期：2019年6月
目录
第一部分模型介绍 (1)
一、ArcGIS模型介绍 (1)
二、ArcSWAT模型介绍 (1)
第二部分ArcSWAT流域模拟 (1)
一、建立SWAT模型 (1)
二、流域划分 (2)
三、HRU分析 (7)
四、Write input tables (13)
五、SWAT 模型仿真 (17)
六、SWAT文件输出 (18)
七、查看文件 (19)
第三部分心得体会 (19)
第一部分模型介绍
一、ArcGIS模型介绍
地理信息系统（Geographical Information System简称GIS）是在计算机软硬件的支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
ArcGIS是一个全面的、可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完善的GIS系统提供完整的解决方案。
二、ArcSWAT模型介绍
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美国农业部（USDA）的农业研究中心（ARS，Agricultural Research Service）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。
它是一种基于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。
ArcSW AT扩展模块是SW AT 模型在ArcSGIS平台上的图形用户界面。
SW A T是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。
第二部分ArcSWAT流域模拟
一、建立SWAT模型
在ArcGIS界面，打开ArcSWA T工具栏如下图：
点击SWAT Project Setup—New SW AT Project，建立一个新的SWAT项目
在弹出的ArcSW A T对话框中选择否
选择否之后，弹出的Project Setup对话框，在Project Directory选项框后点击文件夹图标，选择swat文件夹下的Example2文件夹，点击OK
点击OK，弹出创建成功的对话框，点击确定。
由此，一个新的SW AT模型创建完成。
二、流域划分
1、选择Watershed Delineator-Automatic Watershed Delineation创建一个流域
2、弹出Watershed Delineation对话框，在DEM Setup选项卡中选择Example2中的dem 文件
运行结果见下图：
3、点击DEM projection setup的绿色图标按钮，将Z-Unit的单位更改为meter
4、选择Mask，点击文件选择，选择Load from Disk，点击OK，加载amask栅格数据集，点击添加
结果见下图：
5、在Steam Definition选项框下选择DEM-bassde，点击黄色的选项按钮，弹出完成选项卡，点击确定。
6、处理完DEM 之后，需要指定定义河流起源的阈值。
阈值数字越小，生成的河网越详细。
在这次涉及中，阈值设置为1000。
再单击Create streams and outlets 按钮，生成的河网结果见下图：
7、在Outlet and inlet Definition选项框下的Subbasin outlet
8、手动添加子流域出口点，首先选择Edit manually下的ADD按钮
添加子流域出口点之后，单击右键，选择Stop Editing，即可停止编辑
选择保存添加的流域出口点：
9、选择流域出口点，单击Whole watershed outlet(s)按钮，在对话框最小化之后，选择子流域的出口点，选中出口点后，出口点变成蓝色
框选结束之后，弹出一个出口点已选中的对话框，点击确定
10、选择Delineate Watersher按钮，生成子流域
结果见下图：
11、单击Calculate subbasin parameters按钮，计算子流域和河道参数
计算结果如下图，点击确定
流域划分结束，点击Exit退出。
三、HRU分析
1、点击HRU Analysis-Land Use/Soils/Slope Definition，打开HRU分析对话框
2、在Land Use Grid选项框，单击文件夹选择，选择Load Land Use dataset(s) from disk，点击Open打开。
在Example2文件夹中选择landuse文件，点击select打开
加载栅格数据集之后界面见下图
2、在Choose Grid Field选项卡下选择V ALUE，点击OK。
3、点击LookUp Table，在弹出的对话框中选择User Table，在弹出的对话框中选择lunlcd.dbf文件，单击Select，点击OK
运行结果见下图
4、点击Reclassify，运行结束弹出对话框，点击OK关闭，运行结果见下图
5、选择Soil Data，单击文件夹按钮，选择Load ArcSWAT US STA TSGO from disk，单击OPEN打开
运行结果见下图：
6、选择V ALUE，点击OK，在Soil Database Options选项框下选择ArcSW AT STATSGO，单击下拉箭头，选择Stmuid。
点击Reclassify，完成土壤重新分类：
7、选择Slope，先点击Multiple Slope，在下面的各个框内填入数据，再点击Single Slope，最后点击Reclassify，运行结果见下图：
8、点击Overlay，弹出的对话框选择OK
9、打开HRU Analysis-HRU Definition，调整百分比，单击Create HRUs，完成HRU定义。
四、Write input tables
1、选择Write input tables下的Weather Stations
2、弹出Weather Data Definition对话框，选择Weather Generator Data，在Looations Tab
的下拉箭头中选择WGEN_user
3、选择Rainfall Data，选择Raingages，选择Daily，单击紫色文件夹，选择swat文件夹下Databases-Exanple2-pcpfork
4、选择Wind Speed Data，选择Wind Gages，单击紫色文件夹选择swat文件夹下的Databases-Exanple2-tmpfork
5、点击OK，完成数据处理，点击确定
6、打开Write input tables-Write SWAT Input Tables
7、在弹出的对话框中选择Select All，再单击Creat Tables创建表
稍等片刻完成运行之后，全部选项变为绿色的Completed，选择的表建立完成，点击确定，点击关闭。
8、选择Write input tables-Database Update，选择左边的每一个项目，再点击Update Database，弹出的对话框点击确定。
按顺序将所有项目进行更新，更新完成后将对话框关闭。
第四步完成。
五、SWAT 模型仿真
1、选择SW AT Simulation下的Run SW AT，打开Setup and Run SWAT Model Simulation 对话框
2、选择Setup SW AT Run，完成SW AT设置，点击确定
3、单击Run SWA T，弹出代码书写框，自动运行完成后，点击确定
六、SWAT文件输出
1、选择SW AT Simulation下的Read SWA T Output读取SW AT输出，弹出SW AT Output 对话框
2、将SWAT Output对话框右边的选项全部框选，在左下的文本框中输入要保存的文件
的名称为201604109lxk，点击Save Simulation保存。
弹出输出成功对话框，点击确定，完成SWAT文件输出。
七、查看文件
按照以下路径，即可找到输出SWAT的文件
第三部分心得体会
ArcGIS是水文专业必备也是必须要熟练运用的软件，作为大三的学生，也应该认真学习这个软件。
与此同时，ArcGIS也是一个非常实用的软件，它可以和其他的各种水文模型软件嵌套，比如上文写的ArcSW AT，对于以后的学习过程中都是非常有帮助的，总的来说，这个学期对ArcGIS的学习和本次课程设计对ArcSWAT的学习都使我受益匪浅，我之后也会继续钻研这个软件，争取达到熟练运用的程度，可以在以后的学习和未来的工作中作为自己可以熟练掌握的工具。