第二章4 SWAT模型

水量平衡方程如下：
SWt SW0 ( Rday Qsurf Ea Wseep Qgw )
i 1
式中：SWt 为时段末土壤含水量，mm；SW0 为时段初土壤含水量，mm；t 为计算时段； Rday 为第 i 天的降雨量，mm；Qsurf 为第 i 天的地表径流，mm；Ea 为第 i 天的蒸发量，mm； Wseep 为第 i 天渗漏量，mm；Qgw 为第 i 天基流量，mm。
SWAT 地表水过程
SWAT 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 时间计算如下： 0.62 L n 0.75 ct 0.125 A cs 0.375 式中：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： 0.0556( sl n) 0.6 ot s 0.3 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。
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
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。
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。
SWAT简介
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
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
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
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
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，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。
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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 以下基本假定：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 以下基本假定：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： 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：
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。
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。
式中：a 为常数，在 SCS 模型中一般取为 0.2。
（8.3）
SWAT 地表水过程（续）
产流计算：
根据水量平衡，可得：
F P Ia Q
式中，
（8.
Q ( P I a ) 2 /(P I a S ) S 25400 / CN 254
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、 土地利用方式和土壤类型状况等因பைடு நூலகம்综合在一起。 坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素综合在一起。
1 SWAT 起源与发展
GLEAMS 模型 杀虫剂 模块
ESWAT 模型 SWAT-G 模型 SWIM 模型 SWATMOD 模型
CREAMS 模型
日降水等 水文模块
SWRRB 模型
SWAT 模型
模型 改进
EPIC 模型
作物生长 模块
ROTO 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）
2.5 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。
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/Rí 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。
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。
提 纲
1 SWAT 起源与发展
2 SWAT 原理概述 3 SWAT 结构与功能
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：
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。
FF Q Q SS P I I a P
a
（8.2）
式中：P 为一次性降雨总量，mm；Q 为地表径流量，mm；Ia 为初损，mm，即产生地表径流 之前的降雨损失；F 为后损，mm，即产生地表径流之后的降雨损失；S 为流域当时的可能最大滞 留量 mm，是后损 F 的上限。其中：
I a aS