农田水文模型SWAP软件简介上课讲义
基于swap模型的春玉米咸水非充分灌溉模拟
the /-wing seson of sp—ng mUzc. The two ir—03X00 mona) cen aceieve the Urn of saving ir—vation
watcs，improving crop yieM and watcs uso edicmdce， and reducing the soil skt )000110X0-. The
土层;5 a的模拟结果表明051 //L和3.30 g/L的水持续灌溉5 a,不会引起土壤次生盐渍化.
关键词：春玉米;咸水;非充分灌溉;SWAP模型；土壤水盐动态
中图分类号：S274； TV93文献标志码：A 文章编号：1674-8530(2020)04-0396-07
Dot： 10.3969/j5ssn.1674-853058.0074
物产量和水分利用效率以及减少土体盐分累积量的目的.较长时期土壤水盐动态变化规律模拟
结果表明：在冬灌条件下，春玉米最优灌溉模式下的土壤水分和盐分能够在模拟期内保持相对
平稳的状态；在不同年份,相同土层土壤含水率随着土层深度的增加而增大,2.31 //L的淡水灌
溉土壤盐分主要累积在44~83 cm 土层，3.00 g/L的微咸水灌溉土壤盐分主要累积在1/~44 cm
开放科学(资源服务)标识码(OSID)：
袁成福，冯绍元,霍再林，等.基于SWAP模型的春玉米咸水非充分灌溉模拟[J].排灌机械工程学报,2220,38(4) : 396-422. YUAN Chengfu, FENG Shaoyuan, HUO Zailin , et al. Simulation oO deficit irrigation with saline water for spring maize based on SWAP model] J]. Jourrai of drrinagr and irritation machinery engineering(JDIME: , 2220,38(4) ：336-442.(in Chinese:
农业水文模型的研究进展及其效应分析
农业水文模型的研究进展及其效应分析王新源;王姗姗【摘要】文章简要论述了农业水文模型在农业水文过程模拟、农业用水效率评估以及农业水文效应三个方面的应用研究,并简要概括了上述三个研究方面在目前研究中的不足和可以改进之处,总结并展望了农业水文模型在未来发展中应该重点关注的问题.【期刊名称】《黑龙江水利科技》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】4页(P42-44,76)【关键词】研究进展;农业水文模拟;农业用水效率;农业水文效应【作者】王新源;王姗姗【作者单位】黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学农业资源与环境学院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】P3340 引言我国是一个严重干旱缺水的国家。
人口急剧增长和经济的迅猛发展对我国水资源的分配和利用造成了巨大挑战，我国水资源本就存在着时间和空间分配不均的问题，降水量从东南沿海向西北内陆递减，同时，我国大部分地区属于温带季风性气候，降水量呈现明显的夏季多、冬季少的特点。
纵然大江大河数量众多，淡水资源总量为28000亿m3，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大。
而我国的农业用水消耗量竟然占据了全国耗水总量的60%，因此，发展农业高效用水，节水灌溉，实施农业节水对我国水资源的高效利用和可持续发展有重大意义。
下面我们将详细论述水文模型在农业水文过程模拟、农业用水效率评价以及农业水文效应中的应用及不足。
1 农业水文过程模拟研究进展为了水资源的长期可持续发展，灌区农业水循环过程及其所驱动的生态水文过程研究已成为近年来的研究热点之一，生态环境在节水灌溉和高效用水中受到的影响也受到越来越多的关注。
随着水资源内涵的进一步扩大，农业水文循环研究已从较单一的田间水资源转化研究扩展至灌区农田水文过程、生态环境、地下水文等不同领域的相互融合，向着多学科交叉的综合研究模式发展。
对于干旱引水灌区而言，实施农业节水在解决流域水资源短缺问题的同时，可能对灌区农业和生态水文过程带来系列的负面效应。
SWAT模型数据库构建辅助软件PPT课件
• 输出三个文件在程序目录中：A.out，totalpcp.sta， mean_pcp.sta
▫ A.out 降雨数据统计参数 ▫ totalpcp.sta 每年每月总降水 ▫ mean_pcp.sta 每年每月平均每日降水
DEW.exe
• 温度及风速因子包括月均最高最低气温、月均最 高最低气温标准差、月均风速、露点温度 前几项EXCEL
• 不同形态N/P营 养物质迁移和转 化
污染负荷
SWAT模型的难点之一
• 模型自带的土壤数据库和气象数据库是针对北美 的土壤植被和流域水文设计的
• 中国研究区需要建立相应的数据库
模型数据库的建立
DEM
• 划分子流域，寻找出流路径
土地利用
• 计算植被，耗水，地表产汇流
土壤图
• 计算壤中流，浅层地下水量
提问与解答环节
Questions And Answers
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
• 通过图形界面进行数据输入和文件选择 • 模型结果既有表格的也有图形的
pcpSWAT
• 降雨相关因子有月均降雨量、月均降雨量标准偏 差、降雨量偏度系数、月内干日系数、月内湿日 系数和月均降雨天数。
• 计算 SWAT 气象发生器所需要的每日降水数据的 统计参数。
• 输入日观测降雨量，输出降雨相关因子。
• 因为，当空气中水汽已达到饱和时， 气温与露点温度相同
农田水文模型SWAP软件简介
SWAP中假设水和盐应力同时作用时对作物根系吸水的影响是 相乘的关系，所以实际的根吸水率 Sa(z) 可以由下式计算:
Sa ( z) rsrwS p ( z)
土壤水中溶质的主要运移机理是分子扩散、对流、机械弥散。在SWAP模型中， 溶质运移按对流一弥散方程进行计算 弥dis
下边界条件： 1、地下水位 2、底部水流通量 3、来自深层水流通量 4、作为地下水位函数的水流通量 5、底部的压力水头 6、底部水流通量为零 7、土壤剖面的自由排水 8、土壤－空气界面的自由出流量
气象资料
灌溉 作物 土壤 水分 溶质 热量
van Genuchten (1980)：
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1 h
n
n 1 n
用上面所示的土壤水分特征曲线，联合Mualem(1976)提出的非饱 和土壤水力传导度模型，可得以下关系式:
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) 一定土壤深度的潜在根系吸水率S p ( z，可由以下公 式得出： lroot ( z )
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0
Tp
lroot ( z )dz
在SWAP中，假设根系密度均匀分布，所以上式可 以写为
S p ( z) lroot ( z )
ETp ETrad ETaero
当土 壤 湿 度较大时，土壤蒸发量决定于大气条件，等于潜在土壤 蒸发量。当土壤较干燥时，土壤蒸发量将减少。表层土壤最大土 壤蒸发量 Emax可按达西定律计算。在SWAP中也可用Black等(1969), Bosten和Stroosnijder (1986)提出的经验公式计算
SWAT操作说明
SWAT（Soil and Water Assessment TooL）操作说明（ArcView界面）http:/./swatR.SrinivasanBlackland Research and Extension CenterTexas Agricultural Experiment StationTexas A&M University翻译：高歌 许红梅（国家气候中心）2007年11月主要内容1．简介2．目的3．扩展部分4．流域划分及土地利用、土壤类型定义5．应用SWAT6．结果的后处理及显示简介土壤和水评估工具（SWAT）是一个具有物理基础可进行连续事件模拟的水文模式，用于预报土地管理措施对水、沉积物的影响以及农用化学物的大量使用、复杂流域的土壤变化、土地利用和管理条件的长期影响。
模拟时，一个流域被划分为一定数量均匀的子流域（即水文响应单元 HRUs），子流域内的土壤和土地利用具有一致的特征。
每个子流域的输入信息包括：天气；子流域内统一的陆面覆盖、土壤以及管理措施；池塘或水库，地下水以及主要的河道及子流域支流。
径流的运载，沉淀物、营养物和杀虫剂在子流域主要河道的运载情况也可以模拟，主要考虑了一些影响水文的物理过程。
更为细致的SWAT功能的描述，请参考SWAT User’s Manual, Version 99.2 (/swat/swatdoc.html#new)。
目的操作说明介绍软件安装及熟悉基本操作。
建立项目A VSWATX , ArcView3.x的扩展版。
建立一个ArcView项目，该项目包括连接处理好的资料以及兼容所有GIS常用的功能。
项目还包括一个常用的ArcView 图形用户界面（GUI），有菜单、按钮和工具。
1.启动ArcView3.x, 从File菜单中选取extension, 浏览A VSWATX并选择可选框，出现A VSWATX界面（图１）。
2.按下New Project旁边的按钮，弹出对话框，从下拉菜单选择资料目录，然后填写创建项目的名称，如：SWATDEMO. 文件名最长可以有８个字符，不给出文件的扩展名。
SWAT模型原理
SWAT安装指南AVSWAT的安装：1）安装环境：ArcView 3.1 or 3.2 (software)Spatial Analyst 1.1 or later (单独安装的模块)Dialog Developer 3.1 or later (自带的模块)2）安装要点：先安装ArcView和Spatial Analyst模块，中文用户需要把区域与语言选项中把语言修改为英语（美国）。
然后解压AVSWAT安装文件，启动ArcView，在File 菜单上单击Open Project，打开安装文件所在的目录，选择setup.apr，并单击OK。
AVSWAT的启动不规范引起的错误，正确启动方法如下：在下图所示的弹出框中选择Cancel，不要选择OK哦；然后在File菜单下的Extensions选择SWAT模块加载即可。
ArcSWAT 1.0.7的安装：1）安装环境：Microsoft .Net Framework 1.1ArcGIS-ArcView 9.1 with service pack 2 (Build 766)ArcGIS Spatial Analyst 9.1 extensionArcGIS Developer Kit (usually found in C:\ProgramFiles\ArcGIS\DeveloperKit\)ArcGIS DotNet support (usually found in C:\Program Files\ArcGIS\DotNet\) 2）安装顺序及要点：①首先安装Microsoft .Net Framework 1.1；注意：很重要，否则第2步中将不会出现".NET Support"；②安装ArcGIS9.1，选择自定义安装并勾选".NET Support"和"SpatialAnalyst"模块，或者选择完全安装；③安装ArcGIS Developer Kit；④安装ArcGIS9.1 SP2 (build 766)；从英文官网可以下载到，/index.cfm?fa=downloads.patchesServicePacks.viewPatch&PID=43&MetaID=1162⑤安装ArcSWAT ，不再出现错误，成功。
最全的城市洪涝、河道、水质模型模拟软件介绍教学提纲
最全的城市洪涝、河道、水质模型模拟软件介绍一、相关模型简介清单二、城市内涝模型1)MIKE URBAN城市排水模拟软件MIKE URBAN 城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。
它整合了ESRI的ArcGIS以及排水管网模拟软件，形成了一套城市排水模拟系统。
该模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面, 可为水资源的可持续利用、污染控制、雨水和污水管网管理及城市防洪提供综合管理方案。
应用领域•雨污水泵站优化调度•排水管网溢流（CSO /SSO）分析•管网泥沙淤积评估•管网水质分析•城市降雨径流过程分析•城市内涝分析与风险评估•城市排水防涝规划•低影响开发（LID）的模拟•海绵城市的规划2)MIKE FLOODMIKE FLOOD 是迄今为止最完整的洪水模拟工具。
它包括完整的一维及二维的洪水模拟引擎，从河流洪水到平原洪泛，从城市雨洪到污水管流，从海洋风暴潮到堤坝决口，能够模拟所有实际的洪水问题。
MIKE FLOOD 甚至可以模拟以上各种情况的组合。
其它模拟软件所不具备的功能，都可在MIKE FLOOD 中找到应用领域•洪水管理•快速的洪水评估•绘制洪泛图•工业区、居民区等的灾害分析•编制应急计划，如疏散路径及优先级等•气候变化的影响分析•防洪措施研究•城市排水与河流、海洋洪水的综合问题研究•溃坝及其他防洪设施垮塌的影响研究3)InfoWorks ICM完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。
它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件应用领域•河流及雨污水排放系统规划研究•地表水体管理规划•可持续性排水系统（SUDS/BMPs）应用规划•城市降雨径流控制与截流设计•洪涝解决方案开发•人口增长和气候变化下流域发展评估•城市排水系统同河流相互作用下的洪涝及污染预报•洪涝规划与管理•溢流排放对河流环境的影响•污水处理厂的水力状态分析•入流与入渗评估及控制•截流设计与分析4)SWMM暴雨洪水管理模型SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。
swat水文模型（）
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。
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主要内容：
➢ 模型介绍 ➢ 模型组成 ➢ 模型机理 ➢ 模型输入 ➢ 模型输出 ➢ 模型率定
SWAP介绍
Soil Water Atmosphere Plant Model是荷 兰 Wageningen University and Research Center开发的用于模拟田块尺度的非 饱和带水流及盐分运移、热量传递和作物生长与产量的模型
根系吸水
SWAP中假设水和盐应力同时作用时对作物根系吸水的影响是 相乘的关系，所以实际的根吸水率 Sa(z) 可以由下式计算:
Sa (z) rsrwS p (z)
溶质运移
土壤水中溶质的主要运移机理是分子扩散、对流、机械弥散。在SWAP模型中， 溶质运移按对流一弥散方程进行计算
弥散通量可表达为：
r
s r
n 1
1 h n n
用上面所示的土壤水分特征曲线，联合Mualem(1976)提出的
非饱和土K壤(水) 力K传s导 度s 模型rr ， 可1得以1下关s系式rr :
n1 n
n
根系吸水
一定土壤深度的潜在根系吸水率S p (z，) 可由以下公
式得出：
Sp (z)
详细的作物模型模拟作物的生长过程，而简单模型则模拟作 物的最终产量
SWAP模型中的简单作物模型是静态模型，它只描述作物最 终产量与水分的关系。简单作物模型要求输入叶面积指数、 作物高度以及作物根深与作物各发展阶段的函数。简单作物 模型计算作物的实际产量与潜在产量的比值即相对产量
作物生长模型
J.Doorenbos和A.H.Kassam模型（D-K模型）
作物腾发量
Penman-Monteith：
ETp
v
W
Rn G
p1airCair esat ea
W
rair
v
air
1
rcrop rair
ETp ETrad ETaero
土壤蒸发
当土 壤 湿 度较大时，土壤蒸发量决定于大气条件，等于潜在土壤 蒸发量。当土壤较干燥时，土壤蒸发量将减少。表层土壤最大土 壤蒸发量 Emax可按达西定律计算。在SWAP中也可用Black等(1969), Bosten和Stroosnijder (1986)提出的经验公式计算
1 Ya,k Yp,k
K
y,k
1
Ta,k Tp,k
Ya
Yp
n k 1
ห้องสมุดไป่ตู้
Ya,k Yp,k
k
模型边界条件
上边界条件： 1、有效降雨量 2、作物潜在腾发量和土壤潜在腾发量 3、作物实际腾发量和土壤实际腾发量 4、灌溉制度
模型边界条件
下边界条件： 1、地下水位 2、底部水流通量 3、来自深层水流通量 4、作为地下水位函数的水流通量 5、底部的压力水头 6、底部水流通量为零 7、土壤剖面的自由排水 8、土壤－空气界面的自由出流量
Black经验公式：
Ea
t1/2 1 dry
if
Bosten－Stroosnijder公式：
Ep 2,
Ea
Ep
f Ep 2, Ea 2
1/ 2
Ep
作物生长模型
SWAP 模 型中采用的作物模型包括详细作物生长模型 (WOFOST 6.0; Spitters et al., 1989; Hijmans et al., 1994)和简单 作物模型
J qc
Ddif Ddis
c z
溶质扩散系数对土壤的实际含水率是十分敏感的，由于它严重的影响着溶质 运移的路径和有效横向运移面积。在SWAP模型中，采用Millington和Quirk (1961）提出的公式来描述水流路径弯曲度，扩散系数表达式为
Ddif
Dw
7/3 2
por
溶质运移
在层流条件下，Ddis与孔隙流速v (cm/d)成正比关系:
lroot ( z)
0
Tp
lroot ( z)dz
Droot
在SWAP中，假设根系密度均匀分布，所以上式可以
写为
Sp(z)
0
lroot ( z)
Tp
lroot (z)dz
1 Droot
Tp
Droot
实际上，土壤的过度干早或者过度湿润和土壤盐分
过高产生的应力都会减少 Sp(z) 的值
左图给出了水应力引起根系吸水减少的系数αrw与 土壤水势h以及潜在腾发量 Tp 之间关系; 右图给出 了盐应力引起根系吸水胁迫系数 αrs与土壤水电导 度 ECsw 之间的关系
SWAP模型的早期版本是Feddes等(1978)开发的SWATR (Soil Water Actual Transpiration Rate)模型。该模型为有作物生长 条件下的土壤水分运动模拟模型，适用于多层土壤，并能够 考虑地下水动态变化的影响。在后来的20多年中，该模型经 过Beimans等(1983), Wesseling等(1991)、van den Broek等 (1994)和van Dam等(1997)的不断补充和完善，增加了更多的 系统边界条件、作物生长模拟、土壤膨胀收缩效应和溶质运
Ddis Ldis v
由单 元 体 的质量守恒定律，溶质运移的连续方程 可以表达为:
X t
J z
Ss
X c bQ Ss ( c bQ) kr Sc
溶质运移方程
c t
bQ
qc z
z
Ddif Ddis
c z
c
bQ
kr
Sc
作物腾发量
SWAP中主要用以下两个步骤来计算作物的需水量： 首先，通过改进后的彭曼公式来计算作物的潜在蒸发蒸腾 量 其次，考虑到实际中作物由于水分胁迫和盐分胁迫而会引 起根吸水的减少，从而计算出实际的作物腾发量
SWAP模型示意图
模型组成
模型由六部分组成：
土壤水流运动模块 溶质运移模块 热量传输模块 土壤蒸发模块 作物腾发量计算模块 作物生长模拟模块
模型机理
土壤水流运动 溶质运移 土壤蒸发 作物腾发量计算 作物生长模拟
土壤水流运动方程
根 据 微 单元土壤体积的水平衡原理可得出以下 土壤水的连续方程: q s(h)
t z
根据Darcy定律, 可得出Richard方程:
c(h) h
k
(h)
h z
1
s(h)
t
t
z
土壤水分特征曲线
在SWAP模型中，土壤水力函数可采用van Genuchten (1980) 和Mualem (1976)公式，也可采用土壤实测数据关系表达
van Genuchten (1980)：