swat模型讲义
1.3.2 ArcGIS License Manager 的安装和配置 ................................................................... 11 1.3.3 1.3.4 ArcSWAT 安装 ............................................................................ 16 SWAT-CUP V2.15(Beta)的安装 .................................................................................. 22
第四讲 Google Earth 中河流的数字化及其格式转换 ................................................................... 31 4.1 Google Earth 描述 ............................................................................................................. 31 4.2 GoogleEarth 中河流的数字化 ............................................................................................ 32 4.3 kml 格式到 shp 格式的转换 ................................................................................................ 33 第五讲 子流域的划分 ...................................................................................................................... 37 5.1 启动 ArcSWAT 分区模块....................................................................................................... 37 5.2 子流域的划分 ..................................................................................................................... 39
5.2.1 定义 SWAT 工程 .............................................................................................................. 39 第六讲 土地利用数据的准备........................................................................................................... 45 6.1 矢量转栅格 .......................................................................................................................... 45 6.2 土地利用类型的重分类....................................................................................................... 46
1
6.3 土地利用类型索引表建立 ................................................................................................... 47 第七讲 土壤数据的准备 .................................................................................................................. 48 7.1 SWAT 土壤数据库参数.......................................................................................................... 48 7.2 中国土壤数据库的使用....................................................................................................... 49 7.3 土壤质地转化 ...................................................................................................................... 50 7.4 土壤参数的提取 .................................................................................................................. 52 7.5 其他变量的提取 .................................................................................................................. 53 7.6 土壤类型分布图的处理....................................................................................................... 54 7.7 土壤类型索引表的建立....................................................................................................... 61 第八讲 气象数据的准备 .................................................................................................................. 62 8.1 天气发生器各参数的计算 ................................................................................................... 62 8.2 降水及气温输入数据的准备 ............................................................................................. 64
第九讲 SWAT 模型运行设置 ............................................................................................................. 65 9.1 水文响应单元（HRU，Hydrologic Response Unit）划分 .................................................. 65 9.1 Land use/Soil/Slope 定义及叠加..................................................................................... 66 9.2 HRU 的定义 ........................................................................................................................... 71 9.3 气象数据的导入 .................................................................................................................. 72 9.4 添加水库信息 ...................................................................................................................... 74 9.5 ArcSWAT 模型运行 ............................................................................................................... 75
目
录
第一讲 培训软件及安装 .................................................................................................................... 3 1.1 培训相关软件 ........................................................................................................................ 3 1.2 需用到的数据 ........................................................................................................................ 3 1.3 软件安装................................................................................................................................ 3 1.3.1 Arcgis9.3 安装............................................................................................................ 3
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。
a
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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。
a
17
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。
第八讲 SWAT的非点源污染模拟
N 2 O N , 1 N 4 s t H rN ,2 N 2 st O T r T
➢硝态氮：
N 3 s tN , r 2 O N 2 s t 1 r f O N 4 r 1 H a a l a g T e T
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磷元素
➢ 磷循环和氮循环相似。藻体死
4
模型概述
➢ SWAT模拟流域内泥沙、藻类、溶解氧、有机污染、多种 不同形式的氮、磷以及农药等污染物质的运移与转换。物 质循环模型可以分为非点源污染模块、河道水质模块以及 湖泊水库水质模块。据统计，目前已在国际期刊上发表相
关文献近200篇，中国知网收录文献292篇。
非点源污染
可可 溶溶 性性 氮磷
淋洗作用： pstf,wsh = frwsh·pstf
降解作用： psts,ly,t = psts,ly,0·exp[-kp,sol·t] 16
病原菌运移
病原菌的来源：
SWAT仅概念性地模拟两种菌群，一种为可长久生存的，一种为相 对短命的。病原菌来自于绿肥(动物粪便），SWAT的肥料类型数据库 中有各种绿肥的含菌量参数。在施肥过程中，病原菌也一同施入， 并在植物叶面和表层10mm的土层中进行分配。另外可通过点源输入。
1、水中：降解、挥发、底泥沉降、出流； 2、底泥中：降解、再悬浮、解吸附、掩埋；
滞蓄水体中（仅水库，过程与主河道基本一致）
挥发
流入
流出
水体
溶液态 吸附 微粒态
扩散
再悬浮 沉降
分解
底泥
溶液态 吸附 微粒态
分解
15 掩埋
农药的地表水体循环
叶面施药 挥发
降解
表层和亚表层施药 挥发
冲洗 入渗
产流带走
SWAT模型简述
SWAT 模型简述1. 模型研究目的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。
SWAT 模型综合了早期开发的SWRRB （the Simulator for Water Resources in Rural Basins ）模型和ROTO （the Routing Ourputs to Outlet ）模型的特征，从1990s 问世以来，经历了SW AT94.2，96.2，98.1，99.2，2000等版本，模型在原理算法、结构、功能等方面都有很大的改进，现在使用的SWAT2005版本可以在Arcview 、ArcGIS 等常见的软件平台上运行，具有良好的用户界面。
2. 模型的原理与结构SWAT 是一个物理基础的模型，可以进行连续时间序列的模拟。
SW AT 模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）和水循环的水面部分（即河道汇流部分）。
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的输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。
整个水分循环系统遵循水量平衡规律：01()tt day surf a seep gw i sw sw R Q E w Q ==+----∑式中：t sw (mm)是土壤最终含水量，0sw (mm)土壤初始含水量，t 为时间(day)，day R (mm)为第i 天总降水量，surf Q (mm)是第i 天地表径流总量，a E (mm)是第i 天蒸散总量，seep w (mm)第i 天土壤侧流总量，gw Q (mm)第i 天地下径流总量。
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。
第16章SWAT模型1
第16章SWA T模型16.1 概述SWA T（Soil and Water Assessment Tool）（Arnold et al., 1998; Neitsch et al., 2002）是由美国农业部农业研究中心(USDA-ARS）开发的流域尺度模型。
模型开发的目的是在具有多种土壤、土地利用和管理条件的复杂流域，预测长期土地管理措施对水、泥沙和农业污染物的影响。
SWA T模型经历了不断的改进，很快便在水资源和环境领域中得到广泛承认和普及。
Bera et al.（2003）称之为在农业和森林为主的流域具有连续模拟能力的最有前途的非点源模型。
模型主要组成部分包括气候、水文、土壤温度和属性、植被生长、营养物、杀虫剂和土地管理等。
本章首先介绍了SWA T模型的发展历史和基本结构，然后从水文评估、污染物流失、气候变化影响、洪水短期预报、敏感性分析、率定和不确定性分析、模拟关键影响因素及与其他模型的比较和耦合等方面详细介绍了SWA T模型的最新研究进展，进而分析了模型特点，并提出今后研究的展望，最后结合黄河河源区气候变化对水文循环影响的研究案例详细介绍了SWA T模型的具体应用。
16.2 模型发展历史16.2.1 模型的发展与改进SWA T主要基于SWRRB，并且吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。
SWA T作为一种非点源模型已被并入BASINS（Better Assessment Science Integrating point and Nonpoint Sources）。
BASINS由美国环保局（USEPA）开发，其主要目的是在全国范围内分析和制定最大日负荷(Total Maximum Daily Loads, TMDL）的标准和指导方针。
SWA T模型自90s初开发以来，已经经历了不断的回顾和扩展。
模型主要的改进版本为：⑴ SWA T94.2：添加了水文响应单元（HRUs）。
swat模型简介,研究生课堂演示文稿
一、径流模拟介绍
SWAT模型的径流模拟通常将研究流域划分成若干个单 元流域，以减小流域下垫面和气候要素时空变异对模拟精 度的影响。根据不同植被覆盖和土壤类型，单元流域进一 步细分为若干个 HRU。 每个 HRU 都单独计算径流量， 最后得到流域总径流量 。 SWAT模型提供 Green-Ampt方法或SCS曲线法计算 地表径流；度-日因子模型计算融雪量；动态存储模型计 算壤中流；Hargreaves 法、Priestley -Tayor 法或 Penman –Monteith 法计算潜在蒸散发；SWAT 将地下水 分为浅层和深层地下水，浅层地下径流汇入流域内河流， 深层地下径流汇入流域外河流；河道水流演算采用变动存 储系数模型或马斯京根法。
三、径流模拟研究内容>>模型的构建
模型参数分析
朱新军等对建模过程中对径流过程有较大影响的6个参 数，分别进行敏感性分析，并总结敏感参数对流域水量平 衡各要素的影响规律。
模型验证方法
杨桂莲等将滤波技术分割的基流结果应用SWAT 模型的基流校准，为SWAT模型进行地下水研究提供 有利途径。
三、径流模拟研究内容>>模型的应用
二、径流模拟的适用性>>国内研究
（1）黄河中游三川河流域的月平均流量过程的模拟， 模型率定期和验证期的效率系数分别为 0.71 和 0.73， 但月平均流量较实测结果偏大。
（2） 西北黑河莺落峡以上流域分布式日径流过程的 模拟表明：模型在结构上考虑了融雪和冻土对水文循环的 影响，较适用于我国西北寒区。
三、径流模拟研究内容
数据输入 模拟算法选 择 参数分析 径流模拟 验证方法 土地利用变 化 气候波动
模型构建
模型应用
三、径流模拟研究内容>>模型的构建
SWAT模型(课堂PPT)
独立模拟。
陕西科技大学
农药/杀虫剂组件
可模拟地表径流、渗 漏、土壤挥发、泥沙 携带等过程农药/杀虫 的迁移损耗情况。
农业管理组件
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，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
E a 第i天蒸发量mmH2O,
W seep 第i天的下渗量mmH2O,
Q lat 第i天壤中流量mmH2O,
Q gw 第i天的基流量mmH2O,
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陕西科技大学
二、河道水文过程
在SWAT中，曼宁方程用来计算流量和流速，马斯京根方程用来模拟水流 在河道中的应用
曼宁方程
q为流道流量，m3/s。A为 过水断面面积，m2。R为 水力半径，m。Slp为底面 坡度。n为河道曼宁系数。
蒸腾作用
流域水文 循环
固氮
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。
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陕西科技大学
营养物质输运模块
地表径流中 各形态氮迁 移转化过程
硝基氮 有机氮
可溶性磷 固相磷
地表径流中 各形态磷迁 移转化过程
河道中各形 态氮迁移转 化过程 （QUAL2E）
有机氮 氮氨
亚硝基氮 硝基氮
有机磷 无机磷
河道中各 形态氮迁 移转化过 程
陕西科技大学
SWAT模型的原理、结构及应用研究
SWAT模型的原理、结构及应用研究一、本文概述本文旨在全面探讨SWAT（Soil Water Assessment Tool）模型的原理、结构以及其在各种应用场景下的实践研究。
SWAT模型作为一种强大的水文学工具，已经在全球范围内得到了广泛的应用，特别是在水资源管理、农业灌溉、洪水模拟和生态环境评估等领域。
本文首先对SWAT模型的基本原理进行概述，然后深入解析其模型结构，包括模型的各个主要组成部分以及它们之间的相互作用关系。
接下来，本文将通过具体的案例分析，展示SWAT模型在实际应用中的效果和影响力。
通过对这些案例的研究，我们期望能够揭示SWAT模型的潜在价值和局限性，以便在未来的研究和实践中更好地利用这一工具。
本文还将对SWAT模型的发展趋势和前景进行展望，以期为未来相关领域的研究提供参考和借鉴。
二、SWAT模型的理论基础SWAT模型（Soil Water Assessment Tool）是一种基于物理过程的分布式水文模型，其理论基础主要源于水文学、土壤学、生态学等多个学科。
该模型的核心理论框架基于流域水量平衡原理，通过对流域内不同土地利用类型、土壤类型以及管理措施下的水文过程进行模拟，实现对流域水文循环的全面描述。
SWAT模型基于水量平衡方程，即流域内水分的输入（降雨、灌溉等）等于输出（径流、蒸发、渗漏等）与存储（土壤水、地下水等）之和。
这一原理是流域水文学的基本原理，也是SWAT模型进行模拟的基础。
SWAT模型采用分布式参数化方法，将流域划分为若干个子流域或水文响应单元（HRU），每个HRU具有相同的土地利用类型和土壤类型。
这种划分方式充分考虑了流域内空间异质性对水文过程的影响，提高了模型的模拟精度。
在SWAT模型中，水文过程主要包括产流、汇流、蒸散发和土壤水运动等。
产流过程主要受到降雨、植被覆盖、土壤类型等因素的影响；汇流过程则通过计算河网水流路径和流速，模拟水流在流域内的运移过程；蒸散发过程受到气温、湿度、风速等多种气象因素的影响；土壤水运动则描述了水分在土壤剖面中的运动和存储过程。
SWAT模型ppt课件
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/Río Bravo 流域的水文和水质状况，及生态系统的动态 过程。
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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。
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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。
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1.2 SWAT 原理概述
水循环的陆面部分
植被因素
SWAT利用一个通用的植物生长模型模拟所有类型 的植被覆盖。 植物生长模型能区分一年生植物和多年生植物。 被用来判定根系区水和营养物的移动、蒸腾和生物 量或产量。
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1.2 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。
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
SWATMOD 模型
1.1 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。
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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。
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