SWAT水文模型

1、SWAT水文模子先容之袁州冬雪创作1概述SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模子是美国农业部(USDA农业研究局(ARS开辟的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模子.它主要基于SWRREgl子，并吸取了CREAMISGLEAMSEPIC和ROTO的主要特征.SWAT具有很强的物理基础，可以操纵GIS和RS提供的空间数据信息摹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发生的影响.该模子主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算才能不强，模子主要由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

2、杀虫剂.SWAT模子拥有参数自动率定模块，具采取的是Q.Y.Duan等在1992年提由的SCE-UA算法.模子采取模块化编程，由各水文计算模块实现各水文过程摹拟功能，其源代码公开，方便用户对模子的改进和维护.2模子原理SWAT模子在停止摹拟日t,首先根据DEM把流域划分为一定数目标子流域，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由口数量停止进一步伐整.然后在每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操纵类型和土壤类型的区域.每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

3、来计算的.地表径流估算一般采取SCS径流曲线法.渗透模块采取存储演算方法，并连系裂隙流模子来预测通过每个土壤层的流量，一旦水渗透到根区底层以下则成为地下水或发生回流.在土壤剖面中壤中流的计算与渗透同时停止.每层土壤中的壤中流采取动力蓄水水库来摹拟.河道中流量演算采取变动存储系数法或马斯金根演算法.模子中提供了三种估算潜在蒸散发量的计算方法一Hargreaves、Priestley-Taylor和Penman-Monteith.每个子流域内侵蚀和泥沙量的估算采取改进的USLE方程，河道内泥沙演算采取改进的Bagnold泥沙运移方程.植物吸收的氮采取供需方法计算，植物的氮日需求量是植物与生物量中氮

4、浓度的函数.土壤中向植物供给氮，当需求超生供给时，由现营养物压力.地表径流、壤中流和渗透过程运移的硝态氮量由水量和土壤层中的平均硝态氮浓度来估计.泥沙中运移的有机氮采取McElroyetal.开辟的负荷方程，后经进一步改进.该负荷方程基于土壤表层的有机氮浓度、泥沙量和富集率来估计径流中的有机氮损失.植物吸引的磷采取与氮相似的供需方法.径流中带走的可溶解磷采取土壤表层中的不稳定磷、径流量和磷土分离系数来计算.泥沙运移的磷采取与有机氮运移相同的方程.河道中营养物的动态摹拟采取QUAL2酸子.模子中采取的水量平衡表达式为：式中：5叫为土壤最终含水量，mmsw。为土壤前期含水量，mmt为时间步长，d;

5、%叱为第i天降水量，mm为第i天的地表径流，mm区己为第i天的蒸发量，mm"小为第i天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量，mmQ即为第i天地下水含量，mm.SWA模子水文循环海洋阶段主要有水文、天气、沉积、土壤温度、作物产量、营养物质和农业管理等部分组成.模子径流量发生计算流程图如下图2-1所示.图2-1SWAT模子产流计算流程图当落到地表的降水量多余入渗量时发生地表径流.SWAT模子采取SCS径流曲线法计算.SCS曲线方程自上世纪50年月逐渐得到广泛使用，属于经历模子，是对全美小流域降水与径流关系20多年的研究成果.模子能反应分歧土壤类型和土地操纵方式及前期土壤含水量对降雨径流的影

6、响，它是基于流域的实际入渗量（F）与实际径流量（Q）之比等于流域该场降雨前的最大可以入渗量（S）与最大可以径流量（Qg）之比的假定基础上建立的scS莫子的降雨-径流基本关系表达式如下：式中：假定潜在径流量（Qq为降水量（P）与由径流发生前植物截留、初渗和填洼蓄水构成的流域初损（I）的差值.由此推到上式有：初损L受土地操纵、耕作方式、灌溉条件、冠层截留、下渗、填洼等因素的影响，它与土壤最大可以入渗量S呈一定的正比关系，美国农业部土壤坚持局在分析了大量长期的实验成果基础上，提生了二者最合适的比例系数为0.2,即：由此可得SCS方程为：流域当时最大可以滞留量5在空间上与土地操纵方式、土壤类型和坡度等

7、下垫面因素紧密亲密相关，模子引入的CN值可较好地确定S,公式如下：CN是一个无量纲参数，CN值是反映降雨前期流域特征的一个综合参数，它是前期土壤湿度、坡度、土地操纵方式和土壤类型状况等因素的综合.模子思索的蒸散发是指所有地表水转化为水蒸气的过程，包含树冠截留的水分蒸发、蒸腾和升华及土壤水的蒸发.蒸散发是水分转移由流域的主要途径，在许多江河流域，蒸发量都大于径流量.准确地评价蒸散发量是估算水资源量的关键，也是研究气候和土地覆盖变更对河川径流影响的关键.(1)潜在蒸散发模子提供了Penman-Monteith、Priestley-Taylor和Hargreaves三种计算潜在蒸散发的方法，别的还可

8、使用实测资料或已经计算好的逐日潜在蒸散发资料.一般采取Penman-Monteith方法来计算流域的潜在蒸散发.(2)实际蒸散发实际蒸散发以潜在蒸散发为计算基础.在计算流域实际蒸散发量的时候，模子首先计算植物冠层截留水分的蒸发，然后计算最大蒸腾量、最大升华量和最大土壤蒸发量，最后计算实际的升华量和土壤水分蒸发量.(3)冠层截留蒸发量模子在计算实际蒸发时假定尽量蒸发冠层截留的水分，如果潜在蒸发量'小于冠层截留的自由水量为丁，则：式中：均为某日流域的实际蒸发量，mm为某日冠层自由水蒸发量，mm所为某日的潜在蒸发量，mm|为某日植被冠层自由水初始含量，mm为某日植被冠层自由水终止含量，mm.

9、如果潜在蒸发量'大于冠层截留的自由水含量eint则：当植被冠层截留的自由水被全部蒸发掉，继续蒸发所需的水分就会从植被和土壤中得到.(4)植物蒸腾假设植物生长在一个抱负的条件下，植物蒸腾可用以下表达式计算：式中：耳为某日最大蒸腾量，mmE1为植被冠层自由水蒸发调整后的潜在蒸发卜：0二卜：厂卜:四，mmLAI为叶面积指数.因为没有思索到植物下面图层的含水量问题，由此公式计算处的蒸腾量可以比实际蒸腾量要大一些.(5)土壤水分蒸发在计算土壤水分蒸发时，首先区分由分歧深度土壤层所需要的蒸发量，土壤深度条理的划分决议土壤允许的最大蒸发量，可由下式计算：式中：J用工为z深度处蒸发需要的水量，mmz为

10、地表以下土壤的深度，mm走达式中的系数是为了知足50%勺蒸发所需水分来自土壤表层10mm以及95%勺蒸发所需水分来自0100mm土壤深度范围内.土壤水分蒸发所需要的水量是有土壤上层蒸发需水量与土壤下层蒸发需水量决议的：式中：h为ly层的蒸发需水量，mm*血l/为土壤下层的蒸发需水量，mm为土壤上层的蒸发需水量，mm.土壤深度的划分假设50%勺蒸发需水量由010mm内土壤上层的含水量提供，因此100mm的蒸发需水量中50mmB要由10mm的上层土壤提供，显然上层无法知足需要，这就需要建立一个系数来调整土壤层深度的划分，以知足蒸发需水量，调整后的公式可以暗示为：式中：esco为土壤蒸发调节系数，该

11、系数是SWA伪调整土壤因毛细作用和土壤裂隙等因素对分歧土层蒸发量二提由的，对于分歧的esco值对应着相应的土壤层划分深度.渗入到土壤中的水有多种分歧运动方式.土壤水可以被植物吸收或蒸腾而损耗，可以渗透到土壤底层最终补给地下水，也可以在地表形成径流，即壤中流.由于主要思索径流量的多少，因此对壤中流的计算简要概括.模子采取动力储水方法计算壤中流.相对饱和区厚度电计算公式为：式中：sW|y6在於为土壤饱和区内可流生的水量，mm%”为山坡坡长，m;也为土壤可由流的孔隙率；力/暗示土壤层总孔隙度，即中就与土壤层水分含量达到田间持水量的孔隙度之差.山坡由口断面的清水量为：式中：%为由口断面处的流速，mmh

12、具表达式为：式中：为土壤饱和导水率，mmh即为坡度.总结上面表达式，模子中壤甲流最终计算公式为：?她下水模子采取以下表达式来计算流域地下水：式中：Qg.】为第i天进入河道的地下水补给量，mnpi1为第（i）天进入河道的地下水补给量，mm仅为时间步长，d;4vu产眇式中：咒$1呷凡亚"seepidkig,j-1土壤侵蚀模子式中：TV根据天气条件，泥沙输移量可以高于或者低于输移才能，导致沉积过量的泥沙通过渠道侵蚀再悬浮输移泥沙.流速方程为：式中：归为流量，m3/s;M为渠道宽度，md为径流深，m.对于低于齐岸深度的径流，径流深使用Manning方程来计算，假定渠道宽度远大于深度：式中：h

13、为渠道曼宁系数；为渠道坡度，m/m.由于降水和径流发生的土壤侵蚀是用MUSLE方程来计算的，MUSLE是修正的通用土壤流失方程（USLE.USLE方程是通过降水动能函数预测年均侵蚀量,而在MUSLE中,用径流因子代替降水动能，改善了泥沙产量的预测，这样就不需要泥沙输移系数，而且可以将方程用于单次暴雨事件，因为径流因子是先行湿度和降水动能的函数.USLE中需要输移系数是因为降水动能因子暗示的能量只在作用流域内起作用.修正的通用土壤流失方程为；式中：叫裂为土壤侵蚀量，t;Qqi为地表径流，mm/h;%皿为洪峰流量，m3/s；"加u为水文响应单元的面积，hmRusi史为土壤侵蚀因子；ZEL

14、E为植被覆盖和管理因子；PUSLE为水土坚持措施因子；.L$u&le为地形因子；CFRG为粗碎屑因子.当其他影响侵蚀的因子不变时，K因子反映分歧类型土壤抵抗侵蚀力的高低.它与土壤物感性质的影响，如机械组成、有机质含量、土壤布局、土壤渗透性等有关.当土壤颗粒粗、渗透性大时，K值就低，反之则高；一般情况下K值得变幅在0.020.75之间.K值得直接测定方法是：在尺度小区（坡长为22.1m,宽为1.83m,坡度为9衿上没有任何植被，完全休闲，无水土坚持措施，降水后收集由于坡面径流而冲蚀到集流槽内的土壤，烘干、称重，由公式计算得到k值.试验测算式中：卜1为颗粒尺度参数；皿心语也回工I中：-s&

15、#163;田为土壤有机质因子；'hisand式中：为粒径在0.052.00mm沙粒的百分含量；玳为粒径在0.0020.05mm的淤泥、细砂百分含量；叫为粒径小于0.002mm的粘土百分含量；。口3c为各土壤层中有机碳含量，%.植被覆盖和管理因子与SLE暗示植物覆盖和作物栽培措施对防止土壤侵蚀的综合效益，其含义是在地形、土壤、降水条件相同的情况下，种植作物或林草地的土地与持续休养地土壤流失量的比值，最大取值为1.0.由于植被覆盖受植物生长期的影响，SWAT模子通过下面的方程调整植被覆盖和管理因子CUSLE：式中：Cl.LE,mm是最小植被覆盖和管理因子值；码4是地表植物残留量，kg/hm

16、2.最小C因子可以由已知年平均C值，通过以下方程计算.式中：cusle3皿暗示分歧植被覆盖的年均C值.水土坚持因子Pu£LE是指有坚持措施的地表土壤流失与不采纳任何措施的地表土壤流失的比值，这里的水土坚持措施包含等高耕作、带状种植和梯田.等高耕作对于中低强度的降水侵蚀具有呵护水土流失的作用，但对于高强度的降水其呵护作用则很小，等高耕作对坡度为3%-8叱间的土地非常有效.地形因子glaE的计算公式如下：式中：Lm为坡长；m为坡长指数；%11为坡度.坡长指数m的计算公式如下：式中：5为水文相应单元的坡度，slp=】”.CFRG因子CFRG因子是通过下面公式计算的：式中：ock为第一层土壤

17、中砾石的百分比，%.SWAT模子可以摹拟分歧形态氮的迁移转化过程，地表径流流失、入渗淋失、化肥输入等物理过程，有机氮矿化、反硝化等化学过程以及作物吸收等生物过程，氮可以分为有机氮、作物氮和硝酸盐氮三种化学状态，氮的生物固定、有机氮向无机氮的转化以及溶解性氮随侧向壤中流的迁移等过程，有机氮又被划分为活泼有机氮和惰性有机氮两种状态，以及镂态氮挥发过程的摹拟.硝态氮主要随地表径流、侧向流或渗流在水体中迁移，要计算随水体迁移的硝态氮量必须先计算自由水中硝态氮浓度，用这个浓度乘以各个水路活动水的总量，即可得到从土壤中流失的硝态氮总量.自由水部分的硝态氮浓度可用下面公式计算：式中：为自由水中硝态氮浓度，k

18、g/mm;地为土壤中硝态氮的量，kg/hm2;为土壤中自由水的量，mm4为孔隙度；sat；为土壤饱和含水量.(1)通过地表径流流失的溶解态氮计算公式：式中：p、为小为通过地表径流流失的硝态氮，kg/hm2;八/为硝态氮渗流系数；为地表径流，mm.(2)通过侧向流流失的溶解态氮的量计算公式：对于地表10mms层：对于10mn下的土层：式中：P*口3团为通过侧向流流失的硝态氮，kg/hm2;人国为硝态氮渗流系数；P"。工曲曲为自由水的硝态氮浓度，kg/mm;Qiah'为侧向流，mm.(3)通过渗流流失的溶解态氮量计算公式:式中：p-eliy为通过渗流流失的硝态氮，kg/hm2;P

19、'。为自由水的硝态氮浓度，kg/mm;片为渗流,mm.有机氮通常是吸附在土壤颗粒上随径流迁移的，这种形式的氮负荷与土壤流失量紧密亲密相关，土壤流失量直接反映了有机氮负荷.有机氮随土壤流失的输移量计算公式为：式中：P。心.为有机氮流失量，kg/hm2;口现、为有机氮在表层土壤中的浓度，kg/t;|m为土壤流失量，t;Am为水文相应单元的面积，hm2；£、为氮富集系数，氮富集系数是随土壤流失的有机氮浓度和土壤表层有机氮浓度的比值计算富集系数的公式如下：式中：为地表径流中泥沙含量.P皿q的计算公式如下：式中：口】为土壤流失量，t;Am为水文相应单元面积，hm2;Qurf为地表彳5流

20、，mm.溶解态磷在土壤中的迁移主要是通过分散作用实现的，分散是指离子在微小尺度下由于浓度梯度而引起的溶质迁移，由于溶解态磷不很活跃，所以由地表径流以溶解态形式带走的土壤表层的磷很少，地表径流输移的溶解态磷可由下面公式计算：式中：P$w为通过地表径流流失的溶解态磷，kg/hm2;Piond为土壤中溶解态磷，kg/hm2;外为土壤溶质密度，mg/m3;为表层土壤深度，mmk(i.为土壤磷分配系数，表层土壤中溶解态磷的浓度和地表径流中溶解态磷浓度的比值.有机磷和矿物质磷通常是吸附在土壤颗粒上通过径流迁移的，这种形式的磷负荷与土壤流失量紧密亲密相关，土壤流失量直接反映了有机磷和矿物质磷负荷，有机磷和矿

21、物质磷随土壤流失输移量计算公式为：式中：叫仙:为有机磷流失量，kg/hm2;为有机磷在表层土壤中的浓度，kg/t;m为土壤流失量，t;八皿为水文相应单元的面积，hm2;年为磷富集系数.模子中定义的河道均是明渠流，SWAT用曼宁公式来定义河道糙率和水流流速.水流在河道中演进过程使用变储量演算法或马斯金根法，两种方法都是动力波方程.在摹拟中一般使用马斯金根法来计算.(1)马斯金根法马斯金根法假设河道内水体形状是由一个楔形蓄水体和一个棱形蓄水体组成，如下图所示.图？?河道水体示意图当洪水波行进到某个河段槽，入流量大于由流量便形成了楔形蓄水体.当洪水波退去，在河段槽便由现了由流量大于入流量的负楔蓄体.

22、别的对于楔蓄水体，河段槽内始终包含一个体积为流域长度上横截面不变的棱柱状水体总的蓄水容量为:式中：%口面为蓄水容量，m?；Qm为入流量，m?s;9疝为由流量，m?s;K为稳定流情况下的河段传播时间；X为流量比重因素.该公式可以重新整理为如下形式：流量比重因素的下限为0.0,上限为0.5.这个因子是楔蓄量的函数.对于水库式蓄水，没有楔蓄，x0.0；而对于一个完整的楔蓄，x-o.5；对于河流，x落在0.0和0.3之间，其平均值接近0.2.对于蓄水容量的定义可以加入持续公式并简化为：式中：9山门为该时间段开端时的入流量，m3/s；町二为该时间段竣事时的入流量，m3/s；4。曲1为该时间段竣事时的由流

23、量，m3/s；口机人;为该时间段竣事时的由流量，m3/s.其中，十cci.为了用体积单位暗示所有值，在蓄水容量公式两头乘以该时间段得到：为了坚持数值稳定和防止由现负由流量的计算，必须知足以下条件：流量比重因素X的值由使用者输入，蓄水时间常数的值估算如下：式中：K为稳定流情况下的河段传播时间，s;u叫和“礼为权重系数，由使用者输入；为稳定刘情况下渠道蓄满水的河段传播时间，s;。1加抽疝为渠道蓄满1/10水量时河段传播时间，s.要计算%好：和汕fuu,Cunge于1969年提由一个公式：式中：为渠道长度，km;气为指定深度处的波速，m/s.波速的计算公式为：其中流速口山由曼宁公式求解，将曼宁公式代

24、入上式得：式中：回为湿周，m;即曲为河段坡度，%h为曼宁系数；匕为流速，m/s.(2)变储量演算法对于一个给定的河段，储量演算基于持续方程'ill'out_3tlMcd,可写为：式中：馆为稳定流情况下的河段传播时间，s；为该时间段开端时的入流量，m3/s;为该时间段竣事时的入流量，m3/s；为该时间段开端时的由流量，m3/s；%i门为该时间段竣事时的由流量，m3/s；'；血鼠1为该时间段开端时的蓄水容量，m3;，n2为该时间段竣事时的蓄水容量，m3.演进时间是由渠道中的水容量除以水流流量：式中：0而为蓄水容量，m3;Qw为由流量，m3/s.结合以上两式，简化为：其中，$

25、c为蓄水系数，sCrmai；“皿为入流平均流量，,m3/s.整理上式得：为用体积单位来表达所有变量，公式双方都乘以时间段，则有：3软件操纵要创建SWAT数据集，ArcSWAT需要访问提供流域信息的准确类型的ArcGIS的栅格、矢量和数据文件.这些必须的地图主题和数据文件必须在运行SWAT前准备好.空间数据包含必须的ARCSWATS间数据和可选的ARCSWAT?间数据.SWAT空间数据集可以以任何投影类型来创建，但所有的地图必须用同一投影.（1）必须的ARCSWAT间数据DEMESRIGRIDFormat.DEM的高程值可以用整型或者实数型.决议地图分辨率的单位不必与高程的单位坚持一致.例如地图

26、分辨率可以是米（m）,而高程可以是英尺（feet）.地图分辨率单位必须定义为以下几种：米（m）,公里（km）,英尺（feet）,码（yards）,英里（miles）.高程单位必须定义为以下几种：米（m）,厘米（cm）,而y（yards）,英尺（feet）,英寸（inches）.LandCover/LandUse,ESRIGRID,Shapefile,orFeatureClassFormat.土地操纵图中的种别需要重新分类为SWAT!要的土地操纵类型.用户可以用三种方法重新分类土地操纵，第一种是创建地图时用美国地质勘察局的分类代码；第二种是加载土地操纵图时为每分类选定SWAT土地操纵类型；第三种

27、是为土地操纵图的分歧分类创建一个可以识别4位SWAT代码的100kup表.Soil,ESRIGRID,Shapefile,orFeatureClassFormat,用户需要输入SWATt壤文件，在创建工程之前把图中每类的土壤数据输入UserSoildatabase中,要对土壤图的土壤类型停止重分类，信息必须在界面中手动输入，列由土壤信息lookup表(2)可选的ARCSWAT间数据集DEMMaskESRIGRID,ShapefileorFeatureClassFormat.模子可以加载一个mask在DEMfc上.STREAM?SShapefileorFeatureClassFormat.在那些

28、地势很低的地方，DEM地图网格不克不及切确地断定河流的位置，就需要有河网描画的shapefile线性文件.User-DefinedWatersheds,ShapefileorFeatureClassFormat,用户可以自定义子流域划分加载到模子中去，如果选择自定义子流域也必须自定义河网.User-DefinedStreams,ShapefileorFeatureClassFormat,用户自定义子流域后，模子将不会停止河网提取，需要用户自行定义.属性数据包含：土壤属性数据、气象资料数据和水文数据.SWAT模子通过三个个数据库来存储属性数据，其中气象资料数据通过模子自带的数据库停止存储，别的自

29、定义的土壤属性数据和气象站参数数据通过两个附加的数据库停止存储，水文数据用于摹拟成果率定.(1) 土壤属性数据模子需要的土壤属性数据包含两大类：土壤物理属性和土壤化学属性.土壤的物理属性对土壤剖面中水和气的运动状况起决议作用，并显著影响水文响应单元(HRU中水文过程的摹拟.土壤物理属性参数主要包含土层厚度、土壤层数、密度、土壤颗粒大小分布和土壤饱和水力传导率等.由于获得的土壤属性数据难以完全知足构建SWAT模子土壤库的要求，因此，部分无法直接获取的参数如土壤可操纵有效水、饱和水力传到率等采取美国农业部开辟的土壤水特性程序SPAW停止估算；部分参数通过对前人的研究成果和经历公式获得.估算成果仅简

30、略反映土壤参数特征，在模子参数校准的过程中还需做进一步伐整.(2)气象、水文资料数据SWAT模子所需要的气象数据包含气象站点的位置以及各气象站点的实测数据.气象站点包含雨量站、湿度站、温度站、风速站、太阳辐射站，其实测数据分别为日降水量、相对湿度、日最高/最低气温、风速和太阳辐射.本文采取北京站的气象资料来构建模子“天气发生器”所需的数据.SWAT模子自带的天气发生器WXGEN其功能有二，一是用于生成气候数据，通过大量基础气象数据构建完成之后，可以用来生成任意年份的气象数据，二是对缺失的数据停止填补.SWAT模子每次摹拟都会生成五个输由文件：输入汇总文件(input.std)、输由汇总文件(o

31、utput.std)、HRU输由文件(output.hru)、子流域输由文件(output.sub)、河道输由文件(output.rch).HRU输由文件包含了流域中每个水文响应单元的信息，文件中输由数据先容如下：MON时间步长，根据用户选择可以为日、月、年；AREAHRU勺面积，km2;PRECIP时间步长内HRU勺降雨量，mmSNOFALL时间步长内HRU勺降雪量，mmSNOMELT时间步长内HRU勺冰雪融化量，mmIRR:灌溉用水量，mmPET潜在蒸散发量，mmET:实际蒸散发量，mmSW-INIT:土壤初始含水量，mmSW-END时间步长后土壤含水量，mmPERC植物蒸月水量，mmGW

32、-RCHG入渗量，mmDA-RCHG深层地下水补给量，mmREVAP浅层地下水向表层土壤回流量，mmSA-IRR:浅层地下水灌溉量，mmDA-IRR:深层地下水灌溉量，mmSA-ST:浅层地下水储水量，mmDA-ST:深层地下水储水量，mmSURQ-GEN地表径流量，mmSURQ-CNT地表径流进入河道水量,mmTLOSS输移损失水量，mmLATQ侧向流水量，mmGW-Q地下水补偿?道水量，mmWYLD总产流量，包含地表径流、地下水、侧向流,扣除损失水量，mmDAILYCN日径流曲线值；TMP-AV日平均温度，摄氏度；TMP-MX日最高温度，摄氏度；TMP-MN日最低温度，摄氏度；SOL-TM

33、P土壤温度，摄氏度；SOLAR日辐射量，MJ/m2;SYLD产沙量，t/ha;USLE土壤流失量，t/ha;N-APR氮肥施用量，kg/ha;P-APP:磷肥施用量，kg/ha;NRAIN氮素随降雨进入土壤量，kg/ha;NFIX:植物固氮量，kg/ha;ORGN有机氮发生量，kg/ha;ORGP有机磷发生量，kg/ha;SEDP随泥沙磷流失量，kg/ha;NSURQ地表径流中硝态氮量，kg/ha;NLATQ侧向流中硝态氮含量，kg/ha;NO3L土壤中被冲刷生的硝态氮，kg/ha;NO3GW地下水流失硝态氮量，kg/ha;SOLP溶解态磷发生量，kg/ha;P-GW地下水溶解态磷流失量，kg

34、/ha.MON时间步长，据用户选择可以为日、月、年;AREA子流域面积，km2;PRECIP降水量，mmSNOMELT冰雪融化量，mmPET潜在蒸发量，mmET:实际蒸发量，mmSW土壤含水量，mmPERC入渗量，mmSURQ地表径流进入河道水量，mmGW-Q地下水补给?道水量，mmWYLD流域产水量，mmSYLD流域产沙量，t/ha;ORGN流域有机氮发生量，kg/ha;ORGP流域有机磷发生量，kg/ha;NSURQ地表径流中硝态氮含量，kg/ha;SOLP流域溶解态磷发生量，kg/ha;SEDP流域矿化磷发生量，kg/ha;MON时间步长，据用户选择可以为日、月、年;AREA河道集水面积

35、，km2;FLOW-IN日平均入流量，m3/s；FLOW-OUT日平均由流量，m3/s；EVAR河道蒸发量，m3/s；TLOSS河道输移损失水量，m3/s;SED-IN:泥沙入流量，t;SED-OUT泥沙由流量，tSEDCONC®沙淤积量,mg/L;ORGN-IN有机氮率U入量，kg；ORGN-OUT有机氮输由量，kg;ORGP-IN有机磷率U入量，kg；ORGP-OUT有机磷输由量，kg;NO3-IN:硝态氮输入量，kg；NO3-OUT硝态氮率U由量，kg;NH4-IN:氨氮输入量，kg；NH4-OUT氨氮输出量,kg；NO2-IN:亚硝态氮输入量，kg；NO2-OUT亚硝态氮输由

36、量，kg;MINP-IN:矿化磷输入量，kg；MINP-OUT矿化磷军由量，kg；CBOD-IN生物需氧量输入量，kg；CBOD-OU:T生化需氧量输由量，kg;DISOX-IN:溶解氧输入量，kgDISOX-OUT溶解氧率U由量，kg；DEMM含地理平面坐标和高程数据两类信息，由DEM自动提取水系或子流域会遇到两个问题，即凹陷与平坦处水流方向的确定和水道起始点位置的确定.水道起始点位置处理采取最小水道集水面积阈值的方法形成河流水系的基本水文过程.运用GIS软件，对流域DEM停止分析和处理，可得到栅格格式的水流流向，流域分水线，自动生成河网及其子流域，河道和子流域编码、面积，河网布局的拓扑关系

37、等.(1)DEMR洼采取垫高添平方法对流域DEM模子中存在的洼地停止凹陷处理，将洼地划分为阻挡型和凹陷型分别处理，并运用高程增量叠加算法来设定平坦部分的流向，由此得到一个与原数字高程模子相对应的无凹陷的DEM模子.(2)水流流向确定计算DEM模子每个网格单元与其相岭的八个网格单元之间的坡度，然后按最陡坡度原则确定单元水流流向，最终形成包含所有网格单元在内的水流方向新矩阵(3)集水面积计算沿坡度最陡原则确定的水流途径可以计算任何网格单元上的坡面集水面积，其集水面积的量值以网格数目标多少暗示，从而发生包含每个网格单元上坡面汇水面积的新矩阵.(4)流域分水线划分首先给由闭合流域由口断面的准确地理位置

38、，即DEM模子网格单元上的行列坐标值；流域由口点位置确定后，可以依照确定网格流向的方法来勾绘流域鸿沟.(5)河网生成与编码定义最小河道集水面积阈值，当集水面积超由此阈值时，则这些网格点就确定为河道.停止河网编码时，首先从流域由口断面向上游靠左搜索，对每个节点依次递增编码，直至河道起始点，再从河道起点反方向搜寻，直到找到新的节点或河道起点位置，同时按递增的顺序规则编码，依次类推，最终搜寻至流域由口断面（6）特征参数提取生成完整的河网后，可以确定每河段左右岸集水面积、河道上游结尾节点及相应的子流域分水线，从而建立河网节点、河段和子流域之间的关系，包含河段坡度、高程、上游集水面积及其他信息.流域勾绘

39、过程中，依据DEM计算流域坡长、河流流向和流域水系.建立流域摹拟的第一步是将流域划分为子流域.空间数据的输入时基于网格，网格划分是子流域勾绘的基础,SWAT模子基于DEM数据，在每个子流域上应用概念性集总模子停止计算，再停止汇流演算，最后求得由口断面流量和污染物质量,每个子流域包含无限制的HRU（至少一个）、河段（一个）、主渠道网络中的池塘（可选）和点源排放（可选）等.子流域坚持流域的地理位置并同其他的子流域具有空间接洽.子流域勾绘可以从地表地形定义的子流域鸿沟中得到，从而子流域的整个面积都流向子流域由口，或者子流域勾绘可以从网格鸿沟中获得，河段或者主河道同流域中的每个子流域想接洽.应用GIS

40、可以将流域划分为多个水文学上相接洽的子流域以便在SWAT流域摹拟中使用.SWAT流域工具应用并扩大了ArcView的SpatialAnalystExtension的功能，可以在DEM数据基础上停止子流域勾绘,定义的参数范围会影响所生成的子流域大小和数目，勾绘过程要求grid格式的DEM数据.应用基于栅格DEM停止流域勾绘的八流点法则，发生水流矢量栅格来填充凹陷点；通过计算栅格中到达任一单元的水流贡献单元数发生汇流栅格.那些潜在的座位河网部分的单元会有较大的汇流值，而那些接近流域鸿沟和坡面漫流节制的单元则会具有较低的汇流值.选择用来摹拟子流域的数目取决于整个流域的大小，输入数据的空间详细程度以及

41、达到研究方针所要求的详细度.在划分子流域时，要注意流域的地貌特征（坡度、坡长、渠道长度和渠道宽度等）在子流域水平上计算和汇总.河流的支流数目受到形成支流的汇流网格单元数目阈值的限制，通过对河流支流下游鸿沟的定位可以对子流域由口点停止定义.SWAT提供两种附加的设置工具：DEM属性和阈值面积，这两种设置工具是相互接洽的，第一种设置DEM的水平和垂直单位，这对计算地貌系数以及从以公顷为单位的数值中计算汇流单元数目阈值有重要作用.模子中流域勾绘的其他部分是一套独立的工具按钮，可以单击流域视图上相应的位置或者输入点位置来增加由口或者入口点，也可以去除选中的由口点.当由水口确定后，定义主流域由水口.由水

42、口的类型有7种，分别为：L毗连河流增加的由水口、O表格增加的由水口、T手动增加的由水口、P手动增加的点源排放口、D表格增加的点源排放口、I表格增加的排水流域入口、W手动增加的排水流域入口.然后跟踪每个栅格单元的流向直到遇到流域由口单元或者到达DEM网格的鸿沟，完成子流域勾绘.基于流域的地形特征将流域划分为子流域，保存了河水、泥沙和化学物质的实际演算所要求的自然河流的途径、鸿沟和渠道.勾绘完成后，会在当前的项目中加入详细的地形陈述，随后成果专题图也会加入到流域视图中，包含：子流域、河流、由水口和水库（可选）.地形陈述描绘了流域内合子流域单元的高程分布；成果专题图含有流域的特征参数.当子流域勾绘完

43、成后，可以选择摹拟每个子流域内单个的土壤类型、土地操纵将子流域划分为多个水文响应单元（HRUS.水文响应单元是子流域的一部分，含有唯一的土地操纵和土壤属性，被假定为在子流域中有统一的水文行为.HRU其实分歧于田间小区，而是子流域内特定的土地操纵和土壤类型的总面积，而单个田间小区具有特殊的土地操纵和土壤类型，在整个子流域内可以是团圆的，这些面积堆积在一起形成HRU.HRU应用在模子中，通过堆积所有相似的土壤类型和土地操纵面积构成耽搁的响应单元，从而简化了模子运行.HRU的好处是增加了对子流域负荷预测的准确性.分歧种类的植被生长和发育有很大的分歧，当思索了子流域内植被覆盖的多样性时，从子流域中进入

44、主渠道的径流量会预测的更准确，对给定的子流域应该有110个HRU当对子流域内多个HRU停止摹拟时，子流域内水文循环的海洋阶段也停止了摹拟，并对子流域内所有的HRU的负荷停止了总汇，子流域的净负荷通过流域河网停止演算HRU的概念标明，假定在子流域的HRU之间不存在相互影响，每个HRU的负荷分别停止计算，然后汇总在一起确定子流域的总负荷.可以对每个子流域分配单个HRU或者多个HRU如果选择一个子流域单个HRU则HRU有子流域内的主要土地操纵分类和土壤类型来决议；如果选择多个HRU可以设定土地操纵和土壤数据的敏感性，以用来确定每个子流域内HRU的数目和种类，对多个HRU要定义土地操纵和土壤类型面积阈

45、值.如果一种土地操纵类型同另外一种土地操纵的相互作用是重要的，可以将这些土地操纵面积定义为子流域而不是HRU只有在子流域水平上，空间关系才干被详细描绘.在分布式水文模子的摹拟计算中，对现有的分布式水文模子与环境摹拟模子的精度要求也越来越高.模子发展趋势表示为两方面：一是模子自己的适用范围逐渐扩大，空间上扩大到流域尺度，时间上切确计算到日；二是模子摹拟范围逐渐拓展，在海洋循环和河道循环中计算水文要素和水质数据.但这需要模子校正为前提，一般的模子校正需要大量的数据，如水文站、监测站的实测数据或者是实验室试验数据等.事实上，模子的准确性和靠得住性是有限的.摹拟切确度较高的是摹拟小区域不透水的集水面上

46、径流的水文模子，误差在百分之几左右；靠得住性最差的是摹拟大流域的水质模子，误差可以达到一个数据量级甚至更大.根据非点源污染产生的特点，首先率定的是水文过程，然后是泥沙和污染物的迁移.在水文或者侵蚀过程由现的误差，会转移而且扩大到其他过程，致使非点源污染负荷摹拟误差增大.对分布式模子的大量参数停止分析.一是运用摩尔斯分类筛选法，即“微扰动”分析方法，考查大量的输入参数与输由成果之间的相关性，对模子大量的参数停止定性分级筛选，继而计算经历敏感指标值；二是在筛选分类的基础上运用付利叶敏感型检验法计算相关性较好的一些参数计算敏感度指标值，分析其对输生成果的影响程度，即模子输由成果对参数的敏感性.SWA

47、T模子采取后者停止参数敏感性分析计算.当模子的布局和输入参数初步确定后，需要对模子停止参数校准和验证.通常将所使用的资料系列分为两部分:其中一部分用于模子参数校准，而另外一部分则用于模子验证.参数校准是模子验证的重要一步，他可以揭露模子在设计和执行过程中的缺陷，在不克不及或者难以获得需要的参数值时，参数校准是相当有用的.尺度的参数校准过程是寻找实测和预测状态的细微不同，并通过统计的泥洞度来衡量模子的适用性.当模子参数校准完成后，应用参数校准数据集意外的实验数据或者现场观测数据对模子摹拟值停止对比分析与验证，以评价模子的适用性.为证明一个颠末校准了得模子是否可使用，可以用分歧于校准的数据来停止验

48、证.在SWAT摹拟中，可以选择相对误差Re相关系数R2和Nash-Suttcliffe系数来评价模子的适用性.相对误差计算公式为：式中：氐为模子摹拟相对误差；为摹拟值；U为实测值.若底为正值，说明模子预测或摹拟值偏大；若以为负值，模子预测或摹拟值偏小；若心。，则说明模子摹拟成果与实测值正好吻合.相关系数计算公式为：式中：Q。为实测值；Q口为摹拟值；Q哪为平均值；n为实测数据个数.决议系数是实测值与摹拟值做线性回归得到，暗示二者之间的线性关系，用于评价二者之间的吻合程度.如果网=1,暗示观测值与摹拟值呈完全线性关系，完全吻合；如果0V回1,暗示摹拟值与实测值有一定的线性相关性，其值越大线性相关性

49、越好；如果值无任何线性关系.=0,说明摹拟值与实测Nash-Suttcliffe系数九的计算公式为：式中：Q。为实测值；Qp为摹拟值；Q暝为平均值；n为实测数据个数.当QQp时，工|；若%!为负值，说明模子摹拟平均值比直接使用实测平均值的可托度更低.swat模子的校准一般分为水平衡和河流流量、泥沙、营养物质校准等.在SWAT模子中，产水量是指分开子流域，并在子流域由口汇入河流的水量，是地表径流、根区侧向流和地下水径流减去子流域渠道输移损失和水池分离后的水量.泥沙产量是指从子流域到达由口的泥沙量，是子流域由口处丈量到的泥沙量.(1)径流验证径流校准采取数字滤波技术将实测径流分割为直接径流和基流两部分，然后分别对直接径流和基流停止校准.先对基流停止校准，对于基流校准调整的参数包含：地下水再蒸发系数REVAP、土壤蒸发抵偿系数BSCO、土壤可操纵水量SOLMVC和基流皿瓜系数,在基流校准达到尺度时，对直接径流停止校准，调整的参数为径流曲线数其调整范围为初始值的根据分歧HRU的C*值，计算得其面积平均初始值，最终使总径流量得到较好的拟合.(2)泥沙负荷验证泥沙摹拟校准包含：针对分歧土地操纵方式，调整M