高等水文学九章lswat

主要主要内容概概SWATSWATistheacronymforandWaterAssessment美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的适用于流域尺度的水文模型主要开发人员：JeffSWAT的研发目标评价不同的土SWAT的研发目标评价不同的土地管理措施对流域产流、能够用于较大的流域及复杂的下垫面条件各种土壤、土地利用类型及农业管理措的组要求：实用性和物理性的协调SWAT模型的发展SWAT模型的发展历史SWAT的前身：SWRRB，SimulatorWaterinRural与SWAT的发展有密切关系的几个模型CREAMS:Chemicals,Runoff,andErosionfromAgriculturalManagementSystemsGLEAMSGroundwaterLoadingEffectsonAgriculturalManagementSystems，其杀虫剂模型被引入到SWATEPICErosion-ProductivityImpactCalculator，其作物模还有很多其他模型的方程被引入到SWATSWAT模型的构成杀虫模日降水水文模作物生模ROTO模模SWIM模模模模模SWAT模型的构成杀虫模日降水水文模作物生模ROTO模模SWIM模模模模模改河道水质模模SWAT模型的发展历史SWAT是20世纪90年代开发完SWAT模型的发展历史SWAT是20世纪90年代开发完成的，经SWAT94.2：水文响应单元管理措施中增加自动施肥、自动灌溉选项，冠层截留，CO2的模拟，P-M公式等SWAT98.1：融雪模型，河道内水质模千年虫（表示年的变量的位数由2位升至4位），城市化地区的水文模型（SWMM）基基本原理空间离散SWATSpatial空间离散SWATSpatialUplandProcessesChannel/FloodPlain空间离散空间空间离散空间离散方式流域首先被划分为坡面(landphase)和演进(routingphase)两大部分，演进部分按照水力联系，以河网为基础，组合水库、子河网等部件，构成所有生物地球化学物质（水、泥沙、农业化学物质、细菌等）共同演进的主干线路，坡面部分在降雨和人类活动的驱动下，产生径流、泥沙和农业化学物质，以侧向入流的形式提供空间离散空间离散坡面部分空间离散-水平方向空间离散子流空间离散子流域划分：可局部加密空间离散水文响应单元Units空间离散水文响应单元UnitsHRUs)一个子流域可以有一个HRU，也可以有如子流域有多个HRUs，则针对每个空间离散水文响应单元土地利用空间离散水文响应单元土地利用子流域划分空间离散水文响应单元51%Pasture–Silt16%Forest–Sandy5%-Agriculture-Silt空间离散水文响应单元51%Pasture–Silt16%Forest–Sandy5%-Agriculture-Silt空间离散空间离散坡面部分空间离散-垂直方向冠层vegetation根区(rootzone)和非饱和区(vadosezone,unsaturatedzone)：进一步划分为若干土壤层soillayer浅层地下水shallowaquifer(unconfined深层地下水deepaquifer(confined坡面垂向结构和水文过程HydrologicEvaporationandPrecipitation SurfaceLateralFlowRootInfiltration/plantuptake/SoilmoistureredistributionVadose(unsaturated)ZoneRevap坡面垂向结构和水文过程HydrologicEvaporationandPrecipitation SurfaceLateralFlowRootInfiltration/plantuptake/SoilmoistureredistributionVadose(unsaturated)ZoneRevapfromshallowaquiferPercolationtoshallowShallowAquiferConfiningLayerDeep(confined)AquiferFlowoutofRechargetodeep坡面垂向结构和水文过程陆面水文过程汇根系不饱坡面垂向结构和水文过程陆面水文过程汇根系不饱和浅含水深含水Bauwens,过程描述物质过程描述物质运动过程描述坡面水文过程描述根区的水量平衡方程SWtSW0tday坡面水文过程描述根区的水量平衡方程SWtSW0tdayQgwSW0—第i天土壤初始含水t—时间Rday—第i天的降水量—第i天地表产流量Ea—第i天蒸腾量—第i天从不饱和区进入浅层地下水量—第i的侧向壤中回归流，即土壤水产流量坡面水文过程描述浅层含水层的坡面水文过程描述浅层含水层的水量平衡方程aqsh,iaqsh,i1wrevapwdeep深层含深层含水层的水量平衡方程 aqdp,i1wdeepwpump,dp坡面水文过程描述坡坡面水文过程描述坡面水文过程降水：降水可被植被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,或者经由地下路径缓慢流入冠层蓄水:SWAT有两种计算地表径流的方法。当采用Green&Ampt模型时需要单独计算冠层截留。计算主要输入为:冠层最大蓄水量和时段叶面指数(LAI)。当计算蒸发时,冠层水首先坡面水文过程描述坡面水文坡面水文过程描述坡面水文过程下渗:计算下渗考虑两个主要参数初始下渗()Gren&mpt,C:trertg当一个土层中的蓄水量超过田间持水量,,rt。坡面水文过程描述坡面水文过程蒸散发坡面水文过程描述坡面水文过程蒸散发蒸散发包括水面蒸发、裸地蒸发和植被蒸腾。侧向壤中流:进入河道的壤中流lateralsubsurfacefloworinterflow发生在地表和饱和区之间，与根区kinematicstoragemodel模拟，该模型考虑到水力地表径流SWAT模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量。地表径流量的计算可用SCS曲线方法或Green&Ampt方法计算。洪峰流量用Rational坡面水文过程描述坡面水文过程池塘池塘是子流域内坡面水文过程描述坡面水文过程池塘池塘是子流域内截获地表径流的蓄水结构。池塘被假定远离主河道,不接受上游子流域的来水支流河道SWAT在一个子流域内定义了两种型的河道主河道和支流河道。支流河道不接地下水，流向主河道。支流河道被用来计算流域的汇集时间(timeofconcentration)。10.地下径流:SWAT将地下水分为两层:浅层地下水和深层地下水。浅层地下径流汇入流域内流;深层地下径流汇入流域外河流坡面土壤侵蚀描述土壤侵蚀由降雨和径流引起的土壤侵蚀计算利用MUSLE模型(ModifiedUniversalSoilLossEquation)Williams,1975)计算。11.8q坡面土壤侵蚀描述土壤侵蚀由降雨和径流引起的土壤侵蚀计算利用MUSLE模型(ModifiedUniversalSoilLossEquation)Williams,1975)计算。11.8qQKCP－一天内的产沙sur－一天内的地表径流量，(mmpea•－峰值流量r－水文响应单元的面积EC•－USLE方程中的作物经营管坡面氮运动过程NitrogenAtmosphericNfixation(lightningarcdischarge)manures,andSoilOrganicNO-+43坡面氮运动过程NitrogenAtmosphericNfixation(lightningarcdischarge)manures,andSoilOrganicNO-+43ammonium坡面氮运动过程坡面氮运动过程坡面磷运动过程Phosphorusmanures,wastesandsludgeandsludge坡面磷运动过程Phosphorusmanures,wastesandsludgeandsludgeSoilOrganicAdsorbedandfixedFe,Al,Ca,and坡面磷运动过程坡面磷运动过程坡面杀虫剂运动过程PesticideFoliarSurface坡面杀虫剂运动过程PesticideFoliarSurface作物生长模型作物生长1.生物模型：物种数据库提供参数2.作物生长模型：LAI和作物高度随累积热3.作物生长模型作物生长1.生物模型：物种数据库提供参数2.作物生长模型：LAI和作物高度随累积热3.潜在生物量模型：拦截的太阳辐射通过光4.根系生长模型：总生物量按一定比例分配5.实际生长模型：受水，气温，氮和磷等的6.产量：收获指数法作物生长模型PlantYieldHarvestIndex–WaterStressResidue–CoverandOptimum作物生长模型PlantYieldHarvestIndex–WaterStressResidue–CoverandOptimumRadiationInterceptionLAIRadiationUseEfficiencyWater,Temperature,NitrogenResidue–CoverandNutrientsWater,NitrogenPhosphorusRoot演进部分水文过程演进部分的水文过程主河道演算演进部分水文过程演进部分的水文过程主河道演算水库演算演进部分水文过程洪水演算进行洪水演算时，若水流向下游演进部分水文过程洪水演算进行洪水演算时，若水流向下游其一部分被蒸发和通过河床流失另一演进部分水文过程水库演算水库水量平衡包括演进部分水文过程水库演算水库水量平衡包括入流、出流、降在计算水库出流时SWAT提供三种输入实测出流数对于小的无观测值的水库,需要规定一个出流对于大水库,需要一个月调控目特特SWAT模型的特点具有物理基础SWAT模型的特点具有物理基础物理性使得SWAT可以应用于PUB物理性使得SWAT分布式：子流域、水文响应单元所需要的输入容易获得：采用政府机构公开数据库，基本的输入数据很容易获取SWAT模型的特点计算效率SWAT模型的特点计算效率比较高计算时段：天，不适合次洪过程模拟可以进行较长时段的模拟，如20有较好的输入输出界面，并与GIS结合适用于较大的流域:100-能够处理多种土地管理措施：农业管理农农业管理措施种植和收获：时间和方对象：农作物、草、树种植：播种or收割/放牧/剪除：是否秸秆还化肥和农药：种类、施量及时耕种(tillage)：使作物残余、养分、农药和细过滤带(filterstrip)：控制污染物、细菌等的流水管理措施灌溉水管理措施灌溉瓦管排水(tiledrainage):埋置深度等洼地：用于模拟稻田、cranberry等水生调水和消耗性用水：前者是水的转移，后点源污染：与河道相关联城市城市污染物的buildup/wash街道清洁SWMM(StormWaterManagementModel)：重在城市化模模型运行模型结构降降降灌雪地表径流输移损失河池塘/水库调蓄土壤水运动(10层池塘/水库蒸发灌池塘/水库出流池塘/水库下渗浅层地下水渗灌渗回归潜水发深层地下灌流向近处的河道或水库输移损灌溉引壤中植物腾土壤蒸土壤储入融模型结构降降降灌雪地表径流输移损失河池塘/水库调蓄土壤水运动(10层池塘/水库蒸发灌池塘/水库出流池塘/水库下渗浅层地下水渗灌渗回归潜水发深层地下灌流向近处的河道或水库输移损灌溉引壤中植物腾土壤蒸土壤储入融运运行控运运行控运行控制运行控制模模型的输入模型模型的输出SWAT模SWAT模型的应SWAT启动SWAT启动主界面主界面DEM设置DEM设置DEMDEM投投生成生成河道河道河道及出口划分子流域划分子流域子流域子流域土地土地利用图设置土地利用图土地利用图土壤类型图设置土壤类型图设置土壤类型图土壤类型图HRU（水文响应单元HRU（水文响应单元SWATSWATView气象站和雨量站气象站和雨量站模型数据库模型数据库数据库文件数据库文件其他设置其他设置子流域参数输入子流域参数输入其他设置其他设置运行界面运行界面运行结果运行结果潘家口水库上游地潘家口水库上游地区面源污染计算潘潘家口水库上游面源污染计算SWAT模型的输入数据GIS数据气象数据潘潘家口水库上游面源污染计算坐标投影CustomAlbersEqual-Area椭球体：中央经线：东经171.25参考纬度：北纬41.5标准纬线1：北纬41度纬标准纬线2：北纬42度纬北偏移0东偏移0流域流域DEM面源污面源污染产出的空间分布特性对三个水平年（2000年、2010年和2020年）在不同降雨条件下（丰水年、平水年、枯水年和特枯年）的进入潘家口水库的水量、泥沙量以及非点源和点源共同造成的污染负荷量进行模拟计算，针对水量、泥沙、总氮、总磷、氨氮和进行了模拟计算，得出不同时期进入潘家口水库的污染负荷量和负荷浓度。1998年1998年各子流域内产流量及各河段流量199819981998年1998年各子流域ORG_N的产出量和河道输出量1998年1998年各子流域NO3_N的产出量及各河段的输出19981998水平年2000水平年2010水平年2020不同时期进库流量比进库流量比不同时期进库流量比全汛期6-9非汛全汛期6-9非汛全水平年2000水平年2010水平年2020不同时期进库流量比进库流量比不同时期进库流量比全汛期6-9非汛全汛期6-9非汛全汛期6-9非汛全汛期6-9非汛不同水平年潘家口水库逐月入库流量7丰水7平水7枯水7特枯14141414不同水平年潘家口水库逐月入库流量7丰水7平水7枯水7特枯14141414不同水平年逐月入库泥沙量1359135913591359丰水枯水不同水平年逐月入库泥沙量1359135913591359丰水枯水1357911357911359113579丰水平1357911357911359113579丰水平水枯水特枯不同水平年逐月入库总磷1379113791137911379平水枯水不同水平年逐月入库总磷1379113791137911379平水枯水不同水平年逐月入库氨1379113791137911379丰水平不同水平年逐月入库氨1379113791137911379丰水平水枯水特枯不同水平年不同水文年的逐月BOD入库过程线不同水平年逐月入库BOD147147147147丰水枯水特枯不同水平年不同水文年的逐月BOD入库过程线不同水平年逐月入库BOD147147147147丰水枯水特枯不同水文年潘家口水库出流总氮浓度丰平不同水文年潘家口枯出流总磷浓度（2000）特丰平4080061237891011123456789浓度浓度不同水文年潘家口水库出流总氮浓度丰平不同水文年潘家口枯出流总磷浓度（2000）特丰平4080061237891011123456789浓度浓度不同水文年潘家口水库出流氨氮浓度（2000）丰平不同水文年潘家口水库出流BOD浓度（2000）特丰特1 35678910111234567891011浓度浓度不同水文年潘家口水库出流氨氮浓度（2000）丰平不同水文年潘家口水库出流BOD浓度（2000）特丰特1 35678910111234567891011浓度浓度子流域划分子流域划分选取河道阈值面积为1500公顷，则由SWAT自动将竹竿河流域划分为34个子流域：雨雨1996参数校地表基总径流月径月平均泥沙实测模拟相对误差1998参数验1996参数校地表基总径流月径月平均泥沙实测模拟相对误差1998参数验地表基总径流月径月均泥沙泥沙实测模拟相对误差逐月水量和年泥沙校核结果050 逐月水量和年泥沙校核结果050 0545679047894ob689 04 90545679047894ob689 04 9为了了解面源污染在空间分布特点，根据竹为了了解面源污染在空间分布特点，根据竹竿河流域的地貌不同特点，将该流域分为山区、丘陵区和平原区三个分区，如下图所示：平均高程（面积（百分平丘山泥沙（总氮（总磷（平丘山泥沙（总氮（总磷（平丘山平不同水平年汛期和非汛期污染负荷量分配比较泥比总比总比氨比比总汛非汛期总汛非汛期不同水平年汛期和非汛期污染负荷量分配比较泥比总比总比氨比比总汛非汛期总汛非汛期总汛非汛期不同水平年竹竿铺站汛期和非汛期污染物浓度比总总氨平汛非汛平不同水平年竹竿铺站汛期和非汛期污染物浓度比总总氨平汛非汛平汛非汛平汛非汛总SWAT总SWAT模型是在国外数据条件下构建的。因此在应用时需对模型的数据库部分进行修改特别需要建立用户自己的农业管理等方面的研究,是一个综合性流域水文模型。Swat2000.pdfSwatav2000.pdfSwatuserman.pdfCHAPTERCHAPTERINTRODUCTIONPART1:MODELSECTION1:CLIMATECHAPTEREQUATIONS:ENERGYCHAPTEREQUATIONS:ATMOSPHERICWATERCHAPTER4EQUATIONS:WEATHERGENERATORCHAPTER5EQUATIONS:CLIMATECUSTOMIZATIONSECTION2:HYDROLOGYSECTION2:HYDROLOGYCHAPTER6EQUATIONS:SURFACERUNOFFCHAPTEREQUATIONS:EVAPOTRANSPIRATIONCHAPTER8EQUATIONS:SOILWATERCHAPTEREQUATIONS:GROUNDWATERSECTION3:SECTION3:CHAPTER10EQUATIONS:NITROGENCHAPTEREQUATIONS:PHOSPHORUSCHAPTER12EQUATIONS:PESTICIDESSECTION4:EROSIONCHAPTERSECTION4:EROSIONCHAPTER13EQUATIONS:SEDIMENTCHAPTEREQUATIONS:NUTRIENTTRANSPORTCHAPTER15EQUATIONS:PESTICIDETRANSPORTCHAPTER16EQUATIONS:WATERQUALITYPARAMETERSSECTION5:LANDCOVER/PLANTCHAPTEREQUATIONS:GROWTHCYCLECHAPTER18EQUATIONS:OPTIMALGROWTHCHAPTER19EQUATIONS:ACTUALGROWTHSECTION6:MANAGEMENTSECTION6:MANAGEMENTCHAPTER20EQUATIONS:GENERALMANAGEMENTCHAPTEREQUATIONS:WATERMANAGEMENTCHAPTEREQUATIONS:URBANAREASSECTION7:MAINSECTION7:MAINCHANNELCHAPTER23EQUATIONS:WATERROUTINGCHAPTEREQUATIONS:SEDIMENTROUTINGCHAPTER25EQUATIONS:IN-STREAMNUTRIENTPROCESSESCHAPTEREQUATIONS:PESTICIDESECTION8:SECTION8:WATERBODIESCHA