SWAT模型培训综合培训课件

自我介绍1976年10月陆垂裕，出生于湖北省黄石市1995~1999武汉水利电力大学，本科，

农田水利1998~2001武汉大学，硕士，

水利水电工程2001~2004武汉大学，博士，

水利水电工程2004~2006中国水科院，博士后，水文水资源2006~至今

中国水科院，水资源所，高工研究领域：土壤水/地下水，地表/地下水质，行业软件开发，水文模型等1SWAT模型培训综合8/23/2024讲义提

纲水文科学发展简述SWAT模型简介SWAT主要水循环模拟方法详解SWAT的主要物质循环模拟简介SWAT的输入输出SWAT的软件界面SWAT的参数敏感性分析、自动率定等SWAT应用研究示例讲解基于SWAT原理改进的水循环模拟模型MODCYCLE2SWAT模型培训综合8/23/2024自我介绍联系方式：中国水利水电科学研究院水资源所北京市复兴路甲1号A座920室QQ：63711279手机：136010816493SWAT模型培训综合8/23/2024水文/水循环模型研究简述4SWAT模型培训综合8/23/2024水文科学发展简述

国际上，特别是西方认为以17世纪进行的有史以来首批重要水文量测为标志，作为科学水文学的开始。这些量测是：PierrePerrault的塞纳河流域降雨、蒸发和毛管势量测；EdmeMariotte的塞纳河流量量测；EdmondHalley的地中海蒸发和流量量测等等。5SWAT模型培训综合8/23/202418、19世纪主要在水力学试验研究方面发展1856年HenryDarcy通过渗透试验得出水在多孔介质中的渗透定律，即著名的达西公式；1863年J.Dupuit以Darcy公式为基础提出了Dupuit假设，为开采井的稳定流计算奠定了基础1880年雷诺根据试验提出了针对流体力学的雷诺公式；1889年曼宁提出了明渠稳定流公式；

进入20世纪初水文学科开始快速发展40年代以前：水文要素实验和理论研究入渗：1911年,Green-Ampt建立了饱和入渗理论公式，至今应用仍然很广泛；蒸发：1926年,Bowen提出第一个理论公式，其中将蒸发通量的潜热和能量通量的感热通过一个比值联系起来，这就是著名的波温比。这是脱离经验公式的显著进步。6SWAT模型培训综合8/23/2024非饱和水分运动：

1907年，Burkingham引进毛管势概念，即土壤水基质势概念，建立非饱和水分运动的理论基础；

1931年，Richards建立控制非饱和土壤水的等温输送的基本方程，提出一种量测土壤水基质势的方法，并且研究了土壤水运动的滞后现象。饱和地下水分运动：

1935年C.V.Theis（泰斯）提出了地下水向承压水井运动的非稳定流公式，开创了现代地下水运动理论的新纪元；河川径流：1907年，Hoyt发表了流速仪测流的经典专著，总结了用流速仪测流的实践经验。降雨产流：

1933年，Horton提出降雨产流的入渗理论，开始了对陆面通量的从经验向推理的过渡；

1932年，Sherman提出流域响应的单位线方法。两者结合形成完整的流域水文推理和计算体系，开创了流域水文的定量途径。7SWAT模型培训综合8/23/202440～60年代：应用水文学全面发展河道洪水演算：

1939年，McCarthy提出Muskingum洪水演算方法（水文学法）；

1941年，Meyer提出Lag和route方法（槽蓄方程，水文学法）；

1951年，Hayami提出扩散相似法…（扩散波方程，水力学法）流域汇流：

1945年，Clark提出在等流时线基础上，通过一个概念性蓄水单元调蓄，建立单位线的推理方法，开创了单位线的理论研究时期。

蒸发：蒸发研究更系统，更具理论价值。

1935，1948年，Thornthweite对蒸发估算的改进；

1948年，Penman提出潜在腾发概念及潜在腾发估算的混合公式；

1948年开始，Budyko发表关于蒸发的系列文章。8SWAT模型培训综合8/23/202460～80年代：流域产流试验研究1963年，Hewlitt和Hilbert的排水期斜坡土壤水分和能量实验1969年，Betson的暴雨径流产流面积实验1970年，Dunne和Black的小流域透水土壤产流实验这些研究大大丰富了对流域产流过程的认识，提出了若干不同于Horton产流入渗理论的降雨产流机制，并突出认识到流域部分面积产流概念和山坡非饱和水分侧向运动的重要作用.70年代以后：水文学进入模型计算时代地下水数值模型1988年，MODFLOW（美国）流域水文模型1977年，新安江模型（中国）1979年，TOPMODEL（纽芬兰）1986年，SHE模型（英国、法国、荷兰联合开发）9SWAT模型培训综合8/23/2024本世纪前半叶：水文测验积累水文资料工程实践积累经验和问题本世纪后半叶：水文研究山坡水文实验流域水文模拟计算机出现10SWAT模型培训综合8/23/2024水循环的各个子系统大气环流系统地表水系统土壤水系统地下水系统11SWAT模型培训综合8/23/2024气象学领域地表水文学领域农田水利学领域地下水文学领域大气环流系统地表水系统土壤水系统地下水系统各个学科领域对应的水循环子系统12SWAT模型培训综合8/23/2024水循环研究的目的

生产实践中与水循环有关的各种问题：天气预报降雨时间？降雨量？降雨范围？气候变化干旱化？湿润化？防洪调度降雨径流关系？洪峰流量？洪峰移动速度？泥沙淤积冲淤平衡流量？河道输沙量？水力发电上游来水量？来水过程？气象学地表水文学13SWAT模型培训综合8/23/2024农田灌溉灌溉方式？灌溉制度？土壤盐渍化埋深控制？排水沟间距？大坝、基坑防渗/排水渗透压力？减压控制？地下水水源地开发开采井间距？开采总量控制？海水入侵咸/淡界面位置？平衡关系?农田水利学地下水文学14SWAT模型培训综合8/23/2024流域水文/水循环模型优势：各种水文过程统一模拟的平台，使人们可以站在流域整体视角研究各种水文过程的综合影响降雨/蒸发、产流、河网汇流、土壤水运动、地下水运动15SWAT模型培训综合8/23/2024流域水文/水循环模型中国10大一级流域分区流域：由分水线所包围的河流集水区16SWAT模型培训综合8/23/2024流域水文/水循环模型淮河流域淮南市淮河干流17SWAT模型培训综合8/23/2024土壤水模拟产流、入渗、渗漏、蒸发问题地下水模拟河道基流问题地表水模拟数字高程流域划分、汇流路径问题河道洪水演进问题地下水运动土壤水运动降水入渗蒸散水文过程地表径流汇流流域出流流域层面上的统一18SWAT模型培训综合8/23/2024水资源研究方面的需求水资源评价水资源开发利用评价重点：“四水转化”规律反演及水平衡分析水文研究方面的需求：防洪、径流预测重点：产汇流计算，洪水过程模拟

流域水文模型的应用层面19SWAT模型培训综合8/23/2024概念性：斯坦福模型，1966

水箱模型，1967

新安江模型，1977

…

物理性：Freeze模型，1971SHE模型，1986TOPMODEL，1979WEP，2001

…

流域水文模型20SWAT模型培训综合8/23/2024

流域水文模型水箱模型(TANK)顶层水箱：模拟地表径流，设置２～３个出流口第二层水箱：模拟壤中流第三层水箱：模拟地下径流１、水箱结构21SWAT模型培训综合8/23/2024

流域水文模型水箱模型(TANK)①以水箱作为蓄水容器，将降雨径流过程模拟为若干水箱的调蓄作用；②模型结构简单，而且不定，水箱个数和孔数等均可以改变，参数值也不受物理概念的约束，所以适应性好，在湿润地区易于取得成功；③模型的物理概念不是直接的，没有明确的土壤含水量的概念，参数多且没有一个客观的数学方法来描述，主要依靠试错法来确定参数；④由于线性水库的出流没有洪峰滞时，所以计算的出流过程需要作一定时间的滞后才能与实测出流过程相符，这就相当于河网汇流。22SWAT模型培训综合8/23/2024

流域水文模型新安江（三水源）模型河海大学赵人俊提出的一个水文模型，是中国少有的一个具有世界影响力的水文模型。三水源指按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。适合于湿润地区与半湿润地区水文模拟。23SWAT模型培训综合8/23/2024

流域水文模型24SWAT模型培训综合8/23/202425

流域水文模型MIKE-SHE圣-维南方程组SWAT模型培训综合8/23/2024

分布式物理基础模型主要依据物理定律，其参数都是明确的物理量，可直接测定。但对模型输入信息质量和数量有较高要求，计算成本较高，一般较难满足。同时对复杂的应用条件(如人类活动)难以适应，计算效率不高；

概念性模型计算原理简单，相对灵活，但主要参数只有抽象意义，物理意义不强，多数需要反复调算和率定。另外对具体水循环过程刻画不足；概念-物理相结合的半分布式模型？概念性模型和分布式模型优缺点26SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT模型简介（SOILANDWATER

ASSESSMENTTOOL）27SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT简介开发者:

Dr.JeffArnoldfortheUSDAAgriculturalResearchService(ARS)-美国农业部农业研究局应用方向: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特点：属于物理－概念结合的模型，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；适合于长时间尺度的水文循环和物质循环研究，而非短时期水文预报；适合于宏观尺度的模拟；28SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT简介不仅模拟水循环过程，还能以水循环为载体，研究水土流失、营养物质输移、农药、病原菌等物质循环过程；能够灵活处理资料缺失问题。具有强大的模型数据库，除地形和土地利用等少量基本数据资料外，很多参数，如作物相关参数、土壤参数等可直接选用备用数据；分布式计算，先将流域分成子流域，子流域内继续细分水文响应单元（HRU），单独研究每个水文响应单元的内部循环，并在子流域进行累计汇总，再通过河网对子流域进行有机连接以模拟地表汇流，计算效率很高29SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT开发历史前身：SWRRBmodel(SimulatorforWaterResourcesinRuralBasins)(Williamsetal.,1985;Arnoldetal.,1990)该模型为美国农业部的三个模型的集成成果：CREAMS2

(Chemicals,Runoff,andErosionfromAgriculturalManagementSystems)(Knisel,1980)；(PS:农业管理系统中的化学作用、径流和土壤侵蚀）EPIC4

(Erosion-ProductivityImpactCalculator)(Williamsetal.,1984).(ps:土壤侵蚀和生产力影响估算模型）GLEAMS3

(GroundwaterLoadingEffectsonAgriculturalManagementSystems)(Leonardetal.,1987)(ps:农业管理系统对地下水的负荷影响）30SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT开发历史SWRRB（SimulatorforWaterResourcesinRuralBasins）初始时直接源于CREAMS模型的修正，扩展以下功能：

1)多个子流域同时演算；2)地下水基流计算；

3)水库蓄滞计算;4)气象模拟与插值；

5)提高洪峰模拟精度；6)EPIC植物生长模型；

7)简单的洪水演算模块；8)流域产沙及运移；

9)考虑地表径流传输损失

80年代末，又针对污染物运移模拟进行了增强，包括：

1)借鉴GLEAMS模型的农药循环;2)增加SCS曲线法模拟产流过程；

3)更新产沙计算公式；31SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT开发历史SWRRB的主要问题：1、SWRRB最多只能模拟10个子流域，适合于几百平方公里面积的模拟，如面积太大(几千平方公里以上)会影响模拟精度；2、各子流域的产出直接输出到流域出口，无河道循环过程ROTO

(RoutingOutputstoOutlet)在80年代末期美国印第安事务局研究亚利桑那州和新墨西哥州的印第安保留区水管理对下游影响评估时开发的，是个单独的连接程序。初始开发时的目的是把多个SWRRB的输出连接起来，并进行河道循环演算。后来发现虽然效果很好，但SWRRB和ROTO分别独立运行很不方便，于是进行整合。SWAT=SWRRB+ROTO32SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT开发历史

版本进展：

SWAT90:第1版，融合SWRRB和ROTO；

SWAT94.2：子流域划分多个水文响应单元；

SWAT96.2：自动施肥、自动灌溉、作物模型考虑CO2作用、

Penman-Monteith、河水演进中考虑水质、农药传输过程；

SWAT98.1：放牧活动、有机肥料、暗管排水、

SWAT99.2：重金属、城市尘埃的沉积、冲洗；

SWAT2000：微生物运移、Green-Ampt模型、气象发生器、无限水库模拟、马斯京根法

SWAT2005：气象情景预测、日降雨细化分布

SWAT2009：…源代码和正式文档近期已经发布33SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT流域模拟结构可选可选水库也在河网系统内34SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT子流域划分及河道系统35SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的概念性和物理性概念性：1、模拟结构的概念性全流域/区域子流域水文响应单元，松散耦合物理模型：网格、地形单元等，强耦合2、模拟方法的概念性降雨/灌溉入渗：SCS、Green-Ampt

土壤水模拟：概念性的分层下渗模型，田间持水度地下水：均衡模式，不考虑侧向径流地表水：河槽蓄量法、马斯京根法物理模型：Richard方程、运动波/动力波方程、地下水动力学方程物理性：水循环各过程刻画比较全面和贴合实际，几乎所有的实际物理水文过程均有模型计算过程对应36SWAT模型培训综合8/23/2024水文响应单元？1、代表了流域的下垫面2、是集合体的概念土地利用+土壤类型+管理方式草地(30%)麦田(50%)林地(20%)灰潮土(70%）红壤土(30%）林地-红壤土(20%)草地-灰潮土(30%)麦田-红壤土(30%)麦田-灰潮土(20%)子流域雨养灌2水灌3水林地-红壤土-雨养(20%)草地-灰潮土-雨养(30%)麦田-红壤土-灌2水(30%)麦田-灰潮土-灌2水(8%)麦田-灰潮土-灌3水(12%）划分结果：全子流域5个水文响应单元37SWAT模型培训综合8/23/2024340个子流域，16种土地利用，28种土壤，共分出2711个水文响应单元38SWAT模型培训综合8/23/2024同一HRU子流域39SWAT模型培训综合8/23/20241、单个水文响应单元用一维土柱模拟土壤水及作物过程2、水文响应单元相互独立，无空间联系，不发生水分交换40SWAT模型培训综合8/23/2024与全分布式模型的区别基于网格的全分布式水文模型->MIKE-SHE单元格一维非饱和渗流模型饱和流动模型地表水模型41SWAT模型培训综合8/23/2024两阶段的水文过程模拟

第1阶段：陆面过程，控制每个子流域水、泥沙、营养物微生物等的内部循环转化过程，并产出到主河道42SWAT模型培训综合8/23/2024两阶段的水文过程模拟

第2阶段：河道演进过程，模拟水、泥沙、营养物等通过河道演进直到流域出口

43SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT水循环模拟路径陆面过程河道过程水文响应单元主河道池塘/湿地浅层地下水深层地下水44SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT主要水循环模拟方法详解45SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT主要过程模拟1、大气水过程

2、土壤水过程

3、地下水过程

4、地表水过程

5、植物生长过程

6、土地与水分管理7、泥沙过程

8、营养物迁移过程

9、农药迁移

10、重金属迁移

11、病原菌迁移水循环过程原理物质循环过程原理+46SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水过程大气水主过程2、气象站点与子流域的关系1、SWAT对气象数据的管理五大气象要素分开管理：降水站、气温站、湿度站、辐射站、风速站采用类似泰森多边形的方法，子流域所用的气象数据来自与其形心距离最近的气象站47SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水过程气象发生器（WEATHERGENERATOR）？作用：1、实际日序列气象数据有缺失时气象发生器可填补之2、气象资料缺乏时可用气象发生器模拟的气象数据替代3、用于情景方案计算时的气象模拟预测4、降雨过程的日内分布预测，用于Green-Ampt法计算产流-入渗

根据长测站气象数据的统计规律按照某种随机模拟方法产生日气象数据的计算模块，五大气象要素：降雨、气温、日平均相对湿度、日辐射、日平均风速都能随机生成局限：必须提供气象站气象数据的统计特征值48SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水过程单个气象发生器为1个长测气象站，需给出的信息包括：1、站点位置：经/纬度，高程2、站点气象数据统计特征值：

1）月最大半小时降雨的统计年数。1个数据

2）多年平均每月的日最高气温。12个数据

3）多年平均每月的日最低气温。12个数据

4）多年每月的日最高气温的标准方差。12个数据

5）多年每月的日最低气温的标准方差。12个数据

6）多年平均每月的降雨量。12个数据

7）多年平均每月的日降雨量的标准方差。12个数据

8）多年平均每月的日降雨量的偏差系数。12个数据

9）每月单日降雨之后第二天放晴的概率。12个数据

10）每月单日降雨之后第二天继续降雨的概率。12个数据

11）多年平均每月的降雨天数。12个数据

12）史上每月的最大半小时降雨量，12个数据

13）多年平均每月的日平均辐射。12个数据

14）多年平均每月的露点温度。12个数据

15）多年平均每月的日风速。12个数据1个气象发生器共需给出172个数据信息49SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水过程大气水主过程

1、降雨、降雪

2、冠层截留过程

3、积雪/融雪/升华1、降雨降雪的分离，决定于当日平均气温：降雨降雪T≥TBase?T<TBase?日平均气温降雪基温50SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水分过程（2）再根据截留能力计算冠层截留量和到达地面的雨量当天截留量前天截留量降雨量到达地面的雨量降雨量小于当天截留能力与前天截留量之差时降雨量大于当天截留能力与前天截留量之差时2、冠层截留过程(仅Green-Ampt时使用）当天的截留能力最大的截留能力最大叶面积指数当前叶面积指数（1）先算截留能力51SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水分过程（3）计算冠层截留蒸发参考作物腾发量a、潜在腾发量小于植被截留量冠层截留蒸发量当天的实际蒸腾量当天初始时的截留量当天结束时的截留量b、潜在腾发量大于植被截留量当天初始时的截留量SWAT关于蒸发的计算循序：冠层截留蒸发积雪升华土壤蒸发参考作物腾发植物蒸腾①②③④52SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水分过程参考作物腾发量计算：1、PENMAN-MONTEITH公式，5项气象数据需齐备2、PRIESTLEY-TAYLOR公式，不需要风速数据3、HARGREAVES公式，仅要最高、最低气温数据SWAT中参考作物滕发量为40cm高，最小叶面阻抗为100（Sm-1）的紫花苜蓿在供水充足条件下的腾发量植被阻抗53SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水分过程（2）融雪方程（度-日因子法）：前天的融雪量融雪因子积雪覆盖度积雪温度日最高气温融雪基温（1）积雪方程（水量平衡法）当天的积雪量前天的积雪量当天的降雪量当天的积雪升华量当天的融雪量3、积雪/融雪/升华过程54SWAT模型培训综合8/23/2024一、SWAT的大气水分过程（3）积雪升华：当天的潜在积雪升华量参考作物蒸腾量（扣除植被截留蒸发）地表覆盖指数1、当天积雪量大于潜在积雪升华量当天的实际积雪升华量当天的潜在积雪升华量2、当天积雪量小于潜在积雪升华量当天的实际积雪升华量当天的积雪量根据植被蒸腾调整潜在积雪升华量55SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程土壤水主过程

1、入渗过程

2、土表蒸发过程

3、植被蒸腾过程

4、壤中流过程

5、深层渗漏过程

6、灌溉过程土壤水量平衡：当天的土壤水蓄积量前天的土壤水蓄积量56SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程1、入渗计算两种方法可选，SCS曲线法及Green-Ampt方法1）SCS曲线法计算产流-入渗（日尺度）作用：将降雨分为入渗和地表产流两部分地表产流量降雨量初损储流参数入渗量等于降雨量减产流量57SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程2）Green-Ampt法计算产流-入渗（日内尺度，半小时或小时）当前时段累积入渗量前一时段累积入渗量有效水力传导度时段长度湿润锋界面土壤基质势湿润锋界面含水率差值需要迭代计算58SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程2、土壤蒸发量计算：当天的潜在土壤蒸发量参考作物蒸腾量（扣除植被截留蒸发）地表覆盖指数1）先算土壤潜在蒸发2）再对各土层进行潜在蒸发分配土壤潜在蒸发-埋深关系曲线单个土层潜在蒸发分配计算59SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程土壤潜在蒸发-埋深关系曲线（默认500mm蒸发深度）60SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程关键参数esco(蒸发补偿因子)对曲线的影响61SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程3）最后根据各层土壤含水率情况计算实际蒸发土层含水率低于田间持水度时含水率土层含水率高于田间持水度时含水率62SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程3、植被蒸腾(根系吸水）计算：如用PRIESTLEY-TAYLOR或HARGREAVES

公式计算参考作物腾发量，植被潜在蒸腾直接按照参考作物腾发量结合植物叶面积指数计算如用PENMAN-MONTEITH公式计算参考作物腾发量，植被潜在蒸腾仍用PENMAN-MONTEITH公式结合实际作物参数计算1）先算植物根系潜在蒸腾量63SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程2）再对各土层进行潜在蒸腾分配潜在蒸腾-埋深关系曲线单个土层的潜在蒸腾分配计算64SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程3）最后根据各层土壤含水率情况计算实际蒸腾土层含水量低于植物可利用水量的25%土层含水量高于植物可利用水量的25%植物可利用水量？为田间持水度时土壤含水量与凋萎含水量之间的差值65SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程总体积总孔隙颗粒田间持水度时水分所占孔隙凋萎系数时水分所占孔隙植物可用水所占孔隙重力水所占孔隙66SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程4、壤中流计算用类似于运动波的方法计算重力水壤中流量饱和水力传导度坡度土壤可排水的孔隙度山坡的坡长67SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程5、深层渗漏计算上层重力水向下层的渗漏用一种储量方法计算分层下渗量饱和水力传导度完全饱和时含水量田间持水度时的含水量土层的重力含水量计算时段(1天)参考下渗时间68SWAT模型培训综合8/23/2024二、SWAT的土壤水过程6、特殊土壤情况：变性土的裂隙流现象1）主要用来刻画有裂隙存在时土壤的入渗量会加大；2）SWAT计算每层土壤的裂隙体积，裂隙随含水率动态变化；3）地表产流时，只有超过土壤总裂隙体积的水量才能流走；4）进入裂隙的水量先填充最底层的土壤的裂隙69SWAT模型培训综合8/23/2024三、SWAT的地下水过程模拟特点：

1、只概念性分浅层和深层

2、只模拟水量平衡，不模拟地下水位

3、子流域之间的地下水相对独立（不考虑侧向径流）70SWAT模型培训综合8/23/2024三、SWAT的地下水过程浅层地下水主过程1、补给

2、基流

3、潜水蒸发

4、灌溉

5、耗用浅层地下水水量平衡：当天的浅层地下水蓄存量前天的浅层地下水蓄存量浅层补给量基流产生量潜水蒸发量浅层使用量(灌溉/耗用)71SWAT模型培训综合8/23/2024三、SWAT的地下水过程1、补给计算：

用系数法将来自土壤剖面的深层渗漏分为两部分，一部分为浅层水补给，剩余为深层水补给。其余渗漏量如池塘湿地渗漏、子河道渗漏、主河道渗漏则直接补给浅层地下水土壤深层渗漏量补给延迟因子前一天的土壤深层渗漏补给当天的土壤深层渗漏补给深层地下水补给比例土壤深层渗漏补给（衰减函数模拟其过程）：深层地下水补给量浅层地下水补给量72SWAT模型培训综合8/23/2024三、SWAT的地下水过程2、基流计算(衰减函数)

：前天的地下水基流产生量当天的地下水基流产生量基流衰退常数当天的总补给量基流产生时的蓄量阈值当天浅层地下水的蓄量73SWAT模型培训综合8/23/2024三、SWAT的地下水过程3、潜水蒸发潜水蒸发直接用系数法计算1）先算最大可能潜水蒸发量潜水蒸发系数参考作物腾发量2）再根据浅层地下水储量和潜水蒸发储量阈值分情况计算潜水蒸发储量阈值当前浅层地下水储量实际潜水蒸发量最大可能潜水蒸发量潜水蒸发的去向？74SWAT模型培训综合8/23/2024三、SWAT的地下水过程深层地下水主过程1、补给

4、灌溉

5、耗用深层地下水水量平衡：当天的深层地下水蓄存量前天的深层地下水蓄存量深层补给量深层使用量(灌溉/耗用)75SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程地表水过程包括三部分1、子河道传输过程；2、水库、池塘、湿地、洼地的蓄滞过程；3、主河道的水量演进过程水库和池塘/湿地的区别：

水库从属于由主河道-水库构成的河网系统，参与河网系统循环过程；池塘/湿地从属于子流域，不参与河网系统循环过程池塘/湿地水库主河道76SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程地表水的总来源：1、水文响应单元的地表产流；2、水文响应单元产生的壤中流；3、子流域浅层地下水产生的基流；77SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程子流域地表水的传输路径1、水文响应单元的地表产流先经过子河道过程，产生传输损失；2、剩余地表产流、壤中流、地下水基流一部分进入子流域的池塘/湿地，一部分进入子流域的主河道；3、池塘/湿地的出流进入子流域的主河道；78SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程子河道的传输损失计算(回归系数法)：损失后的地表产流量最小径流水量阈值损失前的地表产流量回归系数回归系数79SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程一、池塘/湿地的滞蓄过程1、入流2、降雨与蒸发3、渗漏4、出流5、耗用(仅池塘)池塘和湿地的区别:1、池塘的水可被人工耗用2、出流计算方面略有差异80SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程池塘/湿地水量平衡当前蓄量前天蓄量入流量出流量降雨量蒸发量渗漏量1）池塘/湿地入流计算：损失后的地表产流地下水基流壤中流子流域面积池塘/湿地面积池塘/湿地排水面积比例81SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程（1）水表面积计算：蓄水系数蓄水指数蓄水体积（2）降雨/蒸发计算:2）池塘/湿地的降雨/蒸发计算：当日降雨量当日参考作物腾发量蒸发系数82SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程3）池塘/湿地的渗漏量计算：饱和渗透系数4）池塘/湿地的出流量计算：池塘：目标库容控制湿地：正常库容-最大库容控制83SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程二、水库的滞蓄过程1、入流2、降雨与蒸发3、渗漏4、出流5、耗用6、灌溉水库蓄滞过程与池塘/湿地的区别:1、水库的入流为上游河道的汇流，出流为下游河道的入流；2、更加丰富的出流控制方式(日/月观测出流量、目标蓄量控制、正常库容-最大库容控制)；3、可作为水文响应单元的灌溉水源84SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程三、洼地的滞蓄过程SWAT中洼地是一种特殊的水文响应单元，主要用来模拟种植水稻而人工围建的圩垸，以及子流域内封闭的，一般不向主河道产流排水的下陷区。与池塘/湿地、水库等滞蓄水体的不同之处在于：1、洼地是水文响应单元的一种，具有土壤层结构。可以用土表能积水的水文响应单元来概括；灌溉时水量进入表层积水。2、洼地上可种植作物；3、洼地的入流和出流需指定时间；4、洼地的渗漏进入土壤层，而不是直接进入子流域的地下水系统；5、洼地的出流计算方式比较特殊85SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程洼地的出流计算：1）超蓄出流2）泄水出流（一次全部放出）3）暗管排水洼地最大滞蓄能力暗管每天的平均流量86SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程四、主河道的水量演进过程1、河道入流(上游与本子流域汇流)2、河道水面蒸发3、河岸蓄积4、渗漏5、向下游出流5、耗用6、灌溉主河道的水量平衡：87SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程河网系统描述：1、SWAT只能描述树状拓扑结构的河网系统；2、河道和水库分别有各自的编号系统河网系统描述的作用：规定河网系统各单元的计算循序246813579①②水库246813579①②主河道Fig.fig文件88SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程主河道水量循环演进计算：1、先不考虑蒸发、渗漏、河岸蓄积、引水的因素，用河槽蓄量法或马斯京根法计算出流；2、在河段的出流量进入下一个河段时，将这些水量在出流量中进行扣除以保持水量平衡SWAT对河道特征的描述：89SWAT模型培训综合8/23/2024四、SWAT的地表水过程1）河段出流计算（1）河槽蓄量法(VARIABLESTORAGEROUTINGMETHOD)；（2）马斯京根法(MUSKINGUMROUTINGMETHOD)90SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程为EPIC植物生长模型的简化版本EPIC模型：1、作物的生长基于日积累的热单位（heatunits）；2、潜在生物量的计算基于Monteith提出的方法；3、通过收获指数确定产量；4、植物生长受水分、养分胁迫和温度的影响；5、对作物生长期休眠的模拟；6、详细的根系生长模拟；7、微量营养素循环；8、植物的毒理响应；9、多种作物在同一HRU中的生长；91SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程SWAT的植物分类1、温季年生豆类氮素固持；根系生长；2、寒季年生豆类

氮素固持；根系生长；休眠过程；3、多年生豆类

氮素固持；根系深度固定；休眠过程；4、一般温季年生植物

根系生长；5、一般寒季年生植物

根系生长；休眠过程；6、一般多年生植物

根系深度固定；休眠过程；7、树木

根系深度固定；生长量与树木的年龄相关；休眠过程92SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程植物热单位理论1、植物具有可量化的热量需求，并且热量需求与成熟时间有关。2、当平均气温低于作物生长基温时作物不会生长，日平均气温中只有超过作物生长基温的那部分才对作物生长有贡献。3、作物成熟时的总热量需求为在整个作物的生长期内，超过作物生长基温的日平均温度的累加值，即潜在热单位。作物单天热单位计算：作物累积热单位：93SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程零基温热单位以零度作为计算热单位的基础，并从当年年初直到年末进行累积。对于非常大的流域，其不同地区的气候可能存在较大的差异，以至于各地区农业管理操作时间不同，如同样种玉米，河南比北京早。通过指定潜在热单位作为预定时间规则，可使管理操作发生的时间在模型中成为温度的函数。对于气候条件年际间变化较大的区域，使用热单位法，管理操作时间将由模型自动调整，无需人工干预。热单位的重要用途-用来预定管理操作发生的时间作物潜在热单位比例零积温热单位比例优点：解决需分区指定作物管理操作问题解决需分年指定作物管理操作问题94SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程作物生长计算框架：潜在生长

限制因素：水分胁迫、温度胁迫、氮素胁迫、磷素胁迫实际生长实际产量理想产量95SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程一、潜在生长模拟1、潜在生物量的增长计算2、潜在冠层高度和叶面积指数的计算3、根系的生长1、潜在生物量的增长计算：总太阳辐射量消光系数叶面积指数有效光合作用辐射当天的潜在生长量光能利用系数96SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程1）叶面积/冠层理想生长公式2、潜在冠层高度和叶面积指数的计算：2）潜在冠层高度计算公式3）潜在叶面积指数计算公式最大叶面积指数之前衰败期之后叶面积指数相对比例97SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程3、根系生长：1）根系生物量：SWAT假定发芽时的根系生物量比例定为40%，成熟时的作物根系生物量比例定为20%2）根系长度：树木/多年生植物年生植物98SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程二、实际生长修正1、水分胁迫2、温度胁迫实际蒸腾量潜在蒸腾量生长基温最优生长温度99SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程3、氮素胁迫（豆类植物从不受氮素胁迫）4、磷素胁迫（与氮素胁迫计算公式完全一致）标定因子，与植物当前实际累积吸收的氮量水平相关计算修正系数修正当日生物量增长量修正当日叶面积指数增长量100SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程三、产量收获人工参与下植物的几种命运：1、仅收获。一部分植物的生物量将作为产量从HRU上移除，产量中的营养和植物物质将视为从系统（流域）中损失，而剩余物将作为植物残余进入碳和氮磷循环。但作物仍可生长（如草场的收割）2、仅杀死。终结植物在HRU上的生长，所有的生物量将全部转变为植物残余。适用于年生的野生作物（如野草、芦苇等）3、收获并杀死。终结植物在HRU上的生长。一部分由收获指数（植物生长数据库中指定）确定的生物量比例作为产量从HRU上移除，其它的生物量将作为植物残余保存在土表中。适用于农业作物（如玉米、棉花等）101SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程收获指数的概念：

植物干物质收获量占植物地面部分总生物量的比例称为收获指数。大多数作物收获指数为0.0~1.0之间。块根作物的情况，如红薯，收获指数则可以大于1.0。当天的潜在收获指数成熟时的最大收获指数当前植物累积的热单位比例1、计算潜在收获指数102SWAT模型培训综合8/23/2024五、SWAT的植物生长过程2、计算实际收获指数认为收获指数受水分亏缺的影响当天的潜在收获指数最低收获指数水分亏缺因子水分亏缺因子：截止收获日植物累计实际蒸腾量与累积潜在蒸腾量的比值103SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理水土管理(人工干预)土地管理：1、农业种植2、作物收割（多种）3、放牧4、耕耘5、施肥（绿肥、化肥）6、施农药7、过渡带水分管理：1、灌溉2、暗管排水3、蓄滞区排水4、河道、水库之间输水5、用水消耗（水库、河道等）6、点源1、城市不透水区产流模拟2、城市区的层埃堆积和冲刷城市区水文模拟104SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理一、灌溉：1、用户指定灌溉：指定灌溉时间、灌溉水量、灌溉水源(固定）；2、自动灌溉：根据土壤水分亏缺状况进行自动灌溉。只需指定亏缺阈值、灌溉水源；过程：

1：先计算水源的可供水量，与指定的灌溉取水量进行比较，若水源的可供水量小于指定的灌溉取水量，则只用可供水量进行灌溉。

2：从HRU顶层土层至下逐一填充至田间持水度。若指定的灌溉水量超过使土壤剖面达到田间持水率的水量，多余的水量将退回水源。水源(5种，只能选一种)：主河道、水库、浅层地下水、深层地下水、流域外供水；水源标示：河道、浅层地下水、深层地下水指定子流域编号；水库指定水库编号；流域外供水无需指定标示105SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理二、暗管排水HRU可指定暗管排水选项。需要三个参数：1、暗管埋在地面以下的深度2、将土壤剖面的水分排泄至田间持水率所需的时间3、水分从暗管排泄到主河道的时间延迟暗管排水发生的条件：1、土层中存在重力水2、重力水的滞水面在排水管埋深之上滞水面高度排水管高度剖面含水率田持时含水率排水所需时间106SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理三、滞蓄区排水即洼地的排水（见洼地）四、水量传输将水从流域的任何河段和水库转移到其它任意河段和水库，需指定：1、传输水源类型（水库？主河道？)；2、传输水源位置（水库编号、子流域编号）；3、目的水源类型（水库？主河道？）；4、目的水源位置（水库编号、子流域编号）

；5、被传输的水量（将与传输水源的可供水量进行自动校核）107SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理五、用水消耗1、将水分从任何子流域的浅层地下水、深层地下水、主河道、池塘、以及水库直接移除；2、主要用来模拟工业、生活用水消耗；3、移除的水分认为离开水循环系统(人工ET？）；4、SWAT2005及以前版本只能指定年平均每月的用水消耗量。不管模拟多少年，每月的消耗量是固定的。2009版本？108SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理六、点源1、SWAT可在沿着河道网络系统的任何地点加入点源；2、点源信息可包括水量、泥沙、有机氮、有机磷、硝态氮、可溶性磷、铵态氮、亚硝态氮、重金属、细菌等数据；3、点源负荷可以基于多年平均、年、月、日时间尺度进行输入；4、主要用于模拟工业用水、城市生活用水、污水处理厂等退水行为109SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理七、农业种植1、用来指定植物的种植，或指定地表植被（如野生草地、森林）在春天时的开始生长；2、一个HRU在同一时间只能生长一种作物；3、需要以下信息：A、种植时间B、植物达到成熟时需要的总的热单位C、在HRU上种植的植物类型（7种之一，见植物分类）；D、如果不是从种子开始生长的植物，如移植的植物，还需提供移植时已经累积的生物量、叶面积指数等信息八、作物的收获（三种方式，见植物生长模型）110SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理九、放牧1、主要模拟某指定时间内植物生物量被移除，同时牲畜排泄粪便（绿肥）的过程；2、可指定放牧开始的时间、放牧持续的时间、每天被移除的生物量、每天排泄的绿肥量以及绿肥的类型。每天被践踏的生物量是一个可选输入项；4、被践踏的生物量将转化为植物残余进入氮磷循环；3、低于允许放牧的最低生物量时放牧过程可自行停止；111SWAT模型培训综合8/23/2024六、SWAT的土地与水分管理十、城市区水文1、城市区是一种特殊的水文响应单元，地表产流量和径流速度较大；2、考虑透水面积、不透水面积的比例，类似于新安江模型；3、不透水面积进一步细分为与排水系统直接联系和间接联系的；4、城市区的产流量为透水面积、不透水面积的加权平均值；5、城市区类型分5种典型，主要区别在于透水/不透水面积的比例，与排水系统直接联系/间接联系的不透水面积比例：（1）工业区；（2）商业区；（3）科研院校区；（4）交通枢纽区；（5）居民区。细分为高密度、中密度、低密度三类112SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的主要物质循环模拟简介113SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的物质循环模拟物质运移内容：1、土壤侵蚀（泥沙运移）；2、营养物(氮/磷）。包括有机/无机氮、有机/无机磷；3、农药；4、重金属；5、病原菌；6、生化需氧量、溶解氧过程：

与水循环过程类似，多数先在水文响应单元计算各种产出量（陆面过程），再输出到子流域的滞蓄水体以及河网系统进行循环过程114SWAT模型培训综合8/23/2024土壤侵蚀（泥沙运移）土壤侵蚀的概念：

土壤侵蚀指景观地貌随时间的变化被损耗的过程，包括土壤颗粒在雨滴和地表水流的侵蚀力作用下发生的分离、输移和土沉积等过程。产沙公式：修正的通用土壤流失方程（USLE）每天的产沙量地表产流量雨洪峰值流量水文响应单元面积雨水侵蚀度因子覆盖管理因子农业活动改造因子地形因子粗颗粒因子115SWAT模型培训综合8/23/2024土壤侵蚀（泥沙运移）泥沙在地表水体中的循环：主河道中：1、泥沙在主河道的沉积和冲刷；2、泥沙沉积和冲刷导致主河道的变宽和深切（可选，河道参数将会动态改变，包括坡度、河宽、河深）滞蓄水体中（池塘、湿地、水库、洼地）：1、随地表径流进入滞蓄水体2、泥沙在滞蓄水体中沉降2、泥沙在滞蓄水体中的输出116SWAT模型培训综合8/23/2024氮素的土壤循环氨氮的吸附117SWAT模型培训综合8/23/2024氮素的土壤循环有机氮无机氮植物残余腐殖质活跃态稳定态铵氮硝氮新鲜有机物土壤的氮分为两大类：1、有机氮；2、无机氮分为5个氮库：铵氮、硝氮、腐殖质(活跃态/稳定态）、新鲜有机物SWAT的土壤氮素循环模拟路径118SWAT模型培训综合8/23/2024氮素的土壤循环119SWAT模型培训综合8/23/2024磷素的土壤循环化肥收割绿肥/垃圾/淤泥绿肥/垃圾/淤泥矿化土壤有机质吸附态无机磷固持解吸吸附120SWAT模型培训综合8/23/2024营养元素的地表水体循环主河道中：1、藻类的死亡->增加有机氮和有机磷；2、藻类的生长->氮磷固持（包括铵氮、硝氮、无机磷）；3、有机氮/有机磷的底泥沉降；3、有机氮的矿化及底泥吸附态铵氮的释放->铵氮；4、铵氮的硝化->亚硝氮->硝氮；5、有机磷的矿化及底泥吸附态无机磷的释放->无机磷滞蓄水体中（池塘、湿地、水库,不包括洼地）：1、随地表径流进入滞蓄水体，并出流进入主河道2、仅考虑营养元素的沉降，不模拟转化过程；121SWAT模型培训综合8/23/2024农药循环叶面施药挥发分解冲刷入渗淋溶挥发产流带走分解地表施药122SWAT模型培训综合8/23/2024农药的地表水体循环主河道中（仅模拟一种农药）：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）123SWAT模型培训综合8/23/2024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。病原菌的运移模拟：HRU的病原菌分布：1、植物叶面；2、土壤溶液；3、吸附在土壤颗粒中1、植物叶面的雨水冲刷；2、菌群的死亡-生长(3种介质）；3、土壤溶液中细菌的淋溶（淋溶的细菌认为死亡）；4、地表产流带走；5、在地表水体中（主河道、仅水库）随水流演进，并仅考虑死亡过程124SWAT模型培训综合8/23/2024生化需氧量及溶解氧生化需氧量(CBOD)：

指水体中有机物质分解所需要的氧气的总量。可由地表径流和点源进入到河网系统，在主河道和水库中循环。溶解氧(DO)：1、复氧过程。大气复氧、藻类的光合作用、水体扰动复氧(坝体)2、消耗过程。藻类的呼吸作用、CBOD耗氧、底泥耗氧、铵氮硝化、亚硝氮硝化.1、CBOD的底泥沉降；2、CBOD的氧化分解（耗氧）；125SWAT模型培训综合8/23/2024重金属的运移重金属（允许模拟3种）：SWAT的重金属来源于点源输入。重金属运移是SWAT的物质运移模拟中唯一一个不考虑HRU因素的物质运移，仅是简单地计算随河网系统水流演进过程和物质量平衡。126SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的优缺点总结优点：1、开源模型。模型相关研究文档丰富、源代码容易获得；2、开发时间较长，比较成熟。从1990~至今20余年；3、半分布式模型。比全分布式模型易于理解和掌握，同时计算速度较快；比概念性模型更能体现水循环的物理机制，同时精度要好；4、物质循环考虑比较全面，能模拟的物质迁移种类多，应用面广；5、能够充分利用土地利用等遥感信息；6、积累了较丰富的基础数据库，如作物、农药、化肥等；缺点：1、某些水循环机理刻画不尽人意，如灌溉、潜水蒸发、地下水循环等；2、涉及的模拟方向太多，初学容易找不着北；3、没有水量平衡误差分析和物质平衡误差分析；4、模块化程度不高，源程序不易学习和修改（300多个FORTRAN源程序）；5、输入文件数量巨大，不易管理。127SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的输入输出128SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的输入文件TXT文件水文响应单元个数*5+子流域个数*6+若干点源文件和气象文件模拟控制气象数据子流域HRU水库点源参数库129SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的输出文件130SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT软件界面操作131SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用界面系统1、AVSWAT-需ARCVIEW平台支持；2、ARCSWAT-需ARCGIS平台支持；3、MAPWINDOW-需MAPWINDOW平台支持/swat/SWAT官方网站：132SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用界面系统1、ARCVIEW3.3；2、AVSWAT-2005；3、SWAT相关文档。原理说明、软件操作、输入输出说明；4、SWAT2005源码软件培训材料：133SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用界面系统1、DEM（数值高程数据）；2、土地利用GIS图件；3、土壤分布GIS图件；4、研究区的气象数据站点。模拟必备基础数据：134SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析、自动率定等135SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析问题：SWAT是一个涉及多个参数的综合水文/水循环模拟模型，针对具体的一个应用过程，各个参数对模型影响程度如何？哪些参数对模拟结果的影响最大？敏感性分析的作用：

通过合理的抽样多次试算并统计，对各参数的影响等级进行评价并排序，使用户清楚地知道影响模型模拟结果的主要参数，有利于进一步的模型调算工作。136SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析SWAT2005自带的敏感性分析工具：TheLH-OATsensitivityanalysisLH：指Latin-Hypercube随机采样方法，与蒙特卡洛法类似。将每个模型参数按其取值范围等分为N个取值区间，每次模拟时该参数按平均概率随机采样。以等分为10个取值区间计，模型运行10次，参数在每个取值区间内的采样概率为1/10.如对于土壤Ks值，其取值范围为0~100cm/hr.Latin-Hypercube随机采样过程中Ks值将被分为（0-10）、（10-20）、（20-30)、…、(90-100)共10个取值区间137SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析SWAT2005自带的敏感性分析工具：TheLH-OATsensitivityanalysisOAT：One-factor-At-a-Time。指每次模拟仅改变1个参数的值，这样便于将模拟结果的变化无偏差地归因到该参数的变化上.LH-OAT结合：每次仅对1个参数进行敏感性分析，将其按固定比例调整大小(如取值范围的5%），其他参数按Latin-ypercube采样方法随机变化，模拟m次并统计分析对模拟结果的影响，m为取值区间的个数。如对n个参数进行敏感性分析，共需m*(n+1)次模拟。138SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析共61个参数可供率定三个主要的输入控制文件：1、Senin.dat2、changepar.dat3、Responsmet.datAVSWAT界面自动选取27个固定参数进行敏感性分析（280次模拟），如有特殊要求，需自己手动修改这三个文件。139SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析LH-OAT基本参数设置Sensin.dat140SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析LH-OAT基本参数设置changepar.dat针对随机变化参数的变动方法141SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析LH-OAT基本参数设置responsmet.dat敏感性分析对象及评价方法控制。可多个对象分析。每个一行数据控制。对象编号评价方法评价方法2阈值临时文件号水质选项142SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析LH-OAT基本参数设置敏感性分析对象为进行敏感性评判的数据对象：流量(1)？产沙量(2)?有机氮(3)？有机磷(4)？…143SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数敏感性分析LH-OAT敏感性分析主要输出文件：144SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数自动率定/不确定性分析参数自动率定（参数寻优）目的：在模型各参数可行的取值范围内，寻找一套确定的参数，使得模拟值与实测值的整体差别最小。SWAT自带的参数寻优/不确定性分析方法：SCE-UA(ShuffledComplexEvolution)算法目标函数：145SWAT模型培训综合8/23/2024该算法结合了单纯形法、受控随机搜索、生物竞争进化和种群交叉等方法的优点。算法第一步(第零个循环)先运用随机抽样在所有可行参数空间中选择一个初始种群。该可行空间为由changepar.dat文件指定的参数及其变化范围。随后，该种群被分割成多个个体(complexs)，对应P个参数来说就得到2p+1个点。每个个体运用单纯形法进行独立进化，个体之间定期进行交叉形成新的个体，从而可以获得更多的优化信息。该算法可以搜索全部参数的可行空间，找到全局最优参数的成功率是100%。SCE-UA算法的特点：SWAT的参数自动率定/不确定性分析146SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT的参数自动率定/不确定性分析不确定性分析目的：由于参数有不确定性因素，因此给出某一置信区间内（如90%、95%、97.5%）模拟结果的分布范围，供用户参考。147SWAT模型培训综合8/23/2024SCE-UA主要输入文件：SWAT的参数自动率定/不确定性分析148SWAT模型培训综合8/23/2024SCE-UA主要输出文件：SWAT的参数自动率定/不确定性分析149SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT-CUPSWAT-CUP是一个用于SWAT率定验证的计算机程序，为开源程序，可以自由使用和拷贝。该程序将GLUE、ParaSol，SUFI2，MCMC、PSO等处理过程与SWAT关联起来，用于参数敏感性分析（sensitivityanalysis）

、参数率定（calibration）、模型验证（validation）、不确定性分析（uncertaintyanalysis）SWAT-CUP特色:并行处理可视化界面150SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用研究示例讲解151SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用研究示例1、径流预测2、ET模拟3、土地利用变化4、气候变化5、水土保持6、水资源评价7、融雪产流8、水资源管理9、水量平衡分析10、模型耦合研究11、模型改进研究12、参数敏感性分析研究13、流域面源污染152SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用类1-径流预测1袁军营等，基于SWAT模型的柴河水库流域径流模拟研究[J],北京师范大学学报(自然科学版),2006.柴河水库流域位于辽宁省铁岭市，是辽河中游左侧支流柴河上的一座以防洪、灌溉、工业和城市供水为主，兼顾发电、养鱼等综合利用的多年调节大(Ⅱ)型水利枢纽工程。总库容6.36亿m3，其控制流域面积1355km2，流域多年平均降水量737mm.153SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用类1-径流预测1袁军营等，基于SWAT模型的柴河水库流域径流模拟研究[J],北京师范大学学报(自然科学版),2006.利用2002—2003年的实测水量、降水数据进行参数率定,应用2004—2005年的实测数据进行模型验证。模拟结果表明，SWAT模型在柴河水库流域径流模拟中的适用性和可靠性良好，可为流域水文过程的预测提供可靠的模型基础154SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用类1-径流预测2宋轩等，SWAT模型在淅川县丹江口库区的应用研究[J],郑州大学学报(工学版),2010.淅川县位于河南省西南边陲,豫、鄂、陕三省的结合部，面积2820km2，是南水北调中线工程渠首所在地。属北亚热带向暖温带过渡的季风性气候，多年平均降水量804mm。其主要河流有丹江、鹳河、淇河、滔河、刁河。丹江及其支流域面积占全县面积的93.5%.155SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用类1-径流预测2宋轩等，SWAT模型在淅川县丹江口库区的应用研究[J],郑州大学学报(工学版),2010.通过表1对模拟结果与实测值进行比较，可以看出模型预测相对误差控制在15%的范围内，平均精度达到91%，纳西效率系数也高达0.88，表明年径流的预测值与观测值变化基本一致，说明模型能够较好地模拟丹江口库区年径流的变化156SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用类2-ET模拟钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟[J].农业工程学报，2011.房山区位于北京市西南部，全区的总面积2019km2，山地和丘陵面积占65.3%，平原面积占34.7%。地处华北平原与太行山交界地带，处于暖温带半湿润地区多年平均降雨量为587.6mm。157SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用类2-ET模拟钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟[J].农业工程学报，2011.耕地园林、灌木林/绿地、荒草地为三个占主导地位的土地利用，占总面积的87%。158SWAT模型培训综合8/23/2024SWAT应用类2-ET模拟钱坤等，基于SWAT模型的房山区不同情景方案下的蒸发蒸腾模拟[J].农业工程学报，2011.模型模拟的房山