SWAT模型的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究.doc

SWAT模型的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究文章來源：(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京100101;2.? 文章作者：王中根1,劉昌明1,黃友波2 2006-12-15 字體:大 中 小 我要投稿! 摘要:SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一個(gè)具有很強(qiáng)物理機(jī)制的長時(shí)段的流域分布式水文模型。它能夠利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息,模擬復(fù)雜大流域中多種不同的水文物理過程,包括水、沙、化學(xué)物質(zhì)和殺蟲劑的輸移與轉(zhuǎn)化過程。本文著重探討SWAT模型的水文學(xué)原理和模型的基本結(jié)構(gòu)與獨(dú)特的分布式運(yùn)行控制方式,并將其成功應(yīng)用于西北寒區(qū)(黑河鶯落峽以上流域)的分布式日徑流過程的模擬。關(guān)鍵詞:SWAT;分布式水文模型;黑河流域;應(yīng)用研究中圖分類號(hào):P343.3SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是在SWRRB模型1(Williamsetal.,1985;Arnoldetal.,1990)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)長時(shí)段的流域分布式水文模型。它具有很強(qiáng)的物理基礎(chǔ),適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理?xiàng)l件下的復(fù)雜大流域,并能在資料缺乏的地區(qū)建模,在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應(yīng)用2。從模型結(jié)構(gòu)看,SWAT屬于第二類分布式水文模型3,即在每一個(gè)網(wǎng)格單元(或子流域)上應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性模型來推求凈雨,再進(jìn)行匯流演算,最后求得出口斷面流量。它明顯不同于SHE模型等第一類分布式水文模型,即應(yīng)用數(shù)值分析來建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時(shí)空關(guān)系。從建模技術(shù)看,SWAT采用先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)思路,水循環(huán)的每一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)子模塊,十分方便模型的擴(kuò)展和應(yīng)用。在運(yùn)行方式上,SWAT采用獨(dú)特的命令代碼控制方式,用來控制水流在子流域間和河網(wǎng)中的演進(jìn)過程,這種控制方式使得添加水庫的調(diào)蓄作用變得異常簡單。SWAT的功能十分強(qiáng)大,還能夠用來模擬和分析水土流失、非點(diǎn)源污染、農(nóng)業(yè)管理等問題。由于篇幅原因,本文僅探討SWAT的水文學(xué)原理和模型的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式,應(yīng)用研究的重點(diǎn)放在徑流模擬上。因?yàn)閺搅髂M是水文模擬研究中最基本、最重要的一個(gè)環(huán)節(jié),也是研究其它水文問題的基礎(chǔ)。1SWAT模型原理介紹SWAT模型主要用來預(yù)測人類活動(dòng)對(duì)水、沙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)物質(zhì)的長期影響。它可以模 擬流域內(nèi)多種不同的水循環(huán)物理過程。由于流域下墊面和氣候因素具有時(shí)空變異性,為了提高模擬的精度,通常SWAT模型將研究流域細(xì)分成若干個(gè)單元流域。流域離散的方法有三種:自然子流域(subbasin)、山坡(hillslop)和網(wǎng)格(grid)。關(guān)于流域離散方法的探討見參考文獻(xiàn)4。SWAT模擬的流域水文過程分為水循環(huán)的陸面部分(即產(chǎn)流和坡面匯流部分)和水循環(huán)的水面部分(即河道匯流部分)。前者控制著每個(gè)子流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等的輸入量;后者決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運(yùn)動(dòng)。1.1水循環(huán)的陸面部分流域內(nèi)蒸發(fā)量隨植被覆蓋和土壤的不同而變化,可通過水文響應(yīng)單元(HRU)2的劃分來反映這種變化。每個(gè)HRU都單獨(dú)計(jì)算徑流量,然后演算得到流域總徑流量。在實(shí)際的計(jì)算中,一般要考慮氣候、水文和植被覆蓋這三個(gè)方面的因素。1.1.1氣候因素流域氣候(特別是濕度和能量的輸入)控制著水量平衡,并決定了水循環(huán)中不同要素的相對(duì)重要性。SWAT所需要輸入的氣候因素變量包括:日降水量、最大最小氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和相對(duì)濕度。這些變量的數(shù)值可通過模型自動(dòng)生成,也可直接輸入實(shí)測數(shù)據(jù)。1.1.2水文因素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滲到土壤;一部分形成地表徑流。地表徑流快速匯入河道,對(duì)短期河流響應(yīng)起到很大貢獻(xiàn)。下滲到土壤中的水可保持在土壤中被后期蒸發(fā)掉,或者經(jīng)由地下路徑緩慢流入地表水系統(tǒng)。冠層蓄水:SWAT有兩種計(jì)算地表徑流的方法。當(dāng)采用Green&Ampt方法時(shí)需要單獨(dú)計(jì)算冠層截留。計(jì)算主要輸入為:冠層最大蓄水量和時(shí)段葉面指數(shù)(LAI)。當(dāng)計(jì)算蒸發(fā)時(shí),冠層水首先蒸發(fā)。下滲:計(jì)算下滲考慮兩個(gè)主要參數(shù):1初始下滲率(依賴于土壤濕度和供水條件);2最終下滲率(等于土壤飽和水力傳導(dǎo)度)。當(dāng)用SCS曲線法計(jì)算地表徑流時(shí),由于計(jì)算時(shí)間步長為日,不能直接模擬下滲。下滲量的計(jì)算基于水量平衡。Green&Ampt模型可以直接模擬下滲,但需要次降雨數(shù)據(jù)。重新分配:是指降水或灌溉停止時(shí)水在土壤剖面中的持續(xù)運(yùn)動(dòng)。它是由土壤水不均勻引起的。SWAT中重新分配過程采用存儲(chǔ)演算技術(shù)預(yù)測根系區(qū)每個(gè)土層中的水流。當(dāng)一個(gè)土層中的蓄水量超過田間持水量,而下土層處于非飽和態(tài)時(shí),便產(chǎn)生滲漏。滲漏的速率由土層飽和水力傳導(dǎo)率控制。土壤水重新分配受土溫的影響,當(dāng)溫度低于零度時(shí)該土層中的水停止運(yùn)動(dòng)。蒸散發(fā):蒸散發(fā)包括水面蒸發(fā)、裸地蒸發(fā)和植被蒸騰。土壤水蒸發(fā)和植物蒸騰被分開模擬。潛在土壤水蒸發(fā)由潛在蒸散發(fā)和葉面指數(shù)估算。實(shí)際土壤水蒸發(fā)用土壤厚度和含水量的指數(shù)關(guān)系式計(jì)算。植物蒸騰由潛在蒸散發(fā)和葉面指數(shù)的線性關(guān)系式計(jì)算。潛在蒸散發(fā)有三種計(jì)算方法:Hargreaves(Hargreavesetal.,1985)5、Priestley-Taylor(PriestleyandTaylor,1972)6和Penman-Monteith(Monteith,1965)7。壤中流:壤中流的計(jì)算與重新分配同時(shí)進(jìn)行,用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)模型預(yù)測。該模型考慮到水力傳導(dǎo)度、坡度和土壤含水量的時(shí)空變化。地表徑流:SWAT模擬每個(gè)水文響應(yīng)單元的地表徑流量和洪峰流量。地表徑流量的計(jì)算可用SCS曲線方法或Green&Ampt方法計(jì)算。SWAT還考慮到凍土上地表徑流量的計(jì)算。洪峰流量的計(jì)算采用推理模型。它是子流域匯流期間的降水量、地表徑流量和子流域匯流時(shí)間的函數(shù)。池塘:池塘是子流域內(nèi)截獲地表徑流的蓄水結(jié)構(gòu)。池塘被假定遠(yuǎn)離主河道,不接受上游子流域的來水。池塘蓄水量是池塘蓄水容量、日入流和出流、滲流和蒸發(fā)的函數(shù)。支流河道:SWAT在一個(gè)子流域內(nèi)定義了兩種類型的河道:主河道和支流河道。支流河道不接受地下水。SWAT根據(jù)支流河道的特性計(jì)算子流域匯流時(shí)間。輸移損失:這種類型的損失發(fā)生在短期或間歇性河流地區(qū)(如干旱半干旱地區(qū)),該地區(qū)只在特定時(shí)期有地下水補(bǔ)給或全年根本無地下水補(bǔ)給。當(dāng)支流河道中輸移損失發(fā)生時(shí),需要調(diào)整地表徑流量和洪峰流量。地下徑流:SWAT將地下水分為兩層:淺層地下水和深層地下水。淺層地下徑流匯入流域內(nèi)河流;深層地下徑流匯入流域外河流。1.1.3植被因素SWAT利用一個(gè)單一的植物生長模型模擬所有類型的植被覆蓋。植物生長模型能區(qū)分一年生植物和多年生植物。被用來判定根系區(qū)水和營養(yǎng)物的移動(dòng)、蒸騰和生物量或產(chǎn)量。1.2水循環(huán)的水面部分水循環(huán)的水面過程即河道匯流部分,主要考慮水、沙、營養(yǎng)物(N,P)和殺蟲劑在河網(wǎng)中的輸移,包括主河道以及水庫的匯流計(jì)算。1.2.1主河道(或河段)匯流主河道的演算分為4部分:水、泥沙、營養(yǎng)物和有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。其中進(jìn)行洪水演算時(shí)若水流向下游,其一部分被蒸發(fā)和通過河床流失,另一部分被人類取用。補(bǔ)充的來源為直接降雨或點(diǎn)源輸入。河道水流演算多采用變動(dòng)存儲(chǔ)系數(shù)模型或Muskingum方法。1.2.2水庫匯流演算水庫水量平衡包括:入流、出流、降雨、蒸發(fā)和滲流。在計(jì)算水庫出流時(shí),SWAT提供三種估算出流量的方法以供選擇:1需要輸入實(shí)測出流數(shù)據(jù);2對(duì)于小的無觀測值的水庫,需要規(guī)定一個(gè)出流量;3對(duì)于大水庫,需要一個(gè)月調(diào)控目標(biāo)。2SWAT模型的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制2.1模型的結(jié)構(gòu)SWAT具體計(jì)算涉及到:地表徑流、土壤水、地下水以及河道匯流,模型結(jié)構(gòu)框圖(圖1)。2.2模型的運(yùn)行控制SWAT采用類似于HYMO模型(WilliamsandHann,1973)的命令結(jié)構(gòu)(commandstructure)來控制徑流和化學(xué)物質(zhì)的演算(見圖2)。通過子流域命令,進(jìn)行分布式產(chǎn)流計(jì)算;通過匯流演算命令,模擬河網(wǎng)與水庫的匯流過程;通過疊加命令,把實(shí)測的數(shù)據(jù)和點(diǎn)源數(shù)據(jù)輸入到模型中同模擬值進(jìn)行比較;通過輸入命令,接受其它模型的輸出之值;通過轉(zhuǎn)移命令,把某河段(或水庫)的水轉(zhuǎn)移到其他的河段(或水庫)中,也可直接用作農(nóng)業(yè)此主題相關(guān)圖片如下：圖1SWAT模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1SchematicofSWATModelStructure灌溉。SWAT模型的命令代碼能夠根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。3實(shí)例研究SWAT在黑河(鶯落峽)流域中的應(yīng)用3.1黑河(鶯落峽)流域概況黑河位于甘肅省西北部,發(fā)源于祁連山脈西南麓,是河西走廊三大內(nèi)陸河之一。按自然地理特點(diǎn),可分為三個(gè)區(qū):祁連山東區(qū)與祁連山前山區(qū)、河西走廊區(qū)及阿拉善高平原區(qū)。其中,黑河干流山區(qū)鶯落峽以上流域面積10009km2,該部分流域海拔范圍16745120m。根據(jù)19591993年資料統(tǒng)計(jì)8,黑河鶯落峽以上流域的冰川覆蓋度為0.59%,年徑流量16.05108m3,冰川融水補(bǔ)給率為3.4%。黑河流域山區(qū)年降水量可達(dá)400mm左右,年蒸發(fā)能力為1600mm。森林主要分布于中山地帶,灌木和牧草分布在流域各處。3.2模型輸入數(shù)據(jù)SWAT模型參數(shù)繁多,本文重點(diǎn)進(jìn)行分布式日徑流過程的模擬。模型主要計(jì)算輸入數(shù)據(jù)為:DEM、水文和氣象測站的空間分布信息、土壤類型與土地利用的空間分布數(shù)據(jù)、降水系列數(shù)據(jù)、蒸發(fā)系列數(shù)據(jù)等。此主題相關(guān)圖片如下：圖2SWAT模型的運(yùn)行命令控制圖Fig.2SWATcommandstructureDEM為柵格數(shù)據(jù),利用GIS軟件將黑河鶯落峽流域劃分為4個(gè)子流域,并提取出數(shù)字河網(wǎng)圖(見圖3)。本文共用到14個(gè)雨量站點(diǎn)的資料,徑流數(shù)據(jù)為鶯落峽水文站的日觀測資料。站點(diǎn)的空間分布見圖3。降水系列數(shù)據(jù)為1998年日降水?dāng)?shù)據(jù)。蒸發(fā)采用月數(shù)據(jù)平均生成日數(shù)據(jù)。土地利用為110萬數(shù)字圖(見圖4)。土壤類型分布數(shù)據(jù)來源于遙感和實(shí)際調(diào)查,計(jì)算時(shí)每個(gè)子流域按最典型的一種土壤確定。土壤屬性數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)9。此主題相關(guān)圖片如下：此主題相關(guān)圖片如下：在ArcView3.2平臺(tái)上,運(yùn)行AVSWAT2000(SWAT模型的ArcView界面)自動(dòng)生成格式化的模型參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)。經(jīng)過SWAT模擬計(jì)算,主要結(jié)果如下。(1)子流域月徑流模擬結(jié)果(表2):(2)鶯落峽日徑流模擬結(jié)果:從日徑流過程的模擬結(jié)果(圖5)看,模型效率系數(shù)達(dá)到0.83,SWAT完全滿足水資源管理的應(yīng)用之需。模型能夠輸出各個(gè)子流域的模擬數(shù)值,對(duì)于探討水循環(huán)空間變化規(guī)律具有很大的幫助。此主題相關(guān)圖片如下：Fig.5DailyrunoffsimulationsofHeihe(YingluoValley)basinin19984結(jié)語SWAT模型的引入為西部寒冷地區(qū)水文過程的模擬提供了有用工具,它獨(dú)特的分布式結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制方式也為我國分布式水文模型的研制開拓了視野。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):(1)SWAT模型在結(jié)構(gòu)上考慮融雪和凍土對(duì)水文循環(huán)的影響,較適用于我國西北寒區(qū)。(2)SWAT模型不適用于單一事件的洪水過程的模擬。計(jì)算時(shí)段以日或月為好,比較適用于面向水資源管理的長時(shí)段的分布式水文過程模擬。(3)SWAT模型是在國外數(shù)據(jù)條件下構(gòu)建的。因此,在應(yīng)用時(shí)需對(duì)模型的數(shù)據(jù)庫部分進(jìn)行修改,特別需要建立用戶自己的土壤屬性數(shù)據(jù)庫。土地利用的編碼也要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(4)實(shí)列研究表明,降雨空間分布對(duì)模擬結(jié)果影響很大。而AVSWAT2000在降雨空間處理上不太理想。建議采用“泰森多邊形法”或者“距離倒數(shù)加權(quán)法(IDW)”等生成子流域的降雨輸入數(shù)據(jù),本文采用的是后一種方法。SWAT模型除了本文介紹的分布式徑流模擬功能之外,還能用于面源污染、水土流失、土地利用和農(nóng)業(yè)管理等方面的研究,是一個(gè)十分值得推廣的綜合性流域水文模型。參考文獻(xiàn)1Arnold,J.G.,J.R.WilliamsandD.R.Maidment.Continuous-timewaterandsediment-routingmodelforlargebasins.JournalofHydraulicEngineering.1995,121(2):171183.2Neitsch,S.L.,J.G.Arnold,J.R.KiniryandJ.R.Williams.SoilandWaterAssessmentToolTheoreticalDocu-mentation,Version2000. /swat/.2001.3王中根,劉昌明等.基于DEM的分布式水文模型構(gòu)建方法.地理科學(xué)進(jìn)展,2002,21(5):430439.4王中根,劉昌明,吳險(xiǎn)峰.基于DEM的分布式水文模型研究綜述.自然資源學(xué)報(bào),2003,18(2):16.5Hargreaves,G.L.,G.H.Hargreaves.andJ.P.Riley.AgriculturalbenefitsforSenegalRiverBasin.J.Irrig.andDrain.Engr,1985,111(2):113124.6Priestley,C.H.B.andR.J.Taylor.Ontheassessmentofsurfaceheatfluxandevaporationusinglarge-scaleparam-eters.Mon.WeatherRav,1972,100:8192.7Penman.H.L.Evaporation:Anintroductorysurvey.NetherlandsJournalofAgriculturalScience,1956(4):729.8丁永建,葉佰生,周文娟.黑河流域過去40a來降水時(shí)空分布特性.冰川凍土,1999,21(1):4248.9甘肅省土壤普查辦公室.甘肅土壤.北京:農(nóng)業(yè)出版社,1993.83426.TheTheoryofSWATModelanditsApplicationinHeiheBasinWANGZhong-gen1,LIUChang-ming1,HuangYou-bo2(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)(2.HydraulicandElectricEngineeringDepartmentofWuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)modelisariverbasin,orwatershed,scalemodeldevelopedtopredicttheimpactoflandmanagementpracticesonwater,sedi-ment,andagriculturalchemicalyieldsinlarge,complexwatershedswithvaryingsoils,landuse,andmanagementconditionsoverlongperiodsoftime.Themodelisphysicallybasedandenablesuserstostudylong-termimpacts.Thispapermainlyintroducesanddiscussestheissuesofthehydrologicaltheory,thestructureandfunctionsofSWATmodel.SWATseparatesthehydrologyofawatershedintotwomajordivisions.Thefirstdivisionisthelandphaseofthehydrologiccyclewhichcontrolstheloadingstothemainchannelineachsubbasin.Theseconddivisionisthewaterorroutingphaseofthehydrologiccyclewhichcanbed