SWAT模型的原理、結構及應用研究文章來源：(1.中國科學院地理科學與資源研究所,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)是一個具有很強物理機制的長時段的流域分布式水文模型。它能夠利用GIS和RS提供的空間數據信息,模擬復雜大流域中多種不同的水文物理過程,包括水、沙、化學物質和殺蟲劑的輸移與轉化過程。本文著重探討SWAT模型的水文學原理和模型的基本結構與獨特的分布式運行控制方式,并將其成功應用于西北寒區(黑河鶯落峽以上流域)的分布式日徑流過程的模擬。關鍵詞:SWAT;分布式水文模型;黑河流域;應用研究中圖分類號:P343.3SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是在SWRRB模型1(Williamsetal.,1985;Arnoldetal.,1990)基礎上發展起來的一個長時段的流域分布式水文模型。它具有很強的物理基礎,適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理條件下的復雜大流域,并能在資料缺乏的地區建模,在加拿大和北美寒區具有廣泛的應用2。從模型結構看,SWAT屬于第二類分布式水文模型3,即在每一個網格單元(或子流域)上應用傳統的概念性模型來推求凈雨,再進行匯流演算,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,即應用數值分析來建立相鄰網格單元之間的時空關系。從建模技術看,SWAT采用先進的模塊化設計思路,水循環的每一個環節對應一個子模塊,十分方便模型的擴展和應用。在運行方式上,SWAT采用獨特的命令代碼控制方式,用來控制水流在子流域間和河網中的演進過程,這種控制方式使得添加水庫的調蓄作用變得異常簡單。SWAT的功能十分強大,還能夠用來模擬和分析水土流失、非點源污染、農業管理等問題。由于篇幅原因,本文僅探討SWAT的水文學原理和模型的結構與運行方式,應用研究的重點放在徑流模擬上。因為徑流模擬是水文模擬研究中最基本、最重要的一個環節,也是研究其它水文問題的基礎。1SWAT模型原理介紹SWAT模型主要用來預測人類活動對水、沙、農業、化學物質的長期影響。它可以模 擬流域內多種不同的水循環物理過程。由于流域下墊面和氣候因素具有時空變異性,為了提高模擬的精度,通常SWAT模型將研究流域細分成若干個單元流域。流域離散的方法有三種:自然子流域(subbasin)、山坡(hillslop)和網格(grid)。關于流域離散方法的探討見參考文獻4。SWAT模擬的流域水文過程分為水循環的陸面部分(即產流和坡面匯流部分)和水循環的水面部分(即河道匯流部分)。前者控制著每個子流域內主河道的水、沙、營養物質和化學物質等的輸入量;后者決定水、沙等物質從河網向流域出口的輸移運動。1.1水循環的陸面部分流域內蒸發量隨植被覆蓋和土壤的不同而變化,可通過水文響應單元(HRU)2的劃分來反映這種變化。每個HRU都單獨計算徑流量,然后演算得到流域總徑流量。在實際的計算中,一般要考慮氣候、水文和植被覆蓋這三個方面的因素。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,并決定了水循環中不同要素的相對重要性。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、風速和相對濕度。這些變量的數值可通過模型自動生成,也可直接輸入實測數據。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,對短期河流響應起到很大貢獻。下滲到土壤中的水可保持在土壤中被后期蒸發掉,或者經由地下路徑緩慢流入地表水系統。冠層蓄水:SWAT有兩種計算地表徑流的方法。當采用Green&Ampt方法時需要單獨計算冠層截留。計算主要輸入為:冠層最大蓄水量和時段葉面指數(LAI)。當計算蒸發時,冠層水首先蒸發。下滲:計算下滲考慮兩個主要參數: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度)。當用SCS曲線法計算地表徑流時,由于計算時間步長為日,不能直接模擬下滲。下滲量的計算基于水量平衡。Green&Ampt模型可以直接模擬下滲,但需要次降雨數據。重新分配:是指降水或灌溉停止時水在土壤剖面中的持續運動。它是由土壤水不均勻引起的。SWAT中重新分配過程采用存儲演算技術預測根系區每個土層中的水流。當一個土層中的蓄水量超過田間持水量,而下土層處于非飽和態時,便產生滲漏。滲漏的速率由土層飽和水力傳導率控制。土壤水重新分配受土溫的影響,當溫度低于零度時該土層中的水停止運動。蒸散發:蒸散發包括水面蒸發、裸地蒸發和植被蒸騰。土壤水蒸發和植物蒸騰被分開模擬。潛在土壤水蒸發由潛在蒸散發和葉面指數估算。實際土壤水蒸發用土壤厚度和含水量的指數關系式計算。植物蒸騰由潛在蒸散發和葉面指數的線性關系式計算。潛在蒸散發有三種計算方法:Hargreaves(Hargreavesetal.,1985)5、Priestley-Taylor(PriestleyandTaylor,1972)6和Penman-Monteith(Monteith,1965)7。壤中流:壤中流的計算與重新分配同時進行,用動態存儲模型預測。該模型考慮到水力傳導度、坡度和土壤含水量的時空變化。地表徑流:SWAT模擬每個水文響應單元的地表徑流量和洪峰流量。地表徑流量的計算可用SCS曲線方法或Green&Ampt方法計算。SWAT還考慮到凍土上地表徑流量的計算。洪峰流量的計算采用推理模型。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間的函數。池塘:池塘是子流域內截獲地表徑流的蓄水結構。池塘被假定遠離主河道,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、滲流和蒸發的函數。支流河道:SWAT在一個子流域內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根據支流河道的特性計算子流域匯流時間。輸移損失:這種類型的損失發生在短期或間歇性河流地區(如干旱半干旱地區),該地區只在特定時期有地下水補給或全年根本無地下水補給。當支流河道中輸移損失發生時,需要調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。植物生長模型能區分一年生植物和多年生植物。被用來判定根系區水和營養物的移動、蒸騰和生物量或產量。1.2水循環的水面部分水循環的水面過程即河道匯流部分,主要考慮水、沙、營養物(N,P)和殺蟲劑在河網中的輸移,包括主河道以及水庫的匯流計算。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、營養物和有機化學物質。其中進行洪水演算時若水流向下游,其一部分被蒸發和通過河床流失,另一部分被人類取用。補充的來源為直接降雨或點源輸入。河道水流演算多采用變動存儲系數模型或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、蒸發和滲流。在計算水庫出流時,SWAT提供三種估算出流量的方法以供選擇:1需要輸入實測出流數據;2對于小的無觀測值的水庫,需要規定一個出流量;3對于大水庫,需要一個月調控目標。2SWAT模型的結構及運行控制2.1模型的結構SWAT具體計算涉及到:地表徑流、土壤水、地下水以及河道匯流,模型結構框圖(圖1)。2.2模型的運行控制SWAT采用類似于HYMO模型(WilliamsandHann,1973)的命令結構(commandstructure)來控制徑流和化學物質的演算(見圖2)。通過子流域命令,進行分布式產流計算;通過匯流演算命令,模擬河網與水庫的匯流過程;通過疊加命令,把實測的數據和點源數據輸入到模型中同模擬值進行比較;通過輸入命令,接受其它模型的輸出之值;通過轉移命令,把某河段(或水庫)的水轉移到其他的河段(或水庫)中,也可直接用作農業此主題相關圖片如下：圖1SWAT模型結構示意圖Fig.1SchematicofSWATModelStructure灌溉。SWAT模型的命令代碼能夠根據需要進行擴展。3實例研究SWAT在黑河(鶯落峽)流域中的應用3.1黑河(鶯落峽)流域概況黑河位于甘肅省西北部,發源于祁連山脈西南麓,是河西走廊三大內陸河之一。按自然地理特點,可分為三個區:祁連山東區與祁連山前山區、河西走廊區及阿拉善高平原區。其中,黑河干流山區鶯落峽以上流域面積10009km2,該部分流域海拔范圍16745120m。根據19591993年資料統計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,冰川融水補給率為3.4%。黑河流域山區年降水量可達400mm左右,年蒸發能力為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模型輸入數據SWAT模型參數繁多,本文重點進行分布式日徑流過程的模擬。模型主要計算輸入數據為: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據、降水系列數據、蒸發系列數據等。此主題相關圖片如下：圖2SWAT模型的運行命令控制圖Fig.2SWATcommandstructureDEM為柵格數據,利用GIS軟件將黑河鶯落峽流域劃分為4個子流域,并提取出數字河網圖(見圖3)。本文共用到14個雨量站點的資料,徑流數據為鶯落峽水文站的日觀測資料。站點的空間分布見圖3。降水系列數據為1998年日降水數據。蒸發采用月數據平均生成日數據。土地利用為110萬數字圖(見圖4)。土壤類型分布數據來源于遙感和實際調查,計算時每個子流域按最典型的一種土壤確定。土壤屬性數據來自文獻9。此主題相關圖片如下：此主題相關圖片如下：在ArcView3.2平臺上,運行AVSWAT2000(SWAT模型的ArcView界面)自動生成格式化的模型參數和輸入數據。經過SWAT模擬計算,主要結果如下。(1)子流域月徑流模擬結果(表2):(2)鶯落峽日徑流模擬結果:從日徑流過程的模擬結果(圖5)看,模型效率系數達到0.83,SWAT完全滿足水資源管理的應用之需。模型能夠輸出各個子流域的模擬數值,對于探討水循環空間變化規律具有很大的幫助。此主題相關圖片如下：Fig.5DailyrunoffsimulationsofHeihe(YingluoValley)basinin19984結語SWAT模型的引入為西部寒冷地區水文過程的模擬提供了有用工具,它獨特的分布式結構和運行控制方式也為我國分布式水文模型的研制開拓了視野。經研究發現:(1)SWAT模型在結構上考慮融雪和凍土對水文循環的影響,較適用于我國西北寒區。(2)SWAT模型不適用于單一事件的洪水過程的模擬。計算時段以日或月為好,比較適用于面向水資源管理的長時段的分布式水文過程模擬。(3)SWAT模型是在國外數據條件下構建的。因此,在應用時需對模型的數據庫部分進行修改,特別需要建立用戶自己的土壤屬性數據庫。土地利用的編碼也要進行轉換。(4)實列研究表明,降雨空間分布對模擬結果影響很大。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“距離倒數加權法(IDW)”等生成子流域的降雨輸入數據,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、土地利用和農業管理等方面的研究,是一個十分值得推廣的綜合性流域水文模型。參考文獻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建方法.地理科學進展,2002,21(5):430439.4王中根,劉昌明,吳險峰.基于DEM的分布式水文模型研究綜述.自然資源學報,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:農業出版社,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