1、SWAT 模型的原理、结构及应用研究文章来源：(1.中国科学院地理科学与资源研究所 ,北京 100101;2.? 文章作者：王中根 1,刘昌明 1,黄友波2 2006-12-15 字体:大 中 小 我要投稿! 摘 要:SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用 GIS 和 RS 提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨SWAT 模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域 )
2、的分布式日径流过程的模拟。关键 词:SWAT;分布式水文模型;黑河流域;应用研究中图分类号:P343.3 SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是在 SWRRB 模型1(Williamsetal.,1985;Arnoldetal.,1990)基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。它具有很强的物理基础,适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域,并能在资料缺乏的地区建模,在加拿大和北美寒区具有广泛的应用2。从模型结构看,SWAT 属于第二类分布式水文模型3,即在每一个网格单元 (或子流域)上应用传统的概念性模型来推求净雨,再进行汇流演
3、算,最后求得出口断面流量。它明显不同于 SHE 模型等第一类分布式水文模型,即应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系。从建模技术看,SWAT 采用先进的模块化设计思路,水循环的每一个环节对应一个子模块,十分方便模型的扩展和应用。在运行方式上,SWAT 采用独特的命令代码控制方式,用来控制水流在子流域间和河网中的演进过程,这种控制方式使得添加水库的调蓄作用变得异常简单。SWAT 的功能十分强大,还能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等问题。由于篇幅原因,本文仅探讨 SWAT 的水文学原理和模型的结构与运行方式,应用研究的重点放在径流模拟上。因为径流模拟是水文模拟研究中最基本、最
4、重要的一个环节,也是研究其它水文问题的基础。1SWAT 模型原理介绍 SWAT 模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。它可以模 拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性,为了提高模拟的精度,通常 SWAT 模型将研究流域细分成若干个单元流域。流域离散的方法有三种:自然子流域(subbasin) 、山坡(hillslop)和网格(grid)。关于流域离散方法的探讨见参考文献4。SWAT 模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分( 即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河道汇流部分)。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质
5、等的输入量;后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。1.1 水循环的陆面部分流域内蒸发量随植被覆盖和土壤的不同而变化,可通过水文响应单元(HRU)2的划分来反映这种变化。每个 HRU 都单独计算径流量,然后演算得到流域总径流量。在实际的计算中,一般要考虑气候、水文和植被覆盖这三个方面的因素。1.1.1 气候因素流域气候(特别是湿度和能量的输入 )控制着水量平衡,并决定了水循环中不同要素的相对重要性。SWAT 所需要输入的气候因素变量包括:日降水量、最大最小气温、太阳辐射、风速和相对湿度。这些变量的数值可通过模型自动生成,也可直接输入实测数据。1.1.2 水文因素降水可被植被截留或直接降
6、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地表水系统。冠层蓄水:SWAT 有两种计算地表径流的方法。当采用 Green2 最终下渗率(等于土壤饱和水力传导度 )。当用 SCS 曲线法计算地表径流时,由于计算时间步长为日,不能直接模拟下渗。下渗量的计算基于水量平衡。Green深层地下径流汇入流域外河流。1.1.3 植被因素 SWAT 利用一个单一的植物生长模型模拟所有类型的植被覆盖。植物生长模型能区分一年生植物和多年生植物。被用来判定根系区水和营养物的移动、蒸
7、腾和生物量或产量。1.2 水循环的水面部分水循环的水面过程即河道汇流部分,主要考虑水、沙、营养物(N,P)和杀虫剂在河网中的输移,包括主河道以及水库的汇流计算。1.2.1 主河道( 或河段) 汇流主河道的演算分为 4 部分:水、泥沙、营养物和有机化学物质。其中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,另一部分被人类取用。补充的来源为直接降雨或点源输入。河道水流演算多采用变动存储系数模型或 Muskingum 方法。1.2.2 水库汇流演算水库水量平衡包括:入流、出流、降雨、蒸发和渗流。在计算水库出流时,SWAT 提供三种估算出流量的方法以供选择:1 需要输入实测出流数据;2 对
8、于小的无观测值的水库,需要规定一个出流量;3 对于大水库,需要一个月调控目标。2SWAT 模型的结构及运行控制 2.1 模型的结构 SWAT 具体计算涉及到:地表径流、土壤水、地下水以及河道汇流,模型结构框图(图 1)。2.2 模型的运行控制 SWAT 采用类似于 HYMO 模型(WilliamsandHann,1973)的命令结构(commandstructure)来控制径流和化学物质的演算( 见图 2)。通过子流域命令, 进行分布式产流计算;通过汇流演算命令,模拟河网与水库的汇流过程;通过叠加命令,把实测的数据和点源数据输入到模型中同模拟值进行比较;通过输入命令,接受其它模型的输出之值;通
9、过转移命令,把某河段(或水库)的水转移到其他的河段(或水库) 中,也可直接用作农业此主题相关图片如下：图 1 SWAT 模型结构示意图 Fig.1 SchematicofSWATModelStructure 灌溉。SWAT 模型的命令代码能够根据需要进行扩展。3实例研究SWAT 在黑河(莺落峡) 流域中的应用 3.1 黑河( 莺落峡)流域概况黑河位于甘肃省西北部,发源于祁连山脉西南麓,是河西走廊三大内陆河之一。按自然地理特点,可分为三个区:祁连山东区与祁连山前山区、河西走廊区及阿拉善高平原区。其中,黑河干流山区莺落峡以上流域面积 10009km2,该部分流域海拔范围 16745120m。根据1
10、9591993 年资料统计8, 黑河莺落峡以上流域的冰川覆盖度为 0.59%,年径流量 16.05108m3,冰川融水补给率为 3.4%。黑河流域山区年降水量可达 400mm 左右,年蒸发能力为 1600mm。森林主要分布于中山地带 ,灌木和牧草分布在流域各处。3.2 模型输入数据 SWAT 模型参数繁多,本文重点进行分布式日径流过程的模拟。模型主要计算输入数据为:DEM、水文和气象测站的空间分布信息、土壤类型与土地利用的空间分布数据、降水系列数据、蒸发系列数据等。此主题相关图片如下：图 2 SWAT 模型的运行命令控制图 Fig.2 SWATcommandstructureDEM 为栅格数据
11、,利用 GIS 软件将黑河莺落峡流域划分为 4 个子流域,并提取出数字河网图(见图 3)。本文共用到 14 个雨量站点的资料 ,径流数据为莺落峡水文站的日观测资料。站点的空间分布见图 3。降水系列数据为 1998 年日降水数据。蒸发采用月数据平均生成日数据。土地利用为 110 万数字图 (见图 4)。土壤类型分布数据来源于遥感和实际调查,计算时每个子流域按最典型的一种土壤确定。土壤属性数据来自文献9。此主题相关图片如下：此主题相关图片如下：在 ArcView3.2 平台上,运行 AVSWAT2000(SWAT 模型的 ArcView 界面)自动生成格式化的模型参数和输入数据。经过 SWAT 模
12、拟计算,主要结果如下。(1)子流域月径流模拟结果(表 2):(2)莺落峡日径流模拟结果:从日径流过程的模拟结果(图 5)看,模型效率系数达到 0.83,SWAT 完全满足水资源管理的应用之需。模型能够输出各个子流域的模拟数值,对于探讨水循环空间变化规律具有很大的帮助。此主题相关图片如下：Fig.5 DailyrunoffsimulationsofHeihe(YingluoValley)basinin19984结语 SWAT 模型的引入为西部寒冷地区水文过程的模拟提供了有用工具,它独特的分布式结构和运行控制方式也为我国分布式水文模型的研制开拓了视野。经研究发现:(1)SWAT 模型在结构上考虑融
13、雪和冻土对水文循环的影响,较适用于我国西北寒区。(2)SWAT 模型不适用于单一事件的洪水过程的模拟。计算时段以日或月为好,比较适用于面向水资源管理的长时段的分布式水文过程模拟。(3)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土壤属性数据库。土地利用的编码也要进行转换。(4)实列研究表明,降雨空间分布对模拟结果影响很大。而 AVSWAT2000 在降雨空间处理上不太理想。建议采用“泰森多边形法 ”或者“距离倒数加权法(IDW)”等生成子流域的降雨输入数据,本文采用的是后一种方法。SWAT 模型除了本文介绍的分布式径流模拟功能之外,
14、还能用于面源污染、水土流失、土地利用和农业管理等方面的研究,是一个十分值得推广的综合性流域水文模型。参考文献1 Arnold,J.G.,J.R.WilliamsandD.R.Maidment.Continuous-timewaterandsediment-routingmodelforlargebasins.JournalofHydraulicEngineering.1995,121(2):171183.2 Neitsch,S.L.,J.G.Arnold,J.R.KiniryandJ.R.Williams.SoilandWaterAssessmentToolTheoreticalDocu-me
15、ntation,Version2000. http:/www.brc.tamus.edu/swat/.2001.3 王中根,刘昌明等.基于 DEM 的分布式水文模型构建方法.地理科学进展 ,2002,21(5):430439.4 王中根,刘昌明,吴险峰.基于 DEM 的分布式水文模型研究综述. 自然资源学报,2003,18(2):16.5 Hargreaves,G.L.,G.H.Hargreaves.andJ.P.Riley.AgriculturalbenefitsforSenegalRiverBasin.J.Irrig.andDrain.Engr,1985,111(2):113124.6 P
16、riestley,C.H.B.andR.J.Taylor.Ontheassessmentofsurfaceheatfluxandevaporationusinglarge-scaleparam-eters.Mon.WeatherRav,1972,100:8192.7 Penman.H.L.Evaporation:Anintroductorysurvey.NetherlandsJournalofAgriculturalScience,1956(4):729.8 丁永建,叶佰生,周文娟.黑河流域过去 40a 来降水时空分布特性.冰川冻土,1999,21(1):4248.9 甘肃省土壤普查办公室.甘
17、肃土壤.北京:农业出版社,1993.83426.TheTheoryofSWATModelanditsApplicationinHeiheBasinWANGZhong-gen1,LIUChang-ming1,HuangYou-bo2(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)(2.HydraulicandElectricEngineeringDepartmentofWuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:SWAT(Soiland
18、WaterAssessmentTool)modelisariverbasin,orwatershed,scalemodeldevelopedtopredicttheimpactoflandmanagementpracticesonwater,sedi-ment,andagriculturalchemicalyieldsinlarge,complexwatershedswithvaryingsoils,landuse,andmanagementconditionsoverlongperiodsoftime.Themodelisphysicallybasedandenablesuserstostu
19、dylong-termimpacts.Thispapermainlyintroducesanddiscussestheissuesofthehydrologicaltheory,thestructureandfunctionsofSWATmodel.SWATseparatesthehydrologyofawatershedintotwomajordivisions.Thefirstdivisionisthelandphaseofthehydrologiccyclewhichcontrolstheloadingstothemainchannelineachsubbasin.Theseconddi
20、visionisthewaterorroutingphaseofthehydrologiccyclewhichcanbedefinedasthemovementofwater,sediments,etc.throughthechannelnetworkofthewatershedtotheoutlet.SWATusesacommandstructureforroutingrunoffandchemicalsthroughawatershed.Usingaroutingcommandlanguage,themodelcansimulateabasinsubdividedintogridcells
21、orsubbasin.Incasestudy,SWATmodelwasusedtosimulatethehydrologyofHeihe(YingluoValley)BasininthecoldNorthwestChina.First,BasedonDEM,Heihe(YingluoValley)Basinwassubdividedintofoursubbasins.Bybuildingusersoiltypedatabaseandmodifyinglandusecoding,themodelmadeagoodrunoffsimulationresultonadailytimestep,andthemodelNSE(Nash-Sutcliffeerrorjudgestandard)isupto0.83.So,SWATmodelcanbeappliedtowaterresourcemanagementinNorthwestChina.Keywords:SWAT;Distributedhydrologicalmodel;Heheibasin;ApplicationStudy
