SWAT模型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)分析

1、SWAT模型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng) 分析朋要摘要一摘要SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型是一個流域尺度、基于物理基礎(chǔ)的分布式 水文模型，可以模擬流域內(nèi)部的多種地理過程，如產(chǎn)水、產(chǎn)沙.養(yǎng)分和農(nóng)藥的遷移與轉(zhuǎn)化, 并預(yù)測不同的管理措施對流域過程的影響。SWAT有其特定的應(yīng)用領(lǐng)域和尺度限制，在實際 應(yīng)用中需要釆取多模型協(xié)作的方法；另一方面.很多應(yīng)用需要將SWAT模型作為定量評價 工具集成到特定的流域管理系統(tǒng)中，而由于SWAT模型空間運行單元采用多層次紐織，模 型運行需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，類型多樣，集成應(yīng)用涉及問題多、難度大解決以上問題 的較好方法就是多模型的協(xié)

2、作和開發(fā)通用的模型集成方法，而面臨的瓶頸問題就是模型集成 中跨GIS系統(tǒng)平臺的輸入數(shù)據(jù)組織和處理的通用方法。本文就這些問題進行了探討，主要 研究成果如下：1. 詳細闡述了SWAT模別的運行結(jié)構(gòu)組織形式，結(jié)合實例給岀了控制模膽運行的配遏文 件的寫法.實現(xiàn)了不同地理條件下各種水文過程的模擬，包括陸相水文循環(huán)、河道演算、水 庫演算.點源輸入等。驗證結(jié)果表明，通過修改配置文件調(diào)用不同的功能模塊的方法可以實 現(xiàn)對SWAT模型運行過程的控制。2. 在Visual Studio.NET2005環(huán)境下采用C#語言開發(fā)了一套用于定制SWAT空運行文 件的動態(tài)鏈接庫程序.利用面向?qū)﹀杓夹g(shù)，把SWAT模型的寫輸入文

3、件操作封裝在具體的實 現(xiàn)類中，最后生成了40多個不同功能的類。數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作使用了ADO.NET技術(shù)，釆用 了異常處理機制和可重用的相關(guān)技術(shù)。利用編譯生成的DLL文件，可以實現(xiàn)模型輸入數(shù)據(jù)定 制處理和組織。關(guān)鍵字：SWAT；模旳集成；運行結(jié)構(gòu)；面向?qū)ο?；C#圖農(nóng)目錄Abstra/ AbstractSWAT (Soil and Water Assessment Tool) is a physically based, distributed non-point pollution model system developed by USDA It can be used modeling mu

4、ltiple geographic processes as well as predicting the impacts of different management practices on water, sediment, agricultural chemical yields and pesticide fate in a river basin scale SWAT model was initially developed in modeling the comprehensive impacts of management practices in a large basin

5、, it also has some limitations in application in small scales and some certain application fields. So it has been widely used in cooperating with other models or integrated as a quantitative component into a certain Basin Management System However, running of the model varies among different input d

6、ata types organized in different spatial descrctization units and requires a complex set of data. The application process is also problematic and difficult A good way to solve these problems is to integrate multiple models and develop a universal way for model integration. In this method, the bottle

7、neck is to organize and manipulate the input data files in a proper way that can cross the diflerent GIS platforms in model integration The main contents and research results are as follows:1 The inner running structure of SWAT was discussed based on the analysis of its components, and the core conf

8、iguration file using for running model was presented with an example. It simulated different geographical conditions of the various hydrological process simulations, including the land phase of the hydrologic cycle, channel flood routing, reservoir routing, point-source data input, and so on. The re

9、sults showed that by modifying the configuration file called functional modules of different ways can control the SWAT model operation process2. In Visual Studio.NET2005 environment using C # language developed a dynamic link library files procedure which can custom SWAT model running files. Use obj

10、ect-oriented technology, the SWAT model written input file operation was encapsulated in different classes. As a result there were more than 40 diflerent functional classes gendered The operation of the database related to the use of the ADO.NET technology, the exception handling mechanism and reusa

11、ble technology were involved By the use of compiler-generated DLL files, can be customized to achieve mode) input data processing and organizationKey words: SWAT; Model Integration; Running Configuration; Object-oriented; C#圖表目錄圖表目錄圖 1 AVSfAT結(jié)構(gòu)圖 5圖2 BASINS3.1系統(tǒng)組件瀏覽圖6圖3基于DPSIR概念椎架的Mulino DSS7圖4空間離散流程

12、圖 15圖5 SfAT模型水文循環(huán) 17圖6陸相水文循環(huán)計算機模擬流程圖 18圖7 SWAT?？站]入輸出文件邏輯調(diào)用結(jié)構(gòu)圖20圖8子流域劃分圖 22圖9基本模擬配迓文件示例 23圖10復(fù)雜流域配養(yǎng)文件結(jié)構(gòu)實例 25圖11程序集結(jié)構(gòu)圖 35圖12工廠方法模式結(jié)構(gòu)圖 36圖13組合模式結(jié)構(gòu) 37圖14代理模式結(jié)構(gòu)圖 37圖15 SWAT模型輸入文件類結(jié)構(gòu)圖 40圖16 Data類結(jié)構(gòu)圖 41圖17 Data類的派生類和IRec接口 429 18 Sub 43圖19 MgtComponent類及其子類46圖 20 Mgt 和 MgtOperation 類- 46圖21 Property類及其繼承結(jié)構(gòu)

13、圖 48圖22設(shè)置環(huán)境變疑 49圖23運行文件定制 49圖24模型運行 50圖25參數(shù)修改 50表1配迓文件命令匯總 21表2部分FCL命名空間 32學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：1、堅持以“求實、創(chuàng)新”的科學(xué)精神從事研究工作。2、本論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果。3、本論文中除引文外，所有實驗.數(shù)據(jù)和有關(guān)材料均是真實的。4、本論文中除引文和致謝的內(nèi)容外，不包含其他人或其它機構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。了謝意5. 其他同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了聲明并表示作者簽名：日 期：學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人完全了解南京師范大學(xué)有關(guān)保留.使用學(xué)位論文的規(guī)定，學(xué) 校有權(quán)

14、保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機構(gòu)送交論文的電 子版和紙質(zhì)版；有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論 文進入學(xué)校圖書館被査閱；有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進 行檢索$有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版。保密的學(xué)位論文在解密后適用本規(guī)定。南京師范人恪碩卜學(xué)位論文：SWAT 型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研完第一率緒論第一章緒論第一章緒論 1.1論文研究背景及意義SWAT ( Soil and Water Assessment Tool)?？帐敲绹r(nóng)業(yè)部(USDA)下屬的農(nóng)業(yè)研究 所(ARS-Agricultural Research Service)開發(fā)的流域尺度、連續(xù)時段、基于過程的

15、綜合模型，i 可以模擬地表徑流、入滲.側(cè)流、地F水流.回流、融窖徑流.土壤溫度、土壤濕度、蒸散 發(fā)、產(chǎn)沙、輸沙、作物生長、養(yǎng)分(氮、磷)流失、流域水質(zhì)、農(nóng)藥/殺蟲劑等多種過程以 及各種農(nóng)業(yè)管理措施(耕作、灌溉、施肥、收割、用水調(diào)度等)對這些過程的影響卩引。SWAT模烈已經(jīng)與GIS軟件Arc View, ArcGIS, GRASS, IDRIS1等進行了不同程度的集 成，為遙感和G1S技術(shù)集成運用到流域模擬提供了極大的便利.并且彼集成到羌國環(huán)保署(EPA)開發(fā)的BASINS (Better Assessment Science Integration Point and Nonpoint Sou

16、rces)ai模型系統(tǒng)中，成為EPA非點源污染控制研究的主要模型系統(tǒng)&嘰由于SWAT模型功能強大.er模擬精度高，國內(nèi)外利用SWAT模熨進行相關(guān)研究已冇較多的成功案例，如印度Nagwan的產(chǎn)國污垂點區(qū)域評價先芬蘭Vantaanjoki流域進行的點源和非點源污染負(fù)荷遷移過程的模擬I； 在美國緬岡州海灣近海流域評價(Coastal Watershed Assessment of Gulf of Maine ”頁目中. SWAT模型被用來模擬絢因州海灣和得克薩斯州Bosque River的點源和農(nóng)業(yè)非點源污染狀 況，并對污染控制提供決策支持國內(nèi)方面，南京師范大學(xué)的李碩對江西興國縣的激 水流域進行了多

17、種地理過程的模擬，并對模型的空間離散化和參數(shù)化做了深入探討卩叫張 雪松等利用SWAT模型進行了中尺度流域的產(chǎn)沙模擬(：胡遠安等在蘆溪小流域做了非點源 的水文模擬叫SWAT模型在黑河流域.太湖流域、黃土高原.東南丘陵區(qū)、青藏高原也都 有應(yīng)用的范例I炸舛.在SWAT模舉得到廣泛應(yīng)用的同時，模型自身局限性以及應(yīng)用過程中模型的集成調(diào)用方出面存在的問題也逐漸顯露出來。AmanjotSingh等在用SWAT模型評估Omario流域水質(zhì)污染時作發(fā)現(xiàn)，由于相鄰子流域水文性質(zhì)的不連續(xù)性造成了對河畔濕地的模擬效果不理想，于是他們 采用SWAT+REMM (Riparian Ecological Manageent

18、 Model)來解決這一問題網(wǎng)；Adriana Bruggeman and Geerte van der Meijden為了得到敘利亞北部干早地區(qū)更好的模擬結(jié)果，對 SWAT模型的改進提出了一系列的建議3； Doug MacDonald等在進行森林流域模擬研究時用 ALMANAC模型代替了SWAT模型的作物生長模塊來模擬樹木的生長，得到了更好的結(jié)果南京師范大學(xué)碩L學(xué)位論文* SWAT椀型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研究Ft2鐵因此，SWAT模型并不是一個在任何地域、任何水文條件下都適用的模型，也可能是模:J型的某一模塊的模擬結(jié)果不理想而造成了整個模擬結(jié)果的備差而解決這一問題的最好方法!就是模型的協(xié)作，用

19、相對于某一水文過程更加成熟的模熨來代替SWAT模更中的相應(yīng)模塊。諸多科研和管理單位做了相關(guān)研究.把SWAT模型作為流域研究和管理的基本工具，同時對 其做適當(dāng)修改或輔以其他模型，如Theresa Possley和Qimiao Lu開發(fā)的SDA SWAT在集成 SWAT模型的基礎(chǔ)上，增強了空間數(shù)據(jù)分析和模擬結(jié)果的可視化功能【川；為控制和監(jiān)測意人 利撒丁島的水污染而開發(fā)的Mulino DSS1261；基于數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)(Mathematical Programming Techniques MPT)在通用代數(shù)建模系統(tǒng)(General Algebraic Modeling System, GAMS)中

20、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟模型潔景管理的DSIRR1271；為評估密西西比河上游流域水質(zhì)污染而開發(fā)的、i_SWAT畫等。由此可見，SWAT右其特定的應(yīng)用領(lǐng)域和尺度限制，在實際應(yīng)用中需要采取y多模犁協(xié)作的方法，如美國環(huán)境保護署(EPA開發(fā)的BASINS (Better Assessment ScienceIntegrating Point and Nonpoint Source)系統(tǒng)：另一方面，很多應(yīng)用需要將SWAT模型作為定能量評價匸具集成到特定的流域管理系統(tǒng)中，而由于SWAT模型空間運行單元采用多層次組 織.模型運行需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，類型多樣，集成應(yīng)用涉及問題多，難度大。解決以 上問題的較好方法就是

21、多模型的協(xié)作和開發(fā)通用的?？占煞椒?，而面臨的瓶頸問題就是模 型集成中跨GIS系統(tǒng)平臺的輸入數(shù)據(jù)組織和處理的通用方法。因此.本文在模型運行結(jié)構(gòu)和 SWAT?？戚斎胛募馕龅幕A(chǔ)上，利用面向?qū)﹀璩绦蛟O(shè)計方法，選擇適宜的開發(fā)壞境，致 力于開發(fā)一套用于SWAT模型輸入文件定制的類庫，可以將SWAT?？湛焖僖浦驳较嚓P(guān)的流 域管理系統(tǒng)或構(gòu)建SWAT與其他模型協(xié)同工作的系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀流域水文模盤足水文科學(xué)與計算機科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，其應(yīng)用 范圍已經(jīng)涉及防洪、水資源管理、非點源污染評價、水利工程、城市排水規(guī)劃、土壤保持等 方面。另外，流域水文模型也足分析氣候變化和人類活動對洪

22、、水土流失、水資源和水壞境 影響的有效JLAo1.2.1流域水文模型的發(fā)展及集成研究流域水文模電的研究始于上世紀(jì)50年代，60年代到80年代中期取得重大進展，形成 了一批優(yōu)秀的模型。比較著名的有Stanford模型、SR-FCH模型、API模型、新安江模醴、第一童緒論第一章緒論SSARR模型、ARNO模型、SCS模型、HEC-1模型等勿。分布式水文模黑的概念由Freeze和 Harlan于1969年提出】，但是由于研究資料和計算機技術(shù)的限制貢到70年代末以后才大 毎出現(xiàn)。主要的分布式水文模型有SHE模型、S胃AT模型、IHDM模型等。80年代后期至今， 流域水文模型理論研究發(fā)展較為緩慢，大多數(shù)

23、的模型只是在原模型基礎(chǔ)上為了適應(yīng)不同的用 途而進行改進.得益于計算機技術(shù)的發(fā)展和GIS、RS的引入，分布式水文模型的發(fā)展很快， SWAT模左就是在90年代中后期由SWEBB模型和ROTO?？杖诤闲纬桑⑶业玫綇V泛應(yīng)用的。隨著分布式水文模型的發(fā)展，水文模型對空間數(shù)據(jù)分析和管理的要求越來越高，而這正 是GIS的長項，所以水文模型與GIS的集成變得十分必耍，這一點也成為了 GIS和水文模 型方面專家的共識。眾多學(xué)者對水文模型集成做了相關(guān)研究。李碩等從模型、GIS、數(shù)據(jù)三 個方面分析了環(huán)境模擬與GIS集成的必耍性，對模型集成的概念框架和方式進行了探討】： 姚氏青等回顧了流域模擬?？盏陌l(fā)展歷史和現(xiàn)狀，對

24、流域模擬模型與GTS集成的方法進行 了分析，并指出了其中存在的問題卩朱雪芹等綜述了水文?？张cG1S集成技術(shù)的發(fā)展和 現(xiàn)狀，討論了四種集成方法的技術(shù)持點和存在的問題國.但是，由于地學(xué)模型的多樣性和 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，模型集成的研究仍處于探索階段，導(dǎo)致了多種集成模式并存，各單位的集成 工作都嚴(yán)重依賴于自身的系統(tǒng)柩架，如AVSWAT脫離了 ArcView就無法運行。至今仍沒有 人提出一套完整的模烈集成方案.因此分析模型集成中存在的問題，研究高效可行的模型集 成方法是目前需耍面對的首要問題.1.2.2 SWAT模型的發(fā)展SWAT模型是在SWRRB(Simulator for Water Resources

25、 in Rural Basins)模5?的基礎(chǔ)上融 合了兒個ARS模型發(fā)展而來，這些模羽有CREAMS(Chemicals, Runoff； and Erosion from Agricultural Management Systems)% GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)和EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)WSWRRB的改進是從對CREAMS模型中的日降雨厳水文模型的修改開始進行的。主要改 進有：允許同時計算幾個子流域來預(yù)測流域的

26、水;a；(2曲加了地f水冋流組件； 增加 了水庫和池塘組件，模擬對徑流和泥沙的影響：(4)增加了氣彖模擬功能，包括降雨毘、太 陽輻射和溫度，可以從時間.空間兩個方面模擬長期氣象輸入數(shù)據(jù)；(5)改進了預(yù)測徑流峰 值率(peak runoflFrale)的方法：(6)引入了EPIC的作物生長模型； 增加了簡單的水流演 算紐件：(8)增加了模擬泥沙在水庫、池塘、河流以及山谷的移動組件；(9)可以計算傳輸附京師范大學(xué)碩I：學(xué)位論文，SWAT模型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研允南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文；SWAT模型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研究 P損失。寅20世紀(jì)80年代.模型使用的焦點集中在水質(zhì)評價上.SWRRB模型也

27、做了相應(yīng)的改進：詢集成了 GLEAMS中的殺蟲劑組件，采用了新的產(chǎn)沙公式(MUSLE)以及SCS估計徑流峰值率的新技術(shù)雖然這些改進擴充了模住處理更大范聞流域管理問題的能力，但是SWRRB艾模世流域劃分不能超過】0個子流域，而且它貝有的簡單演算方法只能是從子流域出口直接獷到流域出口。這種局限性導(dǎo)致了所謂ROrO(RoutingOutputs toOutlet)的開發(fā)，它可以獲 取多個SWRRB模取運行結(jié)果.并進行河道演算和水庫演算。ROTO提供了區(qū)域運算功能， 通過允許多個SWRRB同時運行，克服了 SWRRB亞流域的限制。盡管這種改進是有效的， 但是多個SWRRB文件的輸入輸出也是很麻煩的，并

28、且要占用犬址的存儲空間。另外所有 SWRRB運行必須先獨立完成，然后才能輸入ROTO模型進行河道演算和水庫演算。為了克服這種緊瑣的問題，開發(fā)者把SWRRB和ROTO融合成一個模型一SWAT模型。SWAT模舉在90年代中后期推出，迄今己經(jīng)推出了 94.2版、96.2版.98版、99.2版.2000版(2001年7月發(fā)布和2005版等多個版本，模型的界面也發(fā)展到了 Windows (VisualBasic)、GRASSArcView 及 ArcGIS。1.2.3 SWAT模型集成研究次由于SWAT?？δ軓姶?，應(yīng)用范圍廣泛，很多科研和管理單位都將其作為流域研究和管理的基本T具進行集成目前，比較成熟

29、的SWAT模羽集成系統(tǒng)主要有AVSWAT卩叭PBASINS、Mulino DSSR引籌。AVSWAT是SWAT模旳的ArcView擴展模塊的圖形用戶界面，其功能組件和ArcView GIS分析功能可以通過定制化或界面上的工具來完成。AVSWAT在集成SWAT模型的基礎(chǔ)上，提 供了比較完善的數(shù)據(jù)前處理和后處理功能，使得模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型模擬、模擬結(jié)果分析在 同一個系統(tǒng)中完成，而且圖形用戶界面很友好，繪目前應(yīng)用最為廣泛的SWAT系統(tǒng)。整個模 擬過釋可以分為9個步驟：(1)加載AVSWAT擴展模塊；(2)劃分子流域和水文響應(yīng)單元；(3)(可選)編輯SWAT數(shù)推庫；(4)定義氣候數(shù)據(jù)；(5)生成模型輸

30、入文件；(6)(可選)編輯模型輸入文件；(7)加載(需要指定模擬時間段、PET計算方法等)和運行SWAT： (8)(可選)校準(zhǔn)；(9)(可選)對輸出結(jié)果進行分析和制圖。AVSWAT結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié) W緒論BASINS (Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Source)琵由美國環(huán)保 局開發(fā)的多尺度流域環(huán)境分析系統(tǒng)，它是一個星r- gis的流域點源和非點源污染分析工具。 BASINS逋過一系列的相關(guān)組件來進行環(huán)境分析。這些纟H件包扱(I)新建項口具(Build New Project)； (2)分析評價包扌占口標(biāo)控制

31、分析(TARGET)、科學(xué)評價(ASSESS). 數(shù)據(jù)挖掘(DataMining)； (3)數(shù)據(jù)組織和計算浜：(4)子流域劃分JJ1-： (5) DEM、土 地利用、十.壊、水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)重分類和管理C.H： (6)流域特征報告：(7)兩個流域水文模 型,HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran)和 SWAT： (8) 個 Arc View 擴展模 塊.PLOAD： (9) 一個基于 GIS 的水文模型，AGWA (Automated Geospatial Watershed Assessment )o過動你BASINS系統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)及

32、分析評價都彼集成到ArcViewGIS壞境中。 水文模型通過動態(tài)鏈接方式集成，運行文件在ArcView中生成并傳遞給模熨。這些模型可以 在Windows或DOS環(huán)境卜運行，運行結(jié)果再傳冋BASINS進行可視化顯示、分析、解譯籌工 作。系統(tǒng)主耍由六個部分紐成：國家環(huán)境數(shù)據(jù)庫、分析評價T.A.數(shù)據(jù)管理工具、流域特征 報吿、水質(zhì)模型、流域模型和后處理穢序，系統(tǒng)框架圖和操作平臺如圖2所示。:的BASINS集成了三個模型(HSPF、SWAT、AGWA)來模擬有毒化學(xué)物質(zhì)、傳統(tǒng)污染物 和養(yǎng)分在地表的輸移過程，通過這三個模型的協(xié)同來優(yōu)化模擬。PLOAD是一個Arc View擴5南京師范人學(xué)壩1+學(xué)位淪文：S

33、WAT模型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研究南京師范人學(xué)碩I 學(xué)位論文：SWAT模型運彳r結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研處展模塊，用來計算污染物沉積怙:況，分析流域內(nèi)用戶指定污染物的年平均沉枳呈。GenScn 是-個模型輸出結(jié)果的后處理程序，它以數(shù)據(jù)衣格利圖農(nóng)的形式顯示用戶指定地點和時間段 的模型輸出數(shù)據(jù)。壞呃百號約據(jù)國安環(huán)境數(shù)據(jù)昨墓砒圖晞獲也壞境監(jiān)列蟻犯PL0A3分析評價工具$目標(biāo)牲制分折決策分祈渾域管理TMDLs球囲f?護暴幣水圖2 BAS1NS3. 1系統(tǒng)紐竹瀏覽圖Mulino DSS是總:人利撒丁島水資源管理部門為了控制水污染而開發(fā)的種研究社會經(jīng) 濟、環(huán)境與流域符理關(guān)系的模申系統(tǒng)，它采用了一種DPSIR (Dr

34、ivers Pressures States Impacts Responses)槪念柿架來為決策環(huán)境提供一種動態(tài)的系統(tǒng)的觀點。其中水文模型彼用來探尋 壞境丿E力M狀態(tài)Z間的交互作用，可選的模型有四個：SWAT、輸出系數(shù)模型(the Export Coefficient Model ) QUAL2K、地卜水模型(Groundwater Vistas) 詢兩個都址用*評估點 源污染與傳播對環(huán)境彩響的流域尺度的模型，但是他們的模擬方法、輸岀文件的時間分辨率、 空間離散化標(biāo)準(zhǔn)有所不同。QUAL 2K是一個復(fù)雜的女功能的徑流水質(zhì)模型(stream water quality model。地卜水?？帐且?/p>

35、個地卜水彳空流和傳輸?shù)娜S圖形川戶界而，它是八個包扌占 MODFLOW、MT3DMS等在內(nèi)的地卜水模型丁J!包。H：他的SWAT模也集成環(huán)境包括通過數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)(Maihcmatical Programming Techniques. MPT)在通用代數(shù)建模系統(tǒng)(General Algebraic Modeling System, GAMS)中 實現(xiàn)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟模型情景管理的DSIRR、增強了 SWAT的空間數(shù)據(jù)顯示和分析功能并支持I*J京師范人學(xué)碩十學(xué)位論文：SWAT蟆型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)硏處第一章緒論第一章緒論大型數(shù)據(jù)文件的SDA SWAT以及為評估密西西比河上游流域水質(zhì)污染并迎合其特殊數(shù)據(jù)

36、格式而開發(fā)的i.SWAT等。PROBLEM DESCRIPTION(Dring torces-R,essir9S-tatesJmpact Responses (片S/ff) APPROACH)GEODATABASEHYDROLOG1YSOIL AND LAND USECLIMATSOCIO-ECONOMICHYDROLOGICAL MODELSMODELOUAL2KGROUNDWATERVISTASMULTICRITERIA ANALYSISMULINO DSS圖3基T DPSIR概念框架的Mulino DSSAVSWAT足以擴展模塊的形式加載的，它采用Arc View的腳本語吉Avenue進

37、行開發(fā),完全依賴于ArcVicw G1S系統(tǒng)。用戶只能在ArcView中運行模型，BASINS添加了流域管理. 水源保護和暴函等決策分析.但是英依托環(huán)境仍然是ArcView。相對而音，Mulino DSS沒有依托某個特定的GIS系統(tǒng).但是.這三個SWAT模型集成系統(tǒng)的開發(fā)者都沒有提出一套通用的模型輸入數(shù)據(jù)處理和組織方案，雖然完成了模盤集成應(yīng)用的工作，但是別人無法借鑒 其經(jīng)駿，如果想做類似的工作仍需從頭做起。1.3研究目標(biāo)和內(nèi)容13.1研究目標(biāo)剖析SWAT模樂結(jié)構(gòu)和模型運行的內(nèi)部機制，明晰各類輸入文件的格式和空間運行單元的組織方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)一套便于其它應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用的SWAT模型輸入文件3類

38、庫程序. 探索基于SWAT模型輸入文件類庫和相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)平臺的模型集成方法。南京師范大學(xué)碩上學(xué)位論文：SWAT模型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)硏究13.2研究內(nèi)容本文的研究丁作主要從以下幾個方面展開：1. 通過査詢相關(guān)文獻，研究SWAT模型的功能結(jié)構(gòu)和程序化結(jié)構(gòu)。2. 研究SWAT模犁運行結(jié)構(gòu)及輸入文件組織方式。3利用Microsoft Studio. NET編稈環(huán)境.Cti語吝面向?qū)ο蟮臋C制 AD0.NET. C#語言 的反射機制和異常處理機制利用8語言在.NET壞境下開發(fā)SWAT模空輸入文件類庫，實現(xiàn)模 樂輸入文件的恬寫和參數(shù)修改功能。研究基于SWAT模里輸入文件類庫程序和相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng) 的集成方案.

39、133論文結(jié)構(gòu)論文共分5章。本章主要介紹了論文的研究背娥及意義，回顧了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的 進展情況，對論文的研究冃標(biāo).內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)進行了簡單介紹。第二章分析了 SWAT模効的輸入數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)。首先對SWAT模型結(jié)構(gòu)做了簡介。 然后介紹了 SWAT模型的空間離散化策略及實施方案，總結(jié)了 SWAT模羽的流域地理過程。 最厲給出了 SWAT模型運行文件的組織結(jié)構(gòu)。第三章詳細分析了 SWAT模型的運行結(jié)構(gòu)組織形式，結(jié)合實例給出了配苣文件的寫法。 研究SWAT模型的模塊化運行方式，探討了模型在不同地理環(huán)境下通過修改配過文件書寫 的方式來調(diào)用模塊進行模擬的方法。第四章給出了5T.NET環(huán)境開發(fā)的SW

40、AT模型輸入文件類庫。分析了 SWAT模型的集 成過族及關(guān)鍵問題，介紹了.NET框架和系統(tǒng)可重用性技術(shù)，然后詳細介紹了 SWAT模型輸 入文件類庫的類結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)細節(jié)。為了驗證類庫的可用性，編寫了一個用戶界面程序，分別 用模型自帝數(shù)據(jù)和江西級水的數(shù)據(jù)進行的模擬運行。研究了基丁類庫DLL程序的SWAT模型 輸入數(shù)據(jù)組織和處理的通用方法。第五章是全文的結(jié)論與展望。討論了本文研究取得的成果.不足之處及未來丁作的重點。圍京師范大學(xué)碩=學(xué)位論文：SWAT運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研咒第二章SWAT模型輸入數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)分析第二章SWAT模型輸入數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)分析SWAT(SoiJ and Water Assessme

41、nt Tool)是由矣國農(nóng)業(yè)研究院的Dr Jeff Arnold開發(fā)的流域 尺度模型.主耍用來預(yù)測土地管理操作對于在長時間跨度內(nèi)不同的土填、土地利用和管理條 件的大空復(fù)雜流域的水文、沉積和農(nóng)業(yè)化學(xué)徑流等方面的影響。模羽結(jié)構(gòu)復(fù)雜-功能模塊眾 多，運行需耍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型多樣、采取多層次空間組織本章就這些內(nèi)容進行詳細闡述。 2.1 SWAT模型結(jié)構(gòu)簡介SWAT模里可以模擬流域內(nèi)部的多種地理過程，模期由：水文(hydrology).氣象 (weather).泥沙(sediment)% 土壤溫度(soiltemperature)% 作物生長(crop growth) 養(yǎng) 分(nutriem)、農(nóng)藥/殺蟲

42、劑(pesticides)和農(nóng)業(yè)管理(agriculhire management) 8 個組件構(gòu) 成可以模擬地表徑流.入滲、側(cè)流、地下水流、回流、融雪徑流、土壤溫度、土壤濕度- 蒸散發(fā)、產(chǎn)沙、輸沙、作物生長、養(yǎng)分流失(氮、磷)、流域水質(zhì)、農(nóng)藥/殺蟲劑等多種過 程以及多種農(nóng)業(yè)管理措施(耕作.灌溉、施肥、收割、用水調(diào)度等)對這些過稈的影響。2.1.1 SWAT模型的功能模塊1. 水文模塊：可以模擬的水文過程有表面徑流.下滲、側(cè)流.地下水流、蒸散發(fā)、融 雪徑流和傳輸損失。(1)表面徑流：SWAT模理可由降雨呈耳接計算徑流呈。徑流號通過修改的SCS徑 流曲線數(shù)方法(Modified SCS Curv

43、e Number)計算.SCS曲線數(shù)模型把土壤類型、土地利 用和管理措施與徑流瑩聯(lián)系在一起。徑流曲線數(shù)表示為流域每一土被組合的水持留能力 (retention parameter)的函數(shù)。徑流曲線數(shù)從條件 1 (Dry condition. Wilting point)到條件 3 (Wet condition at Field Capacity)之.間非線性變化。類國土壌保護局(SCS)對各種水 文土被組合給出了徑流曲線數(shù)SWAT模型還推岀了有凍土(Frozen Soil)徑流計算的版本。 徑流峰值率的預(yù)測采用了修改的Rational Formula方法和SCS TR-55方法預(yù)測降雨強 度為

44、降雨毘的函數(shù)，通過隨機方法計算。坡面流和河道流積聚時間通過曼寧公式(Manning formula)來計算。下滲：SWAT模型的采用土壤蓄水演算技術(shù)(Storage Routing Technology)來計算植南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文：SWAT模型運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研究被根部帶每層土壤Z間的水的流動。如果土壤層的含水童超過了田間持水量(Field Capacity),而且卜層土壤含水量沒有達到飽和狀態(tài)，就會存在向下的流動，流動速率由土 壤層的飽和傳導(dǎo)率來控制：當(dāng)下部土壤層的含水燉趙過了田何持水輦，就會存在水的向上 流動，從下到上的流動過程由上下兩層土壤含水毘和田間持水雖的比率來調(diào)節(jié)。土壤溫度

45、 對水的入滲也產(chǎn)生一定的影響，如果某一土壤層的溫度為零度或零下，此土壤層就不會有 水的流動。(3) 側(cè)流(lateral Subsurface Flow)： 土壤層(02m)內(nèi)的側(cè)流是和入滲同時計算的。SWAT 模型采用動力學(xué)薪水容繪模型來計算每一土壤層的側(cè)流親。這個模電說明了土壤水傳導(dǎo). 含水址和坡度等因素對側(cè)流的影響。(4) 地卜水(Groundwater Flow)： SWAT模空中地下水流對總產(chǎn)水最的貢獻通過淺水帶 裕水模型來模擬。地卜水的補給路徑從土壤根部帶由入滲水補給到淺水層(Shallow Aquifer),也可以通過日徑流觀測值計算出回退系數(shù)，從而計算出注水帶出流量。(5) 蒸

46、散發(fā)(Evapo(ranspira(ion)： SWAT模旳提供了三種估計蒸散發(fā)的方法。a)Hargrcavcs 方法(叫 b)Priestly-Taylor 方法叫 c)Penman-Monteith 方法。Penman-Monteith 方法需要 日太陽輻射、日氣溫、日風(fēng)速.以及日相對濕度的值作為輸入數(shù)據(jù)。如果沒有這些輸入數(shù) 值，可以選擇其它兩種方法.模型可以分別計算植被散發(fā)以及土壤蒸發(fā).土壤水分的蒸發(fā) 由包含“土壤深度”和“含水冠”兩個變呈的指數(shù)函數(shù)計算。植被蒸散發(fā)則通過由潛熱 (Potential ET)和葉面指數(shù)(Leaf Area Index)組成的線性函數(shù)計算。(6) 融雪徑(S

47、novvMelt)：如果雪孟存在，當(dāng)日最奇漁度超過0C時就會產(chǎn)生融習(xí)。融 雪量通過一個氣溫的線性函數(shù)來計算。(7) 傳輸損失(Transmission Losses)： SWAT 模型利用 SCS 的 Ivanes Method 來計算傳輸 損失【創(chuàng)。河道傳輸損失星是河道寬度、長度和徑流歷時的函數(shù)。在計算過程中預(yù)測的徑 流鼠和峰值率也進行了相應(yīng)調(diào)整。2. 氣象模塊。SWAT模型運行需要的氣象輸入數(shù)據(jù)有：降水星、日鼓奇氣溫和日域低 氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和相對濕度。這些數(shù)據(jù)都可以由一個氣象模型從空間和時間兩個方 血模擬產(chǎn)生。在99版以前的版本中，觀測的降雨、最高氣溫和最低氣溫可以直接輸入模型， 太

48、陽輻射.風(fēng)速和相對濕度總址由氣象模擬模型模擬產(chǎn)生。2000版中進行了改進.后三項 數(shù)值也可以作為模型的直接輸入數(shù)據(jù)。(1)降水(Precipitation)： SWAT的降水模擬模型由一個一級馬爾可夫鏈模黑(A First-Order Markov Chain Model)組成。模羽輸入數(shù)據(jù)需要多年日降水資料的多項概率統(tǒng)計數(shù)值作為輸?shù)谝?章SWAT模型輸入數(shù)粥組織結(jié)構(gòu)分析笫二章SWAT模型輸入數(shù)據(jù)組織錯構(gòu)分析入值。(2) 氣溫和太陽輻射：(Air Temperature, Solar Radiation)：日最樂 日最低氣溫和太陽輻 射通過由干濕狀態(tài)概率校正的正態(tài)分布統(tǒng)計產(chǎn)生。校止I月子由長期

49、日記錄統(tǒng)計的標(biāo)準(zhǔn)差計 算得來.(3) 風(fēng)速和相對濕度(Wind Relative Humidity)：日風(fēng)速通過修改的指數(shù)公式模擬，需要 多年每月的口風(fēng)速的平均值作為輸入數(shù)據(jù)。日平均相對濕度由長期的月平均值通過三角分 布模擬產(chǎn)生,并且根據(jù)氣溫和太陽輻射的變化進行調(diào)抱來反應(yīng)出濕(Wet Day)和干(Dry Day) 條件F的影響。3產(chǎn)沙模塊：對于每個離散單元，產(chǎn)沙繪由(MUSLE)方法計算。表面徑流屋和峰值 率由水文模型模擬值產(chǎn)生。植被管理因子(C Factor)由地面生物除，地表殘存玆和最小的C 因子計算得來。MUSLE中的其它因子的計Wischmeier和Smith也作了詳細的說明(的。4

50、土壤溫度模塊：每一層土壤中心部分日平均土壤溫度由日最高氣溫，日最低氣溫以 及雪蓋、植被、田間殘留等因素模擬計算。需要土壤容重和土壤水份等參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù).5. 作物生長模塊。SWAT模型有一個單獨的作物生長模型，崔從EPIC模型期 (Erosion-Productivity Impact Calculator)中的作物生長模塊修改集成的。作物生長所需的能就 獲取農(nóng)示為太陽輻射和作物葉面指數(shù)的函數(shù)。生物量的日增加利用作物參數(shù)和獲取的能童 來轉(zhuǎn)化計算。葉面指數(shù)通過熱承單位的變化模擬得到。作物產(chǎn)(CropYields過由收割指 數(shù)的概念建立的模型計算。收割指數(shù)是熱址單位的非線性函數(shù)，隨熱最值變化從作

51、物種植 開始到作物成熟非線性增加。作物種植時，設(shè)為零，對于不同的作物成熟時具有不同的 優(yōu)化值。收割指數(shù)可以根據(jù)水脅迫(Water Stress)因子在植被生長不同的階段進行調(diào)節(jié)6. 養(yǎng)分模塊包抵氨元素和磷元素的模擬氮素(Nitrogen)：包含在徑流、側(cè)流和入滲中的NO3通過水說和平均聚集度來計算. 在地下的入滲和側(cè)流中考慮了過濾的因索影響。降雨事件中有機氮的流失利用了 McElroy 等人開發(fā)經(jīng)由Williams and Hann修改的模型來模擬。此模型不但考慮了氮元素在上層土 壤和泥沙中的集聚，同時利用了供一求方法計算了作物生長的吸收(2)磷素(Phosphorus)：溶輪狀態(tài)下的磷元素在

52、表面徑流中的流失采用了 Leonard和 Wanchop1441研究的方法。這個方法將磷素分成溶解和沉淀兩種狀態(tài)進行模擬。磷元素的流 失計算考慮了表層土壤聚集、徑流量和狀態(tài)劃分因子等因素的影響同時考慮了作物生長 的吸收7農(nóng)藥/殺蟲劑模塊：應(yīng)用了 GLEAMS財模型的方法.可以模擬農(nóng)藥/殺蟲劑在表面第二氓SWAT模糧輸入數(shù)W；紐織結(jié)構(gòu)分析南京師范人學(xué)畋上學(xué)位論文z SWAT模運行結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)研究徑流、入滲水、泥沙中的傳輸以及在土壤表面的蒸發(fā)雖。殺蟲劑在人氣中的揮發(fā)通過揮發(fā) 率模擬計算.對于不同類型的殺蟲劑SWAT模巾設(shè)進有多種參數(shù)，如：溶解度，在土壤和 葉面中的半衰期，沖涮比率，有機碳吸收系數(shù)

53、等等。農(nóng)藥/殺蟲劑在植物表面和土壤中的降 解隨半衰期以指數(shù)函數(shù)形式變化模擬農(nóng)藥/殺蟲劑在徑流和泥沙中的傳輸則通過每一次降 雨事件進行計算，當(dāng)有入滲水存在時，也同時考慮了過濾的因素。&農(nóng)業(yè)操作管理模塊：SWAT模戰(zhàn)可以模擬多年生植被的輪作(年數(shù)沒仃限制)，年內(nèi) 最多可以模擬三季輪作，可以輸入灌概、施肥和農(nóng)藥/殺蟲劑的數(shù)據(jù)(以日期、數(shù)挺方式)來 模擬多沖農(nóng)業(yè)管理措施的影響。模型的耕作(tillage)和(田間)殘茬(Residue)組件可以把地 面生物址分解成收割斌、混入上壤星和田間殘茬三個部分，模型對于土境內(nèi)的殘茬部分沒 有再作進一步地模擬.假設(shè)耕作方式對于土壤屬性沒有彭響，對于作物灌溉的模擬分

54、成多 種悄況考慮，如果有灌溉措施.就必須確定遊溉用水量和作物的水脅迫因子閾值.當(dāng)?shù)搅?用戶定義的脅迫水平值時，模舉白動產(chǎn)生溝漑的操作，宜到土壤根部帶的含水童達到田間 持水量為止。2.1.2 SWAT模型的演算組件SWAT 模型的演算組件(Routing Components)包拈河逍演算(Channel Flood Routing) 河 流泥沙演算(Channel Sediment Routing)、河道內(nèi)養(yǎng)分和殺蟲劑的演算(Channel Nutrient and Pesticide Routing)x 水庫內(nèi)的演算(Reservoir Routing)#河道的演算采用了由Williams1

55、451 JF發(fā)的模型。河道輸入數(shù)據(jù)包拆河段長度(Reach Length),河道坡度(Channel slope),河道寬度和深度.河逍兩端河岸坡度，河漫灘坡度以 及河床和河灘曼寧系數(shù)。流率(Flow Rae)和平均流速(Average velocity)通過曼寧公式來計 算。河道的岀流(outflow)也根據(jù)傳輸損失.蒸發(fā)暫 河道曲孔度(diversions)和回流竽因素 進彳亍調(diào)整。河道泥沙演算?？沼沙恋?deposition)和降解(degradation)兩個組件同時組成。從子流域 出口到整個流域?qū)缈谶@段距離上.河道內(nèi)以及河灘上的泥沙沉淀可以通過泥沙顆統(tǒng)的沉降 速率(Fall Velo

56、city)計算。顆粒的沉降速率址顆粒直徑的函數(shù).可以通過Stokes定律okes Law)計算。顆粒在某段河道內(nèi)的沉降深度由沉降速率和徑流歷時(Reach travel time)計算。 泥沙的傳輸率(delivery ratio)按照不同的泥沙顆粒大小.分別由沉降速度、河道徑流歷時和 沉降深度進行計算.第二章SWAT模型輸入數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)分析河道內(nèi)泥沙降解過穆通過河流功率(Stream Power)來計算.Bagnold(呦將河流功率定義 為河水密度(water density)、流率(flow rate)以及水面坡度(water surface slope)共同作 用的結(jié)果。Williams

57、的修改了 Bagnold公式，增加了河流功率的權(quán)重.河流功率的作用使 得泥沙顆粒和沉淀物質(zhì)變得松散分離直到水流將其沖走。如果水流的沖刷力過大.就會引 起河床底部的侵蝕，河床侵蝕過程模擬可通過河床土壤可蝕性、河道以及河灘的覆蓋物等 因素加以調(diào)節(jié)。SWAT模型沒有模擬養(yǎng)份和農(nóng)藥/殺蟲劑在河道的傳輸和分解。溶解的化學(xué)物質(zhì)被當(dāng)成 足恒定不變的，被泥沙吸收的化學(xué)物質(zhì)隨泥沙發(fā)生沉淀。水莊內(nèi)的演算又包抵水平衡和演算泥沙演算.養(yǎng)分和殺蟲劑演算.(1)水庫內(nèi)的水平衡和演算(Reservoir Water Balance and Routing)：水庫的水平衡由流入、 流岀、水庫表面降水、蒸發(fā)、水庫底部的滲漏和回流等過程組成。目前有三種方法來計算 出流，第一種方法下，出流量采用觀測值，其它的水平衡過