SWAT水文模型

1、SWAT水文模型介紹1概述SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型是美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè) 研究局(ARS)開發(fā)的基于流域尺度的一個長時段的分布式流域水文模型。它主 要基于SWRRB模型，并吸取了 CREAMS、GLEAMS> EPIC和ROTO的主要特征。SWAT 具有很強的物理基礎(chǔ)，能夠利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息模擬地表水和地 下水的水量和水質(zhì)，用來協(xié)助水資源管理，即預測和評估流域水、泥沙和農(nóng)業(yè)化 學品管理所產(chǎn)生的影響。該模型主要用于長期預測，對單一洪水事件的演算能力 不強，模型主要由8個部分組成：水文、氣象、泥沙、土壤溫度、作物生長

2、、營 養(yǎng)物、農(nóng)業(yè)管理和殺蟲劑。SWAT模型擁有參數(shù)自動率定模塊，其采用的是 Q. Y.Duan等在1992年提出的SCE-UA算法。模型采用模塊化編程，由各水文計 算模塊實現(xiàn)各水文過程模擬功能，其源代碼公開，方便用戶對模型的改進和維護。2模型原理SWAT模型在進行模擬時，首先根據(jù)DEM把流域劃分為一定數(shù)目的子流域， 子流域劃分的大小可以根據(jù)定義膨成河流所需要的最小集水區(qū)面積來調(diào)整，還可 以通過增減子流域出口數(shù)量進行進一步調(diào)整。然后在每一個子流域再劃分為水文 響應單元HRU。HRU是同一個子流域有著相同土地利用類型和土堵類型的區(qū)域。 每一個水文響應單元的水平衡是基于降水、地表徑流、蒸散發(fā)、壤中流

3、、滲透、 地下水回流和河道運移損失來計算的。地表徑流估算一般采用SCS徑流曲線法。 滲透模塊采用存儲演算方法，并結(jié)合裂隙流模型來預測通過每一個土壤層的流量, 一旦水滲透到根區(qū)底層以下則成為地下水或產(chǎn)生回流。在土壤剖面中堵中流的計 算與滲透同時進行。每一層土壤中的壤中流采用動力蓄水水庫來模擬。河道中流 量演算采用變動存儲系數(shù)法或馬斯金根演算法。模型中提供了三種估算潛在蒸散 發(fā)量的計算方法Hargreaves Pr i est I ey-Tay I or Penman-Monte i th0 每一個 子流域侵蝕和泥沙量的估算采用改進的USLE方程，河道泥沙演算采用改進的Bagnold泥沙運移方程。

4、植物吸收的氮采用供需方法計算，植物的氮日需求量是 植物與生物量中氮濃度的函數(shù)。土壤中向植物供給缸，當需求超過供給時，出現(xiàn) 營養(yǎng)物壓力。地表徑流、壤中流和滲透過程運移的硝態(tài)氮量由水量和土壤層中的 平均硝態(tài)氮濃度來估計。泥沙中運移的有機泉采用McElroy et al.開發(fā)的負荷 方程，后經(jīng)進一步改進。該負荷方程基于土壤表層的有機氮濃度、泥沙量和富集 率來估計徑流中的有機氮損失。植物吸引的磷采用與氮相似的供需方法。徑流中 帶走的可溶解磷采用土壤表層中的不穩(wěn)定磷、徑流量和磷土分離系數(shù)來計算。泥 沙運移的磷采用與有機氮運移相同的方程。河道中營養(yǎng)物的動態(tài)模擬采用 QUAL2E 模型。2.1 產(chǎn)匯流模型模

5、型中采用的水量平衡表達式為：tSWt= SWo + W(Rday - Qsurf - Ea 一叫eep - Qgw)i=l式中：SWt為土壤最終含水量，mm; SWo為土壤前期含水量，mm; t為時間步長， d： Rday為第i天降水量，mm： Qs“f為第i天的地表徑流，mm; Ea為第i天的蒸 發(fā)量，mm：逛eep為第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側(cè)流量，mm; Qgw為 第i天地下水含量，mm。SWAT模型水文循環(huán)陸地階段主要有水文、天氣、沉積、 土堵溫度、作物產(chǎn)量、營養(yǎng)物質(zhì)和農(nóng)業(yè)管理等部分組成。模型徑流量產(chǎn)生計算流 程圖如下圖2T所示。圖27 SWAT模型產(chǎn)流計算流程圖2.1.1 地

6、表徑流當落到地表的降水量多余入滲量時產(chǎn)生地表徑流。SWAT模型采用SCS徑流 曲線法計算。SCS曲線方程自上世紀50年代逐漸得到廣泛使用，屬于經(jīng)驗模型，是對全 美小流域降水與徑流關(guān)系20多年的研究成果。模型能反應不同土壤類型和土地 利用方式及前期土壤含水量對降雨徑流的影響，它是基于流域的實際入滲量（F） 與實際徑流量（Q）之比等于流域該場降雨前的最大可能入滲量（S）與最大可能 徑流量（Qm）之比的假定基礎(chǔ)上建立的SCS模型的降雨-徑流基本關(guān)系表達式如下：F _ S式中：假定潛在徑流量（Qm）為降水量（P）與由徑流產(chǎn)生前植物截留、初滲和 填洼蓄水構(gòu)成的流域初損（Ia）的差值。由此推到上式有：S

7、+ P - Ia初損la受土地利用、耕作方式、灌溉條件、能層截留、下滲、填洼等因素的 影響，它與土康最大可旋入滲量S呈一定的正比關(guān)系，美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局在 分析了大量長期的實臉結(jié)果基礎(chǔ)上，提出了二者最合適的比例系數(shù)為0.2,即:Ia = 0.2SP > 0.2S由此可得SCS方程為:y P+0.8SP < 0.2S流域當時最大可能滯留量S在空間上與土地利用方式、土壤類型和坡度等下 墊面因素密切相關(guān)，模型引入的CN值可較好地確定S,公式如下:25400s=-254CN是一個無量綱參數(shù)，CN值是反映降雨前期流域特征的一個綜合參數(shù)，它是前期土壤濕度、坡度、土地利用方式和土壤類型狀況等因

8、素的綜合。2.1.2 蒸散發(fā)模型考慮的蒸散發(fā)是指所有地表水轉(zhuǎn)化為水蒸氣的過程，包括樹翅截留的水 分蒸發(fā)、蒸騰和升華及土壤水的蒸發(fā)。蒸散發(fā)是水分轉(zhuǎn)移出流域的主要途徑，在 許多江河流域，蒸發(fā)量都大于徑流量。準確地評價蒸散發(fā)量是估算水資源量的關(guān) 鍵，也是研究氣候和土地覆蓋變化對河川徑流影響的關(guān)鍵。(D潛在蒸散發(fā)模型提供了 Penman-Monte i th > Pr i est I ey-Tay I or 和 Hargreaves 三種計算 潛在蒸散發(fā)的方法，另外還可以使用實測資料或已經(jīng)計算好的逐日潛在蒸散發(fā)資 料。一般采用Penman-Monte ith方法來計算流域的潛在蒸散發(fā)。(2)實際

9、蒸散發(fā)實際蒸散發(fā)以潛在蒸散發(fā)為計算基礎(chǔ)。在計算流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量的時候，模 型首先計算植物冠層截留水分的蒸發(fā)，然后計算最大蒸騰量、最大升華量和最大 土魔蒸發(fā)量，最后計算實際的升華量和土堵水分蒸發(fā)量。(3)冠層截留蒸發(fā)量模型在計算實際蒸發(fā)時假定盡可能蒸發(fā)融層截留的水分，如果潛在蒸發(fā)量E。 小于筵層截留的自由水量場門，則：Ea = Ecan = E0ElNT(f) = EiNT(i) Ecan式中：Ea為某日流域的實際蒸發(fā)量，mm： Ecan為某日冠層自由水蒸發(fā)量，mm： Eo 為某日的潛在蒸發(fā)量，mm： EiNT(i)為某日植被冠層自由水初始含量，mm： Eint(D為 某日植被危層自由水終止含量

10、，mm。如果潛在蒸發(fā)量Eo大于冠層截留的自由水含量Eint則：Ecan = EiNT(i)ElNT(f) = 0當植被能層截留的自由水被全部蒸發(fā)掉，繼續(xù)蒸發(fā)所需的水分就會從植被和 土壤中得到。(4)植物蒸騰假設(shè)植物生長在一個理想的條件下，植物蒸騰可用以下表達式計算：當 OWLAI W3.0 時Eo * LAIEt= f當 LAI >3.0 時 式中：Et為某日最大蒸騰量，mm;Eo為植被冠層自由水蒸發(fā)調(diào)整后的潛在蒸發(fā)E。= Eo - Ecan，mm;LAI為葉面積指數(shù)。因為沒有考慮到植物下面圖層的含水量問題， 由此公式計算處的蒸騰量可能比實際蒸騰量要大一些。(5) 土堵水分蒸發(fā)在計算土堵

11、水分蒸發(fā)時，首先區(qū)分出不同深度土壤層所需要的蒸發(fā)量，土壤 深度層次的劃分決定土壤允許的最大蒸發(fā)量，可由下式計算：、zE -1= Ec 7so" Z S z + exp(2.347 - 0.00713 x z)式中：Epi 為z深度處蒸發(fā)需要的水量，mm; z為地表以下土堵的深度，mm。 SO 11 f z表達式中的系數(shù)是為了滿足50%的蒸發(fā)所需水分來自土壤表層10mm,以及95席的 蒸發(fā)所需水分來自0100mm 土壤深度圍。土壤水分蒸發(fā)所需要的水量是有土壤上層蒸發(fā)需水量與土堵下層蒸發(fā)需水 量決定的：Esoil, ly Esoil, zl soil, zu式中：Es°i1.l

12、y為ly層的蒸發(fā)需水量，力為土壤下層的蒸發(fā)需水量，加； Es°ii zu為土壤上層的蒸發(fā)需水量，mm。土堵深度的劃分假設(shè)50%的蒸發(fā)需水量由010mm 土壤上層的含水量提供, 因此100mm的蒸發(fā)需水量中50mm都要由10mm的上層土堵提供，顯然上層無法滿 足需要，這就需要建立一個系數(shù)來調(diào)整土壤層深度的劃分，以滿足蒸發(fā)需水量， 調(diào)整后的公式可以表示為：Esoilf ly = Esoil, zl - Esoil, zu X eSC0式中：esc。為土康蒸發(fā)調(diào)節(jié)系數(shù)，該系數(shù)是SWAT為調(diào)整土填.因毛細作用和土壤裂隙等因素對不同土層蒸發(fā)量二提出的，對于不同的esc。值對應著相應的土壤 層劃

13、分深度。2.1.3 土壤水滲入到土壤中的水有多種不同運動方式。土壤水可以被植物吸收或蒸騰而損 耗，可以滲透到土壤底層最終補給地下水，也可以在地表形成徑流，即壤中流。 由于主要考慮徑流量的多少，因此對壤中流的計算簡要概括。模型采用動力儲水 方法計算填中流。相對飽和區(qū)厚度H。計算公式為：2XSW.H _ ly* excess100° x (l)d - LhiU式中：SW；xcess為土壤飽和區(qū)可流出的水量，mm： LhiU為山坡坡長，m：汽為土壤可出流的孔隙率；,表示土壤層總孔隙度，即”與土壤層水分含量達到 asoil田間持水量的孔隙度，之差。fc= 一d soil fc山坡出口斷面的凈

14、水量為：Qlat = 24 X Ho - vjat式中：環(huán)盤為出口斷面處的流速，mm/ho其表達式為:Vlat = Ksat sip式中：Ksat為土壤飽和導水率，mm/h; sip為坡度。總結(jié)上面表達式，模型中壤中流最終計算公式為:Q igJxS'KsKQp. Lhm2.1.4 地下水模型采用以下表達式來計算流域地下水：Qgw, i = Qgw, i-i - exp (- a 8卬 . A。+ wrchrg-l-exp(-agw- At)式中：Qgw. i為第i天進入河道的地下水補給量，mm： Qgw 1為第(i7)天進 入河道的地下水補給量，mm： At為時間步長，d; Weh電為

15、第i天蓄水層的補給 流量，mm： a 為基流的退水系數(shù)。其中補給流量由下式計算： gww . = 1 - exp (-1/ 8 )1 - WseeD + exp (-1/ 8 ) w .,rchrg. ir 1 gw/J seeP r / gw/ rchrg. i-l式中：W1.為第i天蓄水層補給量，mm： 8 為補給滯后時間，d；玳seen為rcnrg, igw>8了第i天通過土壤剖面底部進入地下含水層的水分通量,mm/d：wrr。一為第(i-1) rcni g 1一jl天蓄水層補給量，mm。2. 2 土壤侵蝕模型泥沙生成量用MUSLE方程來預測，計算渠道泥沙輸移量的公式為：T = a

16、 - Vb式中：T為輸移能力，t/m；; V為流速，m/s: a和b是常數(shù)。根據(jù)天氣條件，泥沙揄移量可以高于或者低于揄移能力，導致沉積過量的泥 沙通過渠道侵蝕再懸浮輸移泥沙。流速方程為：FV =vw- d式中：F為流量，m3/s; w為渠道寬度，m; d為徑流深，mo對于低于齊岸深度的徑流，徑流深使用Manning方程來計算，假定渠道寬度遠大于深度:_/ F-n弓-（w . cs0,5/式中：n為渠道曼寧系數(shù)；cs為渠道坡度，m/mo由于降水和徑流產(chǎn)生的土魔侵蝕是用MUSLE方程來計算的，MUSLE是修正的 通用土壤流失方程（USLE）。USLE方程是通過降水動能函數(shù)預測年均侵蝕量，而 在MU

17、SLE中，用徑流因子代替降水動能，改善了泥沙產(chǎn)量的預測，這樣就不需要 泥沙輸移系數(shù)，并且可以將方程用于單次暴雨事件，因為徑流因子是先行濕度和 降水動能的函數(shù)。USLE中需要輸移系數(shù)是因為降水動能因子表示的能量只在作 用流域起作用。修正的通用土壤流失方程為；/、056msed = 1L8 X (Qsurf , Qpeak e Ahru) , KjjSLE * CUSLE ' PUSLE , LSusle - CFRG式中：nised為土壤侵蝕量，t; Qsurf為地表徑流，mm/h; qpk為洪峰流量，m'/s;Ahru為水文響應單元的面積，hm； Kusle為土壤侵蝕因子；Cu

18、sle為植被覆蓋和管 理因子；坨sle為水土保持措施因子；-LSusle為地形因子；CFRG為粗碎屑因子。2.1.1 土壤侵蝕因子Kusle當其他影響侵蝕的因子不變時，K因子反映不同類型上堵抵抗侵蝕力的高低。 它與土堵物理性質(zhì)的影響，如機械組成、有機質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)、土壤滲透性等 有關(guān)。當土壤顆粒粗、滲透性大時，K值就低，反之則高；一般情況下K值得變 幅在0.02 0.75之間。K值得直接測定方法是：在標準小區(qū)（坡長為22. 1m,寬為1.83m,坡度為 9%）上沒有任何植被，完全休閑，無水土保持措施，降水后收集由于坡面徑流而 沖蝕到集流槽的土壤，烘干、稱重，由公式計算得到K值。試臉測算K值既

19、費時又費力，1971年一些學者發(fā)展了一個通用方程來計算土 壤侵蝕因子K值，該方程在土壤黏土和康土組成少于70%時適用。_ 0.00021 x M114- (12 - OM) + 3.25 x (csoiistr - 2) + 2.5 x (cperm - 3) Kusle =Joo式中：M為顆粒尺度參數(shù)；OM為有機物含量百分比，%； Csoiistr為土壤分類中的 結(jié)構(gòu)代碼；Cperm為土壤剖面可滲透性類別。1995年另一位學者提出了 一個替換方程：KuSLE =匕sand ' cl-si -rgc ,殆isand式中：Land為粗糙砂土質(zhì)地土壤侵蝕因子；frfsi為粘堵土土壤侵蝕因子

20、；forge為 土壤有機質(zhì)因子；fhisand為高砂質(zhì)土壤侵蝕因子。各因子的計算公式如下：fesand = 0.2 + 0.3 x exp -0.256 x ms(l -f = ( msilt 03cl-si - mc + msilt/0.25 x p rforge = 17一江VP orgc +。邛 072 2.95 x p。例)f = 167x(1一磊“益)+exp T.51 +22.9(f)式中：n4為粒徑在0. 052. 00mm沙粒的百分含量；為粒徑在0. 002-0. 05mm的淤泥、細砂百分含量；me為粒徑小于0.002mm的粘土百分含量；p 為各土 orgL壤層中有機碳含量，%

21、。2.1.2 植被覆蓋因子Cusle植被覆蓋和管理因子Cusle表示植物覆蓋和作物栽培措施對防止土壤侵蝕的 綜合效益，其含義是在地形、土壤、降水條件相同的情況下，種植作物或林草地 的土地與連續(xù)休養(yǎng)地土壤流失量的比值，最大取值為1.0.由于植被覆蓋受植物 生長期的影響，SWAT模型通過下面的方程調(diào)整植被覆蓋和管理因子Cusle：Cusle = exp ln0.8-ln(CUSLE mm) - exp(-0.00115 - rsdsurf)+ I】 Gsle, mm)式中：Cusle3是最小植被覆蓋和管理因子值：rsdsurf是地表植物殘留量，kg/hm?。最小c因子可以由已知年平均c值，通過以下

22、方程計算。Cusle. mm = 1463 x In(CUSLE mm) + 0.1034式中：CnqiF mm表示不同植被覆蓋的年均C值。 uold. mm2. 2. 3水土保持措施因子Pusle水土保持因子PUSLE是指有保持措施的地表土堵流失與不采取任何措施的地表土壤流失的比值，這里的水土保持措施包括等高耕作、帶狀種植和梯田。等高耕作對于中低強度的降水侵蝕具有保護水土流失的作用，但對于高強度的降水其保護作用則很小，等高耕作對坡度為3%8%之間的土地非常有效。2.2.4地形因子地形因子LSusle的計算公式如下：LSusle =(拼).(65.41 . sin2 a h，n + 4.56

23、x sin a 創(chuàng) + 0.065)式中：Lhin為坡長；m為坡長指數(shù)；。皿】為坡度。坡長指數(shù)m的計算公式如下：m = 0.6 x 1 - exp(-35.835 x sip)式中：sip為水文相應單元的坡度，sip = tan ah。2. 2.5CFRG 因子CFRG因子是通過下面公式計算的：CFRG = exp(-0.053 x rock)式中：rock為第一層土堵中礫石的百分比，%o2. 3污染負荷模型SWAT模型可以模擬不同形態(tài)鼠的遷移轉(zhuǎn)化過程，地表徑流流失、入滲淋失、 化肥輸入等物理過程，有機氮礦化、反硝化等化學過程以及作物吸收等生物過程, 氮可以分為有機氮、作物氟和硝酸鹽氟三種化學

24、狀態(tài)，氮的生物固定、有機氮向 無機氮的轉(zhuǎn)化以及溶解性氮隨側(cè)向壤中流的遷移等過程，有機氮又被劃分為活潑 有機氮和情性有機氮兩種狀態(tài)，以及佞態(tài)氮揮發(fā)過程的模擬。2. 3.1硝態(tài)氮污染負荷模型硝態(tài)氮主要隨地表徑流、側(cè)向流或滲流在水體中遷移，要計算隨水體遷移的 硝態(tài)氮量必須先計算自由水中硝態(tài)泉濃度，用這個濃度乘以各個水路流動水的總 量，即可得到從土壤中流失的硝態(tài)氮總量。自由水部分的硝態(tài)氮濃度可用下面公式計算：PMn -expN031yPN03,mobile-Wmgbile1- %>SAT|ymobile式中：PN6,mobile為自由水中硝態(tài)氮濃度，kg/mm： P血吸為土壤中硝態(tài)缸的量， kg

25、/hm2; Wmobiie為土壤中自由水的量，mm： 9。為孔隙度：SAT】y為土壤飽和含水量。(1)通過地表徑流流失的溶解態(tài)氮計算公式:P NO3surf =N03 P NO 卜 i . Qsurfssu門.a, mobile式中：Pzc為通過地表徑流流失的硝態(tài)氮，kg/hm?； Bzc為硝態(tài)氮滲流系數(shù)；NOssurfNO?Qsurf為地表徑流，mm。(2)通過側(cè)向流流失的溶解態(tài)氮的量計算公式：對于地表10mm圖層：P N°31at, ly =葭0/叫 mobiIe - Q>at, ly對于10mm以下的土層：P N°31at, ly= P NO3 mobne ,

26、Q)at. ly式中：Pzc為通過側(cè)向流流失的硝態(tài)氮,kg/hm?; Bzc為硝態(tài)氮滲流系數(shù)；N031at, lyNO?P Nn為自由水的硝態(tài)氮濃度，kg/mm： Q t w為側(cè)向流，1Tlm。mobile' y(3)通過滲流流失的溶解態(tài)氮量計算公式：0= P- w 1N°31at, ly 口啊 m°bi將 Pep'式中：Pmh 為通過滲流流失的硝態(tài)氮，kg/hm2; pxin 為自由水的硝 N031at. lyN03, mobile態(tài)氮濃度，kg/mm： Wperc. y為滲流，mm。2. 3. 2有機氮污染負荷模型有機氮通常是吸附在土壤顆粒上隨徑流遷移的

27、，這種形式的氮負荷與土堵流 失量密切相關(guān)，土壤流失量直接反映了有機氮負荷。有機氮隨土壤流失的輸移量 計算公式為：mP M = 0.001 x p - , £ zorgNsurforgN Ahru N式中：P M 為有機氮流失量，kg/hm?; p z為有機氮在表層土境中的濃度， 0rgN surforgNkg/t; m為土壤流失量，t： Ah.為水文相應單元的面積，hn?； e n為氮富集系數(shù)， 氮富集系數(shù)是隨土壤流失的有機氮濃度和土堵表層有機氮濃度的比值。計算富集系數(shù)的公式如下：/>.-0.2468£ z = 0-78 x PN surq/式中：p為地表徑流中泥沙含

28、量。p 的計算公式如下：surqsurqm0=surq 10 X Ahru e Qsurf式中：m為土壤流失量，t; Ahru為水文相應單元面積，hm2; Qsf為地表徑流， mm o2. 3. 3溶解態(tài)磷污染負荷模型溶解態(tài)磷在土壤中的遷移主要是通過擴散作用實現(xiàn)的，擴散是指離子在微小 尺度下由于濃度梯度而引起的溶質(zhì)遷移，由于溶解態(tài)殘不很活躍，所以由地表徑 流以溶解態(tài)形式帶走的土堵表層的磷很少，地表徑流輸移的溶解態(tài)磷可由下面公 式計算：solution, surf Qsurf Psurf =；：P b , hsurf ,卜丁 surf式中：Psurf為通過地表徑流流失的溶解態(tài)磷，kg/hm2；

29、Psolut5on surf為土康中溶解態(tài)磷，kg/hm"； p為土壤溶質(zhì)密度，mg/m“為表層土壤深度，mm; kd rf為D2.u 9 o ui i土堵磷分配系數(shù)，表層土壤中溶解態(tài)磷的濃度和地表徑流中溶解態(tài)磷濃度的比值。2. 3.4有機磷和礦物質(zhì)磷污染負荷模型有機磷和礦物質(zhì)磷通常是吸附在土魔顆粒上通過徑流遷移的，這種形式的磷負荷與土堵流失量密切相關(guān)，土康流失量直接反映了有機磷和礦物質(zhì)磷負荷，有 機磷和礦物質(zhì)磷隨土堵流失輸移量計算公式為：m口風口"000" Pp- %式中：n】p ,為有機磷流失量，kg/hm?； Pd為有機磷在表層土壤中的濃度，kg/t; su

30、rrrm為土壤流失量，t; Ahru為水文相應單元的面積，hm2; £p為磷富集系數(shù)。2.4河道演算模型模型中定義的河道均是明渠流，SWAT用曼寧公式來定義河道糙率和水流流 速。水流在河道中演進過程使用變儲量演算法或馬斯金根法，兩種方法都是動力 波方程。在模擬中一般使用馬斯金根法來計算。(1)馬斯金根法馬斯金根法假設(shè)河道水體形狀是由一個楔形蓄水體和一個棱形蓄水體組成, 如下圖2-2所示。當洪水波行進到某個河段槽，入流量大于出流量便形成了楔形蓄水體。當洪 水波退去，在河段槽便出現(xiàn)了出流量大于人流量的負楔蓄體。另外對于楔蓄水體, 河段槽始終包含一個體積為流域長度上橫截面不變的棱柱狀水體。

31、總的蓄水容量為：stored = K ' Qout + K ' X ,(Qjn Qout)式中：Vstored為蓄水容量，m、； qm為人流量，m7s; q°ut為出流量，m7s; K為穩(wěn) 定流情況下的河段傳播時間；X為流量比重因素。該公式可以重新整理為如下形式：Vstored = K X qg + (1 - X) q°ut流量比重因素的下限為0.0,上限為0.5。這個因子是楔蓄量的函數(shù)。對于 水庫式蓄水，沒有楔蓄，X= 0.0;而對于一個完整的楔蓄，X = 0.5;對于河流， X落在0.0和0.3之間，其平均值接近0.2。對于蓄水容量的定義可以加入連續(xù)公式

32、并簡化為：q°ut, 2 = Cl qm, 2 + C2 % 1 + C3 q°ut, 1式中：qm i為該時間段開始時的人流量，mVs; q. 2為該時間段結(jié)束時的人流 量，m3/s; qout 1為該時間段結(jié)束時的出流量，m3/s： qout 2為該時間段結(jié)束時 的出流量，m7soAt - 2 ' K Xr =12- K(l-X) + At _ At + 2 - K - XC2 = 2-K(l-X)+At2-K(l-X)-AtCs = 2-K(l-X)+At其中，Ci + C2 + C3 = l。為了用體積單位表示所有值，在蓄水容量公式兩端乘以該時間段得到:Vo

33、ut, 2 = Ci-Vint2 + C2.Vin<1 + C3-Vqout>1為了保持數(shù)值穩(wěn)定和避免出現(xiàn)負出流量的計算，必須滿足以下條件:2 - K - X < At < 2 - K (1 - X)流量比重因素X的值由使用者榆入，蓄水時間常數(shù)的值估算如下:K = coefi - Kbnkfuii + coef2 - K0.ibnkfuii式中：K為穩(wěn)定流情況下的河段傳播時間，s； coe&和coef2為權(quán)重系數(shù)，由使用者輸入；Kbnkfuii為穩(wěn)定情況下渠道蓄滿水的河段傳播時間，s; Kobnkfun為渠道蓄滿1/10水量時河段傳播時間，so要計算Kbnkfu

34、ii和Ko.ibnkfuii，Gunge于1969年提出一個公式:1000 - LchK =式中：Lch為渠道長度，km; Ck為指定深度處的波速，m/so波速的計算公式為:Ck = i(qch)其中流速qch由曼寧公式求解，將曼寧公式代入上式得:5Ck=3Rs】p«式中：Lh為濕周，m; slpch為河段坡度，； n為曼寧系數(shù)；Vc為流速，m/so(2)變儲量演算法 式中：At為穩(wěn)定流情況下的河段傳播時間，s：qm.為該時間段開始時的人流量， m3/s; qin 2為該時間段結(jié)束時的人流量，m7s; qout1為該時間段開始時的出流 量，m3/s; qout 2為該時間段結(jié)束時的出

35、流量，m7s; Vstored1為該時間段開始 時的蓄水容量，m3； Vswed. 2為該時間段結(jié)束時的蓄水容量，由二對于一個給定的河段，儲量演算基于連續(xù)方程Vm%京= AVst0ed，可寫為:演進時間是由渠道中的水容量除以水流流量：ft stored stored, 1 stored. 21 1 =q°utq°ut, i q°ut, 2式中：Vstored為蓄水容量，m?： q°ut為出流量，m7so聯(lián)合以上兩式，簡化為：q。* 2 = SC . qm, ave + (l-SC)-qout 1其中，SC為蓄水系數(shù)，SC =肅，；q 為入流平均流量， i

36、n. l+<in. 23 /Qin, ave =入，m/s°整理上式得：為用體積單位來表達所有變量，公式兩邊都乘以時間段，則有:Vout, 2 = SC (vin + Vstored. J3軟件操作3.1 輸入數(shù)據(jù)要創(chuàng)建SWAT數(shù)據(jù)集，ArcSWAT需要訪問提供流域信息的準確類型的ArcGIS 的柵格、矢量和數(shù)據(jù)文件。這些必需的地圖主題和數(shù)據(jù)文件必須在運行SWAT之 前準備好。3.1.1 空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)包括必需的ARCSWAT空間數(shù)據(jù)和可選的ARCSWAT空間數(shù)據(jù)。SWAT 空間數(shù)據(jù)集可以以任何投影類型來創(chuàng)建，但所有的地圖必須用同一投影。(1)必需的ARCSWAT空間數(shù)據(jù) D

37、EM, ESRI GRID Format0 DEM的高程值可以用整型或者實數(shù)型。決定地 圖分辨率的單位不必與高程的單位保持一致。例如地圖分辨率可以是米 (m),而高程可以是英尺(feet)o地圖分辨率單位必須定義為以下幾 種：米(m),公里(km),英尺(feet),碼(yards),英里(miles)。 高程單位必須定義為以下幾種：米(m),厘米(cm),碼(yards),英 尺(feet),英寸(inches)o Land Cover/Land Use, ESR I GRID, Shapef i Ie, or Feature Class Formate 土地利用圖中的類別需要重新分類為SW

38、AT需要的土地利用類型。用戶 可以用三種方法重新分類土地利用，第一種是創(chuàng)建地圖時用美國地質(zhì)勘 探局的分類代碼；第二種是加載土地利用圖時為每一分類選定SWAT 上 地利用類型；第三種是為土地利用圖的不同分類創(chuàng)建一個能夠識別4位 SWAT代碼的look up表。 Soil, ESR I GRID, Shapef i Ie, or Feature Class Format o 用戶需要 輸入SWAT 土壤文件，在創(chuàng)建工程之前把圖中每一類的土壤數(shù)據(jù)輸入 User Soi I database中。要對土堵圖的土堵類型進行重分類，信息必須在界面中手動輸入，列出土壤信息look up表(2)可選的ARCSW

39、AT空間數(shù)據(jù)集 DEM Mask, ESR I GRID, Shapef i Ie or Feature Class Formato 模型可 以加載一個mask在DEM之上。 STREAMS, Shapef i Ie or Feature Class Formato 在那些地勢很低的地 方，DEM地圖網(wǎng)格不能精確地判斷河流的位置，就需要有河網(wǎng)描繪的 shapef i Ie線性文件。 User-Defined Watersheds, ShapefiIe or Feature Class Formato 用 戶可以自定義子流域劃分加載到模型中去，如果選擇自定義子流域也必 須自定義河網(wǎng)。 User-

40、Defined Streams, Shapefi Ie or Feature Class Formato 用戶 自定義子流域后，模型將不會進行河網(wǎng)提取，需要用戶自行定義。3.1.2 屬性數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)包括：土壤屬性數(shù)據(jù)、氣象資料數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)。SWAT模型通過 三個個數(shù)據(jù)庫來存儲屬性數(shù)據(jù)，其中氣象資料數(shù)據(jù)通過模型自帶的數(shù)據(jù)庫進行存 儲，另外自定義的土堵屬性數(shù)據(jù)和氣象站參數(shù)數(shù)據(jù)通過兩個附加的數(shù)據(jù)庫進行存 儲，水文數(shù)據(jù)用于模擬結(jié)果率定。(1) 土壤屬性數(shù)據(jù)模型需要的土堵屬性數(shù)據(jù)包括兩大類：土堵物理屬性和土境化學屬性。土壤的物理屬性對土壤剖面中水和氣的運動狀況起決定作用，并顯著影響水文 響應單元(HR

41、U)中水文過程的模擬。土壤物理屬性參數(shù)主要包括土層厚度、土 壤層數(shù)、密度、土壤顆粒大小分布和土壤飽和水力傳導率等。由于獲得的士魔屬 性數(shù)據(jù)難以完全滿足構(gòu)建SWAT模型土壤庫的要求，因此，部分無法直接獲取的 參數(shù)如土壤可利用有效水、飽和水力傳到率等采用美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的土堵水特性 程序SPAW進行估算；部分參數(shù)通過對前人的研究成果和經(jīng)臉公式獲得。估算結(jié)果僅簡略反映土魔參數(shù)特征，在模型參數(shù)校準的過程中還需做進一步調(diào)整。(2)氣象、水文資料數(shù)據(jù)SWAT模型所需要的氣象數(shù)據(jù)包括氣象站點的位置以及各氣象站點的實測數(shù) 據(jù)。氣象站點包括雨量站、濕度站、溫度站、風速站、太陽輻射站，其實測數(shù)據(jù) 分別為日降水量、相

42、對濕度、日最高/最低氣溫、風速和太陽輻射。本文采用站 的氣象資料來構(gòu)建模型“天氣發(fā)生器”所需的數(shù)據(jù)。SWAT模型自帶的天氣發(fā)生 器WXGEN,其功能有二，一是用于生成氣候數(shù)據(jù)，通過大量基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建完 成之后，可以用來生成任意年份的氣象數(shù)據(jù)，二是對缺失的數(shù)據(jù)進行填補。3.2 輸出數(shù)據(jù)SWAT模型每次模擬都會生成五個輸出文件：輸入?yún)R總文件(input, std). 榆出匯總文件(output, std)、HRU輸出文件(output, hru)、子流域輸出文件 (output. sub)> 河道輸出文件(output. rch)o3. 2.1 output. hruHRU輸出文件包含了流

43、域中每一個水文響應單元的信息，文件中輸出數(shù)據(jù)介 紹如下：M0N:時間步長，根據(jù)用戶選擇可以為日、月、年；AREA： HRU 的面積,km2;PRECIP:時間步長HRU的降雨量，mm;SN0FALL:時間步長HRU的降雪量，mm;SN0MELT:時間步長HRU的冰雪融化量，mm：IRR:灌溉用水量，mm;PET:潛在蒸散發(fā)量，mm;ET:實際蒸散發(fā)量，mm;SW-INIT: 土壤初始含水量，mm;SW-END:時間步長后土壤含水量，mm：PERC:植物蒸騰水量，mm;GW-RCHG:入滲量，mm;DA-RCHG:深層地下水補給量，mm;REVAP:淺層地下水向表層土壤回流量，mm;SA-IRR

44、:淺層地下水灌溉量，mm;DA-1 RR:深層地下水灌溉量，mm：SA-ST:淺層地下水儲水量，mm;DA-ST:深層地下水儲水量，mm;SURQ-GEN:地表徑流量，mm：SURQ-CNT:地表徑流進入河道水量，mm：TLOSS:輸移損失水量，mm：LATQ:側(cè)向流水量，mm;GW-Q:地下水補充河道水量，mm;WYLD:總產(chǎn)流量，包括地表徑流、地下水、側(cè)向流，扣除損失水量，mm;DAILYCN:日徑流曲線值；TMP-AV:日平均溫度，攝氏度：TMP-MX:日最高溫度，攝氏度；TMP-MN:日最低溫度，攝氏度;SOL-TMP: 土壤溫度，攝氏度;SOLAR:日輻射量，MJ/m2;SYLD:產(chǎn)

45、沙量，t/ha：USLE: 土壤流失量，t/ha：N-APP:氮肥施用量，kg/ha：P-APP:磷肥施用量，kg/ha：NRAIN:氮素隨降雨進入土境量，kg/ha:NFIX:植物固氮量，kg/ha：ORGN:有機泉產(chǎn)生量，kg/ha:ORGP:有機磷產(chǎn)生量，kg/ha：SEDP:隨泥沙磷流失量，kg/ha;NSURQ:地表徑流中硝態(tài)氮量，kg/ha：NLATQ:側(cè)向流中硝態(tài)氮含量，kg/ha：NO3L: 土壤中被沖刷出的硝態(tài)氮,kg/ha;NO3GW:地下水流失硝態(tài)氮量，kg/ha:SOLP:溶解態(tài)磷產(chǎn)生量，kg/ha:P-GW:地下水溶解態(tài)磷流失量，kg/hao3. 2. 2 outpu

46、t, subMON:時間步長，據(jù)用戶選擇可以為日、月、年;AREA:子流域面積，km2;PRECIP:降水量，mm;SNOMELT:冰雪融化量，mm;PET:潛在蒸發(fā)量，mm：ET:實際蒸發(fā)量，mm;SW: 土壤含水量，mm;PERC:入滲量，mm;SURQ:地表徑流進入河道水量，mm：GW-Q:地下水補給河道水量，mm：WYLD:流域產(chǎn)水量，mm：SYLD:流域產(chǎn)沙量，t/ha:ORGN:流域有機氮產(chǎn)生量，kg/ha：ORGP:流域有機磷產(chǎn)生量，kg/ha：NSURQ:地表徑流中硝態(tài)氮含量，kg/ha：SOLP:流域溶解態(tài)磷產(chǎn)生量，kg/ha;SEDP:流域礦化磷產(chǎn)生量，kg/ha：3. 2

47、. 3 output, rchMON:時間步長，據(jù)用戶選擇可以為日、月、年;AREA:河道集水面積，km2;FLOW-1N:日平均入流量，m3/s:FLOW-OUT:日平均出流量，m3/s;EVAP:河道蒸發(fā)量，m7s:TLOSS:河道輸移損失水量，m3/s:SED-IN:泥沙入流量，t;SED-OUT:泥沙出流量，tSEDCONC:泥沙淤積量，mg/L：ORGN-IN:有機氮輸入量，kg：ORGN-OUT:有機氮輸出量，kg:ORGP-IN:有機磷輸入量，kg：ORGP-OUT:有機磷輸出量，kg：N03-1N:硝態(tài)氮輸入量，kg：NO3-OUT:硝態(tài)氮輸出量,kg:NH4-IN:氨泉榆入量

48、，kg;NH4-0UT:氨氮輸出量，kg：NO2-IN:亞硝態(tài)氮輸入量，kg：NO2-OUT:亞硝態(tài)氮輸出量，kg;MINP-IN:獷化磷輸入量，kg：MINP-OUT:礦化磷輸出量，kg：CBOD-1N:生物需氧量輸入量，kg;CBOD-OUT:生化需氧量輸出量，kg;DIS0XTN:溶解氧輸入量,kgDI SOX-OUT:溶解氧榆出量，kg：3. 3流域模擬3. 3.1基于DEM的水文參數(shù)計算DEM包括地理平面坐標和高程數(shù)據(jù)兩類信息，由DEM自動提取水系或子流域 會遇到兩個問題，即凹陷與平坦處水流方向的確定和水道起始點位置的確定。水 道起始點位置處理采用最小水道集水面積閾值的方法形成河流水

49、系的基本水文 過程。運用GIS軟件，對流域DEM進行分析和處理，可得到柵格格式的水流流向， 流域分水線，自動生成河網(wǎng)及其子流域，河道和子流域編碼、面積，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的 拓撲關(guān)系等。(1) DEM填洼采用墊高添平方法對流域DEM模型中存在的洼地進行凹陷處理，將洼地劃分 為阻擋型和凹陷型分別處理，并運用高程增量疊加算法來設(shè)定平坦部分的流向， 由此得到一個與原數(shù)字高程模型相對應的無凹陷的DEM模型。(2)水流流向確定計算DEM模型每個網(wǎng)格單元與其相嶺的八個網(wǎng)格單元之間的坡度，然后按最 陡坡度原則確定單元水流流向，最終形成包括所有網(wǎng)格單元在的水流方向新矩陣。(3)集水面積計算沿坡度最陡原則確定的水流路徑可

50、以計算任何網(wǎng)格單元上的坡面集水面積， 其集水面積的量值以網(wǎng)格數(shù)目的多少表示，從而產(chǎn)生包含每個網(wǎng)格單元上坡面匯 水面積的新矩陣。(4)流域分水線劃分首先給出閉合流域出口斷面的準確地理位置，即DEM模型網(wǎng)格單元上的行列 坐標值：流域出口點位置確定后，可以按照確定網(wǎng)格流向的方法來勾繪流域邊界。（5）河網(wǎng)生成與編碼定義最小河道集水面積閾值，當集水面積超過此閾值時，則這些網(wǎng)格點就確 定為河道。進行河網(wǎng)編碼時，首先從流域出口斷面向上游靠左搜索，對每個節(jié)點 依次遞增編碼，直至河道起始點，再從河道起點反方向搜尋，直到找到新的節(jié)點 或河道起點位置，同時按遞增的順序規(guī)則編碼，依次類推，最終搜尋至流域出口 斷面。（

51、6）特征參數(shù)提取生成完整的河網(wǎng)后，可以確定每一河段左右岸集水面積、河道上游末端節(jié)點 及相應的子流域分水線，從而建立河網(wǎng)節(jié)點、河段和子流域之間的關(guān)系，包括河 段坡度、高程、上游集水面積及其他信息。流域勾繪過程中，依據(jù)DEM計算流域 坡長、河流流向和流域水系。3. 3.2子流域劃分建立流域模擬的第一步是將流域劃分為子流域。空間數(shù)據(jù)的輸入時基于網(wǎng)格, 網(wǎng)格劃分是子流域勾繪的基礎(chǔ)。SWAT模型基于DEM數(shù)據(jù)，在每個子流域上應用 概念性集總模型進行計算，再進行匯流演算，最后求得出口斷面流量和污染物質(zhì) 量。每個子流域包含無限制的HRU （至少一個）、河段（一個）、主渠道網(wǎng)絡(luò)中的 池塘（可選）和點源排放（可

52、選）等。子流域保持流域的地理位置并同其他的子 流域具有空間聯(lián)系。子流域勾繪可以從地表地形定義的子流域邊界中得到，從而 子流域的整個面積都流向子流域出口，或者子流域勾繪可以從網(wǎng)格邊界中獲得， 河段或者主河道同流域中的每個子流域想聯(lián)系。應用GIS可以將流域劃分為多個水文學上相聯(lián)系的子流域以便在SWAT流域 模擬中使用。SWAT流域工具應用并擴展了 Arc View的Spat i a I Ana I yst Extension的功能，可以在DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行子流域勾繪。定義的參數(shù)國會影 響所生成的子流域大小和數(shù)目，勾繪過程要求grid格式的DEM數(shù)據(jù)。應用基于 柵格DEM進行流域勾繪的八流點法則，

53、產(chǎn)生水流矢量柵格來填充凹陷點；通過計 算柵格中到達任一單元的水流貢獻單元數(shù)產(chǎn)生匯流柵格。那些潛在的座位河網(wǎng)部 分的單元會有較大的匯流值，而那些接近流域邊界和坡面漫流控制的單元則會具 有較低的匯流值。選擇用來模擬子流域的數(shù)目取決于整個流域的大小，榆人數(shù)據(jù)的空間詳細程 度以及達到研究目標所要求的詳細度。在劃分子流域時，要注意流域的地貌特征 （坡度、坡長、渠道長度和渠道寬度等）在子流域水平上計算和匯總。河流的支 流數(shù)目受到形成支流的匯流網(wǎng)格單元數(shù)目閾值的限制，通過對河流支流下游邊界 的定位可以對子流域出口點進行定義。SWAT提供兩種附加的設(shè)置工具：DEM屬性和閾值面積。這兩種設(shè)置工具是相 互聯(lián)系的，

54、第一種設(shè)置DEM的水平和垂直單位，這對計算地貌系數(shù)以及從以公頃 為單位的數(shù)值中計算匯流單元數(shù)目閾值有重要作用。模型中流域勾繪的其他部分 是一套獨立的工具按鈕，可以單擊流域視圖上相應的位置或者輸入點位置來增加 出口或者入口點，也可以去除選中的出口點。當出水口確定后，定義主流域出水口。出水口的類型有7種，分別為：L連 接河流增加的出水口、0表格增加的出水口、T手動增加的出水口、P手動增加 的點源排放口、D表格增加的點源排放口、I表格增加的排水流域入口、W手動 增加的排水流域人口。然后跟蹤每個柵格單元的流向直到遇到流域出口單元或者 到達DEM網(wǎng)格的邊界，完成子流域勾繪?；诹饔虻牡匦翁卣鲗⒘饔騽澐譃?/p>

55、子流 域，保留了河水、泥沙和化學物質(zhì)的實際演算所要求的自然河流的路徑、邊界和 渠道。勾繪完成后，會在當前的項目中加入詳細的地形報告，隨后結(jié)果專題圖也會 加入到流域視圖中，包括：子流域、河流、出水口和水庫（可選）。地形報告描 述了流域合子流域單元的高程分布；結(jié)果專題圖含有流域的特征參數(shù)。3.3.3水文響應單元當子流域勾繪完成后，可以選擇模擬每個子流域單個的土康類型、土地利用 將子流域劃分為多個水文響應單元（HRUs）。水文響應單元是子流域的一部分， 含有唯一的土地利用和土壤屬性，被假定為在子流域中有統(tǒng)一的水文行為。HRU 并不同于田間小區(qū)，而是子流域特定的土地利用和土壤類型的總面積，而單個田 間

56、小區(qū)具有特殊的土地利用和土壤類型，在整個子流域可能是離散的，這些面積 聚集在一起形成HRU。HRU應用在模型中，通過聚集所有相似的土壤類型和土地 利用面積構(gòu)成耽擱的響應單元，從而簡化了模型運行。HRU的好處是增加了對子流域負荷預測的準確性。不同種類的植被生長和發(fā) 育有很大的不同，當考慮了子流域植被覆蓋的多樣性時，從子流域中進入主渠道 的徑流量會預測的更準確，對給定的子流域應該有廣10個HRU。當對子流域多 個HRU進行模擬時，子流域水文循環(huán)的陸地階段也進行了模擬，并對子流域所有 的HRU的負荷進行了總匯，子流域的凈負荷通過流域河網(wǎng)進行演算。HRU的概念表明，假定在子流域的HRU之間不存在相互影

57、響，每個HRU的負 荷分別進行計算，然后匯總在一起確定子流域的總負荷。可以對每個子流域分配 單個HRU或者多個HRU,如果選擇一個子流域單個HRU,則HRU有子流域的主要 土地利用分類和土壤類型來決定；如果選擇多個HRU,可以設(shè)定土地利用和土堵 數(shù)據(jù)的敏感性，以用來確定每個子流域HRU的數(shù)目和種類，對多個HRU,要定義 土地利用和土壤類型面積閾值。如果一種土地利用類型同另一種土地利用的相互 作用是重要的，可以將這些土地利用面積定義為子流域而不是HRU,只有在子流 域水平上，空間關(guān)系才能被詳細描述。3.4參數(shù)敏感度分析在分布式水文模型的模擬計算中，對現(xiàn)有的分布式水文模型與環(huán)境模擬模型 的精度要求也越來越高。模型發(fā)展趨勢表現(xiàn)為兩方面：一是模型本身的適用圍逐 漸擴展，空間上擴展到流域尺度，時間上精確計算到日；二是模型模擬圍逐漸拓 展，在陸地循環(huán)和河道循環(huán)中計算水文要素和水質(zhì)數(shù)據(jù)。但這需要模型