swat水文模型

1、SWA冰文模型介紹1概述SWAT Soil and Water Assessment ToOl模型是美國農業(yè)部（USDA農業(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真型，并吸取了 CREAMS GLEAMS EPIC?口 ROTO的主要特征。SWAT具有很強的物理基礎，能夠 利用GIS和RS提供的空間數據信息模擬地表水和地下水的水量和水質，用來協(xié)助水資源 管理，即預測和評估流域內水、泥沙和農業(yè)化學品管理所產生的影響。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、營養(yǎng)物、農業(yè)管

2、理和殺蟲劑。SWAT模型擁有參數自動率定模塊，具采用的是等在1992年提出的SCE-UAT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，具源代碼公開，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 DEM把流域劃分為一定數目的子流域，子流域 劃分的大小可以根據定義形成河流所需要的最小集水區(qū)面積來調整，還可以通過增減子 流域出口數量進行進一步調整。然后在每一個子流域內再劃分為水文響應單元 HRU。HRU 是同一個子流域內有著相同土地利用類型和土壤類型的區(qū)域。每一個水文響應單元內的 水平衡是基于降水、地表徑流、蒸散發(fā)、壤中流、滲透、地下水回流和河道運移

3、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 或產生回流。在土壤剖面中壤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、Priestley-Taylor和 Penman-Monteith。每一個子流域內侵蝕和泥沙量的估算采用改進的USLE方程，河道內泥沙演算采用改進的 Bagnold泥沙運移方程。植物吸收的氮采用供需方法計算，植物的 氮

4、日需求量是植物與生物量中氮濃度的函數。土壤中向植物供給氮，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。泥沙中運移的有機氮采用 McElroy et al.開發(fā)的負荷方程，后經進 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 QUAL2既型。2.1產匯流模型模型中采用的水量平衡表達式為：式中：為土壤最終含

5、水量，mm；為土壤前期含水量，mm； t為時間步長，d;為第i天降水量，mm； 為第i天的地表徑流，mm； 為第i大的蒸發(fā)量，mm；為第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側流量，mm；為第i大地下水含量，mm。SWAT模型水文循環(huán)陸地階段主要有水文、天氣、沉積、土壤溫度、作物產量、營 養(yǎng)物質和農業(yè)管理等部分組成。模型徑流量產生計算流程圖如下圖2-1所示。圖2-1 SWAT真型產流計算流程圖當落到地表的降水量多余入滲量時產生地表徑流。SWAT模型采用SCSS流曲線法計 算。SCSa線方程自上世紀50年代逐漸得到廣泛使用，屬于經驗模型，是對全美小流域 降水與徑流關系20多年的研究成果。模型能反應不同

6、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）與實際彳流量（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（）之比的假定基礎上建立的SCSK型的降雨-徑流基本關系表達式如下：式中：假定潛在徑流量（）為降水量（P）與由徑流產生前植物截留、初滲和填洼蓄水構成的流域初損（）的差值。由此推到上式有：初損 受土地利用、耕作方式、灌溉條件、冠層截留、下滲、填洼等因素的影響，它 與土壤最大可能入滲量 S呈一定的正比關系，美國農業(yè)部土壤保持局在分析了大量長期 的實驗結果基礎上，提出了二者最合適的比例系數為 0.2,即：由此可得SCS7J程為：流域當時

7、最大可能滯留量 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，模型引入的 值可較好地確定，公式如下：CN是一個無量綱參數，CN值是反映降雨前期流域特征的一個綜合參數，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素的綜合。模型考慮的蒸散發(fā)是指所有地表水轉化為水蒸氣的過程，包括樹冠截留的水分蒸發(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鍵，也是研究氣候和土 地覆蓋變化對河JI徑流影響的關鍵。(1)潛在蒸散發(fā)模型提供了 Penman-Monte讓h、Priestley-Taylo

8、r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計算好的逐日潛在蒸散發(fā)資料。一般采用 Penman-Monteith方法來計算流域的潛在蒸散發(fā)。(2)實際蒸散發(fā)實際蒸散發(fā)以潛在蒸散發(fā)為計算基礎。在計算流域實際蒸散發(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壤蒸發(fā)量， 最后計算實際的升華量和土壤水分蒸發(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)冠層截留的水分，如果潛在蒸發(fā)量小于冠層截留的自由水量 ，則：式中： 為某日流域的實際蒸發(fā)量，mm； 為某日冠層自由水蒸發(fā)量，mm； 為某 日的潛在蒸發(fā)量，mm；為某

9、日植被冠層自由水初始含量，mm； 為某日植被冠層自由水終止含量， mm。如果潛在蒸發(fā)量 大于冠層截留的自由水含量則：當植被冠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 00LAH3.0 時當 LAI>3.0 時式中： 為某日最大蒸騰量， mm；為植被冠層自由水蒸發(fā)調整后的潛在蒸發(fā),mm； LAI為葉面積指數。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) 土壤水分蒸發(fā)在計算土壤水分蒸發(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

10、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：式中：為z深度處蒸發(fā)需要的水量，mm； z為地表以下土壤的深度，mm。表達式中的系數是為了滿足50%的蒸發(fā)所需水分來自土壤表層 10mm,以及95%的蒸發(fā)所需水 分來自0100mm 土壤深度范圍內。土壤水分蒸發(fā)所需要的水量是有土壤上層蒸發(fā)需水量與土壤下層蒸發(fā)需水量決定的：式中：為ly層的蒸發(fā)需水量，mm；為土壤下層的蒸發(fā)需水量，mm；> > >為土壤上層的蒸發(fā)需水量，mm。土壤深度的劃分假設50%的蒸發(fā)需水量由010mm內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的上層土壤提供，顯然上層無法

11、滿足需要， 這就需要建立一個系數來調整土壤層深度的劃分，以滿足蒸發(fā)需水量，調整后的公式可 以表示為：式中：esco為土壤蒸發(fā)調節(jié)系數，該系數是 SWAT為調整土壤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 esco值對應著相應的土壤層劃分深度。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壤中流。相 對飽和區(qū)厚度 計算公式為：式中：為土壤飽和區(qū)內可流出的水量，mm；為山坡坡長，m；為土壤可出流的孔隙率；

12、表示土壤層總孔隙度，即與土壤層水分含量達到田間持水量的孔隙度 之差。山坡出口斷面的凈水量為：式中：為出口斷面處的流速，mm/h o其表達式為：式中：為土壤飽和導水率，mm/h；為坡度?？偨Y上面表達式，模型中壤中流最終計算公式為：模型采用以下表達式來計算流域地下水:式中： 為第i天進入河道的地下水補給量，mm；為第（i-1）天進入河道的地下水補給量，mm； 為時間步長，d;為第i天蓄水層的補給流量，mm；為基流的退水系數。其中補給流量由下式計算：， ，式中：為第i天蓄水層補給量，mm； 為補給滯后時間，d； 為第i天通過土壤剖面底部進入地下含水層的水分通量，mm/d ;為第（i-1）大蓄水層補給

13、量，mm。2.2 土壤侵蝕模型泥沙生成量用MUSLEff程來預測，計算渠道泥沙輸移量的公式為：式中： 為輸移能力，t/m3；為流速，m/s；a和b是常數。根據天氣條件，泥沙輸移量可以高于或者低于輸移能力，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：式中： 為流量，m3/s； 為渠道寬度，m；為徑流深，m。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：式中：為渠道曼寧系數；為渠道坡度，m/m。由于降水和徑流產生的土壤侵蝕是用 MUSLEJ程來計算的,MUSLE是修正的通用土 壤流失方程（USLEo USLE方程是通過降水動能函數預測年均侵蝕量，

14、而在 MUSLE中， 用徑流因子代替降水動能，改善了泥沙產量的預測，這樣就不需要泥沙輸移系數，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。USLE中需要輸移系數是因為降水動能因子表示的能量只在作用流域內起作用。修正的通用土壤流 失方程為；式中：為土壤侵蝕量，t; 為地表徑流，mm/h； 為洪峰流量，m3/s； 為水文響應單元的面積，hm2；為土壤侵蝕因子；為植被覆蓋和管理因子；為水土保持措施因子；為地形因子；為粗碎屑因子。當其他影響侵蝕的因子不變時，因子反映不同類型土壤抵抗侵蝕力的高低。它與土壤物理性質的影響，如機械組成、有機質含量、土壤結構、土壤滲透性等有關。當

15、土壤 顆粒粗、滲透性大時，值就低，反之則高；一般情況下 值得變幅在0.020.75之間。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內 的土壤，烘干、稱重，由公式計算得到 值。試驗測算值既費時又費力，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 值，該方程在土壤黏土和壤土組成少于 70%時適用。式中：為顆粒尺度參數；為有機物含量百分比，;為土壤分類中的結構代碼；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：式中：為粗糙砂土質地土壤侵蝕因子；為粘壤土土

16、壤侵蝕因子；為土壤有機質因子；為高砂質土壤侵蝕因子。各因子的計算公式如下：式中：為粒徑在0.052.00mm沙粒的百分含量；為粒徑在0.0020.05mm的淤為各土壤層中有機泥、細砂百分含量；為粒徑小于0.002mm的粘土百分含量;碳含量，%。植被覆蓋和管理因子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，SWA敬 型通過下面的方程調整植被覆蓋和管理因子：式中：是最小植被覆蓋和管理因子值;是地表植物殘留量，kg/hm2最小C因子可以由已知年

17、平均C值，通過以下方程計算式中：表小不同植被覆蓋的年均 C值水土保持因子是指有保持措施的地表土壤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。地形因子的計算公式如下：式中：為坡長； 為坡長指數；為坡度。坡長指數的計算公式如下：式中： 為水文相應單元的坡度,2.2.5 因子因子是通過下面公式計算的：式中：為第一層土壤中礫石的百分比，2.3 污染負荷模型SWAT真型可以模擬不同形態(tài)氮的遷移轉化過程，地表徑流流失、入滲淋失

18、、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、作物氮和硝酸鹽氮三種化學狀態(tài)，氮的生物固定、有機氮向無機氮的轉化以及 溶解性氮隨側向壤中流的遷移等過程，有機氮又被劃分為活潑有機氮和惰性有機氮兩種 狀態(tài)，以及俊態(tài)氮揮發(fā)過程的模擬。硝態(tài)氮主要隨地表徑流、側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)氮濃度，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：式中：為自由水中硝態(tài)氮濃度，kg/mm ； 為土壤中硝態(tài)氮的量，kg/hm2；為土壤中自由水的量，mm；為

19、孔隙度；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：式中：為通過地表徑流流失的硝態(tài)氮，kg/hm2；為硝態(tài)氮滲流系數； 為地表徑流，mm。(2)通過側向流流失的溶解態(tài)氮的量計算公式：對于地表10mm圖層：對于10mm以下的土層:式中：為通過側向流流失的硝態(tài)氮，kg/hm2；為硝態(tài)氮滲流系數；為自由水的硝態(tài)氮濃度，kg/mm ； 為側向流，mm。(3)通過滲流流失的溶解態(tài)氮量計算公式：， ， 式中：為通過滲流流失的硝態(tài)氮，kg/hm2；為自由水的硝態(tài)氮濃度，kg/mm；為滲流，mm。有機氮通常是吸附在土壤顆粒上隨徑流遷移的，這種形式的氮負荷與土壤流失量密 切相關，土壤流失量直接反

20、映了有機氮負荷。有機氮隨土壤流失的輸移量計算公式為：式中：為有機氮流失量，kg/hm2；為有機氮在表層土壤中的濃度，kg/t;為土壤流失量，t；為水文相應單元的面積，hm2； 為氮富集系數，氮富集系數是隨土壤流失的有機氮濃度和土壤表層有機氮濃度的比值。計算富集系數的公式如下：式中：為地表徑流中泥沙含量。的計算公式如下：式中： 為土壤流失量，t; 為水文相應單元面積，hm2； 為地表徑流，mm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遷移，由于溶解態(tài)磷不很活躍，所以由地表徑流以溶解態(tài)形 式帶走的土壤表層的磷很少，地表徑流輸移的溶解態(tài)磷可由下

21、面公式計算：式中：為通過地表徑流流失的溶解態(tài)磷，kg/hm2；為土壤中溶解態(tài)磷，kg/hm2;為土壤溶質密度，mg/m3；為表層土壤深度，mm；,為土壤磷分配 系數，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。有機磷和礦物質磷通常是吸附在土壤顆粒上通過徑流遷移的，這種形式的磷負荷與 土壤流失量密切相關，土壤流失量直接反映了有機磷和礦物質磷負荷，有機磷和礦物質 磷隨土壤流失輸移量計算公式為：式中： 為有機磷流失量，kg/hm2；為有機磷在表層土壤中的濃度，kg/t; 為土壤流失量，t；為水文相應單元的面積，hm2； 為磷富集系數。2.4 河道演算模型模型中定義的河道均是明渠流，SWA

22、TS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河道內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。圖2-2河道水體示意圖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)了出流量大于入流量的負楔蓄體。另外對于楔蓄水體，河段槽內始 終包含一個體積為流域長度上橫截面不變的棱柱狀水體?？偟男钏萘繛椋菏街校簽樾钏萘浚琺3；為入流量，m3/s；為出流量，m3/s；為穩(wěn)定流情況下的河段傳播時間；為流量比重因素

23、。該公式可以重新整理為如下形式：流量比重因素的下限為0.0,上BM為0.5。這個因子是楔蓄量的函數。對于水庫式蓄 水，沒有楔蓄，；而對于一個完整的楔蓄，；對于河流， 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)公式并簡化為:式中：為該時間段開始時的入流量，m3/s；為該時間段結束時的入流量，m3/s；為該時間段結束時的出流量，m3/s；為該時間段結束時的出流量，m3/so其中，。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： ， ， ， ，為了保持數值穩(wěn)定和避免出現(xiàn)負出流量的計算，必須滿足以下條件：流量比重因素X的值由使用者輸入，蓄水時間常數的值估

24、算如下：式中：為穩(wěn)定流情況下的河段傳播時間，s； 和為權重系數，由使用者輸入；為穩(wěn)定劉情況下渠道蓄滿水的河段傳播時間，s；為渠道蓄滿1/10水量時河段傳播時間，s0要計算 和，Cunge于1969年提出一個公式：式中：為渠道長度，km； 為指定深度處的波速，m/s波速的計算公式為：其中流速由曼寧公式求解，將曼寧公式代入上式得:式中：為濕周，m；為河段坡度，;為曼寧系數；為流速，m/s。(2)變儲量演算法對于一個給定的河段，儲量演算基于連續(xù)方程，可寫為:式中： 為穩(wěn)定流情況下的河段傳播時間，s；為該時間段開始時的入流量，m3/s；為該時間段結束時的入流量，m3/s；為該時間段開始時的出流量，m3

25、/s；> > >為該時間段結束時的出流量，m3/s；為該時間段開始時的蓄水容量，m3；為該時間段結束時的蓄水容量，m3o演進時間是由渠道中的水容量除以水流流量：式中：為蓄水容量，m3；為出流量，m3/s。聯(lián)合以上兩式，簡化為：， ， ，其中， 為蓄水系數， ；為入流平均流量,:-,m3/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： ， ，3軟件操作3.1 輸入數據要創(chuàng)建SWA微據集，ArcSWAT!要訪問提供流域信息的準確類型的 ArcGIS的柵格、 矢量和數據文件。這些必需的地圖主題和數據文件必須在運行SWAT：前準備好。空間數據包括必需的 AR

26、CSWATE間數據和可選的ARCSWA咨問數據。SWAT&句數 據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ARCSWA定間數據DEM, ESRI GRID Format DEM的高程值可以用整型或者實數型。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）。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）。Land Co

27、ver/Land Use ESRI GRIDShapefile, or Feature Class Format 土地利用圖 中的類別需要重新分類為SWAT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土地利用類型；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, ESRI GRID Shapefile, or Feature Class Format 用戶需要輸入 SWAT±壤文 件，在創(chuàng)建工程之前把圖中每一類的土壤數據輸入

28、User Soil database中。要對土 壤圖的土壤類型進行重分類，信息必須在界面中手動輸入，列出土壤信息100k up 表（2）可選的ARCSWATM可數據集DEM Mask, ESRI GRIDShapefile or Feature Class Format模型可以加載一個 mask 在DEM之上。STREAMS Shapefile or Feature Class Format 在那些地勢很低的地方, DEM 地圖 網格不能精確地判斷河流的位置，就需要有河網描繪的shapefile線性文件。User-Defined Watersheds Shapefile or Feature

29、Class Format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。User-Defined Streams Shapefile or Feature Class Format 用戶 自定義子流域后， 模型將不會進行河網提取，需要用戶自行定義。屬性數據包括：土壤屬性數據、氣象資料數據和水文數據。SWAT模型通過三個個數據庫來存儲屬性數據，其中氣象資料數據通過模型自帶的數據庫進行存儲，另外自定 義的土壤屬性數據和氣象站參數數據通過兩個附加的數據庫進行存儲，水文數據用于模 擬結果率定。（1） 土壤屬性數據模型需要的土壤屬性數據包括兩大類：土壤物理屬性和土壤化學屬

30、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(HRU)中水文過程的模擬。土壤物理屬性參數主要包括土層厚度、土壤層數、密度、 土壤顆粒大小分布和土壤飽和水力傳導率等。由于獲得的土壤屬性數據難以完全滿足構 建SWAT模型土壤庫的要求，因此，部分無法直接獲取的參數如土壤可利用有效水、飽 和水力傳到率等采用美國農業(yè)部開發(fā)的土壤水特性程序SPAW進行估算；部分參數通過對前人的研究成果和經驗公式獲得。估算結果僅簡略反映土壤參數特征，在模型參數校 準的過程中還需做進一步調整。(2)氣象、水文資料數據SWAT模型所需要的氣象數據包括氣象站點的位置以及各氣象站點的實測數據。氣

31、 象站點包括雨量站、濕度站、溫度站、風速站、太陽輻射站，其實測數據分別為日降水 量、相對濕度、日最高/最低氣溫、風速和太陽輻射。本文采用北京站的氣象資料來構建 模型 天氣發(fā)生器”所需的數據。SWAT模型自帶的天氣發(fā)生器 WXGEN,其功能有二，一 是用于生成氣候數據，通過大量基礎氣象數據構建完成之后，可以用來生成任意年份的 氣象數據，二是對缺失的數據進行填補。3.2 輸由數據SWAT模型每次模擬都會生成五個輸出文件： 輸入匯總文件(input.std)、輸出匯總文 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(ou

32、tput.rch ) o3.2.1 output.hruHRU輸出文件包含了流域中每一個水文響應單元的信息，文件中輸出數據介紹如下:MON:時間步長，根據用戶選擇可以為日、月、年；AREA HRU 的面積，km2;PRECIP時間步長內HRU的降雨量，mm；SNOFALL時間步長內HRU的降雪量，mm；SNOMELT時間步長內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植物蒸月水量，mm；GW-RCHG 入滲量，mm；DA-RCHG深層地下水補給量，

33、mm；REVAP淺層地下水向表層土壤回流量，mm；SA-IRR淺層地下水灌溉量，mm ;DA-IRR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側向流水量，mm；GW-Q:地下水補充河道水量，mm；mmWYLD總產流量，包括地表徑流、地下水、側向流，扣除損失水量,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

34、日輻射量，MJ/m2;SYLD 產沙量，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氮素隨降雨進入土壤量，kg/ha ;NFIX 植物固氮量，kg/ha；ORGN有機氮產生量，kg/ha；ORGP有機磷產生量，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 ;NO3GWZ地下水流失硝態(tài)氮量，kg/ha ;SOLP溶解態(tài)磷產生量，kg/ha；P-GWZ地下水溶解態(tài)磷流失量,kg/ha。3.

35、2.2 output.subMON:時間步長，據用戶選擇可以為日、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 流域產水量，mm；SYLD流域產沙量，t/ha ;ORGN流域有機氮產生量，kg/ha；ORGP流域有機磷產生量，kg/ha ;NSURQ地表徑流中硝態(tài)氮含量，kg/ha；SOLP流域溶解態(tài)磷產生量，kg/ha ;SEDP流域礦化磷產生量，kg/ha；3.2.

36、3 output.rchMON:時間步長，據用戶選擇可以為日、月、年;AREA河道集水面積，km2;FLOW-IN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，m3/s；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，t SEDCONC泥沙淤積量，mg/L;ORGN-IN有機氮4U入量，kg;ORGN-OUT有機氮4U出量，kg;ORGP-IN有機磷4U入量，kg;ORGP-OUT有機磷輸出量，kg;NO3-IN:硝態(tài)氮4U入量，kg;NO3-OUT:硝態(tài)氮4U出量，kg;NH4-IN:氨氮輸入量，kg;NH4-

37、OUT: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:礦化磷4U入量，kg;MINP-OUT:礦化磷卒U出量，kg;CBOD-IN生物需氧量輸入量，kg;CBOD-OUT生化需氧量輸出量，kg; DISOX-IN溶解氧卒U入量，kg DISOX-OUT溶解氧輸出量，kg;3.3 流域模擬DEM包括地理平面坐標和高程數據兩類信息，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系的基本水文過程。運用GIS軟件，對流域DEM進行

38、分析和處理，可得到柵格格式的水流流向，流域分 水線，自動生成河網及其子流域，河道和子流域編碼、面積，河網結構的拓撲關系等。(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定平坦部分的流向，由此得到一個 與原數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模型每個網格單元與其相嶺的八個網格單元之間的坡度，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格單元在內的水流方向新矩陣。(3)集水面積計算沿坡度最陡原則確定的水流路徑可以計算任何網格單元上的坡面集水面積，具集水 面積的

39、量值以網格數目的多少表示，從而產生包含每個網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，可以按照確定網格流向的方法來勾繪流域邊界。(5)河網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，則這些網格點就確定為河 道。進行河網編碼時，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。(6)特征參數提取生成完整的河網后，可以確定每一河段

40、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，從而建立河網節(jié)點、河段和子流域之間的關系，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 DEM計算流域坡長、河流流向和流域 水系。建立流域模擬的第一步是將流域劃分為子流域?？臻g數據的輸入時基于網格，網格 劃分是子流域勾繪的基礎。SWAT模型基于DEM數據，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)、主渠道網絡中的池塘(可選)和點源排放（可選）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

41、 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 SWA琬域模擬中使 用。SWATM域工具應用并擴展了 Arc View的Spatial Analyst Extensio巾勺功能，可以在DEM 數據基礎上進行子流域勾繪。定義的參數范圍會影響所生成的子流域大小和數目，勾繪 過程要求grid格式的DEM數據。應用基于柵格 DEM進行流域勾繪的八流點法則，產生 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產生匯

42、流 柵格。那些潛在的座位河網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目取決于整個流域的大小，輸入數據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。河流的支流數目受到形成支流的 匯流網格單元數目閾值的限制，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提供兩種附加白設置工具：DEM屬性和閾值面積。這兩種設置工具是相互聯(lián)系 的，第一種設置DEM的水平和垂直單位，這對計算地貌系數以及從以公頃為單位的數值 中計

43、算匯流單元數目閾值有重要作用。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、O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入口。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網格的邊界，完成子流域勾繪。基于流域的地形特征將流域劃分為子流域，保留了河水、泥沙和化學物質的實際 演算所要求的自然河流的路徑、

44、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內合子 流域單元的高程分布；結果專題圖含有流域的特征參數。當子流域勾繪完成后，可以選擇模擬每個子流域內單個的土壤類型、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)，而是子流域內特定的土地利用和土壤類型的總面積，而單個田間小區(qū)具有特殊的土地利 用和土壤類型，在整個子流域內可能是離散的，這些面積聚集在一起形成HRU

45、o 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，當考慮了子流域內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 110個HRU。當對子流域內多個HRU進行模擬 時，子流域內水文循環(huán)的陸地階段也進行了模擬，并對子流域內所有的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

46、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有子流域內的主要土地利用分類和土 壤類型來決定；如果選擇多個 HRU,可以設定土地利用和土壤數據的敏感性，以用來確 定每個子流域內HRU的數目和種類，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，空間關系才能被詳細描述。3.4 參數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范圍逐漸擴展，空

47、 間上擴展到流域尺度，時間上精確計算到日；二是模型模擬范圍逐漸拓展，在陸地循環(huán) 和河道循環(huán)中計算水文要素和水質數據。但這需要模型校正為前提，一般的模型校正需 要大量的數據，如水文站、監(jiān)測站的實測數據或者是實驗室試驗數據等。事實上，模型的準確性和可靠性是有限的。模擬精確度較高的是模擬小區(qū)域不透水 的集水面上徑流的水文模型，誤差在百分之幾左右；可靠性最差的是模擬大流域的水質 模型，誤差可能達到一個數據量級甚至更大。根據非點源污染產出的特點，首先率定的 是水文過程，然后是泥沙和污染物的遷移。在水文或者侵蝕過程出現(xiàn)的誤差，會轉移并且擴大到其他過程，致使非點源污染負荷模擬誤差增大對分布式模型的大量參數進

48、行分析。一是運用摩爾斯分類篩選法，即“微擾動”分 析方法，考察大量的輸入參數與輸出結果之間的相關性，對模型大量的參數進行定性分 級篩選，繼而計算經驗敏感指標值；二是在篩選分類的基礎上運用付利葉敏感型檢驗法 計算相關性較好的一些參數計算敏感度指標值，分析其對輸出結果的影響程度，即模型 輸出結果對參數的敏感性。SWAT真型采用后者進行參數敏感性分析計算。3.5 模型校準與驗證當模型的結構和輸入參數初步確定后，需要對模型進行參數校準和驗證。通常將所 使用的資料系列分為兩部分：其中一部分用于模型參數校準，而另一部分則用于模型驗 證。參數校準是模型驗證的重要一步，他能夠揭示模型在設計和執(zhí)行過程中的缺陷，

49、在 不能或者難以獲得必要的參數值時，參數校準是相當有用的。標準的參數校準過程是尋 找實測和預測狀態(tài)的細微差別，并通過統(tǒng)計的泥河度來衡量模型的適用性。當模型參數 校準完成后，應用參數校準數據集意外的實驗數據或者現(xiàn)場觀測數據對模型模擬值進行 對比分析與驗證，以評價模型的適用性。為證明一個經過校準了得模型是否可以使用， 可以用不同于校準的數據來進行驗證。 在SWAT模擬中，可以選擇相對誤差 Re相關系數R2和Nash-Suttcliffe系數來評價模型 的適用性。相對誤差計算公式為：式中： 為模型模擬相對誤差； 為模擬值； 為實測值。若 為正值，說明模型預測 或模擬值偏大；若 為負值，模型預測或模擬

50、值偏小；若，則說明模型模擬結果與實測值正好吻合。相關系數計算公式為：式中：為實測值；為模擬值；為平均值； 為實測數據個數。決定系數是實測值與模擬值做線性回歸得到，表示兩者之間的線性關系，用于評價兩者之間的吻合程度。如果r2=i,表示觀測值與模擬值呈完全線性關系，完全吻合；如果0<R2<1,表示模擬值與實測值有一定的線性相關性，具值越大線性相關性越好；如果R2 =0,說明模擬值與實測值無任何線性關系。Nash-Suttcliffe系數的計算公式為:式中：為實測值； 為模擬值；為平均值；為實測數據個數。當 時， ；若 為負值，說明模型模擬平均值比直接使用實測平均值的可信度更低。SWAT

51、模型的校準一般分為水平衡和河流流量、泥沙、營養(yǎng)物質校準等。在SWAT奠型中，產水量是指離開子流域，并在子流域出口匯入河流的水量，是地表徑流、根區(qū)側 向流和地下水徑流減去子流域渠道輸移損失和水池分離后的水量。泥沙產量是指從子流 域到達出口的泥沙量，是子流域出口處測量到的泥沙量。(1)徑流驗證徑流校準采用數字濾波技術將實測徑流分割為直接徑流和基流兩部分，然后分別對 直接徑流和基流進行校準。先對基流進行校準，對于基流校準調整的參數包括：地下水 再蒸發(fā)系數、土壤蒸發(fā)補償系數、土壤可利用水量和基流 系數。在基流校準達到標準時，對直接徑流進行校準，調整的參數為徑流曲線數，其調整范圍為初始值的 ,根據不同HRU的 值，計算得其面積平均初始值，最終使總徑 流量得到較好的擬合。