第三講 SWAT水文循環(huán)原理

第三講SWAT水文循環(huán)原理

SWAT水文循環(huán)提綱1.1SWAT地表水過程1.2SWAT蒸散發(fā)過程1.3SWAT土壤水過程1.4SWAT地下水過程1.1SWAT地表水過程水量平衡方程如下：1.1SWAT地表水過程產(chǎn)流計(jì)算：產(chǎn)流計(jì)算：CN值可針對不同的土壤類型、土地利用和植被覆蓋的組合查表獲得，CN值是無量綱的反映降雨前期流域特征的一個(gè)綜合參數(shù)，將前期土壤濕度、坡度、土地利用方式和土壤類型狀況等因素綜合在一起。1.1SWAT地表水過程產(chǎn)流計(jì)算：1.1SWAT地表水過程SWAT水庫模擬水庫的水量平衡方程為：SWAT水庫模擬水庫出流計(jì)算（Reservoiroutflow

）:

實(shí)測日出流數(shù)據(jù)實(shí)測月出流數(shù)據(jù)

沒有控制的水庫年平均出流

控制水庫的目標(biāo)出流數(shù)據(jù)SWAT水庫模擬SWAT水庫模擬水庫調(diào)控計(jì)算（Targetreleaseforcontrolledreservoir）:提綱1.1SWAT地表水過程1.2SWAT蒸散發(fā)過程1.3SWAT土壤水過程1.4SWAT地下水過程1.2SWAT蒸散發(fā)過程蒸散發(fā)包括冠層截留水蒸發(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。準(zhǔn)確地評價(jià)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被變化對河川徑流影響的關(guān)鍵問題。1）潛在蒸散發(fā)SWAT提供了Penman-Monteith、Priestley-Taylor和Hargreaves等三種計(jì)算潛在蒸散發(fā)能力的方法，另外還可以使用實(shí)測資料或已經(jīng)計(jì)算好的逐日潛在蒸散發(fā)資料。蒸發(fā)模擬：1）潛在蒸散發(fā)1.2SWAT蒸散發(fā)過程1）潛在蒸散發(fā)1.2SWAT蒸散發(fā)過程1）潛在蒸散發(fā)1.2SWAT蒸散發(fā)過程2）實(shí)際蒸散發(fā)1.2SWAT蒸散發(fā)過程2）實(shí)際蒸散發(fā)1.2SWAT蒸散發(fā)過程2）實(shí)際蒸散發(fā)1.2SWAT蒸散發(fā)過程2）實(shí)際蒸散發(fā)1.2SWAT蒸散發(fā)過程提綱1.1SWAT地表水過程1.2SWAT蒸散發(fā)過程1.3SWAT土壤水過程1.4SWAT地下水過程滲漏percolation淺層地下水Shallowaquifer深層地下水Deepaquifer壤中流lateral

flow基流returnflow入滲infiltrationloss蒸散發(fā)Evapotranspiration1.3SWAT土壤水過程1.3SWAT土壤水過程1.3SWAT土壤水過程提綱1.1SWAT地表水過程1.2SWAT蒸散發(fā)過程1.3SWAT土壤水過程1.4SWAT地下水過程1.4SWAT地下水過程1.4SWAT地下水過程河流與地下水的交互關(guān)系取用水Wateruse入滲補(bǔ)給Recharge深層地下水補(bǔ)給Todeepaquifer基流Returnflow潛水蒸發(fā)Revap淺層含水層ShallowAquifer淺層地下水模擬=percolationcoefficient深層地下水模擬Wdeep(mm)onlyifamountofwaterinshallowaquiferexceedstresholdvalue取用水Wateruse滲漏Percolation深層含水層DeepAquifer淺層地下水平衡方程：1.4SWAT地下水過程地下水位模擬（

Groundwaterheight）：深層地下水平衡方程：1.4SWAT地下水過程謝謝！Thanks!附件：SWAT作物生長模擬與農(nóng)業(yè)管理作物生長模塊的結(jié)構(gòu)作物生長模塊概述有效積溫的計(jì)算生物量的同化對水分的吸收對N、P的吸收實(shí)際生長耕作措施作物生長模塊概述

SWAT模型中作物生長模塊是一種適合多種作物生長的通用模型，能夠模擬上百種大田作物、園藝作物、草原牧草和樹木生長，其特點(diǎn)是根據(jù)各種作物生理生態(tài)過程的共性研制成模型的主體框架，再結(jié)合各種作物的生長和田間管理參數(shù)分別進(jìn)行各種作物生長與產(chǎn)量模擬。模型對作物生長與產(chǎn)量形成過程，及其對環(huán)境響應(yīng)進(jìn)行定量模擬的基本過程如下：作物模型在逐日氣候要素的驅(qū)動(dòng)下，首先模擬計(jì)算太陽輻射能轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)的數(shù)量，涉及到估算光截獲數(shù)量的葉面積變化動(dòng)態(tài)，主要通過最大葉面積系數(shù)、葉面積變化的S形曲線形態(tài)參數(shù)、葉面積下降速度等作物生長參數(shù)來確定。同時(shí)，光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化受作物水汽壓差和大氣CO2濃度的影響。葉面積的增長和變化與溫度、水分、養(yǎng)分等作物生長因素密切相關(guān)。通過作物生長的最適溫度、最低溫度與作物生育過程計(jì)算濕度對葉面積增長的影響效應(yīng)。通過計(jì)算根系分布層次的土壤水分和養(yǎng)分狀況，估計(jì)水分和養(yǎng)分脅迫對葉面積增長的影響效應(yīng)。根據(jù)作物生長期生物量增長的、氮、磷和溫度等四種脅迫因子，校正干物質(zhì)的合成數(shù)量。計(jì)算分配到地上部和根系的干物質(zhì)數(shù)量，估算根系分布深度和根系密度，進(jìn)而計(jì)算作物根系吸收的土壤水分和養(yǎng)分在不同土層的分布情況。而植株水分、氮素、磷素滿足程度最終又影響干物質(zhì)合成數(shù)量。通過作物水分和養(yǎng)分臨界期水分、養(yǎng)分虧缺狀況估計(jì)實(shí)際收獲指數(shù)，最后通過地上部生物量和收獲指數(shù)計(jì)算可供收獲的作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。有效積溫為日平均溫度減去基礎(chǔ)溫度計(jì)算公式如下：在全生育期內(nèi)將HU中大于零的部分累加，就得到植物生育期有效積溫的總和。農(nóng)事活動(dòng)可以依據(jù)達(dá)到有效積溫的某個(gè)比例進(jìn)行安排。有效積溫的計(jì)算生物量的同化植物葉面積截獲光能的量，通過Beer法則來計(jì)算:

利用截獲的光，根據(jù)光能利用率，就得到時(shí)間步長內(nèi)生物量的最大增量，公式如下：

SWAT考慮了CO2濃度對光能利用率的影響。CO2濃度對光能利用率校正的公式如下：冠層高度的計(jì)算公式如下：其中，hc是冠層高度，hc,max是冠層最大的高度，frLAIm是植物最大LAI的分?jǐn)?shù)。LAI的計(jì)算公式如下：

LAI達(dá)到最大值后，這個(gè)最大值將會(huì)維持一段時(shí)間，直到葉片老化的速率超過葉片生長補(bǔ)充的速率

根系的發(fā)育：分配到根系的干物質(zhì)從出苗期的40%變化到成熟期的20%。根系逐日的分配系數(shù)依下式計(jì)算：其中，frroot是該日分配給根系的比例，frPHU是在達(dá)到生長季指定的某天時(shí)積累的潛在熱量單位的分?jǐn)?shù)。根深的計(jì)算，依作物不同而不同，對一年生植物，開始時(shí)根系的深度被設(shè)置為10.0mm，隨后發(fā)育階段為0.4時(shí)達(dá)到最大，維持在最大值。在發(fā)育階段小于0.4時(shí)，根深依下式計(jì)算：對水分的吸收在根區(qū)任何深度的土層下，利用下式來計(jì)算植物的潛在吸水量：其中，wup,z是某一特定深度的土層內(nèi)吸收的水量，Et是該日的最大蒸騰量，是水分利用分布參數(shù)，z是土層深度，zroot是該日根深。通過代入土層頂層和底層，取其差值后再對公式求解，可以得到任意土層的潛在吸水量。隨著土壤含水量的降低，土壤水分被土壤顆粒吸附得越來越牢，植物的吸水因此也變得越來越困難。為了反應(yīng)這個(gè)現(xiàn)象，利用下面這個(gè)公式來修正植物的潛在吸收水量：whenwhen吸收的水量經(jīng)過校正后，就可以用來下式來計(jì)算從某一土層吸收的水量：作物對N、P的吸收植物對氮素的吸收受植物氮素平衡的控制。植物氮素平衡公式計(jì)算植物生物量中的含氮量，在最適生長條件下，這個(gè)含氮量是植物生長階段的函數(shù)。計(jì)算植物N需求的公式如下：被吸收的氮素在不同深度土層中的分配，按下式計(jì)算：地表根系的密度最大，因此地表層氮素吸收的強(qiáng)度也最大。這種隨深度不同而異的分布由氮素吸收分布參數(shù)來控制，這是一個(gè)用戶可以自己調(diào)整的參數(shù)。如果根區(qū)的含氮量不足以滿足豆類植物的需要，SWAT允許植物通過固氮獲得額外的氮素。固氮量是土壤水分，土壤氮素和植物發(fā)育階段的函數(shù)：fgr是固氮能力受生育期的影響最大，需要另外進(jìn)行校正。植物P吸收的計(jì)算與N吸收的計(jì)算類似，受植物P平衡的控制，在最適生長條件下，植物對P的吸收受植物中含P量的影響，并且是發(fā)育階段的函數(shù)：計(jì)算植物P需求的公式如下：吸收的P在不同深度的土層內(nèi)的分布依下式計(jì)算：作物實(shí)際生長上述計(jì)算的是潛在條件下的生長，需要進(jìn)行水分、溫度、N和P脅迫的校正后就是實(shí)際條件下的生長。水分脅迫的計(jì)算公式如下：其中，wstrs是該日的水分脅迫影響因子，Et是該日的最大蒸騰量，Et,act是該日的實(shí)際蒸騰量，wactualup是該日植物總的吸水量。溫度脅迫是日平均溫度和植物生長最適溫度的函數(shù)，在最適溫度附近，植物不會(huì)受到溫度的脅迫。然而，如果偏離較大，植物就會(huì)開始受到溫度的脅迫。計(jì)算公式如下：whenwhenwhenwhenN脅迫的計(jì)算僅限于對非豆類作物，SWAT模型不允許豆類作物受到N脅迫。N脅迫的計(jì)算公式如下：nstrs是氮素脅迫程因子，依下式計(jì)算：

其中，bioN,opt是當(dāng)前發(fā)育階段下植物組織里的最適含氮量，bioN是實(shí)際貯存在植物干物質(zhì)中的氮素。

P素脅迫程度的計(jì)算，可通過比較植物實(shí)際的與最適的P素含量得到。當(dāng)植物的實(shí)際含P量等于最適含P量時(shí)，P素的脅迫等于0.0，當(dāng)實(shí)際含P量低于最適含P量的50%時(shí)，P素的脅迫等于1.0，這個(gè)P素脅迫隨含P量的下降而增加的過程也是非線性的，依下式計(jì)算：pstrs是P素脅迫程因子，依下式計(jì)算：植被的實(shí)際生產(chǎn)，取水分、溫度、N和P脅迫中最大的脅迫因子，即依下式計(jì)算：計(jì)算出的潛在生長時(shí)的干物質(zhì)就被乘以這個(gè)值，計(jì)算公式如下：植物在該日實(shí)際增加的葉面積依下式計(jì)算：

對于植物每年生產(chǎn)的生物量的多少，模型允許用戶自己定義一個(gè)值。當(dāng)這個(gè)值在模型的管理文件(.mgt)文件中被設(shè)立后，模型中每年的上述脅迫因素就不再考慮。當(dāng)這個(gè)值被設(shè)立后，生物量的計(jì)算方法就如下式所示：模型允許用戶指定一個(gè)固定的收獲指數(shù)，當(dāng)這個(gè)參數(shù)被指定時(shí)，這個(gè)參數(shù)值就取代了公式計(jì)算出來的收獲指數(shù)，此時(shí)不考慮生育期的不同，也不計(jì)算水分虧缺對其的影響。其中，HIact是實(shí)際的收獲指數(shù)，HI