SWAT模型培训-综合

SWAT模型培训讲义单位：中国水科院水资源所讲解人：陆垂裕日期：2012-2-22自我介绍1976年10月陆垂裕，出生于湖北省黄石市1995~1999武汉水利电力大学，本科，农田水利1998~2001武汉大学，硕士，水利水电工程2001~2004武汉大学，博士，水利水电工程2004~2006中国水科院，博士后，水文水资源2006~至今中国水科院，水资源所，高工研究领域：土壤水/地下水，地表/地下水质，行业软件开发，水文模型等讲义提纲水文科学发展简述SWAT模型简介SWAT主要水循环模拟方法详解SWAT的主要物质循环模拟简介SWAT的输入输出SWAT的软件界面SWAT的参数敏感性分析、自动率定等SWAT应用研究示例讲解基于SWAT原理改进的水循环模拟模型MODCYCLE自我介绍联系方式：中国水利水电科学研究院水资源所北京市复兴路甲1号A座920室QQ：63711279手机：[phone]水文/水循环模型研究简述水文科学发展简述国际上，特别是西方认为以17世纪进行的有史以来首批重要水文量测为标志，作为科学水文学的开始。这些量测是：•PierrePerrault的塞纳河流域降雨、蒸发和毛管势量测；•EdmeMariotte的塞纳河流量量测；•EdmondHalley的地中海蒸发和流量量测等等。18、19世纪主要在水力学试验研究方面发展1856年HenryDarcy通过渗透试验得出水在多孔介质中的渗透定律，即著名的达西公式；1863年J.Dupuit以Darcy公式为基础提出了Dupuit假设，为开采井的稳定流计算奠定了基础1880年雷诺根据试验提出了针对流体力学的雷诺公式；1889年曼宁提出了明渠稳定流公式；进入20世纪初水文学科开始快速发展40年代以前：水文要素实验和理论研究入渗：1911年,Green-Ampt建立了饱和入渗理论公式，至今应用仍然很广泛；蒸发：1926年,Bowen提出第一个理论公式，其中将蒸发通量的潜热和能量通量的感热通过一个比值联系起来，这就是著名的波温比。这是脱离经验公式的显著进步。非饱和水分运动：1907年，Burkingham引进毛管势概念，即土壤水基质势概念，建立非饱和水分运动的理论基础；1931年，Richards建立控制非饱和土壤水的等温输送的基本方程，提出一种量测土壤水基质势的方法，并且研究了土壤水运动的滞后现象。饱和地下水分运动：1935年C.V.Theis（泰斯）提出了地下水向承压水井运动的非稳定流公式，开创了现代地下水运动理论的新纪元；河川径流：1907年，Hoyt发表了流速仪测流的经典专著，总结了用流速仪测流的实践经验。降雨产流：1933年，Horton提出降雨产流的入渗理论，开始了对陆面通量的从经验向推理的过渡；1932年，Sherman提出流域响应的单位线方法。两者结合形成完整的流域水文推理和计算体系，开创了流域水文的定量途径。40～60年代：应用水文学全面发展河道洪水演算：1939年，McCarthy提出Muskingum洪水演算方法（水文学法）；1941年，Meyer提出Lag和route方法（槽蓄方程，水文学法）；1951年，Hayami提出扩散相似法…（扩散波方程，水力学法）流域汇流：1945年，Clark提出在等流时线基础上，通过一个概念性蓄水单元调蓄，建立单位线的推理方法，开创了单位线的理论研究时期。蒸发：蒸发研究更系统，更具理论价值。1935，1948年，Thornthweite对蒸发估算的改进；1948年，Penman提出潜在腾发概念及潜在腾发估算的混合公式；1948年开始，Budyko发表关于蒸发的系列文章。60～80年代：流域产流试验研究1963年，Hewlitt和Hilbert的排水期斜坡土壤水分和能量实验1969年，Betson的暴雨径流产流面积实验1970年，Dunne和Black的小流域透水土壤产流实验这些研究大大丰富了对流域产流过程的认识，提出了若干不同于Horton产流入渗理论的降雨产流机制，并突出认识到流域部分面积产流概念和山坡非饱和水分侧向运动的重要作用.70年代以后：水文学进入模型计算时代地下水数值模型1988年，MODFLOW（美国）流域水文模型1977年，新安江模型（中国）1979年，TOPMODEL（纽芬兰）1986年，SHE模型（英国、法国、荷兰联合开发）本世纪前半叶：水文测验积累水文资料工程实践积累经验和问题本世纪后半叶：水文研究山坡水文实验流域水文模拟计算机出现水循环的各个子系统大气环流系统地表水系统土壤水系统地下水系统气象学领域地表水文学领域农田水利学领域地下水文学领域大气环流系统地表水系统土壤水系统地下水系统各个学科领域对应的水循环子系统水循环研究的目的生产实践中与水循环有关的各种问题：天气预报降雨时间？降雨量？降雨范围？气候变化干旱化？湿润化？防洪调度降雨径流关系？洪峰流量？洪峰移动速度？泥沙淤积冲淤平衡流量？河道输沙量？水力发电上游来水量？来水过程？气象学地表水文学农田灌溉灌溉方式？灌溉制度？土壤盐渍化埋深控制？排水沟间距？大坝、基坑防渗/排水渗透压力？减压控制？地下水水源地开发开采井间距？开采总量控制？海水入侵咸/淡界面位置？平衡关系?农田水利学地下水文学流域水文/水循环模型优势：各种水文过程统一模拟的平台，使人们可以站在流域整体视角研究各种水文过程的综合影响降雨/蒸发、产流、河网汇流、土壤水运动、地下水运动流域水文/水循环模型中国10大一级流域分区流域：由分水线所包围的河流集水区流域水文/水循环模型淮河流域淮南市淮河干流土壤水模拟产流、入渗、渗漏、蒸发问题地下水模拟河道基流问题地表水模拟数字高程流域划分、汇流路径问题河道洪水演进问题地下水运动土壤水运动降水入渗蒸散水文过程地表径流汇流流域出流流域层面上的统一水资源研究方面的需求水资源评价水资源开发利用评价重点：“四水转化”规律反演及水平衡分析水文研究方面的需求：防洪、径流预测重点：产汇流计算，洪水过程模拟流域水文模型的应用层面概念性：斯坦福模型，1966水箱模型，1967新安江模型，1977…物理性：Freeze模型，1971SHE模型，1986TOPMODEL，1979WEP，2001…流域水文模型流域水文模型水箱模型(TANK)•顶层水箱：模拟地表径流，设置２～３个出流口•第二层水箱：模拟壤中流•第三层水箱：模拟地下径流１、水箱结构流域水文模型水箱模型(TANK)①以水箱作为蓄水容器，将降雨径流过程模拟为若干水箱的调蓄作用；②模型结构简单，而且不定，水箱个数和孔数等均可以改变，参数值也不受物理概念的约束，所以适应性好，在湿润地区易于取得成功；③模型的物理概念不是直接的，没有明确的土壤含水量的概念，参数多且没有一个客观的数学方法来描述，主要依靠试错法来确定参数；④由于线性水库的出流没有洪峰滞时，所以计算的出流过程需要作一定时间的滞后才能与实测出流过程相符，这就相当于河网汇流。流域水文模型新安江（三水源）模型河海大学赵人俊提出的一个水文模型，是中国少有的一个具有世界影响力的水文模型。三水源指按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。适合于湿润地区与半湿润地区水文模拟。流域水文模型26流域水文模型非饱和渗流模型饱和地下水模型地表水模型(运动波、扩散波)MIKE-SHE()1hKhStzz()()()xxyyzzShhhhKKKWSxxyyzzt圣-维南方程组分布式物理基础模型主要依据物理定律，其参数都是明确的物理量，可直接测定。但对模型输入信息质量和数量有较高要求，计算成本较高，一般较难满足。同时对复杂的应用条件(如人类活动)难以适应，计算效率不高；概念性模型计算原理简单，相对灵活，但主要参数只有抽象意义，物理意义不强，多数需要反复调算和率定。另外对具体水循环过程刻画不足；概念-物理相结合的半分布式模型？概念性模型和分布式模型优缺点SWAT模型简介（SOILANDWATERASSESSMENTTOOL）SWAT简介开发者:Dr.JeffArnoldfortheUSDAAgriculturalResearchService(ARS)-美国农业部农业研究局应用方向:评价土地利用管理等人类活动对流域水循环、泥沙、农业污染物质迁移的长期影响和作用特点：1.属于物理－概念结合的模型，具有很强的物理基础，能够考虑天气、土壤性质、地形、植被、人类土地管理的综合作用，同时能够灵活处理各种复杂应用条件；2.适合于长时间尺度的水文循环和物质循环研究，而非短时期水文预报；3.适合于宏观尺度的模拟；SWAT简介4.不仅模拟水循环过程，还能以水循环为载体，研究水土流失、营养物质输移、农药、病原菌等物质循环过程；5.能够灵活处理资料缺失问题。具有强大的模型数据库，除地形和土地利用等少量基本数据资料外，很多参数，如作物相关参数、土壤参数等可直接选用备用数据；6.分布式计算，先将流域分成子流域，子流域内继续细分水文响应单元（HRU），单独研究每个水文响应单元的内部循环，并在子流域进行累计汇总，再通过河网对子流域进行有机连接以模拟地表汇流，计算效率很高SWAT开发历史前身：SWRRBmodel(SimulatorforWaterResourcesinRuralBasins)(Williamsetal.,1985;Arnoldetal.,1990)该模型为美国农业部的三个模型的集成成果：CREAMS2(Chemicals,Runoff,andErosionfromAgriculturalManagementSystems)(Knisel,1980)；(PS:农业管理系统中的化学作用、径流和土壤侵蚀）EPIC4(Erosion-ProductivityImpactCalculator)(Williamsetal.,1984).(ps:土壤侵蚀和生产力影响估算模型）GLEAMS3(GroundwaterLoadingEffectsonAgriculturalManagementSystems)(Leonardetal.,1987)(ps:农业管理系统对地下水的负荷影响）SWAT开发历史SWRRB（SimulatorforWaterResourcesinRuralBasins）初始时直接源于CREAMS模型的修正，扩展以下功能：1)多个子流域同时演算；2)地下水基流计算；3)水库蓄滞计算;4)气象模拟与插值；5)提高洪峰模拟精度；6)EPIC植物生长模型；7)简单的洪水演算模块；8)流域产沙及运移；9)考虑地表径流传输损失80年代末，又针对污染物运移模拟进行了增强，包括：1)借鉴GLEAMS模型的农药循环;2)增加SCS曲线法模拟产流过程；3)更新产沙计算公式；SWAT开发历史SWRRB的主要问题：1、SWRRB最多只能模拟10个子流域，适合于几百平方公里面积的模拟，如面积太大(几千平方公里以上)会影响模拟精度；2、各子流域的产出直接输出到流域出口，无河道循环过程ROTO(RoutingOutputstoOutlet)在80年代末期美国印第安事务局研究亚利桑那州和新墨西哥州的印第安保留区水管理对下游影响评估时开发的，是个单独的连接程序。初始开发时的目的是把多个SWRRB的输出连接起来，并进行河道循环演算。后来发现虽然效果很好，但SWRRB和ROTO分别独立运行很不方便，于是进行整合。SWAT=SWRRB+ROTOSWAT开发历史版本进展：SWAT90:第1版，融合SWRRB和ROTO；SWAT94.2：子流域划分多个水文响应单元；SWAT96.2：自动施肥、自动灌溉、作物模型考虑CO2作用、Penman-Monteith、河水演进中考虑水质、农药传输过程；SWAT98.1：放牧活动、有机肥料、暗管排水、SWAT99.2：重金属、城市尘埃的沉积、冲洗；SWAT2000：微生物运移、Green-Ampt模型、气象发生器、无