SWAT水文模型

SWAT水文模型介绍1概述SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）模型是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时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具有很强的物理基础，能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。该模型主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算能力不强，模型主要由8个部分组成：水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农业管理和杀虫剂。SWAT模型拥有参数自动率定模块，其采用的是Q.Y.Duan等在1992年提出的SCE-UA算法。模型采用模块化编程，由各水文计算模块实现各水文过程模拟功能，其源代码公开，方便用户对模型的改进和维护。2模型原理SWAT模型在进行模拟时，首先根据DEM把流域划分为一定数目的子流域，子流域划分的大小可以根据定义形成河流所需要的最小集水区面积来调整，还可以通过增减子流域出口数量进行进一步调整。然后在每一个子流域内再划分为水文响应单元HRU。HRU是同一个子流域内有着相同土地利用类型和土壤类型的区域。每一个水文响应单元内的水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失来计算的。地表径流估算一般采用SCS径流曲线法。渗透模块采用存储演算方法，并结合裂隙流模型来预测通过每一个土壤层的流量，一旦水渗透到根区底层以下则成为地下水或产生回流。在土壤剖面中壤中流的计算与渗透同时进行。每一层土壤中的壤中流采用动力蓄水水库来模拟。河道中流量演算采用变动存储系数法或马斯金根演算法。模型中提供了三种估算潜在蒸散发量的计算方法—Hargreaves、Priestley-Taylor和Penman-Monteith。每一个子流域内侵蚀和泥沙量的估算采用改进的USLE方程，河道内泥沙演算采用改进的Bagnold泥沙运移方程。植物吸收的氮采用供需方法计算，植物的氮日需求量是植物与生物量中氮浓度的函数。土壤中向植物供给氮，当需求超过供给时，出现营养物压力。地表径流、壤中流和渗透过程运移的硝态氮量由水量和土壤层中的平均硝态氮浓度来估计。泥沙中运移的有机氮采用McElroyetal.开发的负荷方程，后经进一步改进。该负荷方程基于土壤表层的有机氮浓度、泥沙量和富集率来估计径流中的有机氮损失。植物吸引的磷采用与氮相似的供需方法。径流中带走的可溶解磷采用土壤表层中的不稳定磷、径流量和磷土分离系数来计算。泥沙运移的磷采用与有机氮运移相同的方程。河道中营养物的动态模拟采用QUAL2E模型。2.1产汇流模型模型中采用的水量平衡表达式为：SWt=SW0+∑(Rday−Qsurf−Ea−Wseep−Qgw)ti=1式中：SWt为土壤最终含水量，mm；SW0为土壤前期含水量，mm；t为时间步长，d；Rday为第i天降水量，mm；Qsurf为第i天的地表径流，mm；Ea为第i天的蒸发量，mm；Wseep为第i天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量，mm；Qgw为第i天地下水含量，mm。SWAT模型水文循环陆地阶段主要有水文、天气、沉积、土壤温度、作物产量、营养物质和农业管理等部分组成。模型径流量产生计算流程图如下图2-1所示。图2-1SWAT模型产流计算流程图2.1.1地表径流当落到地表的降水量多余入渗量时产生地表径流。SWAT模型采用SCS径流曲线法计算。SCS曲线方程自上世纪50年代逐渐得到广泛使用，属于经验模型，是对全美小流域降水与径流关系20多年的研究成果。模型能反应不同土壤类型和土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径流的影响，它是基于流域的实际入渗量（F）与实际径流量（Q）之比等于流域该场降雨前的最大可能入渗量（S）与最大可能径流量（Qm）之比的假定基础上建立的SCS模型的降雨-径流基本关系表达式如下：FQ=SQm式中：假定潜在径流量（Qm）为降水量（P）与由径流产生前植物截留、初渗和填洼蓄水构成的流域初损（Ia）的差值。由此推到上式有：Q=(P−Ia)2S+P−Ia初损Ia受土地利用、耕作方式、灌溉条件、冠层截留、下渗、填洼等因素的影响，它与土壤最大可能入渗量S呈一定的正比关系，美国农业部土壤保持局在分析了大量长期的实验结果基础上，提出了二者最合适的比例系数为0.2，即：Ia=0.2S由此可得SCS方程为：Q=(P−0.2S)2P+0.8SP≥0.2SQ=0P≤0.2S流域当时最大可能滞留量S在空间上与土地利用方式、土壤类型和坡度等下垫面因素密切相关，模型引入的CN值可较好地确定S，公式如下：S=25400CN−254CN是一个无量纲参数，CN值是反映降雨前期流域特征的一个综合参数，它是前期土壤湿度、坡度、土地利用方式和土壤类型状况等因素的综合。2.1.2蒸散发模型考虑的蒸散发是指所有地表水转化为水蒸气的过程，包括树冠截留的水分蒸发、蒸腾和升华及土壤水的蒸发。蒸散发是水分转移出流域的主要途径，在许多江河流域，蒸发量都大于径流量。准确地评价蒸散发量是估算水资源量的关键，也是研究气候和土地覆盖变化对河川径流影响的关键。（1）潜在蒸散发模型提供了Penman-Monteith、Priestley-Taylor和Hargreaves三种计算潜在蒸散发的方法，另外还可以使用实测资料或已经计算好的逐日潜在蒸散发资料。一般采用Penman-Monteith方法来计算流域的潜在蒸散发。（2）实际蒸散发实际蒸散发以潜在蒸散发为计算基础。在计算流域实际蒸散发量的时候，模型首先计算植物冠层截留水分的蒸发，然后计算最大蒸腾量、最大升华量和最大土壤蒸发量，最后计算实际的升华量和土壤水分蒸发量。（3）冠层截留蒸发量模型在计算实际蒸发时假定尽可能蒸发冠层截留的水分，如果潜在蒸发量E0小于冠层截留的自由水量EINT，则：Ea=Ecan=E0EINT(f)=EINT(i)−Ecan式中：Ea为某日流域的实际蒸发量，mm；Ecan为某日冠层自由水蒸发量，mm；E0为某日的潜在蒸发量，mm；EINT(i)为某日植被冠层自由水初始含量，mm；EINT(f)为某日植被冠层自由水终止含量，mm。如果潜在蒸发量E0大于冠层截留的自由水含量EINT则：Ecan=EINT(i)EINT(f)=0当植被冠层截留的自由水被全部蒸发掉，继续蒸发所需的水分就会从植被和土壤中得到。（4）植物蒸腾假设植物生长在一个理想的条件下，植物蒸腾可用以下表达式计算：当0≤LAI≤3.0时Et=E0`∗LAI3.0当LAI＞3.0时Et=E0`式中：Et为某日最大蒸腾量，mm；E0`为植被冠层自由水蒸发调整后的潜在蒸发E0`=E0−Ecan，mm；LAI为叶面积指数。因为没有考虑到植物下面图层的含水量问题，由此公式计算处的蒸腾量可能比实际蒸腾量要大一些。（5）土壤水分蒸发在计算土壤水分蒸发时，首先区分出不同深度土壤层所需要的蒸发量，土壤深度层次的划分决定土壤允许的最大蒸发量，可由下式计算：Esoil，z=ES``zz+exp(2.347−0.00713×z)式中：Esoil，z为z深度处蒸发需要的水量，mm；z为地表以下土壤的深度，mm。表达式中的系数是为了满足50%的蒸发所需水分来自土壤表层10mm，以及95%的蒸发所需水分来自0～100mm土壤深度范围内。土壤水分蒸发所需要的水量是有土壤上层蒸发需水量与土壤下层蒸发需水量决定的：Esoil，ly=Esoil，zl−Esoil，zu式中：Esoil，ly为ly层的蒸发需水量，mm；Esoil，zl为土壤下层的蒸发需水量，mm；Esoil，zu为土壤上层的蒸发需水量，mm。土壤深度的划分假设50%的蒸发需水量由0～10mm内土壤上层的含水量提供，因此100mm的蒸发需水量中50mm都要由10mm的上层土壤提供，显然上层无法满足需要，这就需要建立一个系数来调整土壤层深度的划分，以满足蒸发需水量，调整后的公式可以表示为：Esoil，ly=Esoil，zl−Esoil，zu×esco式中：esco为土壤蒸发调节系数，该系数是SWAT为调整土壤因毛细作用和土壤裂隙等因素对不同土层蒸发量二提出的，对于不同的esco值对应着相应的土壤层划分深度。2.1.3土壤水渗入到土壤中的水有多种不同运动方式。土壤水可以被植物吸收或蒸腾而损耗，可以渗透到土壤底层最终补给地下水，也可以在地表形成径流，即壤中流。由于主要考虑径流量的多少，因此对壤中流的计算简要概括。模型采用动力储水方法计算壤中流。相对饱和区厚度H0计算公式为：H0=2×SWly，excess1000×Φd∙Lhill式中：SWly，excess为土壤饱和区内可流出的水量，mm；Lhill为山坡坡长，m；Φd为土壤可出流的孔隙率；Φd表示土壤层总孔隙度，即Φsoil与土壤层水分含量达到田间持水量的孔隙度Φfc之差。Φd=Φsoil−Φfc山坡出口断面的净水量为：Qlat=24×H0∙vlat式中：vlat为出口断面处的流速，mm/h。其表达式为：vlat=Ksat∙slp式中：Ksat为土壤饱和导水率，mm/h；slp为坡度。总结上面表达式，模型中壤中流最终计算公式为：Qlat=0.024×2×SWly，excess∙Ksat∙slpΦ∙Lhill2.1.4地下水模型采用以下表达式来计算流域地下水：Qgw，i=Qgw，i−1∙exp(−αgw∙∆t)+wrchrg∙[1−exp(−αgw∙∆t)]式中：Qgw，i为第i天进入河道的地下水补给量，mm；Qgw，i−1为第（i-1）天进入河道的地下水补给量，mm；∆t为时间步长，d；wrchrg为第i天蓄水层的补给流量，mm；αgw为基流的退水系数。其中补给流量由下式计算：wrchrg，i=[1−exp(−1/δgw)]∙Wseep+exp(−1/δgw)∙wrchrg，i−1式中：wrchrg，i为第i天蓄水层补给量，mm；δgw为补给滞后时间，d；Wseep为第i天通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量，mm/d；wrchrg，i−1为第（i-1）天蓄水层补给量，mm。2.2土壤侵蚀模型泥沙生成量用MUSLE方程来预测，计算渠道泥沙输移量的公式为：T=a∙Vb式中：T为输移能力，t/m3；V为流速，m/s；a和b是常数。根据天气条件，泥沙输移量可以高于或者低于输移能力，导致沉积过量的泥沙通过渠道侵蚀再悬浮输移泥沙。流速方程为：V=Fw∙d式中：F为流量，m3/s；w为渠道宽度，m；d为径流深，m。对于低于齐岸深度的径流，径流深使用Manning方程来计算，假定渠道宽度远大于深度：d=(F∙nw∙cs0.5)0.6式中：n为渠道曼宁系数；cs为渠道坡度，m/m。由于降水和径流产生的土壤侵蚀是用MUSLE方程来计算的，MUSLE是修正的通用土壤流失方程（USLE）。USLE方程是通过降水动能函数预测年均侵蚀量，而在MUSLE中，用径流因子代替降水动能，改善了泥沙产量的预测，这样就不需要泥沙输移系数，并且可以将方程用于单次暴雨事件，因为径流因子是先行湿度和降水动能的函数。USLE中需要输移系数是因为降水动能因子表示的能量只在作用流域内起作用。修正的通用土壤流失方程为;msed=11.8×(Qsurf∙qpeak∙Ahru)0.56∙KUSLE∙CUSLE∙PUSLE∙LSUSLE∙CFRG式中：msed为土壤侵蚀量，t；Qsurf为地表径流，mm/h；qpeak为洪峰流量，m3/s；Ahru为水文响应单元的面积，hm2；KUSLE为土壤侵蚀因子；CUSLE为植被覆盖和管理因子；PUSLE为水土保持措施因子；∙LSUSLE为地形因子；CFRG为粗碎屑因子。2.2.1土壤侵蚀因子𝐊𝐔𝐒𝐋𝐄当其他影响侵蚀的因子不变时，K因子反映不同类型土壤抵抗侵蚀力的高低。它与土壤物理性质的影响，如机械组成、有机质含量、土壤结构、土壤渗透性等有关。当土壤颗粒粗、渗透性大时，K值就低，反之则高；一般情况下