农田水文模型SWAP软件简介

模型介绍模型组成模型机理模型输入模型输出模型率定SoilWaterAtmospherePlantModel是荷兰WageningenUniversityandResearchCenter开发的用于模拟田块尺度的非饱和带水流及盐分运移、热量传递和作物生长与产量的模型SWAP模型的早期版本是Feddes等(1978)开发的SWATR(SoilWaterActualTranspirationRate)模型。该模型为有作物生长条件下的土壤水分运动模拟模型，适用于多层土壤，并能够考虑地下水动态变化的影响。在后来的20多年中，该模型经过Beimans等(1983),Wesseling等(1991)、vandenBroek等(1994)和vanDam等(1997)的不断补充和完善，增加了更多的系统边界条件、作物生长模拟、土壤膨胀收缩效应和溶质运移等内容，形成了SWAP2.0版本。目前推出的最新版本是SWAP3.2模型由六部分组成：土壤水流运动模块溶质运移模块热量传输模块土壤蒸发模块作物腾发量计算模块作物生长模拟模块土壤水流运动溶质运移土壤蒸发作物腾发量计算作物生长模拟根据Darcy定律,可得出Richard方程:()qshtz()1()()hkhzhchshttz根据微单元土壤体积的水平衡原理可得出以下土壤水的连续方程:在SWAP模型中，土壤水力函数可采用vanGenuchten(1980)和Mualem(1976)公式，也可采用土壤实测数据关系表达vanGenuchten(1980)：用上面所示的土壤水分特征曲线，联合Mualem(1976)提出的非饱和土壤水力传导度模型，可得以下关系式:11srrnnnh1()11nnnrrssrsrKK一定土壤深度的潜在根系吸水率，可由以下公式得出：在SWAP中，假设根系密度均匀分布，所以上式可以写为0()()()rootrootpprootDlzSzTlzdz0()1()()rootrootppprootrootDlzSzTTDlzdz()pSz实际上，土壤的过度干早或者过度湿润和土壤盐分过高产生的应力都会减少Sp(z)的值左图给出了水应力引起根系吸水减少的系数αrw与土壤水势h以及潜在腾发量Tp之间关系;右图给出了盐应力引起根系吸水胁迫系数αrs与土壤水电导度ECsw之间的关系SWAP中假设水和盐应力同时作用时对作物根系吸水的影响是相乘的关系，所以实际的根吸水率Sa(z)可以由下式计算:()()arsrwpSzSz土壤水中溶质的主要运移机理是分子扩散、对流、机械弥散。在SWAP模型中，溶质运移按对流一弥散方程进行计算弥散通量可表达为：溶质扩散系数对土壤的实际含水率是十分敏感的，由于它严重的影响着溶质运移的路径和有效横向运移面积。在SWAP模型中，采用Millington和Quirk(1961）提出的公式来描述水流路径弯曲度，扩散系数表达式为difdiscJqcDDz7/32difwporDD在层流条件下，与孔隙流速v(cm/d)成正比关系:由单元体的质量守恒定律，溶质运移的连续方程可以表达为:disDdisdisDLvsXJStz()bsbrXcQScQkScbdifdisbrcQqccDDcQkSctzzzSWAP中主要用以下两个步骤来计算作物的需水量：首先，通过改进后的彭曼公式来计算作物的潜在蒸发蒸腾量其次，考虑到实际中作物由于水分胁迫和盐分胁迫而会引起根吸水的减少，从而计算出实际的作物腾发量11vairairsatanWWairpcropvairairpCeeRGrETrrPenman-Monteith：pradaeroETETET当土壤湿度较大时，土壤蒸发量决定于大气条件，等于潜在土壤蒸发量。当土壤较干燥时，土壤蒸发量将减少。表层土壤最大土壤蒸发量Emax可按达西定律计算。在SWAP中也可用Black等(1969),Bosten和Stroosnijder(1986)提出的经验公式计算Black经验公式：Bosten－Stroosnijder公式：1/2121/222,,adrypappapEtifEEEfEEESWAP模型中采用的作物模型包括详细作物生长模型(WOFOST6.0;Spittersetal.,1989;Hijmansetal.,1994)和简单作物模型详细的作物模型模拟作物的生长过程，而简单模型则模拟作物的最终产量SWAP模型中的简单作物模型是静态模型，它只描述作物最终产量与水分的关系。简单作物模型要求输入叶面积指数、作物高度以及作物根深与作物各发展阶段的函数。简单作物模型计算作物的实际产量与潜在产量的比值即相对产量J.Doorenbos和A.H.Kassam模型（D-K模型）,,,,,,1,11akakykpkpkknakakppkYTKYTYYYY上边界条件：1、有效降雨量2、作物潜在腾发量和土壤潜在腾发量3、作物实际腾发量和土壤实际腾发量4、灌溉制度下边界条件：1、地下水位2、底部水流通量3、来自深层水流通量4、作为地下水位函数的水流通量5、底部的压力水头6、底部水流通量为零7、土壤剖面的自由排水8、土壤－空气界面的自由出流量气象资料灌溉作物土壤水分溶质热量SWAP模型的输出结果可通过Output主菜单查看，包括文本、2维图形和3维图形3种形式。输出结果有：累计水量平衡分量(灌水量、有效降雨量、潜在与实际蒸发量、潜在与实际腾底部水流通量、侧向排水量、土壤储水量)、地下水位、逐日水量平衡平分量、溶质平衡分量、土壤温度、逐时段(最短为1天)土壤物理量(含水率、水压力水头、溶质、温度)的剖面分布等2'miTSEMINxxsr需要率定的土壤水力参数：饱和含水量残留含水量饱和导水率经验系数sKn需要率定的溶质运移参数：降水矿化度分子扩散系数D扩散长度L根系吸收溶质系数自由水和吸附水之间的溶质交换率inC