关于SWAT模型的一些原理（一）
目錄
- 寫在前面
- SWAT標題模型簡介
- 模型特點
- 開發歷史
- SWRRB
- ROTO
- 模型的概念性和物理性
- 概念性
- 物理性
- 集合體的概念
- SWAT主要過程模擬
- 大氣水過程
- 降雨降雪的分離，決定于當日平均氣溫
- 冠層截留過程(僅Green-Ampt時使用）
- 積雪/融雪/升華過程
- 氣象發生器
- 土壤水過程
- 入滲計算
- 土壤蒸發量計算
- 壤中流計算
- 深層滲漏計算
- 特殊土壤
- 后續內容
寫在前面
本次內容是根據學習資料寫的，如有侵權請聯系我~~~
SWAT標題模型簡介
開發者
Dr. Jeff Arnold for the USDA Agricultural Research Service (ARS)-美國農業部農業研究局開發
應用方向
評價土地利用管理等人類活動對流域水循環、泥沙、農業污染物質遷移的長期影響和作用的一種水文模型
模型特點
1、屬于物理－概念結合的模型，具有很強的物理基礎，能夠考慮天氣、土壤性質、地形、植被、人類土地管理的綜合作用，同時能夠靈活處理各種復雜條件；
2、適合于長時間尺度的水文循環和物質循環研究，而非短時期水文預報；
3、適合于宏觀尺度的模擬；
4、不僅模擬水循環過程，還能以水循環為載體，研究水土流失、營養物質輸移、農藥、病原菌等物質循環過程；
5、能夠靈活處理資料缺失問題。具有強大的模型數據庫，除地形和土地利用等少量基本數據資料外，很多參數，如作物相關參數、土壤參數、河道參數等可直接選用備用數據；
6、分布式計算，先將流域分成水文響應單元，單獨研究每個水文響應單元的內部循環，再通過子流域和河網將各個響應單元進行有機連接。計算效率很高。
開發歷史
前身
SWRRB model
(Simulator for Water Resources in Rural Basins)
(Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990)
同時綜合其他美國農業部的三個模型成果
①CREAMS2
(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)
(Knisel, 1980)；
②GLEAMS3
(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)
(Leonard et al., 1987)
③EPIC4
(Erosion-Productivity Impact Calculator)
(Williams et al., 1984).
兩個對SWAT有重要構建基礎的模型
SWRRB（Simulator for Water Resources in Rural Basins）
ROTO (Routing Outputs to Outlet)
SWRRB
初始時直接源于CREAMS模型的修正，擴展以下功能：
80年代末，又針對污染物運移模擬進行了增強，包括：
1、借鑒GLEAMS模型的農藥循環;
2、增加SCS曲線法模擬產流過程；
3、更新產沙計算公式；
SWRRB的主要問題：
1、SWRRB最多只能模擬10個子流域，適合于幾百平方公里面積的模擬，如面積太大(幾千平方公里以上)會影響模擬精度；
2、各子流域的產出直接輸出到流域出口，無河道循環過程
ROTO
ROTO初始開發時的目的是把多個SWRRB的輸出連接起來，并進行河道循環演算。
初始應用于80年代末期美國亞利桑那州和新墨西哥州水水庫庫管理對下游影響評估研究。
SWAT = SWRRB + ROTO
模型的概念性和物理性
概念性
1、模擬結構的概念性
全流域/區域----子流域----水文響應單元，松散耦合
物理模型：網格、地形單元等，強耦合
2、模擬方法的概念性
降雨/灌溉入滲：SCS、Green-Ampt
土壤水模擬：概念性的分層下滲模型，田間持水度
地下水：均衡模式，不考慮側向徑流
地表水：河槽蓄量法、馬斯京根法
物理模型：Richard方程、運動波/動力波方程、地下水動力學方程
物理性
水循環各過程刻畫比較全面和貼合實際，幾乎所有的實際物理水文過程均有模型計算過程對應
集合體的概念
SWAT主要過程模擬
水循環過程原理
1、大氣水過程
2、土壤水過程
3、地下水過程
4、地表水過程
5、植物生長過程
6、土地與水分管理
物質循環過程原理
7、泥沙過程
8、營養物遷移過程
9、農藥遷移
10、重金屬遷移
11、病原菌遷移
大氣水過程
大氣水主要過程
1、降雨、降雪
2、冠層截留過程
3、積雪/融雪/升華
降雨降雪的分離，決定于當日平均氣溫
日平均氣溫大于等于降雪基溫，則降雨，否則降雪。
冠層截留過程(僅Green-Ampt時使用）
①先計算截留能力
當天的截留能力=最大截留能力?當前葉面積指數/最大葉面積指數
②再根據截留能力計算冠層截留量和到達地面的雨量
a）降雨量小于當天截留能力與前天截留量之差時
當天截留量=前天截留量+降雨量，并且到達地面的雨量為0
b）降雨量大于當天節流能力與前天截留量之差時
當天截留量=當天截留能力，并且到達地面的雨量=降雨量-（當天的截留能力-前天截留量）
③計算冠層截留蒸發
a、潛在騰發量小于植被截留量
當天的實際蒸騰量=冠層截留蒸發量=參考作物騰發量
當天結束時的截留量=當天初始時的截留量-冠層截留蒸發量
b、潛在騰發量大于植被截留量
參考作物騰發量計算
①PENMAN-MONTEITH 公式，5項氣象數據需齊備
SWAT中參考作物滕發量為40cm高，最小葉面阻抗為100（S m-1）
的紫花苜蓿在供水充足條件下的騰發量
②PRIESTLEY-TAYLOR 公式，不需要風速數據
③HARGREAVES 公式，僅要最高、最低氣溫數據
SWAT關于蒸發的計算順序
Ⅰ、參考作物騰發
Ⅱ、冠層截留蒸發
Ⅲ、積雪升華
Ⅳ、土壤蒸發、作物蒸騰
積雪/融雪/升華過程
①積雪方程（水量平衡法）
當天的積雪量=前天的積雪量+當天的降雪量-當天的積雪升華量-當天的融雪量
②融雪方程（度-日因子法）：
前天的融雪量=融雪因子?積雪覆蓋度?（積雪溫度與日最高溫度的均值-融雪基溫）
③積雪升華
當天積雪量大于潛在積雪升華量
當天的潛在積雪升華量=參考作物蒸騰量（扣除植被截留蒸發）?地表覆蓋指數
當天的實際積雪升華量=當天的潛在積雪升華量
當天積雪量小于潛在積雪升華量
根據植被蒸騰調整潛在積雪升華量
當天的實際積雪升華量=當天的積雪量
氣象發生器
根據長測站氣象數據的統計規律按照某種隨機模擬方法產生日氣象數據的計算模塊，六大氣象要素：降雨、最高氣溫、最低氣溫、日平均相對濕度、日輻射、日平均風速都能隨機生成
作用
1、實際日序列氣象數據有缺失時氣象發生器可填補之
2、氣象資料缺乏時可用氣象發生器模擬的氣象數據替代
3、用于情景方案計算時的氣象模擬預測
4、降雨過程的日內分布預測，用于Green-Ampt法計算產流-入滲
局限
必須提供氣象站氣象數據的統計特征值
單個氣象發生器為1個長測氣象站，需給出的信息包括：
站點位置
經/緯度，高程
站點氣象數據統計特征值：
1）月最大半小時降雨的統計年數。1個數據
2）多年平均每月的日最高氣溫。12個數據
3）多年平均每月的日最低氣溫。12個數據
4）多年每月的日最高氣溫的標準方差。12個數據
5）多年每月的日最低氣溫的標準方差。12個數據
6）多年平均每月的降雨量。12個數據
7）多年平均每月的日降雨量的標準方差。12個數據
8）多年平均每月的日降雨量的偏差系數。12個數據
9）每月單日降雨之后第二天放晴的概率。12個數據
10）每月單日降雨之后第二天繼續降雨的概率。12個數據
11）多年平均每月的降雨天數。12個數據
12）史上每月的最大半小時降雨量，12個數據
13）多年平均每月的日平均輻射。12個數據
14）多年平均每月的露點溫度。12個數據
15）多年平均每月的日風速。12個數據
1個氣象發生器共需給出172個數據信息
土壤水過程
土壤水主過程
1、入滲過程
2、土表蒸發過程
3、植被蒸騰過程
4、壤中流過程
5、深層滲漏過程
6、灌溉過程
土壤水量平衡：
入滲計算
兩種方法可選，SCS曲線法及Green-Ampt方法
作用：將降雨分為入滲和地表產流兩部分
①SCS曲線法計算產流-入滲（日尺度）
入滲量等于降雨量減產流量
②Green-Ampt法計算產流-入滲（日內尺度，半小時或小時）
需要迭代計算
土壤蒸發量計算
①先算土壤潛在蒸發
當天的潛在土壤蒸發量=參考作物蒸騰量（扣除植被截留蒸發）?地表覆蓋指數
②再對各土層進行潛在蒸發分配
③最后根據各層土壤含水率情況計算實際蒸發
植物可利用水量
為田間持水度時土壤含水量與凋萎含水量之間的差值
壤中流計算
用類似于運動波的方法計算
深層滲漏計算
上層重力水向下層的滲漏用一種儲量方法計算
特殊土壤
變性土的裂隙流現象
1）主要用來刻畫有裂隙存在時土壤的入滲量會加大；
2）SWAT計算每層土壤的裂隙體積，裂隙隨含水率動態變化；
3）地表產流時，只有超過土壤總裂隙體積的水量才能流走；
4）進入裂隙的水量先填充最底層的土壤的裂隙
后續內容
后續內容會繼續更新
總結
以上是生活随笔為你收集整理的关于SWAT模型的一些原理（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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