SWAT模型原理解析

SWAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性，为了提高模拟的精度，通常SWAT模型将研究流域细分成若干个单元流域。流域离散的方法有自然子流域（subbasin）、山坡（hillslop）和网格（grid）三种，关于流域离散方法的探讨见参考文献[93]。

SWAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分（即产流和坡面汇流部分）和水循环的水面部分（即河道汇流部分）。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量，后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。

1.水循环的陆面部分

流域内蒸发量随植被覆盖和土壤的不同而变化，可通过水文响应单元（HRU）[91]的划分来反映这种变化。每个HRU都单独计算径流量，然后演算得到流域总径流量。在实际的计算中，一般要考虑气候、水文和植被覆盖这三个方面的因素。

（1）气候因素。流域气候（特别是湿度和能量的输入）控制着水量平衡，并决定了水循环中不同要素的相对重要性。SWAT所需要输入的气候因素变量包括日降水量、最大最小气温、太阳辐射、风速和相对湿度。这些变量的数值可通过模型自动生成，也可直接输入实测数据。

（2）水文因素。降水可被植被截留或直接降落到地面。降到地面上的水一部分下渗到土壤；一部分形成地表径流。地表径流快速汇入河道，对短期河流响应起到很大贡献。下渗到土壤中的水可保持在土壤中被后期蒸发掉，或者经由地下路径缓慢流入地表水系统。

1）冠层蓄水。SWAT有两种计算地表径流的方法。当采用Green＆Ampt方法时需要单独计算冠层截留。计算主要输入为冠层最大蓄水量和时段叶面指数（LAI）。当计算蒸发时，冠层水首先蒸发。

2）下渗。计算下渗考虑两个主要参数：①初始下渗率（依赖于土壤湿度和供水条件）；②最终下渗率（等于土壤饱和水力传导度）。当用SCS曲线法计算地表径流时，由于计算时间步长为日，不能直接模拟下渗。下渗量的计算基于水量平衡。Green＆Ampt模型可以直接模拟下渗，但需要次降雨数据。

3）重新分配。是指降水或灌溉停止时水在土壤剖面中的持续运动，它是由土壤水不均匀引起的。SWAT中重新分配过程采用存储演算技术预测根系区每个土层中的水流。当一个土层中的蓄水量超过田间持水量，而下土层处于非饱和态时，便产生渗漏。渗漏的速率由土层饱和水力传导率控制。土壤水重新分配受土温的影响，当温度低于零度时该土层中的水停止运动。

4）蒸散发。蒸散发包括水面蒸发、裸地蒸发和植被蒸腾。土壤水蒸发和植物蒸腾被分开模拟。潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面指数估算。实际土壤水蒸发用土壤厚度和含水量的指数关系式计算。植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算。潜在蒸散发有Hargreaves[94]、Priest ley-Taylor[95]和Penman-Monteith[96]三种计算方法。

5）壤中流。壤中流的计算与重新分配同时进行，用动态存储模型预测。该模型考虑到水力传导度、坡度和土壤含水量的时空变化。

6）地表径流。SWAT模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量。地表径流量的计算可用SCS曲线方法或Green＆Ampt方法计算。SWAT还考虑到冻土上地表径流量的计算。洪峰流量的计算采用推理模型。它是子流域汇流期间的降水量、地表径流量和子流域汇流时间的函数。

7）池塘。池塘是子流域内截获地表径流的蓄水结构。池塘被假定远离主河道，不接受上游子流域的来水。池塘蓄水量是池塘蓄水容量、日入流和出流、渗流和蒸发的函数。(www.xing528.com)

8）支流河道。SWAT在一个子流域内定义了主河道和支流河道两种类型的河道。支流河道不接受地下水。SWAT根据支流河道的特性计算子流域汇流时间。

9）输移损失。这种类型的损失发生在短期或间歇性河流地区（如干旱半干旱地区），该地区只在特定时期有地下水补给或全年根本无地下水补给。当支流河道中输移损失发生时，需要调整地表径流量和洪峰流量。

10）地下径流。SWAT将地下水分为浅层地下水和深层地下水两层。浅层地下径流汇入流域内河流，深层地下径流汇入流域外河流。

（3）植被因素。SWAT利用一个单一的植物生长模型模拟所有类型的植被覆盖。植物生长模型能区分一年生植物和多年生植物。被用来判定根系区水和营养物的移动、蒸腾和生物量或产量。

（4）水土流失。SWAT采用修正模型USLE（Universal Soil Loss Equation）[97]来模拟每个水文响应单元的水土流失和泥沙的产生。USLE能够与水文模型很好地结合，利用水文模型提供产流量和洪峰流量进行水土流失的模拟计算。

（5）营养物质。SWAT模拟流域内几种不同形式的氮、磷的运动与转换。氮、磷营养物质可以通过地表径流和壤中流进入主河道传输到下游河段。

（6）杀虫剂。虽然SWAT没有模拟杂草和害虫对植物生长的压迫，但是杀虫剂可以用到水文响应单元中研究流域内化学物质的运动。SWAT是利用GLEAMS模型[98]模拟杀虫剂由地表径流进入河网并通过下渗进入土壤和含水层的运动过程。

（7）管理。SWAT允许用户定义每个水文响应单元的农业管理措施。用户可以定义生长季节的起止时间、肥料、杀虫剂和灌溉的时间及数据等。另外，在SWAT中可以每年变换不同的管理措施。

2.水循环的水面部分

水循环的水面过程即河道汇流部分，主要考虑水、沙、营养物（N和P）和杀虫剂在河网中的输移，包括主河道以及水库的汇流计算。

（1）主河道（或河段）汇流。主河道的演算分为水、泥沙、营养物和有机化学物质等四部分。其中进行洪水演算时若水流向下游，其一部分被蒸发和通过河床流失，另一部分被人类取用。补充的来源为直接降雨或点源输入。河道水流演算多采用变动存储系数模型或Muskingum方法。

（2）水库汇流演算。水库水量平衡包括入流、出流、降雨、蒸发和渗流。在计算水库出流时，SWAT提供三种估算出流量的方法以供选择：①需要输入实测出流数据；②对于小的无观测值的水库，需要规定一个出流量；③对于大水库，需要一个月调控目标。