SWAT模型基本原理-水资源保护实践

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，单独计算每个子流域上的产水产沙量及营养物质的输出后，由河网将这些子流域连接起来，通过河道演算得到在流域出口处的产水产沙量及营养物质含量。SWAT模型的主要研究方法有以下两点。

1.流域离散化

基于研究流域本模型一般将研究范围划分为多个子流域。划分方法：先对整个流域的干支流进行分级和编号，然后按支流集水区的分水岭划分为若干个相互独立且封闭的子流域，每个子流域进一步划分为阴坡和阳坡。然后，在子流域的出口叠加形成子流域的出流过程，再进行河道汇流演算，得出整个流域的出流过程。

在实际应用中子流域的面积多大合适呢？通常，子流域的面积取得越小，流域划分越细就越好。Hromadka等（1988）分析了12个子流域的离散化对水文模型预测精度的影响，他们将流域离散化成3个层次：3个子流域、9个子流域、18个子流域，所有这些子流域都与河网演算单元相联结。水文模型模拟流量与实际流量的离差随着流域离散化层次（3→9→18）显著减小，这反映了模拟结果偏离实际水文过程的程度。Wolock（1995）将TOPMODEL应用于111.5km2的Sleepers流域，分析了子流域大小对地形特征和水流路径模拟的影响，他发现子流域面积至少要有5km2，这样才有可能反映流域地形特征和水流路径。受该研究启发，在划分子流域时先要设定一个最小值，然后再进行子流域的划分。

2.空间插值法(www.xing528.com)

由于雨量站数量的限制以及分布上的不均匀，不能反映降雨在空间上的连续分布状态，所以要选取一定的方法进行空间插值。常见的方法有泰森多边形法和距离倒数插值方法。

（1）泰森多边形法。首先，用流域内各雨量站对流域进行泰森多边形分割，然后求各子流域的形心，用子流域的形心雨量来代表子流域的雨量。求形心雨量时，要确定形心位置与“泰森多边形”的位置关系：如果形心靠近“泰森多边形”的一条边，则以这条边两侧的“泰森多边形”内的两个雨量站的雨量的均值来代表此形心的雨量；如果形心靠近“泰森多边形”的一个顶点，则以这个顶点相邻的3个“泰森多边形”内的雨量站的雨量的均值来代表此形心的雨量；否则用包含此形心的“泰森多边形”内的雨量站的雨量来代表此形心的雨量。

（2）距离倒数插值方法。距离倒数插值方法假设未知点x处的属性值Z（x）是在局部邻域内所有数据点的距离加权平均值。最常见的形式如下：

式中　d（x，xi）——未知点x到数据已知点xi的距离。