SWAT模型概述

SWAT模型开发

SWAT模型是一个物理流域模型，其开发得益于EPIC模型和GLEAMS模型。

EPIC模型

EPIC模型的用途：
1、同时模拟相关的生物物理过程；
2、使用变化的输入数据；
3、长期模拟作物系统；
4、应用于广泛的土壤、气候和作物；
5、确定管理对土壤侵蚀和生产力的影响。
EPIC模型使用日时间步长来模拟天气、水文、土壤温度、侵蚀沉积，它是田地尺度的模型，并假定土壤、耕种、灌溉和天气是同质的。

GLEAMS模型

GLEAMS 是连续模拟的田地尺度模型，是在 CREAMS 模型的基础上扩展而开发出来的。
在 GLEAMS 中，田地可以分成不同的部分，每个部分假定具有同质的土地利用、上壤和降水。
它包括四个主要组成部分：水文、侵蚀／泥沙产量、农药输移和营养物质。
GLEAMS 用来估算管理措施对于在根系内部，通过根系或者在根系以下潜在的农药和营养物质的影响，同时估算田地中的地表径流和泥沙流失。
GLEAMS 并非设计出来作为一个农药和营养物质负荷的完全模拟程序。它是一个对复杂的农药化学、土壤属性和气候的相对分析工具，用以评价农场尺度的管理决策对于水质的影响。
GLEAMS 的一些特点包括：
① 自动灌溉、手动灌溉等选项；
② 基于田地地形的综合侵蚀/泥沙产量模块；
③河道侵蚀；
④蒸发蒸腾和冠层截留模块，允许模拟森林地区的管理替代方案。

SWAT模型

SWAT模型因增加以下内容而区别于它以前的模型：
①在几个亚流域上同时计算和预测流域产水量的方法；
②地下水和回流部分：
③计算水库对水和泥沙产量影响的水库存储部分；
④天气模拟模型集成了降水、太阳辐射和温度数据，方便进行长期模拟，并提供时空代表性天气：
⑤改进了预测洪峰径流率的方法；
⑥考虑作物生长年变化的EPIC作物生长部分：
⑦简单的洪水演算部分：
⑧模拟泥沙在池塘、水库、河流和峡谷中运动的泥沙输移部分；
⑨输移损失计算。

SWAT模型能同时计算数百个子流域，能模拟层间流、地下水流、河段演算输移损失和通过池塘、水库、河流、山谷运动的泥沙和化学物质量，具有柔性流域和子流域特 点及演算结构，它可以读入观测的流量数据和点源数据，还可用于无法收集输入数据地区的模拟。

SWAT 模型方便地提取天气、土地利用、土壤类型、农业活动和其他输入数据的能力使它能够对大流域进行模拟。

模拟在土地利用活动和流域过程之间建立了重要的联系，因此可以对流域 管理中各种决策的适用性进行评估，包括作物类型、施肥、施用农药、灌溉的时间和数量，以及对流域内水质和水量有重要影响的其他管理决策。

目前，该模型已经成为水资 源保护管理规划中不可或缺的工具，被一些国家和地方政府机构的决策者应用。

SWAT模型特点

（1）SWAT模型属于物理模型
SWAT模型不使用回归方程来描述输入变量和输出变量之间的关系，而是需要流域内的天气、土壤属性、地形、植被和上地管理措施的特定信息，动植物生长，营养物质循环等，并可以使用输入数据进行直接模拟。其好处是可以对无监测数据的流域，对可替代性输入数据或者其他所关心的变量的相对影响进行定量化。

（2）运算效率高
对于大面积流域或者多种管理决策进行模拟时不需要进行过多的时间和投入。

（3）连续时间模型，能够进行长期的模拟
目前所要解决的是有关污染物逐渐积累和对下游水体影响的问题，为了研究这类问题，有时模型需要输出几十年的结果文件。
20世纪80年代后期，模型的主要用途是水质评估。这一时期，对其重要修改包括加入了GLEAMS的农药寿命部分，评估洪峰流量的SCS技术以及最新开发的泥沙产量方 程，这些改进扩充了模型模拟多种流域管理问题的能力。
同时在20世纪80年代晚期，早期的SWAT中的SWRRB模型被用来模拟盆地中(几百平方公里)较小的水域，为模拟更大流域的河川径流(几千平方公里)，流域被分成几百个亚流域。SWRRB只能模拟10个亚流域，并且是从亚流域出口直接到流域出口的排水量简单的路径结构，这导致了 ROTO模型的发展，ROTO可以从多个SWRRB程序中获得输出结果，并演算通过河道或者水库的水流。ROTO提供了一个河段演算的方法， 并通过连接多个SWRRB程序在一起，克服了 SWRRB亚流域的限制，虽然方法是有效 的，多个SWRRB输出文件的输入和输出是复杂的，并且要求相当多的计算机存储空间。 所有的SWRRB程序必须单独运行，并输入ROTO中进行河流和水库演算，为了克服这种管理的混乱，SWRRB模型和ROTO模型便合并成了一个模型，改进后的SWAT模型 可以使流域被分为成千个单元格或者分流域。

（4）模型将流域划分为多个亚流域进行模拟 .
当流域不同面积的土地利用和土壤类型在属性上的差异足够影响水文过程时，在模 拟中使用亚流域是非常有用的，将流域划分为亚流域，可以对流域内不同面积进行空间定位。每个亚流域的输入信息可以分成几类：沙、水文响应单元HRUs、水池/湿地、 主河道或河段、排水流域。水文响应单元是亚流域内集总的陆地面积，包含唯一的陆地覆盖，土壤和管理组合。为了精确预测农药，泥沙或者营养物质的运动，模型模拟的水文循环必须同流域的实际水文循环相同。

水平衡在SWAT流域模拟中十分重要，流域的水文模拟分为两个部分：一是水循环的陆地阶段，控制进入亚流域的水、沉积物、富营养物质和杀虫剂的数量；二是水循环的演算阶段，定义通过流域水网到流域出口的水、沙等物质的运动。

模型局限性

在使用SWAT模型时，应该着重解决以下问题：
①地表径流对CN的敏感性以及地表径流基流部分的确定；
②水文响应（输出）和水文特征（输入）的非线性关系；
③模型的尺度效应；
④大量模型参数的校准。