基本介紹
- 中文名：SWAT模型
- 外文名：Soil and Water Assessment Tool
- 開發單位：美國農業部（的農業研究中心
- 開發者：Jeff Arnold
模型介紹,原理與結構,數據處理過程,
模型介紹
SWAT模型是在SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型基礎上發展起來的，融合了ARS幾個模型的特點。模型自開發以來，已經在北美、歐洲等地取得了廣泛的套用驗證，並在套用中不斷的改進。SWAT模型幾經修改補充，已歷經了許多個版本。部分研究認為，SWAT模型是在以農業和森林為主的流域具有連續模擬能力的最有前途的非點源污染模擬模型。
SWAT模型的產生
SWAT模型的最直接前身是SWRRB模型。而SWRRB模型則起始於20世紀70年代美國農業部農業研究中心開發的CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)模型。此時的SWRRB模型還是一個僅能夠模擬土地利用對田間水分、泥沙、農業化學物質流失影響、具有物理機制的田間尺度非點源污染模型。為了解決水質評價問題，SWRRB模型於20世紀80年代後期引進了重點描述地下水中化學物質、農藥對農業生態系統影響的GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)模型的殺蟲劑部分。同時，為了研究土壤侵蝕對作物生產力的影響，引進作物生長模型EPIC(Erosion- Productivity Impact Calculator)。至此，SWRRB模型已可模擬評價複雜農業管理措施下的小流域尺度非點源污染，但於較大尺度流域的模擬尚不可靠，最大僅能用於500km2的流域範圍內。
20世紀80年代晚期，美國印第安事務局（the Bureau of Indian Affairs）急需一個適於數千平方公里的模型來評價亞利桑那州和新墨西哥州的印第安保留土地區的水資源管理措施對下游流域的影響。為在幾千平方公里大流域內套用SWRRB模型，必須將該流域劃分成若干個面積約為幾百平方公里的子流域。然而SWRRB模型僅能將子流域劃分為10個，且各子流域排出的徑流量和泥沙量直接通過流域出口。由於SWARRB模型在模擬較大尺度的流域時存在的這些不足，又開發了ROTO(Routing Output to Outlet)，該模型接受SWRRB模型的輸出結果，通過河道和水庫的匯流計算匯集到整個流域的出口，有效克服了SWRRB模型子流域數量的限制，但還存在輸入輸出檔案量大煩瑣，計算存儲空間所需大等缺點。20世紀90年代，為解決上述問題，提高計算效率，在Aronld主持下將SWRRB與ROTO整合在一起成為SWAT模型，實現了模型的統一。
SWAT模型的發展
自SWAT模型建立後又經歷了多次修改，各個版本的主要修改內容如下：
SWAT94.2：引入多水文回響單元（Multy Hydrologic Response Units）。水文回響單元的引入讓更多的空間物理特性得到考慮，使模型能夠反映不同土地利用和土壤類型的蒸發、產流、入滲等水文過程，從而提高了產出預測的精度。
SWAT96.2：在管理措施中增加了自動施肥和自動灌溉；增加了植物冠層截留；在作物生長模型中引進了CO2部分用來分析氣候變化的影響；增加了Penman-Monteith潛在蒸騰方程式；增加了基於動力波的土壤中側向流動的計算模組；增加了河道中營養成分的水質方程以及對殺蟲劑遷移的模擬。
SWAT98.1：改進了融雪模組、河道中水質計算模組；擴展了營養成分循環模組；在管理措施中增加了放牧、施肥等選項；模型得以改進為適用於南半球。
SWAT99.2：修改了營養成分、水稻及濕地模組。年份表示由二位改為四位。增加了由於沉澱作用引起的水庫、池塘、濕地中養分減少的計算；增加了城區污染物的累積和沖刷計算。
SWAT2000：增加了細菌遷移模組，Green-Ampt入滲模組，馬斯京根法匯流計算；改進了天氣生成器；允許太陽輻射、相對濕度、風速、潛在的ET值等直接讀入或生成；改進了高程處理過程，為適用於熱帶地區對休眠部分的計算進行了修改。
AVSWAT2000：將SWAT2000作為一個擴展模組結合到ArcView GIS中，具備了很強的空間分析與處理功能。
AVSWAT2005：集成了敏感性分析和自動校準與不確定性分析模組。並且增加了日以下步長的降水量生成器和允許用戶定義天氣預測期。前者為SWAT模型的短期預報打下了基礎；後者允許用戶在模擬降水時，預測期之前降水採用多年平均值而預測期降水採用預測期平均值來模擬，這種改進對評價流域內預測天氣的影響非常有用，如預測暴雨的影響可以提早對水庫進行合理的調控。
SWAT2009：改進了細菌運移模組；增加了天氣預測情景模擬，日以下時間步長.的降水量生成器；逐日CN計算中用到的滯留參數可能是土壤含水量或植被蒸散發的函式；更新了植被過濾帶模型；改善了硝態氮和銨態氮乾濕沉降的計算；增加了對當地污水系統的建模。
原理與結構
SWAT是一個物理基礎的模型，可以進行連續時間序列的模擬。SWAT模擬的流域水文過程分為水文循環的陸地階段（即產流和坡面匯流部分）和水文循環的匯流階段（即河道匯流部分）。前者控制著每個子流域內主河道的水、沙、營養物質和化學物質等的輸入量；後者決定水、沙等物質從河網向流域出口的輸移運動。整個水分循環系統遵循水量平衡規律。
一、水文循環陸地階段：
SWAT模擬的水文循環基於水量平衡方程：
式中SWt為土壤最終含水量，mm；SW0為第i天的土壤初始含水量，mm；t表示時間，d；Rday表示第i天的降水量，mm；Qsurf表示第i天的地表徑流量，mm；Ea表示第i天的蒸散發量，mm；Wseep表示第i天從土壤剖面進入包氣帶的水量，mm；Qgw表示第i天回歸流的水量，mm。
流域的氣候提供了水文循環的水分和能量輸入，控制著水量平衡，決定了水文循環不同要素的相對重要性。SWAT所需的氣候變數包括日降水量、最高/最低氣溫、太陽輻射、風速和相對濕度，它們可以以實測數據記錄方式輸入或在模擬過程中由模型生成。
降水過程中，水分或被冠層截留或到達土壤表面。到達土壤表面的水分滲入土壤剖面或形成地表徑流，地表徑流很快匯入河道，形成短期水文回響。下滲水流可能存留於土壤中，隨後發生蒸散發，或由地下通道慢慢匯入地表水系統。
SWAT利用單一植物生長模型來模擬所有類型的土地覆蓋。在模型中分為一年生與多年生植物。一年生植物的生長期從播種到收穫，或累積熱單位直至等於植物潛在熱單位。多年生植物全年供養其根系生長，冬季進入冬眠，當日均氣溫超過其所需最低氣溫或基溫時恢復生長。植物生長模型可用於評估根區水分和營養物質的遷移、植物的蒸散發和生物量。
各HRU內的侵蝕量和產沙量通過MUSLE公式（modified unibersal soil loss equation）來估測。模型提供了徑流量和最大流速的估計，用於計運算元流域面積上的徑流侵蝕能力。
SWAT可模擬流域內多種形式的N/P運移和轉化、殺蟲劑的遷移。營養物可以進入幹流河道，或者通過地表徑流和壤中流向下游遷移。
可以在SWAT中安排各HRU上的管理措施，如生長季的開始與結束、施肥時間和施肥量、噴灑殺蟲劑時間、灌溉時間以及耕作時間。在生長季末，HRU上的生物量以產量去除，或以殘留物的形式留在地表。除以上基本管理措施外，也可進行放牧、自動施肥和自動灌溉等操作，以及各種可能的用水方式組合。
二、水文循環演算階段：
確定了遷移到主河道的泥沙、水流、營養物和殺蟲劑負荷後，運用類似於HYMO的指令結構，就可以演算流域整個河網中的相應負荷量。除了記錄河道中的物質流，SWAT還模擬河流和河床中的化學物質轉換。
主河道中的演算可以分成
1、用特徵河長法或馬斯京根法來進行洪水演算；
2、用河流功率計算沖刷量以進行泥沙演算；
3、用QUAL2E方程來進行營養物演算；
4、模擬沉降、掩埋、再懸浮、揮發、擴散和轉化過程來進行河道殺蟲劑演算。
水庫的水量平衡包括入流量、出流量、水庫表面降水量、蒸發量、水庫底部滲漏量以及調水量。
數據處理過程
SWAT模型所需的數據有地形、土壤、土地利用、氣象、水文、營養物質等，根據研究目的不同可以選擇建立不同的資料庫，模型本身帶有Land Cover/Plant Growth Database、Urban Database資料庫。除此之外，還需要結合研究區域的特點和研究目的，建立用戶資料庫，其中包括耕作資料庫、殺蟲劑資料庫、營養物質資料庫、土壤資料庫。
