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1、第22卷第1期地理科学进展Vol.22,No.12003年1月PROGRESSINGEOGRAPHYJan.,2003文章编号:1007-6301(2003)01-0079-09SWAT模型的原理、结构及应用研究112王中根,刘昌明,黄友波(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.武汉大学水利水电学院,武汉430072)摘要:SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种不同的
2、水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。关键词:SWAT;分布式水文模型;黑河流域;应用研究中图分类号:P343.3[1]SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是在SWRRB模型(Williamsetal.,1985;Arnoldetal.,1990)基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。它具有很强的物理基础,适用于具有
3、不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域,[2]并能在资料缺乏的地区建模,在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。[3]从模型结构看,SWAT属于第二类分布式水文模型,即在每一个网格单元(或子流域)上应用传统的概念性模型来推求净雨,再进行汇流演算,最后求得出口断面流量。它明显不同于SHE模型等第一类分布式水文模型,即应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系。从建模技术看,SWAT采用先进的模块化设计思路,水循环的每一个环节对应一个子模块,十分方便模型的扩展和应用。在运行方式上,SWAT采用独特的命令代码控制方
4、式,用来控制水流在子流域间和河网中的演进过程,这种控制方式使得添加水库的调蓄作用变得异常简单。SWAT的功能十分强大,还能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等问题。由于篇幅原因,本文仅探讨SWAT的水文学原理和模型的结构与运行方式,应用研究的重点放在径流模拟上。因为径流模拟是水文模拟研究中最基本、最重要的一个环节,也是研究其它水文问题的基础。1SWAT模型原理介绍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。它可以模收稿日期:2002-10;修订日期:2002-11基金项目:国家重点基础研究
5、发展规划项目(G19990436-01)与中科院知识创新工程项目课题(KZCX1-10-03)作者简介:王中根(1973-),男,河南潢川人,中国科学院地理与资源研究所博士后,主要从事水文水资源方面的研究工作。E-mail:wangzg@igsnrr.ac.cn.80地理科学进展22卷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。流域离散的方法有三种:自然子流域(subbasin)、山坡(hillslop)和网格(grid)。关于
6、流域离散方法的探讨见参考文献[4]。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。1.1水循环的陆面部分[2]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)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。1.1.1气候因素流域气候(特别
7、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。1.1.2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。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
8、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。下渗:计算下渗考虑两个主要参数:初始下渗率(依赖于土壤湿度和供水条件);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
