第 22 卷第 1 期
地
2003 年 1 月
理
科
学
进
展
PRO GR ESS IN GEO GRA PH Y
V o l. 22, N o. 1
J an. , 2003
文章编号: 100726301 ( 2003) 0120079209
SW A T 模型的原理、 结构及应用研究
王中根1 , 刘昌明1 , 黄友波2
(11 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京
摘
100101; 21 武汉大学水利水电学院, 武汉 430072)
要: SW A T (So il and W a ter A ssessm en t Too l) 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 G IS 和 R S 提供的空间数据信息, 模拟复杂大流域中多
种不同的水文物理过程, 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 SW A T 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: SW A T; 分布式水文模型; 黑河流域; 应用研究
中图分类号: P34313
[1 ]
SW A T ( So il and W a ter A ssessm en t Too l) 是在 SW RRB 模型 (W illiam s et a l1, 1985;
A rno ld et a l1, 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,
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[ 2 ]。
从模型结构看, SW A T 属于第二类分布式水文模型[ 3 ] , 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 SH E 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, SW A T 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, SW A T 采用独特的命令代码
控制方式, 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。SW A T 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 SW A T 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。
1
SW A T 模型原理介绍
SW A T 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: 2002210; 修订日期: 2002211
基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 ( G19990436201 ) 与中科院知识创新工程项目课题
(KZCX1210203)
作者简介: 王中根 ( 19732 ) , 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 2m a il: w angzg@ igsn rr 1ac1cn 1
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 SW A T 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 ( subba sin ) 、山坡 (h illslop ) 和网格 (g rid ) 。关于流域离散方法的探讨
见参考文献 [ 4 ]。
SW A T 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。
111 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 ) [ 2 ] 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。
11111 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。 SW A T 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。
11112
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: SW A T 有两种计算地表径流的方法。当采用 G reen & Am p t 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 (LA I) 。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: 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。G reen & Am p t 模型可以直接
模拟下渗, 但需要次降雨数据。
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。SW A T 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。
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
有三种计算方法: H a rg reaves (H a rg reaves et a l1, 1985) [ 5 ]、P riest ley 2T aylo r ( P riest ley and
[6 ]
[7 ]
T aylo r, 1972) 和 Penm an 2M on teith (M on teith, 1965) 。
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。
地表径流: SW A T 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
1期
王中根 等: SW A T 模型的原理、 结构及应用研究
81
算可用 SCS 曲线方法或 G reen & Am p t 方法计算。SW A T 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。
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。
支流河道: SW A T 在一个子流域内定义了两种类型的河道: 主河道和支流河道。支流
河道不接受地下水。 SW A T 根据支流河道的特性计算子流域汇流时间。
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。
地下径流: SW A T 将地下水分为两层: 浅层地下水和深层地下水。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。
11113 植被因素
SW A T 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。
112
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 , 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。
11211 主河道 ( 或河段) 汇流
主河道的演算分为 4 部分: 水、 泥沙、 营养物和有机化学物质。 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M u sk ingum 方法。
11212
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, SW A T 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。
2
211
SW A T 模型的结构及运行控制
模型的结构
SW A T 具体计算涉及到: 地表径流、 土壤水、 地下水以及河道汇流, 模型结构框图
( 图 1) 。
212
模型的运行控制
SW A T 采用类似于 H YM O 模型 (W illiam s and H ann, 1973) 的命令结构 ( comm and
st ructu re) 来控制径流和化学物质的演算 ( 见图 2) 。通过子流域命令, 进行分布式产流计
算; 通过汇流演算命令, 模拟河网与水库的汇流过程; 通过叠加命令, 把实测的数据和点
源数据输入到模型中同模拟值进行比较; 通过输入命令, 接受其它模型的输出之值; 通过
转移命令, 把某河段 ( 或水库) 的水转移到其他的河段 ( 或水库) 中, 也可直接用作农业
地
82
理
科
学
进
展
22 卷
图 1 SW A T 模型结构示意图
F ig 11
Schem a tic of SW A T M odel Structu re
灌溉。 SW A T 模型的命令代码能够根据需要进行扩展。
3
实例研究—— SW A T 在黑河 ( 莺落峡) 流域中的应用
311
黑河 ( 莺落峡) 流域概况
黑河位于甘肃省西北部, 发源于祁连山脉西南麓, 是河西走廊三大内陆河之一。 按自
然地理特点, 可分为三个区: 祁连山东区与祁连山前山区、河西走廊区及阿拉善高平原区。
其中, 黑河干流山区莺落峡以上流域面积 10009km 2 , 该部分流域海拔范围 1674～ 5120m 。根
据 1959～ 1993 年资料统计 [ 8 ] , 黑河莺落峡以上流域的冰川覆盖度为 0159% , 年径流量
16105×108m 3 , 冰川融水补给率为 314% 。黑河流域山区年降水量可达 400mm 左右, 年蒸
发能力为 1600mm 。 森林主要分布于中山地带, 灌木和牧草分布在流域各处。
312 模型输入数据
SW A T 模型参数繁多, 本文重点进行分布式日径流过程的模拟。模型主要计算输入数
据为: D EM 、水文和气象测站的空间分布信息、土壤类型与土地利用的空间分布数据、降
水系列数据、 蒸发系列数据等。
1期
王中根 等: SW A T 模型的原理、 结构及应用研究
83
图 2 SW A T 模型的运行命令控制图
F ig 12
SW A T comm and structu re
D EM 为栅格数据, 利用 G IS 软件将黑河莺落峡流域划分为 4 个子流域, 并提取出数字
河网图 ( 见图 3) 。本文共用到 14 个雨量站点的资料, 径流数据为莺落峡水文站的日观测资
料。站点的空间分布见图 3。降水系列数据为 1998 年日降水数据。蒸发采用月数据平均生
成日数据。土地利用为 1∶10 万数字图 ( 见图 4) 。土壤类型分布数据来源于遥感和实际调
查, 计算时每个子流域按最典型的一种土壤确定。 土壤属性数据来自文献 [ 9 ]。
地
84
图3
F ig 13
土壤类型
厚 度 ( cm )
草根层或 容重 ( g g
cm 3 )
腐殖质层 前期含水量 (% )
孔隙度 (% )
厚度 ( cm )
313
学
进
图4
展
22 卷
黑河 ( 莺落峡) 土地利用图
F ig 14 L andu se of H eihe (Y ingluo V a lley ) ba sin
Subba sin s of H eihe (Y ingluo V a lley ) ba sin
Tab11
母质层
科
黑河 ( 莺落峡) 子流域划分图
表1
过渡层
理
黑河 ( 莺落峡) 流域土壤类型属性表
So il a ttr ibutes of He ihe (Y ingluo Va lley ) ba sin s
高山
高山
草原土
草甸土
寒漠土
栗钙土
灰褐土
亚高山草甸土 灰棕漠土
20
30
5
30
37
36
22
1134
0197
1138
1114
1103
0197
1139
15
15
15
15
15
15
15
60
78
52
52
65
67
55
20
28
7
55
38
32
58
容重 ( g g
cm 3 )
前期含水量 (% )
孔隙度 (% )
厚度 ( cm )
1135
111
1139
1125
1124
1115
114
20
25
20
20
30
20
30
45
50
45
40
45
67
45
30
22
15
25
60
32
20
容重 ( g g
cm 3 )
前期含水量 (% )
孔隙度 (% )
1136
112
114
113
1131
1139
1141
25
30
22
25
22
22
21
42
48
43
38
42
40
42
模型计算结果
在 A rcV iew 312 平台上, 运行 AV SW A T 2000 ( SW A T 模型的 A rcV iew 界面) 自动生
成格式化的模型参数和输入数据。 经过 SW A T 模拟计算, 主要结果如下。
( 1) 子流域月径流模拟结果 ( 表 2) :
( 2) 莺落峡日径流模拟结果:
从日径流过程的模拟结果 ( 图 5) 看, 模型效率系数达到 0183, SW A T 完全满足水资
源管理的应用之需。 模型能够输出各个子流域的模拟数值, 对于探讨水循环空间变化规律
具有很大的帮助。
1期
王中根 等: SW A T 模型的原理、 结构及应用研究
表2
黑河 ( 莺落峡) 各子流域月径流模拟值
85
( 单位: m 3 g
s)
3
Tab12 M on thly runoff sim ula tion s of He ihe (Y ingluo Va lley) subba sin s (m g
s)
子流域
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10 月
11 月
12 月
1
1117
1512
1710
4119
6816
10615
22311
20811
11615
7218
3216
2015
2
314
415
511
519
514
318
2312
3219
1917
1117
1019
711
3
411
513
515
1615
2218
4417
9514
8716
4217
2613
1019
619
4
314
512
616
1012
611
1811
3816
3517
3511
2014
1019
716
图5
1998 年黑河莺落峡日径流模拟示意图
F ig 15 D a ily runoff sim u la tion s of H eihe (Y ingluo V a lley ) ba sin in 1998
4
结语
SW A T 模型的引入为西部寒冷地区水文过程的模拟提供了有用工具, 它独特的分布式
结构和运行控制方式也为我国分布式水文模型的研制开拓了视野。 经研究发现:
( 1) SW A T 模型在结构上考虑融雪和冻土对水文循环的影响, 较适用于我国西北寒区。
( 2) SW A T 模型不适用于单一事件的洪水过程的模拟。计算时段以日或月为好, 比较
适用于面向水资源管理的长时段的分布式水文过程模拟。
( 3) SW A T 模型是在国外数据条件下构建的。因此, 在应用时需对模型的数据库部分
进行修改, 特别需要建立用户自己的土壤属性数据库。 土地利用的编码也要进行转换。
( 4) 实列研究表明, 降雨空间分布对模拟结果影响很大。 而 AV SW A T 2000 在降雨空
间处理上不太理想。建议采用“泰森多边形法”或者“距离倒数加权法 ( IDW ) ”等生成子
流域的降雨输入数据, 本文采用的是后一种方法。
SW A T 模型除了本文介绍的分布式径流模拟功能之外, 还能用于面源污染、水土流失、
土地利用和农业管理等方面的研究, 是一个十分值得推广的综合性流域水文模型。
参考文献
[1]
A rno ld, J 1G 1, J 1R 1W illiam s and D 1R 1M aidm en t1Con tinuou s2tim e w ater and sed im en t2rou ting m odel fo r large
86
地
理
科
学
进
展
22 卷
basin s1Jou rnal of H yd rau lic Eng ineering11995, 121 (2) : 171～ 1831
[2]
N eitsch, S1L 1, J 1G 1A rno ld, J 1R 1K in iry and J 1R 1W illiam s1So il and W ater A ssessm en t Too l T heo retical Docu 2
g
120011
m en tation, V ersion 20001h ttp: g
www 1b rc1 tam u s1edu g
sw at g
[3]
王中根, 刘昌明等 1 基于 D EM 的分布式水文模型构建方法 1 地理科学进展, 2002, 21 (5) : 430～ 4391
[4]
王中根, 刘昌明, 吴险峰 1 基于 D EM 的分布式水文模型研究综述 1 自然资源学报, 2003, 18 (2) : 1～ 61
[5]
H arg reaves, G 1L 1, G 1H 1H arg reaves1and J 1P 1R iley 1A g ricu ltu ral benefits fo r Senegal R iver Basin 1J 1 Irrig 1and
[6]
P riestley, C 1H 1B 1and R 1J 1T aylo r1O n the assessm en t of su rface heat flux and evapo ration u sing large2scale p aram 2
[7]
Penm an 1H 1L 1Evapo ration: A n in troducto ry su rvey 1N etherland s Jou rnal of A g ricu ltu ral Science, 1956 (4) : 7～ 291
D rain 1Eng r, 1985, 111 (2) : 113～ 1241
eters1M on 1W eather R av, 1972, 100: 81～ 921
[8]
丁永建, 叶佰生, 周文娟 1 黑河流域过去 40a 来降水时空分布特性 1 冰川冻土, 1999, 21 (1) : 42～ 481
[9]
甘肃省土壤普查办公室 1 甘肃土壤 1 北京: 农业出版社, 1993183～ 4261
The Theory of SW AT M odel and its Appl ica tion in He ihe Ba s in
1
1
2
W AN G Zhong 2gen , L IU Chang 2m ing , H uang You 2bo
( 11 In stitu te of Geograp h ic Sciences and N a tu ra l R esou rces R esea rch, CA S, B eijing 100101, Ch ina )
( 21H ydrau lic and E lectric Engineering D ep a rtm en t of W uhan U n iversity, W uhan 430072, Ch ina )
Abstract: SW A T ( So il and W a ter A ssessm en t Too l) m odel is a river ba sin, o r w a tershed,
sca le m odel develop ed to p red ict the im p act of land m anagem en t p ract ices on w a ter, sed i2
m en t, and ag ricu ltu ra l chem ica l yield s in la rge, com p lex w a tershed s w ith va rying so ils,
land u se, and m anagem en t cond it ion s over long p eriod s of t im e 1T he m odel is p hysica lly
ba sed and enab les u sers to study long 2term im p act s1
T h is p ap er m a in ly in t roduces and d iscu sses the issues of the hyd ro log ica l theo ry, the
st ructu re and funct ion s of SW A T m odel1SW A T sep a ra tes the hyd ro logy of a w a tershed
in to tw o m a jo r d ivision s1T he first d ivision is the land p ha se of the hyd ro log ic cycle w h ich
con t ro ls the load ing s to the m a in channel in each subba sin 1T he second d ivision is the w a ter
o r rou t ing p ha se of the hyd ro log ic cycle w h ich can be defined a s the m ovem en t of w a ter,
sed im en t s, etc1 th rough the channel netw o rk of the w a tershed to the ou t let 1SW A T u ses a
comm and st ructu re fo r rou t ing runoff and chem ica ls th rough a w a tershed 1U sing a rou t ing
comm and language, the m odel can sim u la te a ba sin subd ivided in to g rid cells o r subba sin 1
In ca se study, SW A T m odel w a s u sed to sim u la te the hyd ro logy of H eihe ( Y ing luo
V a lley ) B a sin in the co ld N o rthw est Ch ina 1F irst, B a sed on D EM , H eihe ( Y ing luo
V a lley ) B a sin w a s subd ivided in to fou r subba sin s1B y bu ild ing u ser so il typ e da taba se and
m od ifying land u se cod ing, the m odel m ade a good runoff sim u la t ion resu lt on a da ily t im e
step , and the m odel N SE (N a sh 2Su tcliffe erro r judge standa rd ) is up to 01831So , SW A T
m odel can be app lied to w a ter resou rce m anagem en t in N o rthw est Ch ina 1
Keywords: SW A T; D ist ribu ted hyd ro log ica l m odel; H ehei ba sin; A pp lica t ion Study