农田水文模型SWAP软件简介上课讲义

农业水文模型的研究进展及其效应分析王新源;王姗姗【摘要】文章简要论述了农业水文模型在农业水文过程模拟、农业用水效率评估以及农业水文效应三个方面的应用研究,并简要概括了上述三个研究方面在目前研究中的不足和可以改进之处,总结并展望了农业水文模型在未来发展中应该重点关注的问题.【期刊名称】《黑龙江水利科技》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】4页(P42-44,76)【关键词】研究进展;农业水文模拟;农业用水效率;农业水文效应【作者】王新源;王姗姗【作者单位】黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学农业资源与环境学院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】P3340 引言我国是一个严重干旱缺水的国家。

人口急剧增长和经济的迅猛发展对我国水资源的分配和利用造成了巨大挑战，我国水资源本就存在着时间和空间分配不均的问题，降水量从东南沿海向西北内陆递减，同时，我国大部分地区属于温带季风性气候，降水量呈现明显的夏季多、冬季少的特点。

纵然大江大河数量众多，淡水资源总量为28000亿m3，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大。

而我国的农业用水消耗量竟然占据了全国耗水总量的60%，因此，发展农业高效用水，节水灌溉，实施农业节水对我国水资源的高效利用和可持续发展有重大意义。

下面我们将详细论述水文模型在农业水文过程模拟、农业用水效率评价以及农业水文效应中的应用及不足。

1 农业水文过程模拟研究进展为了水资源的长期可持续发展，灌区农业水循环过程及其所驱动的生态水文过程研究已成为近年来的研究热点之一，生态环境在节水灌溉和高效用水中受到的影响也受到越来越多的关注。

随着水资源内涵的进一步扩大，农业水文循环研究已从较单一的田间水资源转化研究扩展至灌区农田水文过程、生态环境、地下水文等不同领域的相互融合，向着多学科交叉的综合研究模式发展。

对于干旱引水灌区而言，实施农业节水在解决流域水资源短缺问题的同时，可能对灌区农业和生态水文过程带来系列的负面效应。

SWAT（Soil and Water Assessment TooL）操作说明（ArcView界面）http:/./swatR.SrinivasanBlackland Research and Extension CenterTexas Agricultural Experiment StationTexas A&M University翻译：高歌 许红梅（国家气候中心）2007年11月主要内容1．简介2．目的3．扩展部分4．流域划分及土地利用、土壤类型定义5．应用SWAT6．结果的后处理及显示简介土壤和水评估工具（SWAT）是一个具有物理基础可进行连续事件模拟的水文模式，用于预报土地管理措施对水、沉积物的影响以及农用化学物的大量使用、复杂流域的土壤变化、土地利用和管理条件的长期影响。

模拟时，一个流域被划分为一定数量均匀的子流域（即水文响应单元 HRUs），子流域内的土壤和土地利用具有一致的特征。

每个子流域的输入信息包括：天气；子流域内统一的陆面覆盖、土壤以及管理措施；池塘或水库，地下水以及主要的河道及子流域支流。

径流的运载，沉淀物、营养物和杀虫剂在子流域主要河道的运载情况也可以模拟，主要考虑了一些影响水文的物理过程。

更为细致的SWAT功能的描述，请参考SWAT User’s Manual, Version 99.2 (/swat/swatdoc.html#new)。

目的操作说明介绍软件安装及熟悉基本操作。

建立项目A VSWATX , ArcView3.x的扩展版。

建立一个ArcView项目，该项目包括连接处理好的资料以及兼容所有GIS常用的功能。

项目还包括一个常用的ArcView 图形用户界面（GUI），有菜单、按钮和工具。

1.启动ArcView3.x, 从File菜单中选取extension, 浏览A VSWATX并选择可选框，出现A VSWATX界面（图１）。

2.按下New Project旁边的按钮，弹出对话框，从下拉菜单选择资料目录，然后填写创建项目的名称，如：SWATDEMO. 文件名最长可以有８个字符，不给出文件的扩展名。

SWAT安装指南AVSWAT的安装：1）安装环境：ArcView 3.1 or 3.2 (software)Spatial Analyst 1.1 or later (单独安装的模块)Dialog Developer 3.1 or later (自带的模块)2）安装要点：先安装ArcView和Spatial Analyst模块，中文用户需要把区域与语言选项中把语言修改为英语（美国）。

然后解压AVSWAT安装文件，启动ArcView，在File 菜单上单击Open Project，打开安装文件所在的目录，选择setup.apr，并单击OK。

AVSWAT的启动不规范引起的错误，正确启动方法如下：在下图所示的弹出框中选择Cancel，不要选择OK哦；然后在File菜单下的Extensions选择SWAT模块加载即可。

ArcSWAT 1.0.7的安装：1）安装环境：Microsoft .Net Framework 1.1ArcGIS-ArcView 9.1 with service pack 2 (Build 766)ArcGIS Spatial Analyst 9.1 extensionArcGIS Developer Kit (usually found in C:\ProgramFiles\ArcGIS\DeveloperKit\)ArcGIS DotNet support (usually found in C:\Program Files\ArcGIS\DotNet\) 2）安装顺序及要点：①首先安装Microsoft .Net Framework 1.1；注意：很重要，否则第2步中将不会出现".NET Support"；②安装ArcGIS9.1，选择自定义安装并勾选".NET Support"和"SpatialAnalyst"模块，或者选择完全安装；③安装ArcGIS Developer Kit；④安装ArcGIS9.1 SP2 (build 766)；从英文官网可以下载到，/index.cfm?fa=downloads.patchesServicePacks.viewPatch&PID=43&MetaID=1162⑤安装ArcSWAT ，不再出现错误，成功。

最全的城市洪涝、河道、水质模型模拟软件介绍一、相关模型简介清单二、城市内涝模型1)MIKE URBAN城市排水模拟软件MIKE URBAN 城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。

它整合了ESRI的ArcGIS以及排水管网模拟软件，形成了一套城市排水模拟系统。

该模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面, 可为水资源的可持续利用、污染控制、雨水和污水管网管理及城市防洪提供综合管理方案。

应用领域•雨污水泵站优化调度•排水管网溢流（CSO /SSO）分析•管网泥沙淤积评估•管网水质分析•城市降雨径流过程分析•城市内涝分析与风险评估•城市排水防涝规划•低影响开发（LID）的模拟•海绵城市的规划2)MIKE FLOODMIKE FLOOD 是迄今为止最完整的洪水模拟工具。

它包括完整的一维及二维的洪水模拟引擎，从河流洪水到平原洪泛，从城市雨洪到污水管流，从海洋风暴潮到堤坝决口，能够模拟所有实际的洪水问题。

MIKE FLOOD 甚至可以模拟以上各种情况的组合。

其它模拟软件所不具备的功能，都可在MIKE FLOOD 中找到应用领域•洪水管理•快速的洪水评估•绘制洪泛图•工业区、居民区等的灾害分析•编制应急计划，如疏散路径及优先级等•气候变化的影响分析•防洪措施研究•城市排水与河流、海洋洪水的综合问题研究•溃坝及其他防洪设施垮塌的影响研究3)InfoWorks ICM完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。

它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件应用领域•河流及雨污水排放系统规划研究•地表水体管理规划•可持续性排水系统（SUDS/BMPs）应用规划•城市降雨径流控制与截流设计•洪涝解决方案开发•人口增长和气候变化下流域发展评估•城市排水系统同河流相互作用下的洪涝及污染预报•洪涝规划与管理•溢流排放对河流环境的影响•污水处理厂的水力状态分析•入流与入渗评估及控制•截流设计与分析4)SWMM暴雨洪水管理模型SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。

swat水文模型（）SWAT水文模型介绍1概述SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）开发的基于流域尺度的一个长时段的分布式流域水文模型。

它主要基于SWRRB模型，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。

SWAT具有很强的物理基础，能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟地表水和地下水的水量和水质，用来协助水资源管理，即预测和评估流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。

该模型主要用于长期预测，对单一洪水事件的演算能力不强，模型主要由8个部分组成：水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农业管理和杀虫剂。

SWAT模型拥有参数自动率定模块，其采用的是等在1992年提出的SCE-UA算法。

模型采用模块化编程，由各水文计算模块实现各水文过程模拟功能，其源代码公开，方便用户对模型的改进和维护。

2模型原理SWAT模型在进行模拟时，首先根据DEM把流域划分为一定数目的子流域，子流域划分的大小可以根据定义形成河流所需要的最小集水区面积来调整，还可以通过增减子流域出口数量进行进一步调整。

然后在每一个子流域内再划分为水文响应单元HRU。

HRU 是同一个子流域内有着相同土地利用类型和土壤类型的区域。

每一个水文响应单元内的水平衡是基于降水、地表径流、蒸散发、壤中流、渗透、地下水回流和河道运移损失来计算的。

地表径流估算一般采用SCS径流曲线法。

渗透模块采用存储演算方法，并结合裂隙流模型来预测通过每一个土壤层的流量，一旦水渗透到根区底层以下则成为地下水或产生回流。

在土壤剖面中壤中流的计算与渗透同时进行。

每一层土壤中的壤中流采用动力蓄水水库来模拟。

河道中流量演算采用变动存储系数法或马斯金根演算法。

模型中提供了三种估算潜在蒸散发量的计算方法—Hargreaves、Priestley-Taylor和Penman-Monteith。

荷兰瓦赫宁根大学研发的土壤-水-大气-植物模型（简称SWAP 模型）应用于土壤-植物-大气连续系统（Soil -Plant -Atmosphere Continuum ，简称SPAC 系统）中水分运动、溶质运移、热量传输及作物生长过程的模拟研究。

SWAP 模型所描述的SPAC 系统中各运移过程见图1。

SWAP 模型可以将蒸发和蒸腾分开计算。

模型上边界为作物冠层顶部，下边界可以是非饱和带或饱和带的顶部，分别考虑大气环境因素和田间地下水动态变化对非饱和带土层的影响。

在上下边界之间，SWAP 假定水流运动主要是在垂直方向上，将土层分为不同的单元，并在每个单元上耦合求解水分及溶质运动方程和热量传输方程。

在水平方向上，模型焦点主要是田块尺度，一块田地通常可以用一个小气候、一个植物类型、一个土壤类型和一个排水条件描述。

因此在这一范围内大多数运移过程可以用一个确定的方式描述（Kroes 等，2017）。

本研究使用SWAP 4.0.1版本，本章主要介绍SWAP 模型与本文有关模拟计算所涉及的内容。

图1 SWAP 模型模拟范围和运移过程（http://www.swap.alterra.nl/）一、土壤水分运动模块在本研究中，土壤水分运动忽略与大孔隙的交换速率及侧向排水，采用包括根系吸水的 Richards 方程描述非饱和带土壤的水流运动（Kroes 等，2017）：()()h S z h h K z t a -⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂∂∂=∂∂1θ式中，θ为体积含水量（cm 3 cm -3）；t 为时间（d ）；h 为土壤水压力水头（cm ）；z 为垂直坐标（cm ），向上为正；K (h )为非饱和土壤水力传导度（cm d -1）；S a (h )为植物根系吸水率（cm 3 cm -3 d -1）。

土壤水分特征曲线用Mualem -van Genuchten （MVG ）模型（Van Genuchten ，1980；Mualem ，1976）来描述：()()m n res sat res h-+-+=αθθθθ1n m 11-= 2111⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=m m e e sat S S K K λ ressat res e S θθθθ--= 式中，θres 为残余含水量（cm 3 cm -3）；θsat 为饱和含水量（cm 3 cm -3）；α、n 、λ为形状参数；K sat 为土壤饱和水力传导度（cm d -1）；S e 为相对饱和度。

农田土壤水的动态模型及应用农田土壤水的动态模型是指通过建立数学模型来模拟和预测农田土壤水分的变化情况。

这种模型可以帮助农民和农业管理者科学地管理农田水资源，合理安排农田灌溉和排水，以提高农作物的产量和质量。

在农业水资源管理和节水灌溉方面应用广泛。

农田土壤水的动态模型常用的方法有物理模型、统计模型和数学模型等。

物理模型主要基于土壤物理性质和水文过程的基本方程，以估计土壤水的变化；统计模型则通过历史数据的统计分析，建立相关的统计模型，预测未来水分变化。

数学模型在物理模型和统计模型的基础上，利用微分方程或差分方程来描述土壤水分的变化规律，模拟农田土壤水动态。

常见的农田土壤水动态模型包括SWAP模型、SWAT模型、HYDRUS模型等。

农田土壤水的动态模型可以应用于以下几个方面：1.灌溉调度：通过模拟土壤水分的动态变化，可以合理地确定灌溉的时间和量，避免土壤水分的过度或不足，提高灌溉水的利用率。

2.潜在蒸散量估算：利用土壤水动态模型，可以估算农田潜在蒸散量和作物需水量，为灌溉管理提供科学依据。

3.土壤水分盈亏平衡分析：通过模拟土壤水分的动态变化，可以评估不同灌溉方案对土壤水分的影响，为决策者提供科学依据。

4.土壤水分胁迫分析：模型可以通过模拟不同环境条件下土壤水分的变化，评估土壤水分胁迫对农作物生长和产量的影响，从而指导农民选择合适的农作物品种和灌溉管理措施。

5.水资源管理和决策支持：土壤水动态模型可以结合地理信息系统（GIS）等技术，对农田水资源进行管理和规划，为水资源的合理利用和决策提供支持。

总之，农田土壤水的动态模型是农田水资源管理和节水灌溉的重要工具，在合理利用水资源、提高农作物产量和质量方面具有重要的应用价值。

MIKEBASIN水资源软件完整实例培训教程•MIKEBASIN软件概述•水资源模型构建•水资源分析与管理•MIKEBASIN在流域规划中的应用•MIKEBASIN在城市水务管理中的应用•MIKEBASIN在农业灌溉中的应用•MIKEBASIN软件操作技巧与常见问题解答MIKEBASIN软件概述软件背景及功能背景MIKEBASIN是由丹麦水资源及水环境研究所（DHI）开发的一款综合性的水资源管理软件，旨在提供水资源规划、管理和决策支持的全流程解决方案。

功能MIKEBASIN具有水资源评价、水资源配置、水环境模拟、洪水预报与风险管理、水利工程运行管理等功能，支持多用户协同工作和数据共享。

应用领域与范围应用领域MIKEBASIN广泛应用于水资源规划、水环境保护、水利工程设计与运行管理等领域，为政府、企业和科研机构提供决策支持和技术服务。

应用范围MIKEBASIN适用于不同尺度的水资源管理，包括流域、区域、城市和农村等，可处理复杂的水资源问题，如水资源短缺、水污染、洪涝灾害等。

技术特点与优势技术特点MIKEBASIN采用先进的数值模拟技术和地理信息系统（GIS）技术，实现了水资源系统的精细化模拟和可视化表达；同时，软件支持多源数据融合和不确定性分析，提高了模拟结果的可靠性和准确性。

优势MIKEBASIN具有高度的灵活性和可扩展性，可根据用户需求进行定制开发；软件提供了丰富的数据接口和模型库，方便用户进行数据导入和模型构建；此外，MIKEBASIN还提供了完善的用户手册和在线技术支持，降低了用户的学习成本和使用难度。

水资源模型构建收集研究区域的基础地理信息数据，包括数字高程模型（DEM）、土地利用类型、土壤类型等；收集研究区域的气象数据，包括降水、蒸发、气温等；收集研究区域的水文数据，包括河流流量、水位、水质等；对收集的数据进行整理、格式转换和预处理，以便后续模型建立。

01020304数据收集与整理导入整理好的基础地理信息数据、气象数据和水文数据；构建研究区域的水系网络，包括河流、湖泊、水库等；根据研究需求，添加相应的模块和插件，如水质模块、生态模块等。