SWAT Model for

Watershed Management

• SWAT is a river basin scale hydrologic quantify the impact of land management complex watersheds. • SWAT is a public domain model actively USDA Agricultural Research Service and Water Research Laboratory in • SWAT is constantly being updated expanding the range of its utility. What is SWAT?

What is SWAT?

SWAT

“ Soil and Water Assessment Tool ”

Developed by USDA, from the 1980’s – today.

Deterministic physically based model– it models known physical processes

Dynamic model – differential equations are used

(dt = 1 day)

Predictive model

Basically, it’s a long-term

hydrologic simulation model

SWAT features

Physically based • Needs basin-specific data on “...weather, soil properties,

topography, vegetation, and land management practices...”

• Benefits: • Ungaged watersheds can be modeled

• Sensitivity to different input data can be quantified

Uses readily available inputs • GIS sets often already compiled by different agencies

Computationally efficient • Even for very large basins

Determines long-term impacts • SWAT is a continuous time model

SWAT

MODEL OBJECTIVE

Predict the effect of management decisions (Climate

and vegetative changes, reservoir management,

groundwater withdrawals, water transfer) on water,

sediment, nutrient and pesticide yields on large,

ungaged river basins.

MODEL COMPONENTS:

Weather, surface runoff, percolation, ET,

transmission losses, pond & reservoir storage, crop

growth & irrigation, groundwater flow, reach routing,

nutrient & pesticide loading, water transfer

Spatial Modeling in SWAT

SWAT is also a distributed model. It has been

integrated into several GIS (ArcView,

ArcInfo, Grass).

Discretization scheme: sub-watersheds

Watershed Hydrology

All SWAT calculations are based on watershed

mass balance calculations (i.e. water in =

water out).

Watershed hydrology can be divided into 2

phases:

1. Land phase: processes = rainfall,

evaporation, transpiration, infiltration,

runoff,...

2. Routing phase: processes = water,

sediment and pollution flow in river.

Land Phase Modeling

For each HRU, SWAT models :

Weather

Hydrology

Land cover –

plant growth

Erosion

Nutrients (N, P)

Pesticides

Agricultural

management

Routing Phase Modeling

SWAT models:

Routing in main channel

water,

sediment,

nutrients,

pesticides

Routing in reservoirs

water balance,

sediment,

nutrients,

pesticides

Advantages of SWAT

• Daily Time Step • SWAT was developed to predict the effects of

various management scenarios on water quality,

sediment yields and pollutant loadings from rural watersheds • SWAT models can be built fairly easily using GIS interfaces

• Sub-basins lack interior routing routines (i.e. All HRUs are “connected”) • Cannot explicitly place a BMP into the model (except filter strips) • Cannot account for transient nutrient loads

Disadvantages of SWAT

การเตรียมขอมูลน าเข้าและ

การใชงานแบบจ าลอง

Soil Water Assessment

Tool (SWAT) Model Input

http://swatmodel.tamu.edu/ Download

System Requirements

The SWAT2005/ArcSWAT 1.0 Interface requires: Hardware:

Personal computer using a Pentium IV processor or

higher, which runs at 2 gigahertz or faster

1GB RAM minimum

500 MB free memory on the hard drive for minimal

installation and up to 1.25 GB for a full installation

(including sample datasets and US STATSGO data)

SWAT Model Input

INPUT DATA:

Physical • Elevation, Land cover, soil

Weather • Rainfall, air temperature (Min and max), solar

radiation, wind speed and relative humidity

Hydrological • Stream flow, sediment and nutrient delivery data

Non-point and point source pollution data • Fertilizer and pesticide application data

• Point source of pollution

SWAT Model

INPUT DATA: DEM:

• Contour, DEM (20m)จากกรมพัฒนาที่ดิน/กรมแผน

ที่ทหาร/ The United States Geological Survey

(USGS) • Watershed delineation • Stream network and confluences • Entering point sources

SWAT Model Input: Elevation

ขอมูลแผนท่ีภูมิประเทศ (Topography Map)

แผนที่ภูมิศาสตรในรูปตัวเลข หรือ Digital elevation model (DEM) หมายถึง แบบจําลองพื้นที่ ผิวของสภาพภูมิประเทศ ไดรับการพัฒนาโดย The United States Geological Survey (USGS) ใหเปน ฐานขอมูลที่บอกถึงลักษณะของพื้นผิวของพื้นที่ลุมนํ้า โดยขอมูล DEM สามารถใชในการบอกรายละเอียดของ เสนแบงพื้นที่ลุมนํ้ายอยในแตละพื้นที่ลุมนํ้าได

SWAT Model

INPUT DATA:

Land cover

• land cover/land use data • CN, manning’s coefficient

• land cover/land use map will need to be

reclassified into SWAT land cover/plant types.

SWAT Model Input: Land cover

SWAT Model Input: Land cover cont.

to use USGS category codes when creating the map (or use a USGS land use/land cover map).

to select the SWAT land cover/plant type or urban code for each category

to create a look up table that identifies the 4-letter SWAT code for the different categories of land cover/land use

SWAT Model Input: Land cover cont.

ขอมูลแผนที่การใชประโยชนที่ดิน (Land Use/Land Cover Map)

ขอมูลแผนที่การใชประโยชนที่ดิน (Land Use/Land Cover, LULC) เป ็นข ็อมูลซึ่งไดมาจากการแปลภาพถายทางอากาศ หรือ ภาพถายดาวเทียม โดยการรวบรวมขอมูลในประเทศไทยกรมพัฒนาที่ดิน (Land Development Department) ไดจัดทําขอมูลการใชประโยชนที่ดิน(LULC) ขึ้นโดยวางซอน (Overlay) อยใูนชั้นของแผนที่ของดิน (Soil Map layer) โดยขอมูลนี้ได จากการแปลภาพถายดาวเทียม สําหรับในการแบงประเภท (Category) ของการใชประโยชนที่ดินสําหรับแบบจําลอง SWAT จะแบงเปนประเภทดังนี ้ 1. พื้นท่ีปาไม (FRSD) 2. พื้นที่เกษตรกรรม (AGRL) 3. นํ้า (WATR) 4. ทุงหญา (PAST) 5. ที่อยอูาศัย หรือ เมือง (URBN)

SWAT Model Input: Soil

Runoff, infiltration, sediment and anion

exchange

The user will import SWAT soil files or

type the soil data into the User Soils

database for each of the map categories

prior to creating the project.

คุณสมบัติทางกายภาพของดินแยกตามเนื้อดิน

สมบัติทางกายภาพของดินแยกตามชั้นดิน

คา CN condition II แบงตามการใชประโยชนที่ดิน และ ชนิดดิน ประเภทตาง ๆ พัฒนาโดย U.S. Department of Agriculture (1972)

SWAT Model Input: Weather

Rainfall, solar radiation, air temperature,

humidity and wind speed

Major input for hydrology, sediment and

chemical transport

ET

Source: Weather station data from each island

Each weather station location will be entered

with the corresponding data

Fertilizer and pesticide data

Large number of names of fertilizer and pesticide in the SWAT database

New chemicals can be entered

Allows if manure is used in the application

SWAT Model Input: Chemicals

• DEM : The Digital Elevation Model ซึ่งจัดรูปแบบเปน GIS grid

• Amask : เปนแผนที่หนากากแสดงขอบเขตในการคํานวณของแผนที่

• LandUse : แผนที่พืชคลุมดิน / การใชประโยชนที่ดิน ซึ่งจัดรูปแบบเปน GIS

• Soil : แผนที่ของดิน ซึ่งจัดรูปแบบเป็น GIS grid

GIS grid theme (.asc) Table (.mdb)

• ตารางขอมูลแสดงข้อมูลดิน

• ตารางขอมูลแสดงข้อมูลการใช้ประโยชน์ท่ีดิน

• ตารางขอมูลแสดงข้อมูลอากาศ

Input Data .asc

MWSWAT MapWindow Interface for

Soil and Water Assessment Tool

(SWAT)

การใช้งาน MapWindow Interface

ส าหรับแบบจ าลอง SWAT

การลงโปรแกรมก่อนใช้งานแบบจ าลอง

• Run X\Software\ dotnetfx.exe

• Run (double click) X\Software\ MapWindow46SR.exe to

install MapWindow

• Run X\Software\ MWSWAT.exe to install MWSWAT • Run X\Software\ SWATPlot.exe to install SWATPlot and

SWATGraph. • Run X\Software\SwatEditor\ Setup.exe to install the

SWAT Editor.

Double click

เข้าใช้งาน MapWindow Interface

คลิก ปิด ถ้าจะสร้างโปรเจคใหม่

คลิก เลือกโปรเจคที่เคย save

MWSWAT is a plug-in for the MapWindow

(www.mapwindow.org) GIS system. To start a project

Start MapWindow

Use the Plug-ins menu and

check the following

o MWSWAT

o Watershed Delineation

o GIS Tools

o Shapefile Editor

Setting up MapWindow

สร้าง project ใหม่ คลิก New Project

เลือก MWSWAT

เปิด project งานที่ save ไว้แล้ว คลิก Existing

Project

Adding tables to the project database

Access database ms1.mdb

• Use File -> Get External Data -> Import, navigate to Tutorial\maps\ms1.mdb , click Import • Click Select All and then OK to import the tables. File -> Exit the database.

• Example1_landuses which relates values (integers) from our landuse map to SWAT landuse codes • Example1_soils which relates values (integers) from our soil map to soil names • Example1_weather which contains information about the weather stations we will use • Example1_usersoil which contains data about our soils • Some tmpnnnn and pcpnnnn tables with temperature and precipitation data for our weather stations

Adding tables to the project database

Watershed Delineation

► click Delineate Watershed

► click the folder button

,navigate to Tutorial\maps, select

dem.asc, and click Open.

► click Process DEM.

2. Network Delineation.

1. Setup and Preprocessing

3. Outlet Definition and Delineation Completion.

Watershed Delineation

1. Setup and Preprocessing

► check Use a

Focusing Mask

► navigate to

Tutorial\maps, select

bnd.asc,

► click

BaseDEM(dem20).asc

2. Network Delineation

► Use a Custom

Outlets/Inlets Layer is checked

► click Draw Outlets/Inlets

3. Outlet Definition and Delineation Completion.

HRU’s

Sub-basins are actually divided further into Hydrologic

Response Units (HRUs).

An HRU is a polygon containing a unique combination of soil

and land-use.

HRU layer

Land Use layer Soils layer

HRU definition

HRU definition

Lu.asc

Soil.asc

ตารางฐานข อมูล็Lu ตารางฐานข อมูล็Soil

click

Results

Results are daily time series of modeled parameters (values can be averaged over months, years or over the whole simulation period).

Results are available for different spatial identities:

HRU’s,

sub-basins,

channel reaches.

Data

Graph

Animation

Edit SWAT Input

User soils

การปรับเทียบแบบจําลอง

จุดประสงคการปรับเทียบแบบจําลองเพื่อลดความแตกตางระหวางขอมูล จากการวัดกับขอมูลจากแบบจําลองใหเหลือนอยที่สุด โดยทุกแบบจําลองจําเปน ต้องมีการปรับเทียบกับทุกพื้นที่ลุมนํ้าที่ทําการศึกษาโดยหลักเกณฑทางอุดมคติในการปรับเทียบแบบจําลองมีหลักการดังนี ้

1. ผลลัพธในการจําลองมีคาเทากับขอมูลจากการวัด

2. การประมาณคาพารามิเตอรมีคาตรงกันกับคุณลักษณะของพื้นที่ลุม นํ้า

การปรับคาพารามิเตอรของแบบจําลอง SWAT

CN – SCS runoff Curve number AWC – ปริมาณนํ้าที่ดินสามารถเก็บนํ้าไวได (available water capacity of soil layer) GW_REVAP – คาสัมประสิทธิ์นํ้าใตดินที่ไหลจาก shallow aquifer ไปสชูั้นดิน (revap) REVAPMN – ปริมาณนํ้าที่นอยสุดใน shallow aquifer ที่ทําใหเกิดการไหลของนํ้าใตดินที่ไหล จาก shallow aquifer ขึ้นสชูั้นดิน (revap) GWQMN – ปริมาณนํ้าที่นอยสุดใน shallow aquifer ที่ทําใหเกิดการไหลของนํ้าใตดินที่ไหล จาก shallow aquifer เปน Return flow

SWAT Calibration

User interface

SWAT-CUP

SWAT-CUP

ที่มา : http://www.eawag.ch/organisation/abteilungen/siam/software/swat/index_EN

• SWAT-CUP is a computer program for

calibration of SWAT models.

• SWAT-CUP is a public domain program, and as

such may be used and copied freely. The program

links GLUE, ParaSol, SUFI2, and MCMC

procedures to SWAT.

• It enables sensitivity analysis, calibration,

validation, and uncertainty analysis of a SWAT

model.