SWAP、AquaCrop、FVCOM、Delft3D、SWAT、R+VIC、HSPF、HEC-HMS......

全流程SWAP农业模型数据制备、敏感性分析及气候变化影响实践技术应用

SWAP模型是由荷兰瓦赫宁根大学开发的先进农作物模型，它综合考虑了土壤-水分-大气以及植被间的相互作用；是一种描述作物生长过程的一种机理性作物生长模型。它不但运用Richard方程，使其能够精确的模拟土壤中水分的运动，而且耦合了WOFOST作物模型使作物的生长描述更为科学。
为了让更多的科研人员和农业工作者能够深入理解SWAP模型的原理，有效地运用这一工具，将详细讲解SWAP模型的各个组成部分，包括气象、土壤、作物和管理措施等数据的准备和输入。通过模型的实践操作和结果分析，让参与者能够不仅理解模型背后的科学原理，同时掌握如何在实际工作中应用模型来解决问题。此外，还将深入探讨如何通过修改模型代码来定制和优化模型，以适应特定的研究需求或解决特定的农业问题。

专题一、SWAP模型介绍及数据要求

1.SWAP模型理论框架

2.Richard方程与水分循环

3.溶质输运与土壤温度计算

4.作物生长模块

5.模型输入数据要求

6.模型应用范围与实例

7.与其它类似模型的比较（优缺点）

专题二、数据制备与模型运行【讲解+实践】

1.气象数据制备

2.土壤数据制备

3.农作物参数详解

4.灌溉的输入

5.其它情况处理（降雪等）

5.模型输出分析

案例1：牧草生长模拟

案例2：春小麦生长模拟与灌溉需水分析

专题三、基于R模型敏感性分析与贝叶斯优化（讲解+案例实践）

1.R语言中调用SWAP模型

2.敏感性分析方法（Morris方法）

3.优化及启发式优化算法理论

4.贝叶斯优化方法

案例3：基于遗传算法SWAP模型参数自动优化

案例4：SWAP参数敏感性代码分析

案例5：基于贝叶斯优化的SWAP模型自动优化

专题四、基于Fortran源代码分析（讲解+案例实践）

1.现代Fortran基础

2.SWAP模型Fortran代码编译方法(WINDOWS及Linux)

3.SWAP模型代码特点及结构分析

案例6：模型入口分析

案例7：模型主要计算功能实现

专题五、气候数据降尺度与变化影响分析（讲解+案例实践）

1.CMIP计划及下载

2.气候数据降尺度方法

3.未来气候数据的生成（基于CMIP5及CMIP6）及其输入

案例8：基于R语言的降尺度方法

案例9:不同未来气候情景对水稻生产的影响分析

专题六、AI大语言模型在建模中的应用

1.各类大语言模型的优点与缺点分析

2.在建模中应用大语言模型辅助生成输入文件

3.本地大语言模型及知识库的简单配置

4.对于（水环境、水文及农业）模型研究者在大语言模型上的发展方向建议

案例10:运用大语言模型解释模型输入参数

案例11：运用大语言模型辅助生成输入文件

案例12:运用大语言模型注释及编写代码

AquaCrop模型数据制备、优化方法、敏感性与气候变化影响分析及源码解析

AquaCrop是由世界粮食及农业组织（FAO）开发的一个先进模型，旨在研究和优化农作物的水分生产效率。这个模型在全球范围内被广泛应用于农业水管理，特别是在制定农作物灌溉计划和应对水资源限制方面显示出其强大的实用性。AquaCrop 不仅包含一个全面的数据库，还提供了用户友好的接口，使得它在实际应用中极为便捷。

模型的核心优势在于其独特的水分管理能力，能够精确模拟作物生长过程中水分的需求与消耗，帮助农业工作者制定更为科学和高效的灌溉策略。通过对作物的水分需求和供应的精确计算，AquaCrop 能够帮助提高水资源的使用效率，优化作物产量和质量。

为了让更多的科研人员和农业工作者能够深入理解AquaCrop模型的原理，有效地运用这一工具，将详细讲解AquaCrop模型的各个组成部分，包括气象、土壤、作物和管理措施等数据的准备和输入。通过模型的实践操作和结果分析，让参与者能够不仅理解模型背后的科学原理，同时掌握如何在实际工作中应用模型来解决问题。此外，还将深入探讨如何通过修改模型代码来定制和优化模型，以适应特定的研究需求或解决特定的农业问题。

专题一、模型原理介绍与数据要求及模型分析

1. AquaCrop模型的应用范围

2. 模型计算框架

3.模型水分循环原理

4.模型营养循环原理

4.模型输入数据要求

5.模型应用实例分析

专题二、数据制备、模型运行与案例实践（界面GUI版本）

1.气象数据制备：新建、导入或者公式估计

2.土壤数据制备：土壤类型、含水量等

3.农作物参数详解：作物类型、生长参数、开花与枯萎参数等

4.管理措施的输入：灌溉计划、施肥计划、杂草管理。

5.模型输出分析

案例1：水稻生长模拟

专题三、模型优化与敏感性分析（基于R语言实践）

1.R语言中调用AquaCrop模型

2.敏感性分析方法（Morris方法）

3.模型敏感参数

4.优化及启发式优化算法理论

5.GLUE方法理论

6.AquaCrop模型参数自动优化

案例2：不同灌溉计划下水稻模型参数敏感性代码分析

案例3：基于遗传算法的模型自动优化

专题四、源代码分析（基于FORTRAN）

1.现代Fortran基础

2.AquaCrop模型Fortran代码编译方法

3.AquaCrop模型代码特点及结构分析

案例4：模型入口分析

案例5：模型主要计算功能实现

专题五、未来气候变化影响分析与案例实践（基于Python）

1.Python语法简介（只涉及相关的用法）

2.AquaCrop模型的Python实现及其与FORTRAN版本的主要区别

3.CMIP计划及下载

4.气候数据降尺度方法

5.未来气候数据的生成（基于CMIP5及CMIP6）及其输入

案例6：基于Python版本的灌溉计划优化

案例7:不同未来气候情景对水稻生产的影响分析

专题六、大语言模型在建模中的应用（国产大语言模型）

1.大语言模型的优点与缺点

2.在建模中应用大语言模型方式

3.对于（水环境、水文及农业）模型研究者在大语言模型上的发展方向建议

案例8:运用大语言模型解释模型输入参数

案例9：运用大语言模型辅助生成输入文件

案例10:运用大语言模型注释代码

案例11：运用大语言模型编写代码（非绘图方向）

全流程FVCOM水环境、污染物迁移、水交换、水质、潮流、温盐、波浪及泥沙数值模拟实践技术应用

近年来，随着计算技术的发展和对海洋、水环境问题认识的加深，数值模拟技术在海洋、水环境等科学研究中的应用越来越广泛。FVCOM因其独特的优点，成为研究海洋动力过程、污染物扩散、水质变化等问题的重要工具。作为一种基于有限体积法的数值模型，以其精确的计算方法和强大的适应性，广泛应用于水环境、潮流、温盐、波浪、泥沙等多种过程的模拟。FVCOM采用非结构化网格，可以灵活地适应复杂地形和不规则边界，这使得它在模拟中表现非常出色。其次基于有限体积法，确保了计算的保守性和稳定性，能够准确模拟潮流、波浪和泥沙等物理过程。FVCOM在水环境领域的应用也十分广泛，涵盖了污染物迁移模拟、水质数值模拟、海洋生态系统模拟、水交换过程模拟以及极端天气对水环境的影响等众多方面。

内容非常丰富，不仅关注FVCOM理论知识的传授，更强调通过实际操作，帮助学员掌握从模型搭建到结果分析的全过程技能。分为十四章，将系统地讲解FVCOM的基础理论、运行环境部署、三维水动力、温盐模拟、波浪模拟、泥沙模拟、示踪粒子模拟、染色剂交换模拟及水质数值模拟的全过程。

第一章、FVCOM基础理论

1、主流海洋数值模式及特点介绍

2、FVCOM控制方程介绍

3、FVCOM数值方法介绍

4、FVCOM程序计算流程介绍

5、FVCOM求解过程推导详解

第二章、FVCOM运行环境部署

1、虚拟机安装及配置

2、Linux系统安装配置

3、Linux系统下FVCOM常用命令介绍

4、INTEL编译器安装配置

5、OPENMPI安装配置

6、NETCDF库安装配置

7、Linux环境变量配置

8、实操练习：FVCOM运行环境搭建及水动力算例运行

第三章、FVCOM三维水动力数值模拟前处理

1、岸线数据提取及处理

2、地形数据的获取及处理

3、SMS非结构三角形网格生成

4、SMS网格划分、优化技巧详解

5、SMS地形数据插值

6、实操练习：某海域岸线提取，SMS生成优化及地形插值

7、Python前处理使用及详解

8、Matlab前处理使用及详解

9、Chinatide前处理使用及详解

10、实操练习：某海域岸线FVCOM运行所需全部的文件制作

第四章、FVCOM三维水动力数值模拟

1、FVCOM 编译及所有模块详解

2、FVCOM模型可解决问题介绍

3、FVCOM运行所需全部参数详解

4、案例讲解：某海域FVCOM三维水动力数值模拟参数设置

5、FVCOM运行时可视化变量检查

6、实操练习：使用FVCOM进行某海域三维水动力数值模拟

第五章、FVCOM三维水动力计算结果可视化及率定方法

1、FVCOM水动力计算结果文件查看及全部变量详解

2、Matlab绘制水位等值线图、流场矢量图

3、FVCOM水动力常用率定方法介绍

4、案例讲解：某海域水动力计算结果的率定

5、实操练习：FVCOM水动力计算结果可视化

第六章、FVCOM三维温盐数值模拟前处理

1、FVCOM三维温盐数值模拟所需文件介绍

2、FVCOM三维温盐模拟所需气象数据下载及处理

3、FVCOM三维温盐初始场设置

4、FVCOM三维温盐开边界数据下载及处理

5、径流输入文件制作

6、实操练习：某海域FVCOM三维温盐前处理文件制作

第七章、FVCOM三维温盐数值模拟率定及可视化

1、FVCOM三维温盐模块编译

2、FVCOM三维温盐数值模拟参数配置

3、FVCOM三维温盐数值模拟结果可视化

4、FVCOM三维温盐常见率定方法介绍

5、温度极大值、盐度极小值等常见问题的处理

6、实操练习：某海域FVCOM三维温盐数值模拟结果可视化及初步率定

第八章、FVCOM波浪数值模拟及可视化分析

1、SWAN模型介绍

2、FVCOM波流模块介绍

3、FVCOM波流模块编译

4、FVCOM波流模块配置文件详解

5、FVCOM波流输入文件制作及试运行

6、参数设置及率定方法浅析

7、案例+实操练习：某海域波浪数值模拟

8、FVCOM波浪可视化及结果分析方法

第九章、FVCOM泥沙数值模拟及可视化分析

1、FVCOM泥沙模型介绍

2、FVCOM泥沙模块编译

3、FVCOM泥沙模块配置文件详解

4、FVCOM泥沙输入文件制作及试运行

5、参数设置及率定方法浅析

6、案例+实操练习：某海域泥沙数值模拟

7、FVCOM泥沙可视化及结果分析方法

第十章、FVCOM示踪（粒子）数值模拟及可视化分析

1、FVCOM示踪（粒子）数值模拟所需文件介绍

2、FVCOM粒子追踪模块编译

3、该问题粒子释放文件制作

4、该问题参数设置

5、案例+实操练习：某海域示踪（粒子）数值模拟

第十一章、FVCOM交换（染色剂）数值模及可视化分析

1、FVCOM交换（染色剂）数值模拟结果可视化

2、粒子时空分布作图及分析

3、粒子输运轨迹作图及分析

4、不同动力因素对结果影响作图及分析

5、欧拉余流作图及分析

6、拉格朗日余留及分析

7、案例+实操练习：某海域交换（染色剂）数值模拟

第十二章、FVCOM三维水质数值模拟

1、FVCOM三维水质控制方程各生化反应源项详解

2、FVCOM三维水质输入文件介绍

3、水质初始场文件制作

4、水质污染物源项输入文件制作

5、几种水质开边界文件制作

6、FVCOM三维水质参数文件制作

7、FVCOM三维水质模拟参数配置

8、实操练习：某海域FVCOM三维水质数值模拟输入文件制作

第十三章、FVCOM三维水质计算结果可视化及率定方法

1、FVCOM三维水质计算结果可视化

2、基于污染源排放等问题的FVCOM水质源码修改

3、NC格式输出FVCOM水质变量的源码修改

4、相关性分析在FVCOM水质模型参数率定中的应用

5、参数敏感性分析在FVCOM水质模型参数率定中的应用

6、实操练习：某海域FVCOM三维水质数值模拟结果可视化及初步率定

第十四章、总结回顾及问题答疑

1、FVCOM水动力数值模拟流程回顾

2、FVCOM温盐数值模拟流程回顾

3、FVCOM波浪数值模拟流程回顾

4、FVCOM泥沙数值模拟流程回顾

5、FVCOM示踪（粒子）数值模拟流程回顾

6、FVCOM交换（染色剂）数值模拟流程回顾

7、FVCOM水质数值模拟流程回顾

Delft3D水动力与泥沙运动模拟实践技术应用

水体中泥沙运动是关系到防洪，调水等方面的重要问题，也是水利和水环境领域科研热点之一。水利数值模型，在环境影响评价、防洪规划等方面也有着广泛的应用。荷兰Delft研究所开发的Delft3D模型是世界上最先进的水动力之一，能够运用于河网、浅水湖泊、深水水库以及近岸海洋等多种水体的水动力和泥沙问题的研究中；同时，Delft3D具备从网格构建、水动力计算、波浪模块、泥沙运动、海洋地貌预测以及后处理展示等完整的水环境模型构建方案，更为难得的是Delft3D的各模块已经开源，使用者不需要花费任何财力即可使用。目前，Delft3D模型使用的阻碍主要是其复杂的模型构建方法，需要有长期使用经验才能够较好的将其应用于各种问题中。

第一部分Delft3D水动力模型的基本原理

1、水动力数值模型的基本原理

2、Delft3D水动力模型的特点

3、水动力数值模型的求解

第二部分构建Delft3D模型的基本流程

1、Delft3D软件的安装

2、Delft3D模型构建的基本流程

第三部分构建Delft3D水动力模型的网格

1、Delft3D模型边界线文件格式

2、QGIS构建边界线文件的方法

3、Delft3D正交曲线网格的构建及优化

第四部分Delft3D水动力模型的运行和后处理

1、Delft3D水动力模型边界条件的处理

2、Delft3D水动力模型的运行及湍流模型

3、模型参数的率定

4、模型的后处理

第五部分Delft3D泥沙运动模型

1、建立泥沙运动模型的要点

2、泥沙运动模型的基本原理

3、Delft3D泥沙模型初始条件与边界条件处理

第六部分Delft3D泥沙运动模型举例与练习

1、河口的泥沙运动

2、海沟的移动

3、海湾（包括上游）泥沙的运动

4、新泥沙排口影响估计

第七部分Delft3D泥沙模型进阶

1、MDF与MOR文件分析

2、参数率定的一些建议

3、我们还需要什么？

4、答疑

SWAT模型系统学习带你从基础到高级，全方位掌握水文模拟技能！

第一部分：SWAT模型实践部分

一

SWAT模型及应用介绍

1.1 面源污染概要

1.2 SWAT模型及应用

1.3 SWAT模型原理

1.4 SWAT模型输入文件

1.5 ArcGIS与SWAT关系

二

SWAT模型中GIS

必备技术

2.1 GIS软件平台

2.2 ArcGIS10.6安装和注意事项

2.3 ArcGIS必备技术

2.4 ArcGIS常见数据格式

三

SWAT模型操作流程

3.1 SWAT模型安装

3.2 建立SWAT项目

3.3 SWAT模型子流域划分

3.4 HRU划分

3.5 气象数据及其它数据输入

3.6 SWAT运行及结果读取

四

SWAT结果分析及地图制作

4.1 SWAT结果查看与导出

4.2 SWAT结果时间变化分析

4.3 SWAT结果空间变化分析

4.4 SWAT结果符号设置与地图制图

五

DEM数据制备流程

5.1 DEM数据的作用

5.2 认识DEM数据

5.3 DEM数据的获取

5.4 DEM数据的预处理

六

土地利用数据制备流程

6.1 土地利用调用流程

6.2 土地利用的获取

6.3 土地利用处理

6.4 遥感数据解译土地利用

6.5 土地利用类型索引表建立

七

土壤数据制备流程

7.1 土壤数据调用流程

7.2 土壤数据的获取

7.3 土壤数据的处理

7.4 SWAT土壤数据库参数

7.5 土壤数据库参数计算

7.6 土壤类型索引表的建立

八

气象数据制备流程

8.1 气象数据的调用原理

8.2 气象数据获取

8.3 气象数据处理

8.4天气发生器介绍及参数计算

8.5 气象站点索引文件制作

九

其它数据制备流程

9.1 点源污染输入

9.2 水库数据输入

9.3 灌溉措施输入

9.4 管理措施输入

十

参数率定与结果验证

10.1 参数率定与结果验证原理

10.2 SWAT-CUP软件介绍

10.3 SWAT-CUP水量率定与验证

10.4 SWAT-CUP水质率定与验证

10.5 参数敏感性分析

10.6 率定验证后参数回带及模拟

十一

关键源区及BMPs

设置

11.1 最佳管理措施介绍

11.2 关键源区分析

11.3 SWAT中BMP的设置

11.4 BMP效果分析

十二

SWAT模型结果分析-水资源

12.1 地表径流分析

12.2 地下径流分析

12.3 蒸散发分析

12.4 水源涵养量分析

十三

SWAT模型结果分析-农业面源

13.1 子流域农业面源分析

13.2 河道农业面源分析

13.3 面源污染时空变化分析

十四
SWAT模型结果分析-水土流失

14.1 SWAT模型泥沙分析

14.2 水土保持措施分析

第二部分：SWAT模型【进阶部分】

一

SWAT模型应用热点分析

1.1 SWAT模型应用文献解析及热点剖析

1.2 讨论

二

无资料地区

快速建立SWAT

模型

2.1 无资料地区DEM数据制备

2.2 无资料地区土地利用制备

2.3 无资料地区土壤数据制备

2.4 无资料地区气象数据制备

2.5 无资料地区SWAT模型率定验证

2.6 案例分析：遥感产品和SWAT模型结合研究

三

基于控制单元的流域SWAT模型建立

3.1 ArcGIS高级操作

3.2 ArcGIS水文分析及SWAT应用

3.3 pre-defined子流域及河网完整制备及注意事项

3.4 HRU深入剖析及可视化分析

3.4 案例分析：基于控制单元的流域SWAT模型建立

四

SWAT模型不确定性分析

4.1 不确定性分析

4.2 输入不确定性分析

4.3 参数不确定性分析

4.4 结构不确定性分析

4.5 案例分析：SWAT模型中DEM数据的不确定性分析

五

未来气候变化对水资源及面源污染的影响

5.1 气候变化简介

5.2 CMIP6数据介绍

5.3 CMIP6数据下载

5.4 基于ArcGIS及python的CMIP6数据处理

5.5 气候数据降尺度处理

5.6 案例分析：气候变化对SWAT面源污染模拟的影响研究

六

土地利用变化对水资源及面源污染的影响

6.1 土地利用变化简介

6.2 ArcGIS土地利用变化分析

6.3 土地利用变化对SWAT模型结果的影响

6.4 ArcGIS退耕还林实现及对面源污染的影响

6.5 土地利用动态输入SWAT设置

6.6 FLUS未来土地利用变化预测

6.7 案例分析：动态土地利用输入对SWAT面源污染模拟的影响研究

七

SWAT改进与模型

耦合

7.1 SWAT模型代码修改及应用

7.2 与SWAT模型结合的常用模型文献分析

7.3 案例分析：SWAT模型初损率改进及对水资源的影响分析

八

常见问题及答疑

8.1 SWAT建模过程中常见问题汇总及解答

8.2 现场答疑

R+VIC模型融合实践技术应用及未来气候变化模型预测

在气候变化问题日益严重的今天，水文模型在防洪规划，未来预测等方面发挥着不可替代的重要作用。目前，无论是工程实践或是科学研究中都存在很多著名的水文模型如SWAT/HSPF/HEC-HMS等。虽然，这些软件有各自的优点；但是，由于适用的尺度主要的是中小流域，所以在预测气候变化对水文过程影响等方面都有所不足。VIC模型是一个大尺度的半分布式水文模型，其设计之初就是为了模拟大流域的水文过程；它能够计算陆地－大气的能量通量，考虑土壤性质和土地利用的影响，自带有简化的湖泊/湿地模块，也能够将植被状况，碳循环等过程纳入模型；这些特性都使得VIC非常适合大范围陆面在未来气候变化下的影响。另一方面，VIC并不原生支持Windows系统，也不存在界面等也为学习该模型带来极大的障碍。我们经过积极的探索，实现了在Windows系统下执行整个VIC模型的功能，且通过已有的R语言脚本实现了对VIC模型参数调优功能等改进。帮助大家更好的将VIC模型运用于气候变化的研究。

理论专题一：VIC模型的原理及特点

1.VIC模型各模块的主要原理

2.VIC模型的特点及优势

3.VIC模型的适用范围及其限制

4.VIC模型主要输入和输出文件解析

综合案例一：基于QGIS的VIC模型建模

1.Windows版本VIC模型安装及问题解决方法

2.QGIS处理DEM

3.土壤数据的获得及QGIS处理

4.QGIS和R语言联合处理气象数据及各种插值方法

5.QGIS和R对VIC模型的后处理

理论专题二：VIC模型率定验证

1.什么是模型的率定验证及其注意点

2.自动率定验证的流程及需要工具

3.参数的敏感性分析方法

4.参数的不确定性分析方法

5.代理模型及高斯过程模型

综合案例二：基于R语言VIC参数率定和优化

1.R语言下操纵VIC模型的方法

2.VIC模型参数的全局敏感性分析（Morris及Sobol方法）

3.VIC模型参数的优化

4.VIC模型参数的不确定性（GLUE）

5.R语言中的高斯过程（贝叶斯优化）模型

理论专题三：遥感技术与未来气候变化

1.遥感技术及其原理简介

2.CMIP6数据特点及各情景介绍

3.气象数据的统计降尺度方法

4.未来气象数据的修订方法

综合案例三：运用VIC模型评估未来气候对水文情势的影响

1.R语言中气象数据的分析和处理

2.运用QGIS和R语言统计降尺度

3.气象数据的修订

4.遥感数据驱动VIC模型

5.CMIP6数据驱动VIC模型

6.情景结果的比较分析

HSPF(Hydrological Simulation Program Fortran)模型应用

HSPF模型与SWAT模型一样都是著名的水文模型软件，在世界各地的水文模拟中得到广泛的应用。由于种种原因，HSPF模型在国内的影响力不如SWAT；但是，HSPF模型也有其自身的优势，比如：1.它有很高集成度的前后处理软件，减轻建模的负担；2.它可以自主调节水文响应单元的大小，模型有更好的灵活性；3.它可以输出最小为小时的结果，比SWAT更方便；4.它可以与EFDC等水动力模型相耦合等。

HEC-HMS水文模型应用

HEC-HMS是美国陆军工程兵团水文工程中心开发的一款水文模型。HMS能够模拟各种类型的降雨事件对流域水文，河道水动力以及水利设施的影响，在世界范围内得到了广泛的应用。它有着完善的前后处理软件，能有效减轻建模的负担；能够与HEC开发的DSS数据管理软件以及RAS二维水动力模型链接，形成完整的水文－水动力模型。

专题一理论讲解
1.水文过程与水文模型
2.HMS模型的基本理论
3.HMS模型的建模流程