AnnAGNPS模型以水文学为基础，主要考虑了流域的产汇流、基于产汇流的沉积物产生及迁移，基于产汇流和沉积物产生的养分和农药的迁移传输等4个部分，模型的层次结构及其应用的典型区域和主要过程如图3.3、图3.4所示。
图3.4 AnnAGNPS典型区域及主要过程
AnnAGNPS模型假定：
（1）不考虑降水的空间变异，整个流域采用统一的降水参数。
（2）单元格可以是任意形状，但是内部的径流只有唯一的流向。
（3）单元格内部的参数是均匀和统一的。
（4）模型的运算步长为一天，假定所有的计算组分（径流、泥沙、养分和农药）在第二天模拟开始前都已到达流域出口。
（5）模拟期内，点源的流量和养分浓度为常量。
（6）模型只考虑地面水，忽略了地下水的影响。
（7）对于迁移中沉降在溪流的颗粒态养分和农药，模型忽略它们其后的影响。
模型的运算主要有4个过程，即水分、泥沙、养分和杀虫剂的运算，可以在单元和流域水平模拟这4个部分产生的量，并处理来自牲畜栏、沟蚀、灌水和点源的量。
3.2.1.1 水量处理
AnnAGNPS模型将土壤剖面分为两层，顶部200mm为耕作层，其余为第二层。每日的土壤水分平衡都考虑了降水、灌溉、融雪、径流、蒸发和渗漏。
1.径流计算
径流计算采用了SCS曲线方程，并按每日的耕作、土壤水分和作物情况，调整曲线数；其中土壤前期水分条件由SWRRB和EPIC模型计算，渗漏计算采用了Brooks-Corey方程。用户可以指定径流在单元内的迁移时间，也可以由内置模型NRCS TR-55计算。模型中单元内径流的前50m作地表漫流（overland flow），接着的50m作浅层槽流（shallow concentrated flow），其余按槽流（concentrated flow）计算。流量峰值计算采用了TR-55模型。
式中 Q——地表日径流深，cm；
p——降雨量，cm；
s——滞留参数，它由参数CN求得：
式中，CN-SCS曲线数，是有关土壤性质、植被覆盖以及土壤湿度等参数的函数。CN无量纲。
2.蒸发计算
模型采用了Penman方程计算潜在蒸发量。
式中 E0——潜在蒸发量，mm；
δ——饱和蒸汽压曲线的斜率，kPaC-1；
γ——干湿计常数，kPaC-1；
n0——净辐射，MJm-2；
G——土壤热通量，MJm-2；
HV——潜在蒸发热，MJkg-1；
f（V）——风速的函数，mmd-1kPa-1；
ea——平均气温下的饱和蒸汽压，kPa；
ed——平均气温下的蒸汽压，kPa。(www.xing528.com)
3.2.1.2 泥沙处理
模型中地表泥沙侵蚀量（overland erosion）的计算采用了矫正的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE），并在流域尺度作了矫正。
式中 E——年侵蚀量；
EI——降雨/径流侵蚀指数；
Ks——土壤可蚀性参数；
Lf——坡长因子；
Sf——坡度因子；
Cf——作物管理因子；
Pf——耕作管理因子；
SSF——坡型调节因子。
模型对沟蚀（gully erosion）采用了地表径流量估算，河床的剥蚀（bank erosion）则由泥沙迁移能力估算。泥沙计算分为5个颗粒等级，黏粒（clay）、粉沙（silt）、沙粒（sand），小团粒（small aggregates）和大团粒（large aggregates）。泥沙进入集水区后，通常需要经历3个过程，即泥沙的沉降、冲刷和运输。如果进入泥沙的量大于集水区的输送能力，便产生了泥沙沉积。泥沙的迁移采用了Bagnold指数方程，分别计算基流和紊流下的泥沙量，输出结果按3种来源Csheet和rill，gully，bed和bank分5级输出。
3.2.1.3 养分和农药处理
模型逐日计算各单元内氮、磷和有机碳的养分平衡，包括作物对氮磷的吸收、施肥、残留的降解和氮磷的迁移等。氮磷和有机碳的输出按可溶态和颗粒吸附态分别计算，并采用了一级动力学方程计算平衡浓度。作物对可溶态养分的吸收计算，则采用了简单的作物生长阶段指数。
在AnnAGNPS模型中采用GLEAMS模型计算各种杀虫剂的质量平衡，对每一种杀虫剂按独立的方程分别计算。计算主要考虑了作物洗脱、土壤中的垂直迁移以及降解过程，结果按可溶态和颗粒吸附态逐日输出如图3.5所示。
图3.5 养分和农药计算
3.2.1.4 峰流量处理
在模型中使用CREAMS模型来估算峰流量，计算方程如下：
式中 Qp——峰值流量；
A——集水区面积；
SC——渠道坡度；
RF——径流深度；
Lc——道长度。
3.2.1.5 其他过程
（1）地块操作方式选择——模型将检查当日的地块操作方式，如犁地、施肥、播种、收获等。
（2）灌溉模拟——灌溉分人工（固定量）和自动（按土壤含水量调节）两种方式，在土壤水分计算后可以确定灌水产生的径流量及相应产生的泥沙沉积量。
（3）点源模拟——按用户提供的流量和平均养分浓度（氮、磷和有机碳）计算其到达集水区的量。
（4）牲畜栏点源模拟——模型假定牲畜产生的养分都加入粪肥堆，单元内径流产生后，模拟其通过牲畜栏冲洗粪肥堆的过程，确定径流中可溶态氮磷及有机碳的量。并计算径流经过缓冲区后汇入集水区的养分含量。
（5）沟蚀模拟——流经溪沟的径流量由单元排水面积和溪沟排水面积的比率所决定。泥沙侵蚀量由用户提供的侵蚀系数和侵蚀指数确定，按5个颗粒级输出。
（6）冬季处理——平均气温在0℃以下的降水都当作降雪处理。积雪程度由气象条件和土壤温度确定，以前的灌溉量也将被忽视。
（7）气象参数调节——依据单元的高程调节来自各气象站的逐日降雨量和气温参数。
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