SWAT模型土壤物理屬性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法探究

劉 欽，王雯濤

（1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

SWAT模型土壤物理屬性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法探究

劉 欽1，王雯濤2

（1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

SWAT模型應(yīng)用廣泛，具有綜合、分布、基于物理機(jī)制且易與GIS集成的特征，能夠準(zhǔn)確模擬流域水文狀況。SWAT模型已經(jīng)在我國被廣泛應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中存在模型自帶土壤屬性數(shù)據(jù)庫與中國實(shí)際情況不相符的問題。對(duì)此，以土壤物理屬性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建為例，在較為系統(tǒng)地論述國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，探究了土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)換、基于SPAW軟件的土壤屬性數(shù)據(jù)庫物理屬性參數(shù)的確定方法，為建立符合國情的土壤屬性數(shù)據(jù)庫提供方法，并為后期SWAT模型的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

SWAT模型；土壤屬性數(shù)據(jù)庫；SPAW軟件

1 引言

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是20世紀(jì)90年代美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心 （USDAARS）開發(fā)的半分布式模型，主要用于水文循環(huán)的模擬預(yù)測(cè)、土地利用管理措施的評(píng)價(jià)、非點(diǎn)源污染的模擬及土壤侵蝕的預(yù)測(cè)等方面［1］。國外應(yīng)用SWAT模型比較廣泛，而國內(nèi)SWAT模型的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短，在水量、非點(diǎn)源污染、泥沙含量的模擬等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，楊桂蓮等［2］應(yīng)用SWAT模型對(duì)洛河流域進(jìn)行基流模擬，結(jié)果表明月基流的模擬精度較高；劉昌明等［3］以黃河源區(qū)為研究區(qū)域，采用SWAT模型對(duì)不同土地覆被和氣候條件下的水文情景進(jìn)行模擬，結(jié)果表明SWAT模型可適用于大尺度流域的模擬。

在SWAT模型中，土壤的屬性參數(shù)直接影響著徑流模擬的準(zhǔn)確性，由于模型自帶的土壤數(shù)據(jù)庫是以北美的土壤為基礎(chǔ)建立的，與中國土壤的實(shí)際情況有很大出入。建立符合實(shí)際情況的土壤數(shù)據(jù)庫對(duì)于模擬的準(zhǔn)確性尤為重要。本研究主要探究建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫的方法，為解決模型自帶土壤屬性數(shù)據(jù)庫與中國實(shí)際情況不相符的問題提供參考。

2 土壤屬性數(shù)據(jù)庫參數(shù)

SWAT模型中土壤屬性參數(shù)包括物理屬性參數(shù)和化學(xué)屬性參數(shù)，其中物理屬性參數(shù)數(shù)據(jù)庫對(duì)徑流模擬有著重要影響，數(shù)據(jù)庫中必需的部分物理屬性參數(shù)及含義如表1。

表1 部分土壤物理屬性參數(shù)

2.1 土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)換

我國進(jìn)行了兩次土壤普查，第1次采用了蘇聯(lián)制（卡欽斯基制），第2次大多采用了國際制，因此，我國的土壤資料存在多種不同的體系。而SWAT模型采用的土壤粒徑級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)是USDA簡化的美制標(biāo)準(zhǔn)，我國兩次土壤普查的資料都不符合模型輸入的要求。土壤其他的屬性參數(shù)，如土壤濕容重、飽和導(dǎo)水率、有效持水量等，都可以從土壤粒徑資料中計(jì)算得出，因此，建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫前將國際制標(biāo)準(zhǔn)土壤粒徑轉(zhuǎn)換為模型所要求的美制標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)必要的步驟。兩種標(biāo)準(zhǔn)的具體粒徑分布如表2。

表2 美制和國際制土壤粒徑對(duì)比

土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)化方法上，我國學(xué)者嘗試使用數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行土壤質(zhì)地的轉(zhuǎn)換，如呂喜璽和沈榮明［4］提出了二次樣條插值方法，并用江西寧岡的土壤進(jìn)行了實(shí)例研究；蔡永明等［5］以山西安塞為例，進(jìn)行了線性插值、二次樣條插值和三次樣條插值的對(duì)比，結(jié)果表明三次樣條插值的結(jié)果相對(duì)誤差最小，并以山西恒山灰褐土為例，通過三次樣條插值法插值，進(jìn)行插值與實(shí)測(cè)值土壤顆粒累計(jì)百分含量對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3。

表3 插值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 單位：%

2.2 土壤屬性參數(shù)計(jì)算

通過現(xiàn)有的土種志等土壤資料可以查得SOL_Z、SOL_MAX、CLAY、SILT、SAND、ROCK，SOL_Z和SOL_MAX的數(shù)據(jù)，可以直接應(yīng)用，土壤粒徑的數(shù)據(jù)經(jīng)過土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)化后也可以直接應(yīng)用；通過現(xiàn)有土壤資料可以查得有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)含量乘以0.58可以得到SOL_CBN［6］。 SOL_BD、SOL_K、SOL_AWC可以通過美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的SPAW軟件的Soil Water Characteristics模塊計(jì)算獲得。 Saxton和Rawls［7］對(duì)Soil Water Characteristics模塊進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證分析，肯定了該模塊用來模擬土壤屬性參數(shù)的實(shí)用性。

軟件輸入Sand（砂土）、Clay（黏粒）、Gravel（礫石）、Organic Matter（有機(jī)質(zhì)含量）、Salinity（鹽度）數(shù)據(jù)，可得出Wilting Point（凋萎系數(shù)）、Field Capacity（田間持水量）、Saturation （飽和度）、Available Water（可利用水量）、Sat.HydraulicCond.（飽和導(dǎo)水率）、Matric Bulk Density（濕容重）。SOL_AWC計(jì)算公式為 ：SOL_AWC=（Field Capacity-Wilting Point）/100。由于軟件計(jì)算出的飽和導(dǎo)水率和濕容重的單位不符合SWAT模型的要求（如表4），故須進(jìn)行單位換算，單位換算公式為：

表4 SWAT模型與SPAW軟件比較

HYDGRP（水文分組）是美國國家自然保護(hù)局（NRCS）根據(jù)土壤的滲透屬性對(duì)土壤進(jìn)行分類。HYDGRP根據(jù)土壤表層0.5m處的飽和導(dǎo)水率大小分為A、B、C、D組。 依據(jù)賀維［8］與陳臘嬌［9］的研究結(jié)果，修改后的水文分組標(biāo)準(zhǔn)如表5，分組標(biāo)準(zhǔn)中的飽和導(dǎo)水率使用SPAW軟件的計(jì)算值。

表5 水文分組標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表5

SOL_ALB的大范圍實(shí)測(cè)資料較為缺乏，其精確值的獲取比較困難，可以根據(jù)不同的研究區(qū)土壤屬性，參考該地區(qū)的以往研究，總結(jié)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式或直接采用模型對(duì)該類型土壤的默認(rèn)值，具體方法根據(jù)實(shí)際情況而定。如鄒悅［10］在疏勒河的研究中根據(jù)實(shí)際情況采用了默認(rèn)值；胡雅杰［11］在研究中采用了SOL_ALB與SOL_CBN的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

USLE_K為USLE方程中土壤可蝕性K值，其值的大小，直接反應(yīng)土壤抗侵蝕能力［11］。K值的大小直接影響著模型模擬泥沙含量的精度，因此，如何確定K值是建立土壤數(shù)據(jù)庫的重要問題。通常情況下，K值的準(zhǔn)確確定可通過對(duì)土壤的試驗(yàn)獲得。但由于直接測(cè)定K值的要求較高，在研究中一般利用土壤屬性與侵蝕能力之間的關(guān)系對(duì)K值進(jìn)行推算。Wischmeier提出的諾漠圖法應(yīng)用最為廣泛，但諾漠圖的構(gòu)建需要土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)資料和滲透級(jí)別實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［4］，故該法在資料缺乏的中國難以適用。劉寶元等［12］通過對(duì)不同的K值確定方法進(jìn)行對(duì)比，指出Williams和Sharply［13］在1995年提出的計(jì)算K值方法較好，該方法使用的數(shù)據(jù)為土壤有機(jī)碳和顆粒組成數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在中國的土壤普查資料可以查到，因此在中國該方法最為適用。 公式如下［10，11，14］：

式中 fcsand為砂土土壤侵蝕因子；fcl-si為黏土土壤侵蝕因子；forgc為土壤有機(jī)質(zhì)因子；fhisand為高砂質(zhì)土壤侵蝕因子；sd為砂土含量百分?jǐn)?shù)；si為粉砂含量百分?jǐn)?shù)；cl為黏土含量百分?jǐn)?shù)；c為有機(jī)碳含量百分?jǐn)?shù)。

根據(jù)以上方法，可確定表1中所示的參數(shù)，并按照數(shù)據(jù)庫需要的格式輸入至usersoil表中，從而構(gòu)建完成SWAT模型的物理屬性參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

3 結(jié)語

模型參數(shù)的確定是模型得以運(yùn)行應(yīng)用的前提。本文通過收集資料，在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地闡述了SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫的建立方法，經(jīng)過土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)化、SPAW軟件估算部分參數(shù)等步驟建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫，確定了各參數(shù)的數(shù)值及其閾值范圍，把建立好的數(shù)據(jù)庫參數(shù)按照SWAT需要的格式輸入模型中，為進(jìn)一步使用SWAT模型進(jìn)行模擬分析奠定了很好的基礎(chǔ)。

［1］賴格英，吳敦銀，鐘業(yè)喜，等.SWAT模型的開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（3）：243-251.

［2］楊桂蓮，郝芳華，劉昌明，等.基于 SW AT模型的基流估算及評(píng)價(jià)［J］.地理科學(xué)進(jìn)展， 2003， 22（5）.

［3］劉昌明，李道峰，田英，等.基于 DEM 的分布式水文模型在大尺度流域應(yīng)用研究［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2003，22（5）：437-445.

［4］呂喜璽，沈榮明.土壤可蝕性因子 K值的初步研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)， 1992， 6（1）：63-70.

［5］蔡永明，張科利，李雙才.不同粒徑制間土壤質(zhì)地資料的轉(zhuǎn)換問題研究［J］.土壤學(xué)報(bào)， 2003（4）.

［6］王紹強(qiáng)，劉紀(jì)遠(yuǎn)，于貴瑞.中國陸地土壤有機(jī)碳蓄積量估算誤差分析［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2003， 14（5）： 797-802.

［7］Saxton K E， Rawls W J.Soil water characteristic estimates by texture and organic matter for hydrologic solutions［J］.Soil Science Society of America Journal， 2006， 70 （5）：1569-1578.

［8］賀維.SWAT模型在晉西黃土區(qū)小流域中的應(yīng)用研究 ［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2007.

［9］陳臘嬌.基于SWAT模型的土地利用/覆被變化產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)模擬［D］.金華：浙江師范大學(xué)，2007.

［10］鄒悅.基于 SWAT模型的疏勒河中游徑流模擬研究［D］.蘭州：西北師范大學(xué)，2012.

［11］胡雅杰.基于 SWAT模型的環(huán)江流域徑流模擬研究［D］.蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

［12］劉寶元，張科利，焦菊英.土壤可蝕性及其在侵蝕預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.自然資源學(xué)報(bào)， 1999， 14（4）： 345-350.

［13］Williams J R.Sharply A N.EPIC-Erosion Productivity Impact CacalatorⅠ.Model Documentation ［J］.US Department of Agriculture Technical Bulletin， 1768 （1990）.

［14］何旭強(qiáng).基于 SWAT模型的黑河上游徑流模擬及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)［D］.蘭州：西北師范大學(xué)，2013.

Construction method of SWAT model soil physical property database

LIU Qin1，WANG Wen-tao2
（1.College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China； 2.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower， Tianjin 300250， China）

SWAT model is widely used.It is a comprehensive， distributed， and physical mechanism-based model integrated with GIS.SWAT model can be used to simulate the hydrological situation of watershed accurately and has already been applied to various regions in China.However，the original soil property database of the SWAT model is not consistent with the real situation of China.This study aims to construct the soil property database suitable to China.The transformation of soil texture was analyzed.The construction methods of physical property parameters for soil property database were performed based on the SPAW software.The results demonstrate that the method used in this study can offer proper tool to establish soil property database for China，as well as to further employ the SWAT model.

SWAT model； soil database； SPAW software

S152

B

1672-9900（2015）06-0040-03

2015-10-9

劉 欽（1988-），男（漢族），河北任丘人，碩士，主要從事水文水資源方向研究，（Tel）18394188290。