三峽庫(kù)區(qū)典型小流域SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

侯偉廖曉勇張巖 薛輝徐磊

（①③④⑤西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院 西藏拉薩850000②中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 四川成都610041）

三峽庫(kù)區(qū)典型小流域SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

侯偉①廖曉勇②張巖③薛輝④徐磊⑤

（①③④⑤西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院 西藏拉薩850000②中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 四川成都610041）

文章以三峽庫(kù)區(qū)典型小流域——陳家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建了陳家溝小流域SWAT模型空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)地形圖數(shù)字化處理、土地利用方式重新編碼及土壤類(lèi)型自定義化細(xì)分，構(gòu)建了空間數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)查閱《萬(wàn)縣地區(qū)土種志》，運(yùn)用軟件和經(jīng)驗(yàn)公式，利用實(shí)測(cè)和調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建了屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。陳家溝小流域SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，為模型在此流域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

SWAT模型；空間數(shù)據(jù)庫(kù)；屬性數(shù)據(jù)庫(kù)；構(gòu)建；陳家溝小流域

SWAT模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局開(kāi)發(fā)的以天空為步長(zhǎng)的連續(xù)空間分布式流域尺度模型，具有較強(qiáng)的物理基礎(chǔ)，能夠較好地完成空間數(shù)據(jù)的分析、處理和模擬。該模型主要用于模擬整個(gè)流域內(nèi)的徑流、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物以及農(nóng)藥的遷移運(yùn)動(dòng)，預(yù)測(cè)土地管理措施對(duì)水量、水質(zhì)的影響，從而進(jìn)一步評(píng)估整個(gè)流域范圍內(nèi)的水量平衡和水質(zhì)狀況[1-3]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于森林水文、土壤侵蝕、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染及土地管理等方面。由于該模型是根據(jù)北美地區(qū)的土壤、植被、氣象、水文等特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)，因此在其他地區(qū)運(yùn)用時(shí)，應(yīng)建立研究區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和滿(mǎn)足SWAT模型對(duì)于數(shù)據(jù)格式的要求。本文以三峽庫(kù)區(qū)典型小流域—陳家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，系統(tǒng)介紹SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，為模型的進(jìn)一步應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陳家溝小流域位于三峽庫(kù)區(qū)重慶市萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)嶺鎮(zhèn)，地處長(zhǎng)江一級(jí)支流五橋河流域左岸，屬長(zhǎng)江二級(jí)

支流。流域面積8.0km2，相對(duì)高差580m。研究區(qū)域?qū)賮啛釒駶?rùn)性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量1100mm，降雨集中在5～10月，約占年降雨量的70%；年均日照時(shí)數(shù)為924h；典型紫色土丘陵區(qū)，地勢(shì)東南高、西北低，分布有十余條支溝，溝壑縱橫，地形復(fù)雜。土地利用方式以林地和耕地為主，其中林地占流域面積的35.60%，耕地占50.62%。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，現(xiàn)有植被為人工次生林、灌叢和草被。森林植被主要有馬尾松、柏木、石櫟、桉樹(shù)、刺槐、馬桑、黃荊、白茅、旱蓑等，農(nóng)作物主要有水稻、小麥、油菜、玉米、紅苕等。

2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

2.1 流域DEM的獲取

地形數(shù)據(jù)來(lái)源于陳家溝小流域1：10000地形圖，數(shù)字化等高線(xiàn)后，建立數(shù)字高程模型，DEM柵格分辨率為5m×5m（見(jiàn)圖1）。具體過(guò)程為：首先數(shù)字化等高線(xiàn)、高程點(diǎn)矢量圖，并賦予高程值；其次運(yùn)用三角化不規(guī)則網(wǎng)TIN方法，將矢量圖經(jīng)柵格化插值處理生成TIN數(shù)據(jù)格式，將TIN格式轉(zhuǎn)換成格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并將分辨率設(shè)置為5m；最后將柵格轉(zhuǎn)換成USGS格式的DEM。

2.2 土地利用圖處理

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于landsat7影像數(shù)據(jù)。采用ERDAS9.2軟件對(duì)覆蓋研究區(qū)域的ETM影像進(jìn)行融合增強(qiáng)處理，對(duì)處理后的影像進(jìn)行非監(jiān)督分類(lèi)后，室內(nèi)解譯；然后，根據(jù)室內(nèi)解譯結(jié)果到研究區(qū)域?qū)嵉嘏凶x。按照SWAT模型運(yùn)行需要，將各土地利用方式進(jìn)行了重新編碼，最后轉(zhuǎn)換成Grid格式。獲得該研究區(qū)土地利用方式有7種，詳見(jiàn)圖2和表1。

圖1 陳家溝小流域DEM

圖2 陳家溝小流域土地利用圖

表1 土地利用方式及面積統(tǒng)計(jì)表

2.3 土壤類(lèi)型圖處理

土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)是生成水文響應(yīng)單元的基礎(chǔ)，主要包括不同土壤類(lèi)型分布的面積和周長(zhǎng)。陳家溝小流域土壤類(lèi)型主要有紫色土和水稻土，但由于該流域面積較?。s8.0km2），為提高模擬精度，把紫色土又細(xì)分為砂壤質(zhì)紫色土、砂質(zhì)粘壤紫色土、壤質(zhì)紫色土和粘壤質(zhì)紫色土。對(duì)土壤類(lèi)型進(jìn)行了重新編碼，使其符合SWAT模型運(yùn)算的要求。詳見(jiàn)圖3和表2。

表2 土壤類(lèi)型及面積統(tǒng)計(jì)表

圖3 陳家域土壤類(lèi)型圖

3 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

3.1 土壤屬性數(shù)據(jù)的獲取

土壤屬性數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定了SWAT模型模擬的結(jié)果，因此土壤屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建至關(guān)重要。SWAT模型需要輸入的土壤屬性數(shù)據(jù)可分為物理屬性數(shù)據(jù)和化學(xué)屬性數(shù)據(jù)[4]。

3.1.1 土壤物理屬性的獲取

物理屬性數(shù)據(jù)主要包括土壤水文分組、砂石、黏土、土層厚度、有效含水量、有機(jī)碳、容積密度、飽和水力傳導(dǎo)率等。部分參數(shù)查閱《萬(wàn)縣地區(qū)土種志》獲取，而另一部分需要通過(guò)計(jì)算、軟件的經(jīng)驗(yàn)公式獲取。3.1.1.1土壤水文分組確定

根據(jù)土壤滲透性，將土壤分為A、B、C、D四類(lèi)，同一土壤水文分組是指在降雨和地表覆蓋相似的條件下，具有相似產(chǎn)流能力的土壤，具體分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 土壤水文組劃分標(biāo)準(zhǔn)

土壤滲透系數(shù)計(jì)算方法采用公式[5]：

式中，X為滲透系數(shù)，Y為土壤平均顆粒直徑。

3.1.1.2 土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)換

查閱《萬(wàn)縣地區(qū)土種志》獲取的土壤顆粒組成采用的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際制標(biāo)準(zhǔn)，而SWAT模型采用的土壤粒徑級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)是USDA美制標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)土壤質(zhì)地進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本研究采用MATLAB軟件進(jìn)行三次樣條插值法將國(guó)際制轉(zhuǎn)換成美制標(biāo)準(zhǔn)。土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示[6]。

表4 土壤顆粒分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1.3 土壤水分參數(shù)的確定

采用轉(zhuǎn)換后的土壤粒徑組成及鹽度、有機(jī)質(zhì)等數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPAW軟件中SWCT模塊計(jì)算凋萎系數(shù)、田間持水量、飽和度、土壤容重、飽和導(dǎo)水率等參數(shù)[7]，其中有效田間持水量計(jì)算方法采用公式：SOL_AWC=FC-WP，式中，F(xiàn)C為田間持水量，WP為凋萎系數(shù)。

3.1.1.4 土壤侵蝕因子K值的計(jì)算

土壤侵蝕因子K值是土壤抵抗徑流沖刷能力大小的一個(gè)相對(duì)綜合參數(shù)，與土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)、土壤滲透性等有密切關(guān)系。本研究采用EPIC模型進(jìn)行計(jì)算[8]（計(jì)算結(jié)果為英制，需乘以0.1317轉(zhuǎn)為公制），計(jì)算公式如下：

式中，fcsand為粗粒砂土含量高的土壤侵蝕因子；fcl-si為粘壤土土壤侵蝕因子；forgc為有機(jī)碳含量高的土壤侵蝕因子；fhisand為含砂量極高的土壤侵蝕因子。各因子通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

式中：ms為沙土顆粒百分含量；msilt為壤土顆粒百分含量；mc為黏土顆粒百分含量；orgC為土壤層中有機(jī)碳百分含量。

3.1.1.5 土壤反射率的計(jì)算

土壤反射率（α）指裸露土壤表面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率。本研究采用余煒敏提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[9]：

式中：OM表示土壤有機(jī)質(zhì)百分含量。

3.1.1.6 其它土壤物理參數(shù)的確定

土壤層數(shù)、土壤剖面最大根系深度、土壤表層到土壤底層深度、有機(jī)質(zhì)含量等參數(shù)參考《萬(wàn)縣地區(qū)土種志》獲取。至此，土壤物理屬性數(shù)據(jù)已全部確定。

3.1.2 土壤化學(xué)屬性的獲取

因研究區(qū)土壤類(lèi)型只有紫色土和水稻土，人為干擾大，故按土地利用方式統(tǒng)計(jì)土壤化學(xué)屬性，進(jìn)而輸入SWAT模型相應(yīng)模塊，土壤化學(xué)屬性見(jiàn)表5。

表5 土壤化學(xué)屬性

3.2 氣象參數(shù)的獲取

運(yùn)行SWAT模型需輸入多年逐日氣象數(shù)據(jù)，主要包括逐日降水量、最高和最低氣溫、太陽(yáng)輻射量、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速等，可利用萬(wàn)州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入，其中太陽(yáng)輻射值需通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。

采用光輻射與日照時(shí)數(shù)的經(jīng)典方法模式進(jìn)行逐日太陽(yáng)輻射量計(jì)算[10-11]。首先計(jì)算大氣上空太陽(yáng)輻射量，公式為：

式中：Isc為太陽(yáng)常數(shù)(4.921MJ·m-2·h-1)；E0為地球軌道偏心率矯正因子，ω為地球自轉(zhuǎn)的角速度(0.2618radh-1)，TSR為日出時(shí)數(shù)。

E0的計(jì)算公式為：

式中：r0為平均日地距離（1AU）；r為任意給定天的日地距離（AU）；dn為該年的天數(shù)，從1到365，二月假設(shè)28天。

δ由PerrindeBrichambaut提出的公式進(jìn)行計(jì)算：

其次，計(jì)算在理想狀態(tài)下（晴空狀態(tài)）大氣上空太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層到達(dá)地面的輻射量。采用計(jì)算公式：

式中：Hl為晴天狀態(tài)下的地面總輻射。

最后，逐日太陽(yáng)輻射量利用Angtrom-Prescott方程[13]計(jì)算：

式中：H為日實(shí)測(cè)總輻射；S和SL分別為日照時(shí)數(shù)和日長(zhǎng)；a和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。本文采用左大康等[14]根據(jù)我國(guó)不同類(lèi)型地區(qū)實(shí)測(cè)總輻射和日照百分率的月平均值和晴天狀態(tài)下的月總輻射資料計(jì)算得到a為0.248，b為0.752。

3.3 作物參數(shù)及管理措施的獲取

陳家溝小流域農(nóng)作物有水稻、油菜、小麥、玉米、紅苕、大豆、花生等，根據(jù)《萬(wàn)縣農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃資料匯編（中篇）》和陳家溝農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果，選用流域內(nèi)主要農(nóng)作物水稻、油菜、玉米和小麥為研究對(duì)象獲取作物參數(shù)，其中水稻與油菜輪作，小麥與玉米輪作。作物管理措施見(jiàn)表6。

表6 作物管理措施

施肥對(duì)于非點(diǎn)源污染的模擬至關(guān)重要。萬(wàn)州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的農(nóng)戶(hù)調(diào)查資料表明該流域施用的化肥主要是碳銨、過(guò)磷酸鈣和尿素，氮肥平均施用量312.8kg·ha-1，磷肥79.2kg·ha-1。

4 結(jié)語(yǔ)

SWAT模型的運(yùn)用所需參數(shù)較多，其模擬精度依賴(lài)于參數(shù)的準(zhǔn)確性。本文以三峽庫(kù)區(qū)典型小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，系統(tǒng)介紹了SWAT模型空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建方法。SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，期望為模型在研究區(qū)模擬徑流、產(chǎn)沙及非點(diǎn)源污染等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]張銀輝.SWAT模型及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2005,24(5):121-130.

[2]郝芳華,程紅光,楊勝天.非點(diǎn)源污染模型理論方法與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)環(huán)境出版社.2006:23-25.

[3]張榮飛,王建力,李昌曉.土壤、水文綜合工具（SWAT）模型的研究進(jìn)展及展望[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(4):137-142.

[4]魏懷斌,張占龐,楊金鵬.SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法[J].水利水電技術(shù),2007,38(6):15-18.

[5]車(chē)振海.試論土壤滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式和曲線(xiàn)圖[J].東北水利水電,1995(9):17-19.

[6]張楠,秦大庸.SWAT模型土壤粒徑轉(zhuǎn)換的探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2007,13(3):168-169,172.

[7]Saxton KE,Raw lsW J.Soilwater characteristic estimatesby texture and organicmatter for hydrologic solutions[J].Soil Science Society of American Journal,2006,70(5):1569.

[8]史學(xué)正,于東升,邢廷炎,等.用田間實(shí)測(cè)法研究我國(guó)亞熱帶土壤的可蝕性K值[J].土壤學(xué)報(bào),1997,34(4):399-405.

[9]余煒敏.三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染及其模擬研究[D].重慶:西南農(nóng)業(yè)大學(xué),2005:22-29.

[10]Neitsch,S.L.,Arnold,J.G.,Kiniry,J.R.,et al.Soil and water assessment tool theoretical documentation version 2000[M].College Station:TexasW ater Resources Institute,2002:131-134.

[11]Duffie,J.A.,Beckman,W.A.Solar engineering of thermalprocesses[M].New York:W iley,1980:34-39.

[12]郝芳華,張雪松,程紅光,等.分布式水文模型亞流域合理劃分水平芻議[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(4):75-78.

[13]MorrisMD.Factorialsampling plans for prelim inary computationalexperiments[J].Technometrics,1991,33(2):161-174.

[14]左大庚,王懿賢,陳建綏.中國(guó)地區(qū)太陽(yáng)光輻射的空間分布特征[J].氣象學(xué)報(bào),1963,33(1):78-96.

Construction of Basic Database for SWATM odelof the Typical Small W atershed in Sanxia Reservoir Area

Hou-wei①Liao Xiao-yong②Zhang-yan③Xue-hui④Xu-lei⑤
（①③④⑤Forestry Inventory and Planning Instituteof TibetAutonomousRegion,Lhasa 850000,China;②InstituteofMountain Hazardsand Environment,Chinese Academy of Sciences&Ministry ofWater Conservancy,Chengdu 610041,China）

A typical smallwatershed in Sanxia area-Chenjiagou smallwatershed as the research object,spatial and attribute database were constructed for SWATmodel of Chenjiagou smallwatershed.The spatial database was constructed based on the processing the topographicmap digitally,re-encoding the land use pattern and sub?dividing the customized soil type.The attribute databasewas constructed by looking at the‘soilspecies inWanx?ian area’,using software and empirical formula for calculating and usingmeasurement and investigated data. The SWATmodel based database construction can be the foundation in application of themodel in thiswater?shed.

SWATmodel;spatialdatabase;attribute database;construction;Chenjiagou smallwatershed

10.16249/j.cnki.54-1034/c.2015.02.019

P208

A

1005-5738(2015)02-118-07

[責(zé)任編輯：索郎桑姆]

2015-09-21

侯偉，男，漢族，河南駐馬店人，西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院助理工程師，主要研究方向?yàn)樯炙?、荒漠化研究?/p>