SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

朱 燁，方秀琴，王 凱

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

朱 燁1，方秀琴1，王 凱1

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

針對(duì)SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，以陜西省延河流域?yàn)槔?，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的研究和國(guó)外的一些軟件，以延河流域現(xiàn)有的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)說(shuō)明了SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證，率定期和驗(yàn)證期的納什系數(shù)都達(dá)到了0．6以上，為SWAT模型在我國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)的應(yīng)用提供了一個(gè)參考。

SWAT模型；數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建；延河

SWAT（soil and water assessment tool）模型是20世紀(jì)90年代由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)中心在SWRRB模型基礎(chǔ)上研制并開發(fā)的一個(gè)長(zhǎng)時(shí)段的分布式流域水文模型[1-2]，具有很強(qiáng)的物理基礎(chǔ)。在國(guó)外，特別是在美國(guó)和加拿大的北美寒區(qū)，SWAT模型得到了廣泛的應(yīng)用[3]。近年來(lái)，SWAT模型的應(yīng)用在我國(guó)也逐漸發(fā)展起來(lái)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[4]。由于SWAT模型可以對(duì)流域管理中各種決策的實(shí)用性進(jìn)行評(píng)估，已經(jīng)成為水資源保護(hù)管理規(guī)劃中不可或缺的工具[5]。

然而，SWAT模型在運(yùn)行過(guò)程中需要大量的相關(guān)數(shù)據(jù)（包括土地利用、土壤屬性、氣象等），而且國(guó)外的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)的也不一致，應(yīng)用時(shí)需要重新構(gòu)建適用國(guó)內(nèi)研究的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，由于SWAT模型的軟件復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)以及各種數(shù)據(jù)文件的格式要求比較嚴(yán)格，為此本文以陜西省延河流域?yàn)槔?，全面系統(tǒng)地介紹了SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程，以推進(jìn)SWAT模型在北方干旱半干旱區(qū)域的應(yīng)用。

1 研究區(qū)域概況

延河位于黃河右岸、中游區(qū)上段的河口鎮(zhèn)至龍門段，是黃河的一級(jí)支流。在東經(jīng)108°44～110°29'以及北緯36°22'～37°18'之間，發(fā)源地為陜西靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)的周山，全長(zhǎng)285．3 km，流域面積7 723 km2。平均坡度為4．3%，河網(wǎng)密度約為4．5 km/km2，西川、蟠龍川以及杏子河是延河的主要支流。延河流域所處的黃土高原東南部為半濕潤(rùn)氣候向半干旱氣候的過(guò)渡帶，水土流失是該區(qū)最主要的生態(tài)問(wèn)題之一。

2 SWAT數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

SWAT模型模擬計(jì)算需要大量、詳細(xì)的相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，主要包括DEM、土地利用圖、土壤圖等圖件，以及水文數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)、土地利用屬性、土壤屬性數(shù)據(jù)等。為了滿足SWAT模型對(duì)輸入資料的要求，應(yīng)使所有的空間數(shù)據(jù)具有相同的地理坐標(biāo)和投影。考慮到研究區(qū)域的大小及形狀，本文采用變形較小的UTM分帶投影、WGS84橢球體，因延河流域位于UTM的北49帶，故投影系統(tǒng)為UTM WGS84 49N。

2.1 土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)

土地利用類型是重要的流域下墊面信息，反映了不同的土地覆被及水文特性，對(duì)確定產(chǎn)流非常重要，是模型模擬的關(guān)鍵輸入之一[6]。根據(jù)延河流域的特點(diǎn)，確定土地覆蓋/土地利用的類型分別為水體、城鄉(xiāng)用地、林地、耕地、草地和未利用地6類，每一類別的具體描述及SWAT重新分類編碼如表1所示。

表1 土地利用分類情況

2.2 土壤數(shù)據(jù)庫(kù)

土壤類型分布以及土壤屬性參數(shù)在分布式模型里至關(guān)重要[7]，控制著土壤對(duì)流域內(nèi)部水量的調(diào)節(jié)，影響降水在土壤中的下滲、側(cè)向運(yùn)動(dòng)等過(guò)程，因此，土壤屬性的精度極大地影響了模型的模擬精度。研究使用的土壤類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤分中心的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（http://www．soil．csdb．cn）。研究區(qū)共有1個(gè)土綱、4個(gè)土類、6個(gè)亞類，主要為沖積土、新積土、粗骨土、紅粘土、黃綿土等，流域內(nèi)的土壤類型分布圖如圖1所示。

圖1 流域土壤類型圖

土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中粘粒分布、分層、層厚度、層有機(jī)質(zhì)可以從土壤原數(shù)據(jù)中得到，但是另外一些參數(shù)則需要通過(guò)計(jì)算、軟件或者經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)得到。如下所述：

1）土壤粒徑的匹配。土壤粒徑大小對(duì)土壤水力學(xué)性質(zhì)有直接的影響[8]，由于收集到的土壤資料使用的土壤粒徑標(biāo)準(zhǔn)與SWAT模型采用的USDA簡(jiǎn)化的美制標(biāo)準(zhǔn)不匹配，因此需要對(duì)已有的粒徑進(jìn)行重新分級(jí)。分級(jí)的主要依據(jù)是土壤中粒徑的累積頻率曲線，并通過(guò)累積頻率曲線來(lái)完成從一個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)到另一個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。經(jīng)測(cè)試，本研究決定以半對(duì)數(shù)坐標(biāo)作為累積頻率曲線圖的橫坐標(biāo)，插值換算方法采用光滑不等距插值。實(shí)驗(yàn)證明，這樣的組合實(shí)現(xiàn)粒徑級(jí)配轉(zhuǎn)換效果較好，可以滿足模型對(duì)土壤粒徑分級(jí)的要求，分級(jí)后得到的結(jié)果如表2所示。

表2 延河流域土壤質(zhì)地

2）土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中土層可利用有效水（SOL-AWC）和飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)（SOL-K1）利用土壤水特性軟件SPAW中的Soil－Water－Characteristics模塊根據(jù)粘粒的分布情況、有機(jī)質(zhì)等參數(shù)計(jì)算求得。

3）水文單元組（HYDGRP）的確定。1966年，來(lái)自美國(guó)的自然資源保護(hù)局（NRCS）通過(guò)研究土壤中的滲透信息，將水文單元組劃分為4種不同的類別。當(dāng)土壤處于相當(dāng)濕潤(rùn)且沒(méi)有被凍住的情況下，最低滲透率對(duì)土壤的產(chǎn)流力影響較大，其中包括不同季節(jié)的水文深度、飽和狀態(tài)下的傳導(dǎo)率和下滲的深度等[9]。表3為研究得到的土壤水文單元組定義。

土壤滲透系數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式算出。

其中，X為土壤滲透系數(shù)；Y為土壤平均顆粒直徑值。新建EXCEL文件水文單元組，輸入相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合表3及飽和導(dǎo)水率，確定各個(gè)土壤類型的所屬水文單元組。

土壤可蝕性因子K的確定。當(dāng)其他影響侵蝕的因子不變時(shí)，K因子反映了不同類型土壤抗侵蝕能力的高低[10]，該值的變化幅度為0．02-0．75。在1995年，Williams研究得到了下列方程[11]：

式中，fcsand為沙土性土壤的侵蝕系數(shù)；fcl-ci為黏土性土壤的侵蝕系數(shù)；forgc為土壤中的有機(jī)質(zhì)系數(shù)；fhisand為高沙質(zhì)性土壤的侵蝕系數(shù)。各個(gè)系數(shù)的計(jì)算方式如下：

式中，ms是粒徑在0.05 mm～2.00 mm范圍內(nèi)的沙粒百分比；msilt是粒徑在0.002 mm～0.05mm的細(xì)沙百分比；mc是粒徑小于0.002 mm的粘土百分比；porgc為土壤層中有機(jī)碳的含量。根據(jù)以上公式分別計(jì)算各系數(shù)，然后相乘，得到每種類型土壤所對(duì)應(yīng)的K值。

2.3 氣象水文資料數(shù)據(jù)庫(kù)

本文收集了研究區(qū)內(nèi)以及距離研究區(qū)較近的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)1951～2012年的逐日氣象資料，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣壓、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水和蒸發(fā)等，另外還有流域內(nèi)39個(gè)雨量站1959～2011年的降水?dāng)?shù)據(jù)，5個(gè)觀測(cè)記錄比較全的水文站的1959～2011年的流量數(shù)據(jù)。針對(duì)氣象資料不全或者缺失情況，利用SWAT中自帶的天氣發(fā)生器（WXGEN）來(lái)模擬相應(yīng)年份的氣象數(shù)據(jù)，得到連續(xù)的水文過(guò)程模擬[12]。

3 模型率定與驗(yàn)證

在以上構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型的率定與驗(yàn)證，模型的率定期為1980～1985，驗(yàn)證期為1986～1989。模型率定期和驗(yàn)證期的效率系數(shù)NS均在0．6以上。另外，兩個(gè)時(shí)期的相關(guān)系數(shù)R2都在0．83以上。為了更直觀地展示SWAT模型的模擬效果，模型率定期和驗(yàn)證期的水文過(guò)程線如圖2所示。

圖2 月徑流量過(guò)程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

在SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程中，最重要的是土壤數(shù)據(jù)庫(kù)和氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，是SWAT模型模擬的基礎(chǔ)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的質(zhì)量決定了SWAT模型模擬與預(yù)測(cè)的精度。研究過(guò)程中要利用好SPAW模型、土壤粒徑分級(jí)工具和SWAT模型中的天氣發(fā)生器，本次實(shí)驗(yàn)較好地實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)庫(kù)和土壤數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，可為SWAT模型在干旱半干旱區(qū)域的應(yīng)用提供參考。

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1672-4623（2016）12-0015-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.006

朱燁，碩士研究生，主要從事地理信息系統(tǒng)與遙感方面的工作。

2015-08-28。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41201027）。