SWAT模型数据库的构建

朱 烨，方秀琴，王 凯

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100）

SWAT模型数据库的构建

朱 烨1，方秀琴1，王 凯1

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100）

针对SWAT模型数据库标准和国内数据不一致的问题，以陕西省延河流域为例，结合国内外已有的研究和国外的一些软件，以延河流域现有的数据为基础，详细说明了SWAT模型数据库的构建过程，并在此基础上进行模型的率定和验证，率定期和验证期的纳什系数都达到了0．6以上，为SWAT模型在我国北方干旱半干旱地区的应用提供了一个参考。

SWAT模型；数据库构建；延河

SWAT（soil and water assessment tool）模型是20世纪90年代由美国农业部农业研究服务中心在SWRRB模型基础上研制并开发的一个长时段的分布式流域水文模型[1-2]，具有很强的物理基础。在国外，特别是在美国和加拿大的北美寒区，SWAT模型得到了广泛的应用[3]。近年来，SWAT模型的应用在我国也逐渐发展起来，应用范围越来越广[4]。由于SWAT模型可以对流域管理中各种决策的实用性进行评估，已经成为水资源保护管理规划中不可或缺的工具[5]。

然而，SWAT模型在运行过程中需要大量的相关数据（包括土地利用、土壤属性、气象等），而且国外的数据库标准与国内的也不一致，应用时需要重新构建适用国内研究的属性数据库，由于SWAT模型的软件复杂，对数据库以及各种数据文件的格式要求比较严格，为此本文以陕西省延河流域为例，全面系统地介绍了SWAT模型数据库的构建过程，以推进SWAT模型在北方干旱半干旱区域的应用。

1 研究区域概况

延河位于黄河右岸、中游区上段的河口镇至龙门段，是黄河的一级支流。在东经108°44～110°29'以及北纬36°22'～37°18'之间，发源地为陕西靖边县天赐湾乡的周山，全长285．3 km，流域面积7 723 km2。平均坡度为4．3%，河网密度约为4．5 km/km2，西川、蟠龙川以及杏子河是延河的主要支流。延河流域所处的黄土高原东南部为半湿润气候向半干旱气候的过渡带，水土流失是该区最主要的生态问题之一。

2 SWAT数据库的构建

SWAT模型模拟计算需要大量、详细的相关数据作为基础，主要包括DEM、土地利用图、土壤图等图件，以及水文数据、实测气象数据、土地利用属性、土壤属性数据等。为了满足SWAT模型对输入资料的要求，应使所有的空间数据具有相同的地理坐标和投影。考虑到研究区域的大小及形状，本文采用变形较小的UTM分带投影、WGS84椭球体，因延河流域位于UTM的北49带，故投影系统为UTM WGS84 49N。

2.1 土地利用数据库

土地利用类型是重要的流域下垫面信息，反映了不同的土地覆被及水文特性，对确定产流非常重要，是模型模拟的关键输入之一[6]。根据延河流域的特点，确定土地覆盖/土地利用的类型分别为水体、城乡用地、林地、耕地、草地和未利用地6类，每一类别的具体描述及SWAT重新分类编码如表1所示。

表1 土地利用分类情况

2.2 土壤数据库

土壤类型分布以及土壤属性参数在分布式模型里至关重要[7]，控制着土壤对流域内部水量的调节，影响降水在土壤中的下渗、侧向运动等过程，因此，土壤属性的精度极大地影响了模型的模拟精度。研究使用的土壤类型数据来源于中国科学院南京土壤研究所土壤分中心的中国土壤数据库（http://www．soil．csdb．cn）。研究区共有1个土纲、4个土类、6个亚类，主要为冲积土、新积土、粗骨土、红粘土、黄绵土等，流域内的土壤类型分布图如图1所示。

图1 流域土壤类型图

土壤数据库中粘粒分布、分层、层厚度、层有机质可以从土壤原数据中得到，但是另外一些参数则需要通过计算、软件或者经验公式来得到。如下所述：

1）土壤粒径的匹配。土壤粒径大小对土壤水力学性质有直接的影响[8]，由于收集到的土壤资料使用的土壤粒径标准与SWAT模型采用的USDA简化的美制标准不匹配，因此需要对已有的粒径进行重新分级。分级的主要依据是土壤中粒径的累积频率曲线，并通过累积频率曲线来完成从一个分级标准到另一个分级标准的转换。经测试，本研究决定以半对数坐标作为累积频率曲线图的横坐标，插值换算方法采用光滑不等距插值。实验证明，这样的组合实现粒径级配转换效果较好，可以满足模型对土壤粒径分级的要求，分级后得到的结果如表2所示。

表2 延河流域土壤质地

2）土壤数据库中土层可利用有效水（SOL-AWC）和饱和水力传导系数（SOL-K1）利用土壤水特性软件SPAW中的Soil－Water－Characteristics模块根据粘粒的分布情况、有机质等参数计算求得。

3）水文单元组（HYDGRP）的确定。1966年，来自美国的自然资源保护局（NRCS）通过研究土壤中的渗透信息，将水文单元组划分为4种不同的类别。当土壤处于相当湿润且没有被冻住的情况下，最低渗透率对土壤的产流力影响较大，其中包括不同季节的水文深度、饱和状态下的传导率和下渗的深度等[9]。表3为研究得到的土壤水文单元组定义。

土壤渗透系数可根据经验公式算出。

其中，X为土壤渗透系数；Y为土壤平均颗粒直径值。新建EXCEL文件水文单元组，输入相应的参数进行计算，结合表3及饱和导水率，确定各个土壤类型的所属水文单元组。

土壤可蚀性因子K的确定。当其他影响侵蚀的因子不变时，K因子反映了不同类型土壤抗侵蚀能力的高低[10]，该值的变化幅度为0．02-0．75。在1995年，Williams研究得到了下列方程[11]：

式中，fcsand为沙土性土壤的侵蚀系数；fcl-ci为黏土性土壤的侵蚀系数；forgc为土壤中的有机质系数；fhisand为高沙质性土壤的侵蚀系数。各个系数的计算方式如下：

式中，ms是粒径在0.05 mm～2.00 mm范围内的沙粒百分比；msilt是粒径在0.002 mm～0.05mm的细沙百分比；mc是粒径小于0.002 mm的粘土百分比；porgc为土壤层中有机碳的含量。根据以上公式分别计算各系数，然后相乘，得到每种类型土壤所对应的K值。

2.3 气象水文资料数据库

本文收集了研究区内以及距离研究区较近的5个标准气象站点1951～2012年的逐日气象资料，包括最高气温、最低气温、平均气压、日照时数、平均风速、相对湿度、降水和蒸发等，另外还有流域内39个雨量站1959～2011年的降水数据，5个观测记录比较全的水文站的1959～2011年的流量数据。针对气象资料不全或者缺失情况，利用SWAT中自带的天气发生器（WXGEN）来模拟相应年份的气象数据，得到连续的水文过程模拟[12]。

3 模型率定与验证

在以上构建数据库的基础上进行模型的率定与验证，模型的率定期为1980～1985，验证期为1986～1989。模型率定期和验证期的效率系数NS均在0．6以上。另外，两个时期的相关系数R2都在0．83以上。为了更直观地展示SWAT模型的模拟效果，模型率定期和验证期的水文过程线如图2所示。

图2 月径流量过程图

4 结 语

在SWAT模型数据库的构建过程中，最重要的是土壤数据库和气象数据库，是SWAT模型模拟的基础，这两个数据库的质量决定了SWAT模型模拟与预测的精度。研究过程中要利用好SPAW模型、土壤粒径分级工具和SWAT模型中的天气发生器，本次实验较好地实现了气象数据库和土壤数据库的构建，可为SWAT模型在干旱半干旱区域的应用提供参考。

[1] AMOLD J G, WILLIAMS J R, MAIDMENT DR．Continuous-time Water and Sediment-routing Model for Large Basin[J]． Journal of Hydraulic Engineering,1995,121(2):171-183

[2] MISHRA A, KAR S． Modeling Hydrologic Processes and NPS Pollution in a Small Watershed in Subhumid Subtropics Using SWAT[J]． Journal of Hydrologic Engineering,2012,17(3):445-454

[3] NEITSCH S L,ARNOLD J G,KINIRY J R,et al．Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation[M] ．Texas Water Resources Institute,2000

[4] 李占玲,徐宗学．黑河流域上游山区径流模拟及模型评估[J]．北京师范大学学报(自然科学版)． 2010(3):344-349

[5] 郝芳华,程红光,杨胜天． 非点源污染模型-理论方法与应用[M]．北京:中国环境科学出版社,2006．

[6] 史晓亮,杨志勇,严登华,等．滦河流域土地利用/覆被变化的水文响应[J]．水科学进展． 2014(1):21-27

[7] 袁宇志,张正栋,蒙金华．基于SWAT模型的流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响[J]． 应用生态学报, 2015(04):989-998

[8] 管孝艳,杨培岭,吕烨．基于多重分形的土壤粒径分布与土壤物理特性关系[J]． 农业机械学报, 2011(03):44-50

[9] 吴秋菊,吴佳,王林华,等．黄土区坡耕地土壤结皮对入渗的影响[J]．土壤学报, 2015(02):303-311

[10] 吕喜玺,沈荣明． 土壤可蚀性因子K值的初步研究[J]．水土保持学报,1992(1):63-70

[11] WILLIAMS J． Geographic information from space[M]．Chichest:Praxis Publishing,1995

[12] 宁吉才,刘高焕,叶宇,等．SWAT模型降水输入参数的改进研究[J]．自然资源学报, 2012(05):866-875

P208

B

1672-4623（2016）12-0015-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.006

朱烨，硕士研究生，主要从事地理信息系统与遥感方面的工作。

2015-08-28。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41201027）。