基于SWAT模型的海河南系獨流減河流域基礎數據庫構建

王妍溪，劉瓊瓊

（1.天津環科瞻云科技發展有限公司；2.天津市環境保護科學研究院，天津 300191）

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美國農業部（USDA）的農業研究中心開發，以遙感與地理信息技術為基礎，進而獲取地理空間信息，模擬流域范圍內的水文及物理化學作用。SWAT模型可以評估流域管理中各種決策的實用性，它已經成為水資源保護管理過程中不可或缺的工具[1]。在國外，SWAT模型被廣泛應用到流域水循環研究中，近幾年我國也開利用SWAT模型進行水質模擬應用。SWAT模型所需的數據有地形、土壤、土地利用、氣象、水文等，人們可以根據不同的研究目的，建立不同的數據庫。由于國外數據庫標準與國內不同，為了更好地適應軟件進行流域模擬，人們需要以研究區為基礎，重新進行符合SWAT模型讀取的數據庫建立。本文以海河南系獨流減河流域為例，系統全面地介紹構建SWAT模型基礎數據庫的過程。

1 研究區概況

獨流減河是人工開挖的具有防洪分流功能的河道，承接了上游子牙河、大清河上游（河北段）的泄洪來水。獨流減河是海河南系天津段貫穿東西的最大平原型人工河道，河道寬約1 km，大部分河段水深一般不大于1 m，河槽寬淺、河流滯緩。獨流減河地理上位于海河下游濱海地區且農灌溝渠發達，流域自然地貌上河渠、濕地、洼淀、湖庫相連，構成了“溝渠河網縱橫，洼淀濕地輝映”的河濕交錯的濱海河流系統。獨流減河作為天津市空間格局中南部生態帶的主軸，連接了北大港和團泊洼兩個濕地與鳥類自然保護區，且其本身部分河段也屬于自然保護區，具有特殊的生態重要性。

2 流域劃分

2.1 基于ArcGIS水文工具進行流域劃分

首先，利用ArcGIS的Hydrology工具模塊劃分流域成多個子流域，以DEM數據為基礎進行填洼操作。由于天津地處平原地區，高程變化并不明顯，為了提高軟件對流域劃分結果的有效性和準確性，需要將矢量處理后的河網數據疊合填洼處理后的DEM進行“burn-in”處理，再對流域范圍內的河流流向和匯流能力進行計算，從而提取出流域邊界。然后，結合海河南系流域的實際匯流情況、行政區劃邊界，對Hydrology工具模塊劃分的流域結果進行調整，最終將海河南系獨流減河流域劃分為多個子流域。

2.2 自定義SWAT模型子流域

天津地處華北平原北部，地勢較為平坦，研究區域內高程差別較小，僅通過SWAT模型進行子流域劃分難度較大，流域劃分結果與實際情況容易產生較大差別。獨流減河是引泄入海的人工河道，兩側二級河道水污染均有所排入，流域內河道流向人為干預性較強，與自然形成的流域有較大不同。直接將子流域劃分結果導入模型中無法使用，為適應SWAT模型軟件中流域流向特點，故需要人為將獨流減河所在區域進行分割，人工將獨流減河河段拆分為20段，兩側河道流入獨流減河內的某一段中，最后將各分段進行連接，形成完整的河道流向。故模型中流域內劃分流域由開始的二級河道流域拓展至57個，其流向如圖1所示。

在Watershed Delineation中導入已劃分流域，利用Pre-defined自定義選取Stream dataset和Watershed dataset。在輸入模型之前，需要嚴格按照SWAT模型數據標準進行屬性表修改，各字段數據類型、列表順序也需要與數據庫情形完全一致。在定義河道屬性時，要緊密結合已經定義的子流域屬性表，尤其是河道水系屬性表中的FORM_CODE（河段起始流域）和TO_NODE（河段終止流域）兩個字段的內容要與子流域屬性表中的GRIDCODE（流域編號）屬性表完全符合。否則難以進行流域計算，不能生成SWAT模型可讀取的子流域與河道水系信息。

圖1 海河南系獨流減河流域子流域劃分結果

3 基于SWAT模型的HRU劃分

3.1 土地利用數據庫構建

土地利用類型數據庫是SWAT模型中建立的必要數據庫之一，反映了不同用地類型的植被覆蓋情況及水文特性。以同一年的冬季、夏季的遙感影像為地圖，利用ENVI軟件進行人工解譯，確定海河南系獨流減河流域內的土地利用/土地覆蓋的情況，將流域范圍劃分為耕地、林地、草地、建設用地和水體等多種土地利用類型[2]。由于SWAT模型中土地利用類型和我國二調分類中的土地利用類型存在差異，人們需要按照SWAT模型中的分類情況對已分類結果進行對應的重新分類，建立相應的索引表，使得重分類結果能被SWAT模型所讀取。

3.2 土壤數據庫構建

SWAT模型中用到的土壤數據主要涉及土壤密度、土壤厚度和土壤含水量，以及各層土壤顆粒含量組成含水率、孔隙率和飽和水力傳導參數。土壤的物理化學屬性決定了各層土壤和各土壤層之間的水氣運動情況，是綜合計算流域水循環情況的重要支撐數據。土壤數據的準確與否會對模型的模擬結果產生重要影響，構建土壤數據庫是SWAT建模前期處理過程的關鍵。已有的土壤普查資料存在將不同的土壤質地分類標準相互轉換的問題，土壤顆粒分類美國制標準為：黏粒（＜0.002 mm）、粉砂（0.002～0.050 mm）、砂粒（0.050～2.000 mm）、礫石（＞2.000 mm）。本次構建海河南系獨流減河流域基礎數據庫采用世界土壤數據庫（HWSD），其標準USDA與SWAT模型中使用標準一致，所以不用進行標準之間的轉換，直接進行SWAT模型土壤數據庫的建立。

部分參數值可以通過HWSD土壤數據庫查詢獲得，部分參數值可以通過軟件SPAW軟件或者利用經驗公式計算獲得。利用SPAW軟件計算的參數需要輸入 Sand（T_SAND）、Clay（T_CLAY）、Gravel（T_GRAVEL）、Organic Matter（有機物含量SOL_CBN，默認T_OC/0.58）、Salinity（上層鹽度T_ECE，默認0或對應0.1），輸出結果從Soil Characteristics框中獲取，獲取數據為TEXTURE、SOL_BD（Matric Bulk Density）、SOL_AWC（Field Capacity-Wilting Point）、SOL_K（Sat. Hydraulic Cond.）。對于土壤水文學分組（HYDGRP），根據飽和水利傳導系數計算最小下滲率X；對于土壤可蝕性因子（USLE_K），采用Williams等在EPIC模型中的估算方法。經計算完成的土壤數據庫參數對SWAT模型中的usersoil數據庫進行修正，即得到海河南系獨流減河土壤數據庫。

3.3 HRUs的計算

以已經建立的土地利用分類數據庫和土壤數據庫為基礎，進行坡度的輸入操作，由于海河南系獨流減河區域屬于天津市平原區，流域范圍內坡度不太明顯，故采用默認單一坡度值。在坡度設定完成后，疊加土地利用分類結果、土壤數據分布情況進行分析計算，SWAT模型將最終計算出流域范圍內的全部HRUs。

4 氣象數據庫構建

在HRUs計算完成后，需要在SWAT模型中構建氣象數據庫。本次氣象數據庫的構建以CMADS數據集為基礎[3]，CMADS（The China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model）數據集按照SWAT模型輸入驅動數據格式進行了格式整理與修正，該數據集可以直接導入SWAT模型使用，不再需要前期進行格式轉換。利用空間位置查找功能，篩選研究區周邊范圍內的氣象站點，記錄站點STATIONID，海河南系獨流減河流域內共計選取氣象站點7個。通過記錄的站點名稱，查找各氣象因素的FORK屬性值，并建立符合研究區的FORK表。再次通過記錄的站點名稱，查找氣象數據必備的五個要素，即Relative-Humidity（日平均相對濕度（fraction））、Precipitation（日24 h累計降水量）、Solar radiation（日平均太陽輻射）、Temperature（日最高最低氣溫）和Wind（日平均風速），并在SWAT模型中讀取全部文件即可完成氣象數據庫的構建。

5 結論

通過對上述基礎數據庫的建立，海河南系獨流減河流域基礎數據庫的構建已經全部完成，模型可以順利進行模擬分析。本文以ArcGIS水文工具為基礎進行了海河南系獨流減河子流域的劃分，并自定義導入進入SWAT模型，通過構建土地利用類型數據庫、土壤數據庫和天氣數據庫，順利完成海河南系獨流減河流域中的HRUs計算，為海河南系獨流減河水循環模擬研究奠定了基礎，同時為高程起伏較小的平原地區采用SWAT模型開展流域分析提供了參考。