侯偉廖曉勇張巖 薛輝徐磊

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

三峽庫區(qū)典型小流域SWAT模型基礎數據庫構建

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)調查規(guī)劃研究院 西藏拉薩850000②中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所 四川成都610041）

文章以三峽庫區(qū)典型小流域——陳家溝小流域為研究對象，構建了陳家溝小流域SWAT模型空間數據庫和屬性數據庫。通過對地形圖數字化處理、土地利用方式重新編碼及土壤類型自定義化細分，構建了空間數據庫。通過查閱《萬縣地區(qū)土種志》，運用軟件和經驗公式，利用實測和調查數據，構建了屬性數據庫。陳家溝小流域SWAT模型數據庫的構建，為模型在此流域的應用奠定了基礎。

SWAT模型；空間數據庫；屬性數據庫；構建；陳家溝小流域

SWAT模型是美國農業(yè)部農業(yè)研究局開發(fā)的以天空為步長的連續(xù)空間分布式流域尺度模型，具有較強的物理基礎，能夠較好地完成空間數據的分析、處理和模擬。該模型主要用于模擬整個流域內的徑流、泥沙、營養(yǎng)物以及農藥的遷移運動，預測土地管理措施對水量、水質的影響，從而進一步評估整個流域范圍內的水量平衡和水質狀況[1-3]，現已廣泛應用于森林水文、土壤侵蝕、農業(yè)非點源污染及土地管理等方面。由于該模型是根據北美地區(qū)的土壤、植被、氣象、水文等特點而開發(fā)，因此在其他地區(qū)運用時，應建立研究區(qū)的基礎數據庫，提高基礎數據的準確性和滿足SWAT模型對于數據格式的要求。本文以三峽庫區(qū)典型小流域—陳家溝小流域為研究對象，系統(tǒng)介紹SWAT模型數據庫的構建過程，構建空間數據庫和屬性數據庫，為模型的進一步應用提供基礎數據。

1 研究區(qū)概況

陳家溝小流域位于三峽庫區(qū)重慶市萬州區(qū)長嶺鎮(zhèn)，地處長江一級支流五橋河流域左岸，屬長江二級

支流。流域面積8.0km2，相對高差580m。研究區(qū)域屬亞熱帶濕潤性季風氣候區(qū)，年平均降雨量1100mm，降雨集中在5～10月，約占年降雨量的70%；年均日照時數為924h；典型紫色土丘陵區(qū)，地勢東南高、西北低，分布有十余條支溝，溝壑縱橫，地形復雜。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、刺槐、馬桑、黃荊、白茅、旱蓑等，農作物主要有水稻、小麥、油菜、玉米、紅苕等。

2 空間數據庫構建

2.1 流域DEM的獲取

地形數據來源于陳家溝小流域1：10000地形圖，數字化等高線后，建立數字高程模型，DEM柵格分辨率為5m×5m（見圖1）。具體過程為：首先數字化等高線、高程點矢量圖，并賦予高程值；其次運用三角化不規(guī)則網TIN方法，將矢量圖經柵格化插值處理生成TIN數據格式，將TIN格式轉換成格網結構，并將分辨率設置為5m；最后將柵格轉換成USGS格式的DEM。

2.2 土地利用圖處理

土地利用數據來源于landsat7影像數據。采用ERDAS9.2軟件對覆蓋研究區(qū)域的ETM影像進行融合增強處理，對處理后的影像進行非監(jiān)督分類后，室內解譯；然后，根據室內解譯結果到研究區(qū)域實地判讀。按照SWAT模型運行需要，將各土地利用方式進行了重新編碼，最后轉換成Grid格式。獲得該研究區(qū)土地利用方式有7種，詳見圖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)計表

2.3 土壤類型圖處理

土壤類型數據是生成水文響應單元的基礎，主要包括不同土壤類型分布的面積和周長。陳家溝小流域土壤類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，把紫色土又細分為砂壤質紫色土、砂質粘壤紫色土、壤質紫色土和粘壤質紫色土。對土壤類型進行了重新編碼，使其符合SWAT模型運算的要求。詳見圖3和表2。

表2 土壤類型及面積統(tǒng)計表

圖3 陳家域土壤類型圖

3 屬性數據庫構建

3.1 土壤屬性數據的獲取

土壤屬性數據的質量直接決定了SWAT模型模擬的結果，因此土壤屬性數據庫的構建至關重要。SWAT模型需要輸入的土壤屬性數據可分為物理屬性數據和化學屬性數據[4]。

3.1.1 土壤物理屬性的獲取

物理屬性數據主要包括土壤水文分組、砂石、黏土、土層厚度、有效含水量、有機碳、容積密度、飽和水力傳導率等。部分參數查閱《萬縣地區(qū)土種志》獲取，而另一部分需要通過計算、軟件的經驗公式獲取。3.1.1.1土壤水文分組確定

根據土壤滲透性，將土壤分為A、B、C、D四類，同一土壤水文分組是指在降雨和地表覆蓋相似的條件下，具有相似產流能力的土壤，具體分類標準見表3。

表3 土壤水文組劃分標準

土壤滲透系數計算方法采用公式[5]：

式中，X為滲透系數，Y為土壤平均顆粒直徑。

3.1.1.2 土壤質地轉換

查閱《萬縣地區(qū)土種志》獲取的土壤顆粒組成采用的分類標準是國際制標準，而SWAT模型采用的土壤粒徑級配標準是USDA美制標準，需對土壤質地進行轉換。本研究采用MATLAB軟件進行三次樣條插值法將國際制轉換成美制標準。土壤顆粒分級標準如表4所示[6]。

表4 土壤顆粒分類標準

3.1.1.3 土壤水分參數的確定

采用轉換后的土壤粒徑組成及鹽度、有機質等數據，運用SPAW軟件中SWCT模塊計算凋萎系數、田間持水量、飽和度、土壤容重、飽和導水率等參數[7]，其中有效田間持水量計算方法采用公式：SOL_AWC=FC-WP，式中，FC為田間持水量，WP為凋萎系數。

3.1.1.4 土壤侵蝕因子K值的計算

土壤侵蝕因子K值是土壤抵抗徑流沖刷能力大小的一個相對綜合參數，與土壤機械組成、有機質含量、土壤結構、土壤滲透性等有密切關系。本研究采用EPIC模型進行計算[8]（計算結果為英制，需乘以0.1317轉為公制），計算公式如下：

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。各因子通過以下公式計算得到：

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為土壤層中有機碳百分含量。

3.1.1.5 土壤反射率的計算

土壤反射率（α）指裸露土壤表面對太陽輻射的反射率。本研究采用余煒敏提出的經驗公式進行計算[9]：

式中：OM表示土壤有機質百分含量。

3.1.1.6 其它土壤物理參數的確定

土壤層數、土壤剖面最大根系深度、土壤表層到土壤底層深度、有機質含量等參數參考《萬縣地區(qū)土種志》獲取。至此，土壤物理屬性數據已全部確定。

3.1.2 土壤化學屬性的獲取

因研究區(qū)土壤類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)計土壤化學屬性，進而輸入SWAT模型相應模塊，土壤化學屬性見表5。

表5 土壤化學屬性

3.2 氣象參數的獲取

運行SWAT模型需輸入多年逐日氣象數據，主要包括逐日降水量、最高和最低氣溫、太陽輻射量、相對濕度和平均風速等，可利用萬州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站實測數據輸入，其中太陽輻射值需通過實測數據計算獲得。

采用光輻射與日照時數的經典方法模式進行逐日太陽輻射量計算[10-11]。首先計算大氣上空太陽輻射量，公式為：

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

E0的計算公式為：

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，從1到365，二月假設28天。

δ由PerrindeBrichambaut提出的公式進行計算：

其次，計算在理想狀態(tài)下（晴空狀態(tài)）大氣上空太陽輻射通過大氣層到達地面的輻射量。采用計算公式：

式中：Hl為晴天狀態(tài)下的地面總輻射。

最后，逐日太陽輻射量利用Angtrom-Prescott方程[13]計算：

式中：H為日實測總輻射；S和SL分別為日照時數和日長；a和b為經驗系數。本文采用左大康等[14]根據我國不同類型地區(qū)實測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算得到a為0.248，b為0.752。

3.3 作物參數及管理措施的獲取

陳家溝小流域農作物有水稻、油菜、小麥、玉米、紅苕、大豆、花生等，根據《萬縣農業(yè)資源與區(qū)劃資料匯編（中篇）》和陳家溝農業(yè)種植結構調查結果，選用流域內主要農作物水稻、油菜、玉米和小麥為研究對象獲取作物參數，其中水稻與油菜輪作，小麥與玉米輪作。作物管理措施見表6。

表6 作物管理措施

施肥對于非點源污染的模擬至關重要。萬州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站的農戶調查資料表明該流域施用的化肥主要是碳銨、過磷酸鈣和尿素，氮肥平均施用量312.8kg·ha-1，磷肥79.2kg·ha-1。

4 結語

SWAT模型的運用所需參數較多，其模擬精度依賴于參數的準確性。本文以三峽庫區(qū)典型小流域為研究對象，系統(tǒng)介紹了SWAT模型空間數據庫和屬性數據庫的構建方法。SWAT模型基礎數據庫的構建，期望為模型在研究區(qū)模擬徑流、產沙及非點源污染等提供基礎數據。

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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)調查規(guī)劃研究院助理工程師，主要研究方向為森林水文、荒漠化研究。