廖國(guó)威，林高松，陳純興

(深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518000)

0 引 言

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是分布式流域水文模型，可以模擬預(yù)測(cè)不同土地利用方式、土壤類型和管理措施對(duì)流域水文、泥沙以及營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)的影響，在國(guó)內(nèi)外不同流域尺度非點(diǎn)源污染研究應(yīng)用廣泛[1]，其前身為20世紀(jì)90年代中期美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所(USDA-ARS)研發(fā)的SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)SWAT模型參數(shù)的確定、模型耦合、模型輸入界面的完善等方面做出了一系列探討[3]。GIS(Geographic Information System)技術(shù)能減少模型模擬數(shù)據(jù)獲取的難度，增強(qiáng)模擬結(jié)果的可視化功能，非點(diǎn)源污染模型與GIS技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)[4]。Francisco等[5]將SWAT模型嵌入到ArcGIS中，開(kāi)發(fā)了ArcGIS-SWAT模型。Rao等[6]利用商業(yè)WebGIS平臺(tái)ArcIMS和水文模型SWAT構(gòu)建基于WEB的決策支持原型系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于俄克拉荷馬的小流域(Panhandle)，通過(guò)模擬泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化以識(shí)別需要參與環(huán)境自然保護(hù)區(qū)項(xiàng)目(Conservation Reserve Program)的區(qū)域。梁釗雄等[7]基于組件式GIS與SWAT模型集成，設(shè)計(jì)了流域水資源管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型文件的高效管理及流域水文過(guò)程模擬的可視化。侯新[8]以GIS和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)與SWAT分布式水文模型的耦合集成，構(gòu)建了面向管理和決策層的可視化動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)。李碩等[9]提出通用輸入文件定制的模型集成方案，并利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套SWAT模型輸入文件定制的類庫(kù)和輸入模型參數(shù)調(diào)整的功能模塊。Brooking和Hunter[10]將Receiving Water Quality Model發(fā)布為Web服務(wù)，基于Web services開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以快速地在線訪問(wèn)可視化水文模型模擬結(jié)果的信息平臺(tái)。

本文基于WebGIS開(kāi)發(fā)技術(shù)，將地理信息系統(tǒng)與SWAT模型進(jìn)行耦合，在瀏覽器端展示研究區(qū)域地圖底圖及相關(guān)業(yè)務(wù)圖層，并實(shí)現(xiàn)輸入及參數(shù)文件的設(shè)置、模型的運(yùn)行計(jì)算和模擬輸出結(jié)果的展示分析等功能。

1 研究區(qū)域概況

龍崗河流域位于深圳市東北部，是東江二級(jí)支流淡水河的上游段。河流發(fā)源于梧桐山北麓，流經(jīng)深圳境內(nèi)橫崗、龍崗、龍城、坪地、坑梓等街道，在坑梓街道的嚇陂村附近進(jìn)入惠州市境內(nèi)。河流在惠州市蜿蜒曲折4.9 km后，又迂回至坑梓街道沙田村的深圳市市界，成為深圳市與惠州市的界河，界河段長(zhǎng)度為2.8 km，接納田腳水后，流入惠州境內(nèi)。田坑水河口以上流域面積364.4 km2，河長(zhǎng)35.5 km(含主源梧桐山河14.4 km)，河床平均坡降2.7‰。流域內(nèi)共有河流43條，其中干流1條(即龍崗河)，一級(jí)支流15條，二、三級(jí)支流27條。

圖1 龍崗河流域圖Fig.1 Map of Longganghe River Basin

2 耦合實(shí)現(xiàn)方式

本文采用B/S(Browser/Server)架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，底層數(shù)據(jù)庫(kù)使用Microsoft SQL Server 2008 R2進(jìn)行構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容包含龍崗河流域衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)、土地利用類型、土壤類型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在ArcSWAT中對(duì)子流域和HRU(Hydrological Response Unit)進(jìn)行劃分，運(yùn)行ArcSWAT生成的數(shù)據(jù)文件作為SWAT源文件編譯生成的執(zhí)行文件的調(diào)用對(duì)象。WebGIS提供地理信息展示功能，包括電子地圖、衛(wèi)星影像底圖，以及子流域、HRU等業(yè)務(wù)圖層，氣象數(shù)據(jù)等輸入條件可在WebGIS中進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)PHP寫入SWAT運(yùn)行模塊數(shù)據(jù)文件，在WebGIS中調(diào)用執(zhí)行文件進(jìn)行模擬計(jì)算。SWAT模擬結(jié)果可通過(guò)PHP進(jìn)行讀取，在WebGIS中進(jìn)行綜合展示。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technical route

3 SWAT模型構(gòu)建

SWAT模型模擬的水文循環(huán)基于水量平衡方程：

(1)

式中：SWt表示最終的土壤含水量，mm；SW0表示土壤的初始含水量，mm；t表示時(shí)間，d；Rday表示第i天的降雨量，mm；Qsurf表示第i天的地表徑流量，mm；Ea表示第i天的蒸散發(fā)量，mm；Wseep表示第i天從土壤剖面進(jìn)入包氣帶的水量，mm；Qlat表示第i天的壤中流量，mm；Qgw表示第i天的回水量，mm。

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)通過(guò)2017年谷歌地球進(jìn)行獲取，分辨率達(dá)2.5 m；DEM高程數(shù)據(jù)通過(guò)2017年谷歌地球同步獲取，分辨率達(dá)5 m；土地利用類型數(shù)據(jù)為衛(wèi)星影像解譯結(jié)果，類型包含農(nóng)用地、林地、果園、草地、建設(shè)用地和水體；土壤類型數(shù)據(jù)結(jié)合中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)和深圳市土壤圖進(jìn)行制備，主要類型為赤紅壤和南方水稻土。

圖3 龍崗河流域水文模型構(gòu)建數(shù)據(jù)Fig.3 Data of Longganghe River Basin for hydrological modeling

通過(guò)對(duì)DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，將研究區(qū)域進(jìn)行子流域劃分。選取劃分尺度越大，子流域劃分程度越簡(jiǎn)略；反之，子流域劃分程度越細(xì)致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用河流矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正(Burn In功能)比不使用河流矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正子流域邊界的生成質(zhì)量有較大提升。由于龍崗河流域內(nèi)建成區(qū)面積占比較大，達(dá)43.5%，該區(qū)域地勢(shì)平坦，利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析識(shí)別度較低，使用河流矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正能較大幅度提升子流域劃分的準(zhǔn)確度。綜合水系干支流分布情況，圖4(e)劃分結(jié)果最為接近實(shí)際，選取其作為模型的輸入數(shù)據(jù)。

圖4 不同設(shè)置條件子流域劃分結(jié)果Fig.4 Results of Sub-basin partitions under different parameter conditions

子流域劃分后，導(dǎo)入土地利用類型和土壤類型數(shù)據(jù)，并按照規(guī)定索引表進(jìn)行重新分類。坡度數(shù)據(jù)通過(guò)DEM高程數(shù)據(jù)分析生成。隨后對(duì)HRU單元進(jìn)行劃分。利用深圳地面氣象觀測(cè)站1981-2010年累年平均日最高氣溫、日最小氣溫和日降雨量值作為氣象輸入條件驅(qū)動(dòng)模型模擬，數(shù)據(jù)來(lái)源為國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心)。模型模擬時(shí)長(zhǎng)為一年。

模型計(jì)算生成31個(gè)子流域各對(duì)應(yīng)365組日數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)模型效果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，從上游往下游方向子流域匯水量遞增，子流域出水口徑流量逐漸增加。龍崗河流域所處區(qū)域氣候具有雨熱同期特征，各子流域出水口徑流量在季節(jié)上均呈現(xiàn)夏天多、冬天少、春秋時(shí)期過(guò)渡的趨勢(shì)。對(duì)于不同下墊面而言，建成區(qū)地面透水性能較差，徑流量波動(dòng)幅度較大；山地林區(qū)植被覆蓋程度高，蓄水能力較強(qiáng)，徑流量變化較為平穩(wěn)。

圖5 模型氣象輸入條件Fig.5 Meteorological input conditions of model

4 WebGIS平臺(tái)展示

SWAT模型完成一次模擬后，在輸出文件夾將生成若干數(shù)據(jù)文件。SWAT模型源代碼文件經(jīng)編譯后可生成執(zhí)行文件。將兩者合并到同一文件夾，放置于網(wǎng)頁(yè)端可訪問(wèn)的服務(wù)器路徑下。結(jié)合模型GIS數(shù)據(jù)制作GIS資源，并在服務(wù)器上發(fā)布GIS服務(wù)，通過(guò)調(diào)用可在前端進(jìn)行展示開(kāi)發(fā)。

PHP語(yǔ)言是瀏覽器端WebGIS和服務(wù)器端SWAT模塊進(jìn)行耦合和互操作的橋梁，其設(shè)置于服務(wù)器端，由WebGIS進(jìn)行調(diào)

用簡(jiǎn)便。WebGIS中設(shè)計(jì)了相應(yīng)界面，可對(duì)氣象條件、模型參數(shù)等進(jìn)行編輯操作，并可控制模型的模擬計(jì)算過(guò)程，模擬結(jié)果反饋回網(wǎng)頁(yè)端，結(jié)合圖表、GIS圖件進(jìn)行展示和分析。具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)信息查詢。結(jié)合整理的GIS數(shù)據(jù)，按屬性表查詢土地利用類型、土壤類型、子流域分布、HRU分布、氣象條件、水系分布、子流域出水口等圖層信息，并將具有空間屬性的要素在天地圖、衛(wèi)星影像、DEM高程圖等底圖上疊加顯示。

(2)模型設(shè)置。包括模型參數(shù)的設(shè)置、輸入條件的設(shè)置以及模型的運(yùn)行計(jì)算控制等。

(3)結(jié)果展示。根據(jù)返回模擬結(jié)果，按柱狀圖、曲線圖、餅狀圖、GIS分布圖等表現(xiàn)形式進(jìn)行展示。如通過(guò)徑流量變化曲線圖可查看7月1日龍崗河流域總出水口處徑流量為24.6 m3/s。子流域和HRU要素可展示隨時(shí)間推移的水量空間分布變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)展示。如7月1日各子流域徑流量較大值分布在龍崗河干流下游區(qū)域。

(4)統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如流域統(tǒng)計(jì)、區(qū)域水量平衡分析等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次模擬結(jié)果中年降雨量為1 936.3 mm，地表徑流量為438.75 mm，蒸發(fā)量為497.4 mm，壤中流量為35.38 mm，基流量為803.67 mm。

圖6 SWAT與WebGIS耦合界面Fig.6 Interface of coupling SWAT and WebGIS

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以龍崗河流域?yàn)槔?，通過(guò)收集衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、土地利用類型、土壤類型、氣象條件等數(shù)據(jù)構(gòu)建了SWAT流域水文模型，結(jié)合GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)了WebGIS系統(tǒng)平臺(tái)，研究了WebGIS和SWAT的耦合方式，實(shí)現(xiàn)了在WebGIS中進(jìn)行模型輸入條件和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置、模型運(yùn)行計(jì)算的控制以及模擬結(jié)果的展示和分析等功能，較好地提高了SWAT模型使用的直觀性，更大程度上滿足管理和使用者的需求。

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