王妍溪，劉瓊瓊

（1.天津環(huán)科瞻云科技發(fā)展有限公司；2.天津市環(huán)境保護科學(xué)研究院，天津 300191）

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）的農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)，以遙感與地理信息技術(shù)為基礎(chǔ)，進而獲取地理空間信息，模擬流域范圍內(nèi)的水文及物理化學(xué)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(jīng)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(yīng)用到流域水循環(huán)研究中，近幾年我國也開利用SWAT模型進行水質(zhì)模擬應(yīng)用。SWAT模型所需的數(shù)據(jù)有地形、土壤、土地利用、氣象、水文等，人們可以根據(jù)不同的研究目的，建立不同的數(shù)據(jù)庫。由于國外數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)不同，為了更好地適應(yīng)軟件進行流域模擬，人們需要以研究區(qū)為基礎(chǔ)，重新進行符合SWAT模型讀取的數(shù)據(jù)庫建立。本文以海河南系獨流減河流域為例，系統(tǒng)全面地介紹構(gòu)建SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的過程。

1 研究區(qū)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(qū)且農(nóng)灌溝渠發(fā)達(dá)，流域自然地貌上河渠、濕地、洼淀、湖庫相連，構(gòu)成了“溝渠河網(wǎng)縱橫，洼淀濕地輝映”的河濕交錯的濱海河流系統(tǒng)。獨流減河作為天津市空間格局中南部生態(tài)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(qū)，且其本身部分河段也屬于自然保護區(qū)，具有特殊的生態(tài)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行填洼操作。由于天津地處平原地區(qū)，高程變化并不明顯，為了提高軟件對流域劃分結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，需要將矢量處理后的河網(wǎng)數(shù)據(jù)疊合填洼處理后的DEM進行“burn-in”處理，再對流域范圍內(nèi)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(jié)合海河南系流域的實際匯流情況、行政區(qū)劃邊界，對Hydrology工具模塊劃分的流域結(jié)果進行調(diào)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(qū)域內(nèi)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(jié)果與實際情況容易產(chǎn)生較大差別。獨流減河是引泄入海的人工河道，兩側(cè)二級河道水污染均有所排入，流域內(nèi)河道流向人為干預(yù)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(jié)果導(dǎo)入模型中無法使用，為適應(yīng)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(qū)域進行分割，人工將獨流減河河段拆分為20段，兩側(cè)河道流入獨流減河內(nèi)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(nèi)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(dǎo)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(yán)格按照SWAT模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行屬性表修改，各字段數(shù)據(jù)類型、列表順序也需要與數(shù)據(jù)庫情形完全一致。在定義河道屬性時，要緊密結(jié)合已經(jīng)定義的子流域?qū)傩员恚绕涫呛拥浪祵傩员碇械腇ORM_CODE（河段起始流域）和TO_NODE（河段終止流域）兩個字段的內(nèi)容要與子流域?qū)傩员碇械腉RIDCODE（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(jié)果

3 基于SWAT模型的HRU劃分

3.1 土地利用數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

土地利用類型數(shù)據(jù)庫是SWAT模型中建立的必要數(shù)據(jù)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(nèi)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(shè)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(diào)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(jié)果進行對應(yīng)的重新分類，建立相應(yīng)的索引表，使得重分類結(jié)果能被SWAT模型所讀取。

3.2 土壤數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

SWAT模型中用到的土壤數(shù)據(jù)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(dǎo)參數(shù)。土壤的物理化學(xué)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(huán)情況的重要支撐數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否會對模型的模擬結(jié)果產(chǎn)生重要影響，構(gòu)建土壤數(shù)據(jù)庫是SWAT建模前期處理過程的關(guān)鍵。已有的土壤普查資料存在將不同的土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)相互轉(zhuǎn)換的問題，土壤顆粒分類美國制標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建海河南系獨流減河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫采用世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），其標(biāo)準(zhǔn)USDA與SWAT模型中使用標(biāo)準(zhǔn)一致，所以不用進行標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，直接進行SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫的建立。

部分參數(shù)值可以通過HWSD土壤數(shù)據(jù)庫查詢獲得，部分參數(shù)值可以通過軟件SPAW軟件或者利用經(jīng)驗公式計算獲得。利用SPAW軟件計算的參數(shù)需要輸入 Sand（T_SAND）、Clay（T_CLAY）、Gravel（T_GRAVEL）、Organic Matter（有機物含量SOL_CBN，默認(rèn)T_OC/0.58）、Salinity（上層鹽度T_ECE，默認(rèn)0或?qū)?yīng)0.1），輸出結(jié)果從Soil Characteristics框中獲取，獲取數(shù)據(jù)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(xué)分組（HYDGRP），根據(jù)飽和水利傳導(dǎo)系數(shù)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(jīng)計算完成的土壤數(shù)據(jù)庫參數(shù)對SWAT模型中的usersoil數(shù)據(jù)庫進行修正，即得到海河南系獨流減河土壤數(shù)據(jù)庫。

3.3 HRUs的計算

以已經(jīng)建立的土地利用分類數(shù)據(jù)庫和土壤數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進行坡度的輸入操作，由于海河南系獨流減河區(qū)域?qū)儆谔旖蚴衅皆瓍^(qū)，流域范圍內(nèi)坡度不太明顯，故采用默認(rèn)單一坡度值。在坡度設(shè)定完成后，疊加土地利用分類結(jié)果、土壤數(shù)據(jù)分布情況進行分析計算，SWAT模型將最終計算出流域范圍內(nèi)的全部HRUs。

4 氣象數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

在HRUs計算完成后，需要在SWAT模型中構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)庫。本次氣象數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建以CMADS數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)[3]，CMADS（The China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model）數(shù)據(jù)集按照SWAT模型輸入驅(qū)動數(shù)據(jù)格式進行了格式整理與修正，該數(shù)據(jù)集可以直接導(dǎo)入SWAT模型使用，不再需要前期進行格式轉(zhuǎn)換。利用空間位置查找功能，篩選研究區(qū)周邊范圍內(nèi)的氣象站點，記錄站點STATIONID，海河南系獨流減河流域內(nèi)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(qū)的FORK表。再次通過記錄的站點名稱，查找氣象數(shù)據(jù)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(fēng)速），并在SWAT模型中讀取全部文件即可完成氣象數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。

5 結(jié)論

通過對上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立，海河南系獨流減河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建已經(jīng)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(chǔ)進行了海河南系獨流減河子流域的劃分，并自定義導(dǎo)入進入SWAT模型，通過構(gòu)建土地利用類型數(shù)據(jù)庫、土壤數(shù)據(jù)庫和天氣數(shù)據(jù)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(huán)模擬研究奠定了基礎(chǔ)，同時為高程起伏較小的平原地區(qū)采用SWAT模型開展流域分析提供了參考。