侯偉廖曉勇張巖 薛輝徐磊

（①③④⑤西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院 西藏拉薩850000②中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)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(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)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(diào)查規(guī)劃研究院 西藏拉薩850000②中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)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(gòu)建了陳家溝小流域SWAT模型空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。通過對地形圖數(shù)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(gòu)建了空間數(shù)據(jù)庫。通過查閱《萬縣地區(qū)土種志》，運用軟件和經(jīng)驗公式，利用實測和調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建了屬性數(shù)據(jù)庫。陳家溝小流域SWAT模型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，為模型在此流域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

SWAT模型；空間數(shù)據(jù)庫；屬性數(shù)據(jù)庫；構(gòu)建；陳家溝小流域

SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)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(chǔ)，能夠較好地完成空間數(shù)據(jù)的分析、處理和模擬。該模型主要用于模擬整個流域內(nèi)的徑流、泥沙、營養(yǎng)物以及農(nóng)藥的遷移運動，預(yù)測土地管理措施對水量、水質(zhì)的影響，從而進一步評估整個流域范圍內(nèi)的水量平衡和水質(zhì)狀況[1-3]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于森林水文、土壤侵蝕、農(nóng)業(yè)非點源污染及土地管理等方面。由于該模型是根據(jù)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(yīng)建立研究區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和滿足SWAT模型對于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，為模型的進一步應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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?qū)賮啛釒駶櫺约撅L(fēng)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(shù)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(fù)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(xiàn)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(nóng)作物主要有水稻、小麥、油菜、玉米、紅苕等。

2 空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 流域DEM的獲取

地形數(shù)據(jù)來源于陳家溝小流域1：10000地形圖，數(shù)字化等高線后，建立數(shù)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(shù)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(wǎng)TIN方法，將矢量圖經(jīng)柵格化插值處理生成TIN數(shù)據(jù)格式，將TIN格式轉(zhuǎn)換成格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并將分辨率設(shè)置為5m；最后將柵格轉(zhuǎn)換成USGS格式的DEM。

2.2 土地利用圖處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于landsat7影像數(shù)據(jù)。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(nèi)解譯；然后，根據(jù)室內(nèi)解譯結(jié)果到研究區(qū)域?qū)嵉嘏凶x。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(zhuǎn)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(shù)據(jù)是生成水文響應(yīng)單元的基礎(chǔ)，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(zhì)紫色土、砂質(zhì)粘壤紫色土、壤質(zhì)紫色土和粘壤質(zhì)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(shù)據(jù)庫構(gòu)建

3.1 土壤屬性數(shù)據(jù)的獲取

土壤屬性數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定了SWAT模型模擬的結(jié)果，因此土壤屬性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建至關(guān)重要。SWAT模型需要輸入的土壤屬性數(shù)據(jù)可分為物理屬性數(shù)據(jù)和化學(xué)屬性數(shù)據(jù)[4]。

3.1.1 土壤物理屬性的獲取

物理屬性數(shù)據(jù)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(dǎo)率等。部分參數(shù)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(jīng)驗公式獲取。3.1.1.1土壤水文分組確定

根據(jù)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(chǎn)流能力的土壤，具體分類標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 土壤水文組劃分標(biāo)準(zhǔn)

土壤滲透系數(shù)計算方法采用公式[5]：

式中，X為滲透系數(shù)，Y為土壤平均顆粒直徑。

3.1.1.2 土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)是國際制標(biāo)準(zhǔn)，而SWAT模型采用的土壤粒徑級配標(biāo)準(zhǔn)是USDA美制標(biāo)準(zhǔn)，需對土壤質(zhì)地進行轉(zhuǎn)換。本研究采用MATLAB軟件進行三次樣條插值法將國際制轉(zhuǎn)換成美制標(biāo)準(zhǔn)。土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)如表4所示[6]。

表4 土壤顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1.3 土壤水分參數(shù)的確定

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

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(shù)，與土壤機械組成、有機質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)、土壤滲透性等有密切關(guān)系。本研究采用EPIC模型進行計算[8]（計算結(jié)果為英制，需乘以0.1317轉(zhuǎn)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(jīng)驗公式進行計算[9]：

式中：OM表示土壤有機質(zhì)百分含量。

3.1.1.6 其它土壤物理參數(shù)的確定

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

3.1.2 土壤化學(xué)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(xué)屬性，進而輸入SWAT模型相應(yīng)模塊，土壤化學(xué)屬性見表5。

表5 土壤化學(xué)屬性

3.2 氣象參數(shù)的獲取

運行SWAT模型需輸入多年逐日氣象數(shù)據(jù)，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(fēng)速等，可利用萬州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站實測數(shù)據(jù)輸入，其中太陽輻射值需通過實測數(shù)據(jù)計算獲得。

采用光輻射與日照時數(shù)的經(jīng)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(shù)(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(zhuǎn)的角速度(0.2618radh-1)，TSR為日出時數(shù)。

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(shù)，從1到365，二月假設(shè)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(shù)和日長；a和b為經(jīng)驗系數(shù)。本文采用左大康等[14]根據(jù)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(shù)及管理措施的獲取

陳家溝小流域農(nóng)作物有水稻、油菜、小麥、玉米、紅苕、大豆、花生等，根據(jù)《萬縣農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃資料匯編（中篇）》和陳家溝農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果，選用流域內(nèi)主要農(nóng)作物水稻、油菜、玉米和小麥為研究對象獲取作物參數(shù)，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(guān)重要。萬州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站的農(nóng)戶調(diào)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(jié)語

SWAT模型的運用所需參數(shù)較多，其模擬精度依賴于參數(shù)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方法。SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，期望為模型在研究區(qū)模擬徑流、產(chǎn)沙及非點源污染等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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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(zé)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(diào)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。