王妍溪，刘琼琼

（1.天津环科瞻云科技发展有限公司；2.天津市环境保护科学研究院，天津 300191）

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美国农业部（USDA）的农业研究中心开发，以遥感与地理信息技术为基础，进而获取地理空间信息，模拟流域范围内的水文及物理化学作用。SWAT模型可以评估流域管理中各种决策的实用性，它已经成为水资源保护管理过程中不可或缺的工具[1]。在国外，SWAT模型被广泛应用到流域水循环研究中，近几年我国也开利用SWAT模型进行水质模拟应用。SWAT模型所需的数据有地形、土壤、土地利用、气象、水文等，人们可以根据不同的研究目的，建立不同的数据库。由于国外数据库标准与国内不同，为了更好地适应软件进行流域模拟，人们需要以研究区为基础，重新进行符合SWAT模型读取的数据库建立。本文以海河南系独流减河流域为例，系统全面地介绍构建SWAT模型基础数据库的过程。

1 研究区概况

独流减河是人工开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）的泄洪来水。独流减河是海河南系天津段贯穿东西的最大平原型人工河道，河道宽约1 km，大部分河段水深一般不大于1 m，河槽宽浅、河流滞缓。独流减河地理上位于海河下游滨海地区且农灌沟渠发达，流域自然地貌上河渠、湿地、洼淀、湖库相连，构成了“沟渠河网纵横，洼淀湿地辉映”的河湿交错的滨海河流系统。独流减河作为天津市空间格局中南部生态带的主轴，连接了北大港和团泊洼两个湿地与鸟类自然保护区，且其本身部分河段也属于自然保护区，具有特殊的生态重要性。

2 流域划分

2.1 基于ArcGIS水文工具进行流域划分

首先，利用ArcGIS的Hydrology工具模块划分流域成多个子流域，以DEM数据为基础进行填洼操作。由于天津地处平原地区，高程变化并不明显，为了提高软件对流域划分结果的有效性和准确性，需要将矢量处理后的河网数据叠合填洼处理后的DEM进行“burn-in”处理，再对流域范围内的河流流向和汇流能力进行计算，从而提取出流域边界。然后，结合海河南系流域的实际汇流情况、行政区划边界，对Hydrology工具模块划分的流域结果进行调整，最终将海河南系独流减河流域划分为多个子流域。

2.2 自定义SWAT模型子流域

天津地处华北平原北部，地势较为平坦，研究区域内高程差别较小，仅通过SWAT模型进行子流域划分难度较大，流域划分结果与实际情况容易产生较大差别。独流减河是引泄入海的人工河道，两侧二级河道水污染均有所排入，流域内河道流向人为干预性较强，与自然形成的流域有较大不同。直接将子流域划分结果导入模型中无法使用，为适应SWAT模型软件中流域流向特点，故需要人为将独流减河所在区域进行分割，人工将独流减河河段拆分为20段，两侧河道流入独流减河内的某一段中，最后将各分段进行连接，形成完整的河道流向。故模型中流域内划分流域由开始的二级河道流域拓展至57个，其流向如图1所示。

在Watershed Delineation中导入已划分流域，利用Pre-defined自定义选取Stream dataset和Watershed dataset。在输入模型之前，需要严格按照SWAT模型数据标准进行属性表修改，各字段数据类型、列表顺序也需要与数据库情形完全一致。在定义河道属性时，要紧密结合已经定义的子流域属性表，尤其是河道水系属性表中的FORM_CODE（河段起始流域）和TO_NODE（河段终止流域）两个字段的内容要与子流域属性表中的GRIDCODE（流域编号）属性表完全符合。否则难以进行流域计算，不能生成SWAT模型可读取的子流域与河道水系信息。

图1 海河南系独流减河流域子流域划分结果

3 基于SWAT模型的HRU划分

3.1 土地利用数据库构建

土地利用类型数据库是SWAT模型中建立的必要数据库之一，反映了不同用地类型的植被覆盖情况及水文特性。以同一年的冬季、夏季的遥感影像为地图，利用ENVI软件进行人工解译，确定海河南系独流减河流域内的土地利用/土地覆盖的情况，将流域范围划分为耕地、林地、草地、建设用地和水体等多种土地利用类型[2]。由于SWAT模型中土地利用类型和我国二调分类中的土地利用类型存在差异，人们需要按照SWAT模型中的分类情况对已分类结果进行对应的重新分类，建立相应的索引表，使得重分类结果能被SWAT模型所读取。

3.2 土壤数据库构建

SWAT模型中用到的土壤数据主要涉及土壤密度、土壤厚度和土壤含水量，以及各层土壤颗粒含量组成含水率、孔隙率和饱和水力传导参数。土壤的物理化学属性决定了各层土壤和各土壤层之间的水气运动情况，是综合计算流域水循环情况的重要支撑数据。土壤数据的准确与否会对模型的模拟结果产生重要影响，构建土壤数据库是SWAT建模前期处理过程的关键。已有的土壤普查资料存在将不同的土壤质地分类标准相互转换的问题，土壤颗粒分类美国制标准为：黏粒（＜0.002 mm）、粉砂（0.002～0.050 mm）、砂粒（0.050～2.000 mm）、砾石（＞2.000 mm）。本次构建海河南系独流减河流域基础数据库采用世界土壤数据库（HWSD），其标准USDA与SWAT模型中使用标准一致，所以不用进行标准之间的转换，直接进行SWAT模型土壤数据库的建立。

部分参数值可以通过HWSD土壤数据库查询获得，部分参数值可以通过软件SPAW软件或者利用经验公式计算获得。利用SPAW软件计算的参数需要输入 Sand（T_SAND）、Clay（T_CLAY）、Gravel（T_GRAVEL）、Organic Matter（有机物含量SOL_CBN，默认T_OC/0.58）、Salinity（上层盐度T_ECE，默认0或对应0.1），输出结果从Soil Characteristics框中获取，获取数据为TEXTURE、SOL_BD（Matric Bulk Density）、SOL_AWC（Field Capacity-Wilting Point）、SOL_K（Sat. Hydraulic Cond.）。对于土壤水文学分组（HYDGRP），根据饱和水利传导系数计算最小下渗率X；对于土壤可蚀性因子（USLE_K），采用Williams等在EPIC模型中的估算方法。经计算完成的土壤数据库参数对SWAT模型中的usersoil数据库进行修正，即得到海河南系独流减河土壤数据库。

3.3 HRUs的计算

以已经建立的土地利用分类数据库和土壤数据库为基础，进行坡度的输入操作，由于海河南系独流减河区域属于天津市平原区，流域范围内坡度不太明显，故采用默认单一坡度值。在坡度设定完成后，叠加土地利用分类结果、土壤数据分布情况进行分析计算，SWAT模型将最终计算出流域范围内的全部HRUs。

4 气象数据库构建

在HRUs计算完成后，需要在SWAT模型中构建气象数据库。本次气象数据库的构建以CMADS数据集为基础[3]，CMADS（The China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model）数据集按照SWAT模型输入驱动数据格式进行了格式整理与修正，该数据集可以直接导入SWAT模型使用，不再需要前期进行格式转换。利用空间位置查找功能，筛选研究区周边范围内的气象站点，记录站点STATIONID，海河南系独流减河流域内共计选取气象站点7个。通过记录的站点名称，查找各气象因素的FORK属性值，并建立符合研究区的FORK表。再次通过记录的站点名称，查找气象数据必备的五个要素，即Relative-Humidity（日平均相对湿度（fraction））、Precipitation（日24 h累计降水量）、Solar radiation（日平均太阳辐射）、Temperature（日最高最低气温）和Wind（日平均风速），并在SWAT模型中读取全部文件即可完成气象数据库的构建。

5 结论

通过对上述基础数据库的建立，海河南系独流减河流域基础数据库的构建已经全部完成，模型可以顺利进行模拟分析。本文以ArcGIS水文工具为基础进行了海河南系独流减河子流域的划分，并自定义导入进入SWAT模型，通过构建土地利用类型数据库、土壤数据库和天气数据库，顺利完成海河南系独流减河流域中的HRUs计算，为海河南系独流减河水循环模拟研究奠定了基础，同时为高程起伏较小的平原地区采用SWAT模型开展流域分析提供了参考。