SWAT模型參數(shù)及運(yùn)行過(guò)程8頁(yè)

1、第1章 SWAT模型1.1 SWAT模型參數(shù)1.1.1 DEM數(shù)據(jù)DEM大部分是比較光滑的地形表面模型，但是由于誤差及某些特殊地形的存在，造成DEM表面會(huì)有一些凹陷的地區(qū)存在，導(dǎo)致得到精度不高的水流方向結(jié)果，使得原始DEM數(shù)據(jù)不能滿足研究的需要。因此，在進(jìn)行絕大多數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)之前，都會(huì)將原始DEM數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS軟件的水文分析模型進(jìn)行洼地填充，最終得到滿足研究需求的無(wú)洼地DEM數(shù)據(jù)。1.1.2 土地利用數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)洱海流域高分辨遙感影像監(jiān)督分類取得研究區(qū)的土地利用空間分布圖后，首先查看分布圖的投影坐標(biāo)體系，如果與研究中設(shè)定的不相同，則需要利用ArcToolbox的投影模塊Projections

2、對(duì)其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換；第二步需要建立圖中分類編碼與模型中土地分類編碼之間的聯(lián)系，以供模型模擬使用。1.1.3 氣象數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)主要包括流域的氣溫?cái)?shù)據(jù)（日平均、最高和最低）、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水?dāng)?shù)據(jù)（包括降雨強(qiáng)度、月均降雨量、月均降雨量標(biāo)準(zhǔn)偏差、降雨的偏度系數(shù)、月內(nèi)干日數(shù)、月內(nèi)濕日數(shù)、平均降雨天數(shù)等參數(shù)）。在數(shù)據(jù)類型上，這些數(shù)據(jù)可以是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)SWAT模型的天氣發(fā)生器模擬生成，或者是統(tǒng)計(jì)和模擬數(shù)據(jù)的結(jié)合；在數(shù)據(jù)格式上，這些氣象數(shù)據(jù)需要以DBF格式保存在ArcGIS自帶的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中；在時(shí)間尺度上，模型的模擬時(shí)間步長(zhǎng)可以為年、月、日。1.1.4 土壤數(shù)據(jù)SWAT 模型需要將各類土壤

3、的水文、水傳導(dǎo)屬性作為輸入值, 并將其分為按土壤類型和按土壤層輸入的兩類參數(shù)。按土壤類型輸入的參數(shù)包括：(1)每類土壤所屬的水文單元組；(2)植被根系最大深度；(3)土壤表面到最底層深度；(4)土壤空隙比等。按土壤層分層輸入的數(shù)據(jù)有；(5)土壤表面到各土壤層深度；(6)土壤容重；(7)有效田間持水量；(8)飽和導(dǎo)水率；(9)每層土壤中的粘粒、粉沙、沙粒、礫石含量；(10)USLE方程中的土壤可蝕性K；(11)田間土壤反照率；(12)土壤電導(dǎo)率。土壤物理屬性數(shù)據(jù)按獲取方式的不同可分為以下四類:(l)通過(guò)查閱土壤志獲得數(shù)據(jù):土壤名稱、土壤層數(shù)、根系深度和表層到底層土壤深度根據(jù)土壤志直接獲得。(2)

4、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到:粘土、壤土、砂土和礫石采用的是采樣后實(shí)測(cè)的土壤數(shù)據(jù)，有機(jī)碳含量是由實(shí)測(cè)的有機(jī)質(zhì)含量轉(zhuǎn)化得到。(3)通過(guò)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。土壤容重、有效水容量和飽和傳導(dǎo)系數(shù)使用SPAW軟件計(jì)算得到，水文單元組、地表反射率、土壤侵蝕因子由已知數(shù)據(jù)通過(guò)公式計(jì)算得到。(4)使用SWAT模型的默認(rèn)值:陰離子交換孔隙度、土壤最大可壓縮量、電導(dǎo)率使用SWAT模型的默認(rèn)值。土壤的化學(xué)屬性，包括土壤每層的全磷、全氮、速效磷含量，是通過(guò)野外采樣，實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。1、土壤粒徑數(shù)據(jù)土壤粒徑數(shù)據(jù)是SWAT模型中重要的輸入?yún)?shù)，對(duì)模擬結(jié)果的精度有重要的影響作用。SWAT模型中采用的土壤粒徑標(biāo)準(zhǔn)為美

5、國(guó)制標(biāo)準(zhǔn)，而中國(guó)的土壤質(zhì)地采用的是卡欽斯基制和國(guó)際制標(biāo)準(zhǔn)，因此國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)無(wú)法在SWAT模型中直接使用，使用時(shí)需要將其轉(zhuǎn)化為美國(guó)制標(biāo)準(zhǔn)。粒徑轉(zhuǎn)換的方法主要包括:一次樣條插值，二次樣條插值，三次樣條插值，線性插值、spline內(nèi)插方法等。國(guó)際制、卡欽斯基制和美國(guó)制標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別如下表所示。表1 土壤顆粒標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際制（mm）卡欽斯基制（mm）美國(guó)制（mm）2礫石礫12礫石0.2-2粗沙土砂0.05-10.05-2沙土0.02-0.2細(xì)沙土粗粉砂0.01-0.050.002-0.05粉土0.002-0.02粉土中粉砂0.005-0.010.002粘土0.002粘土細(xì)粉砂0.001-0.005粘粒0.0012、

6、SPAW 軟件計(jì)算部分參數(shù)通過(guò)美國(guó)華盛頓州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的土壤水特性軟件SPAW軟件中的Soil-Water - Characteristics(SWCT)模塊，并根據(jù)粘土(Clay)、砂(Sand)、有機(jī)物(Organic Matter)、鹽度(Salinity)、砂礫(Gravel) 等參數(shù)計(jì)算出: (1)凋萎系數(shù)； (2)田間持水量； (3)飽和度； (4)土壤容重；(5)飽和導(dǎo)水率等5個(gè)變量。由變量(1)和(2)可以計(jì)算逐層的有效田間持水量(SOL _AWC )，其計(jì)算公式為: SOL _AWC = FC -WP，其中FC為田間持水量，WP為凋萎系數(shù)。3、土壤有機(jī)碳參數(shù)將土壤有機(jī)質(zhì)的含量乘

7、以0.58可以求得土壤中有機(jī)碳的含量。4、土壤水文組在SWAT模型中采用SCS徑流曲線數(shù)模型對(duì)徑流進(jìn)行模擬研究，而水文土壤組則是這個(gè)模型的重要參數(shù)之一。美國(guó)自然環(huán)保署(Natural Resource Conservation Service)根據(jù)土壤入滲率特征，將具有相似徑流能力的土壤分為四個(gè)土壤水文組(A，B，C和D)，該組具有相同的降水和地表特征。土壤的水文分組定義如表2所示：表2 土壤水文分組土壤類型最小下滲率（mm/h）滲透率土壤質(zhì)地A7.26較高沙土、粗質(zhì)沙壤土B3.817.26中等壤土、粉沙壤土C1.273.81較低沙質(zhì)粘壤土D0.001.27很低粘土、鹽漬土5、土壤可蝕性K值土

8、壤可蝕性K值是土壤抵抗水蝕能力大小的一個(gè)相對(duì)綜合指標(biāo)，K值越大，抗水蝕能力越??；反之，K值越小抗水蝕能力越強(qiáng)。Williams等在EPIC模型中發(fā)展了土壤可蝕性因子K值的估算方法，只需要土壤的有機(jī)碳和顆粒組成資料即可計(jì)算。計(jì)算公式如下所示：K=0.2+0.3exp-0.025SAN100SILCLA+SIL0.31.0-0.25CC+EXP3.72-0.95C(1.0-0.7SNSN+EXP(-5.51+22.9SN) (4.2)式中，K為土壤侵蝕因子，SAN為含沙量；SIL為土壤含量；CLA為粘土含量；C為土壤有機(jī)氮含量；SN=1-SAN/100。6、SWAT土壤數(shù)據(jù)庫(kù)其余參數(shù)確定對(duì)于田間土

9、壤反照率，可以率根據(jù)土壤顏色、濕度以及土壤反照率的參考值取為0.16 0.22不等。對(duì)于土壤的電導(dǎo)率，與土壤中的鹽分、水分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)和孔隙率都有不同程度的關(guān)系，可以采用電流-電壓四端法進(jìn)行測(cè)定，也可以采用一些經(jīng)驗(yàn)值。1.2 模型建立及運(yùn)行1.2.1 流域劃分1.2.1.1DEM設(shè)置1.DEM加載首先在單擊DEM Setup選項(xiàng)加載流域DEM數(shù)據(jù)；然后單擊DEM projection setup 按鈕，定義DEM屬性。2.定義MASKDEM加載之后，為更加準(zhǔn)確的劃定流域研究范圍，最好需要加載MASK，可以更好的減少數(shù)據(jù)量的大小。1.2.1.2河網(wǎng)定義為了生成精度較高的流域水系圖，

10、可以選擇加載河網(wǎng)，這樣就可以得到精度符合試驗(yàn)要求的水系圖。1)選擇DEM-based選項(xiàng)。2）單擊Flow direction and accumulation。軟件將自動(dòng)進(jìn)行流域河網(wǎng)劃分分析，分析結(jié)束之后，在Area對(duì)話框中將出現(xiàn)分析數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)值越小，劃分的河網(wǎng)就會(huì)越詳細(xì)。3)在Stream network對(duì)話框中點(diǎn)擊按鈕Creat streams and outlets，生成河網(wǎng)。1.2.1.3 OUTLET、INLET定義在流域內(nèi)進(jìn)行徑流模擬、泥沙模擬和非點(diǎn)源污染模擬等研究時(shí)，OUTLET、INLET的正確定義可以更好的定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，提高模擬結(jié)果的精度。1.2.1.4流域總出口指定

11、及子流域劃分1）單擊總出口按鈕，選擇流域總出口，在這里，流域總出口選為左下角的西洱河。2）單擊子流域按鈕，劃分子流域。1.2.1.5子流域參數(shù)的計(jì)算單擊計(jì)算按鈕Calculate subbasin parameters，計(jì)算子流域參數(shù)。當(dāng)流域劃分完成之后， ArcSWAT產(chǎn)生的柵格數(shù)據(jù)集，將從SWAT項(xiàng)目目錄WatershedGrid轉(zhuǎn)移到Project Raster Geodatabase。流域劃分完成之前，WatershedGrid目錄中的柵格以ESRI GRID格式存儲(chǔ)，以提高執(zhí)行效率。一旦劃分完成，它們將會(huì)被轉(zhuǎn)移到Raster Geodatabase，以簡(jiǎn)化項(xiàng)目的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。1.2.2

12、水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐?.2.2.1 加載土地利用柵格圖及重分類土地利用類型1）選擇HRU Analysis菜單中的Land Use/Soil/Slope Definition，將會(huì)彈出以下對(duì)話框， 2）單擊Land Use Grid下的按鈕，加載Land Use數(shù)據(jù)，選擇Load Land Use dataset(s) from disk。3）選擇數(shù)據(jù)集里的land use代碼字段，這個(gè)字段將轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)集里的柵格值。4）選擇區(qū)別土地利用類型的相應(yīng)屬性字段，單擊OK，顯示Value 和面積比。5）單擊Lookup Table選項(xiàng)，加載土地利用索引表。本研究中，筆者選用土地利用索引表User Tab

13、le，將柵格Value值與SWAT 土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)里的分類聯(lián)系起來(lái)。1.2.2.2 加載土壤柵格圖及重分類土壤類型1）單擊Soils Grid下的按鈕，加載Soils數(shù)據(jù)，選擇Load Soils dataset(s) from disk。2）選擇數(shù)據(jù)集里的Soils代碼字段，這個(gè)字段將轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)集里的柵格值。3）選擇區(qū)別土壤類型的相應(yīng)屬性字段，單擊OK，顯示Value 和面積比。4）單擊Lookup Table，選擇Name字段，加載索引表。1.2.2.3 重分類坡度 1）選擇Slope選項(xiàng)，將出現(xiàn)以下對(duì)話框：2）單擊選擇Multiple Slope選項(xiàng)，將坡度分為兩類，然后選擇Curre

14、nt Slope Class，輸入分類的上限，單位是%。3）完成上述工作后，Reclassify按鈕將會(huì)被激活，單擊Reclassify執(zhí)行，完成坡度分類。 1.2.2.4 HRU定義打開(kāi)HRU Analysis菜單，選擇HRU Definition選項(xiàng)，可以在顯示的對(duì)話框中劃分水文響應(yīng)單元， 1）單擊HRU Thresholds選項(xiàng)，選擇其中的Multiple HURs，按研究實(shí)際需要輸入比例值。2）單擊Land Use Refinement (Optional) 選項(xiàng)，對(duì)land use類型進(jìn)行詳細(xì)劃分。3）完成上述工作后，單擊Create HRUs選項(xiàng)，完成水文響應(yīng)單元的劃分，生成Fin

15、al HRU Distribution的報(bào)告，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)屬性文件加載到當(dāng)前視圖中。1.2.3 加載氣象數(shù)據(jù)1）選擇Write Input Tables菜單中的Weather Stations，然后選擇Custom database，加載weather generator測(cè)站位置表， 2）然后依次選擇菜單中的Solar Radiation Data、Wind Speed Data、Rainfall Data 、Temperature Data、Relative Humidity Data等選項(xiàng)，加載事先準(zhǔn)備好的相應(yīng)DBF文件。1.2.4 創(chuàng)建模型輸入文件此過(guò)程主要就是將前面的所有SWAT模型需

16、要的數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的文件。本研究中，需要輸入事先準(zhǔn)備好的Watershed Configuration File(.fig)、Soil Input(.sol)、Weather Generator Input(.wgn)、Subbasin General Input(.sub)、HRU General Input(.hru)、Soil Chemical Input(.chm)等數(shù)據(jù)文件。1.2.5 運(yùn)行模型當(dāng)完成以上步驟后，就可以利用Run SWAT命令運(yùn)行模型，生成研究所需要的模擬數(shù)據(jù)。本次研究中，筆者在Rainfall/Runoff/Routing選項(xiàng)框中選用Daily rain/CN/Dai

17、ly命令，以日為單位進(jìn)行徑流模擬；降雨量選擇偏正態(tài)分布（即Markov chain-exponential model）方法進(jìn)行模擬；河道演算采用Variable Storage 方法進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間為2013年1月1日到2015年1月1日。然后利用Read SWAT OutPut命令，選擇右側(cè)的輸出文件類型，然后單擊Import Files to Database，當(dāng)前模擬結(jié)果將會(huì)被保存在項(xiàng)目目錄中。1.3 模型驗(yàn)證1.3.1 參數(shù)敏感性分析SWAT模型是以美國(guó)的水文、氣候等環(huán)境要素為對(duì)象開(kāi)發(fā)的，盡管其計(jì)算基于物理過(guò)程，然而由于其核心方程USLE是為應(yīng)用于美國(guó)水土流失狀況而建立的經(jīng)驗(yàn)公式，

18、因此，在應(yīng)用于美國(guó)以外的區(qū)域時(shí)，SWAT模型需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際狀況進(jìn)行敏感性分析。SWAT模型參數(shù)敏感性分析就是通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)的初始值或是取值范圍，使模型的模擬值接近于測(cè)量值。利用ArcSWAT2005模型自帶的自動(dòng)參數(shù)分析模塊，可以分析眾多參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的不同影響，并可看出各參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果影響的大小，結(jié)合參數(shù)的閾值與實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可獲得較精確的模擬結(jié)果。1、水文模擬參數(shù)敏感性分析在流域模擬過(guò)程中對(duì)徑流模擬結(jié)果影響最大的參數(shù)依次是徑流曲線數(shù)CN2、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO以及有效田間持水量SOL-AWC。2、氮磷模擬參數(shù)敏感性分析針對(duì)硝態(tài)氮模擬值較低的校正方法有，將土壤化學(xué)文件中土壤層中硝態(tài)氮的初始聚集量調(diào)整到合理水平，增加施肥過(guò)程中肥料施用到表層土壤中的比率，增加作物殘茬系數(shù)，減少土壤的生物混合效率，增加硝態(tài)氮的入滲系數(shù)，以及增加河道水草和藻類中礦物氮的比率。有機(jī)氮的模擬值校正方法有調(diào)整土壤化學(xué)輸入文件中土壤層中有機(jī)氮的初始聚集量到合理水平，減少施肥過(guò)程中肥料使用到表層土壤中的比率，以及減少河道水草和有機(jī)氮的比率?？扇苄缘V物磷，有機(jī)磷的校正方法與氮相似，但部分參數(shù)調(diào)整的調(diào)整會(huì)同時(shí)對(duì)硝態(tài)氮和有