SWAT模型参数及运行过程

第1章SWAT模型1.1SWAT模型参数1.1.1DEM数据DEM大部分是比较光滑的地形表面模型，但是由于误差及某些特殊地形的存在，造成DEM表面会有一些凹陷的地区存在，导致得到精度不高的水流方向结果，使得原始DEM数据不能满足研究的需要。因此，在进行绝大多数模拟实验之前，都会将原始DEM数据通过ArcGIS软件的水文分析模型进行洼地填充，最终得到满足研究需求的无洼地DEM数据。1.1.2土地利用数据通过对洱海流域高分辨遥感影像监督分类取得研究区的土地利用空间分布图后，首先查看分布图的投影坐标体系，如果与研究中设定的不相同，则需要利用ArcToolbox的投影模块Projections对其进行投影转换；第二步需要建立图中分类编码与模型中土地分类编码之间的联系，以供模型模拟使用。1.1.3气象数据气象数据主要包括流域的气温数据（日平均、最高和最低）、太阳辐射、风速、相对湿度、降水数据（包括降雨强度、月均降雨量、月均降雨量标准偏差、降雨的偏度系数、月内干日数、月内湿日数、平均降雨天数等参数）。在数据类型上，这些数据可以是统计数据，也可以通过SWAT模型的天气发生器模拟生成，或者是统计和模拟数据的结合；在数据格式上，这些气象数据需要以DBF格式保存在ArcGIS自带的属性数据库中；在时间尺度上，模型的模拟时间步长可以为年、月、日。1.1.4土壤数据SWAT模型需要将各类土壤的水文、水传导属性作为输入值,并将其分为按土壤类型和按土壤层输入的两类参数。按土壤类型输入的参数包括：(1)每类土壤所属的水文单元组；(2)植被根系最大深度；(3)土壤表面到最底层深度；(4)土壤空隙比等。按土壤层分层输入的数据有；(5)土壤表面到各土壤层深度；(6)土壤容重；(7)有效田间持水量；(8)饱和导水率；(9)每层土壤中的粘粒、粉沙、沙粒、砾石含量；(10)USLE方程中的土壤可蚀性K；(11)田间土壤反照率；(12)土壤电导率。土壤物理属性数据按获取方式的不同可分为以下四类:(l)通过查阅土壤志获得数据:土壤名称、土壤层数、根系深度和表层到底层土壤深度根据《土壤志》直接获得。(2)实测数据和通过实测数据转化得到:粘土、壤土、砂土和砾石采用的是采样后实测的土壤数据，有机碳含量是由实测的有机质含量转化得到。(3)通过计算得到的数据。土壤容重、有效水容量和饱和传导系数使用SPAW软件计算得到，水文单元组、地表反射率、土壤侵蚀因子由已知数据通过公式计算得到。(4)使用SWAT模型的默认值:阴离子交换孔隙度、土壤最大可压缩量、电导率使用SWAT模型的默认值。土壤的化学属性，包括土壤每层的全磷、全氮、速效磷含量，是通过野外采样，实验室化验得到的实测数据。1、土壤粒径数据土壤粒径数据是SWAT模型中重要的输入参数，对模拟结果的精度有重要的影响作用。SWAT模型中采用的土壤粒径标准为美国制标准，而中国的土壤质地采用的是卡钦斯基制和国际制标准，因此国内数据无法在SWAT模型中直接使用，使用时需要将其转化为美国制标准。粒径转换的方法主要包括:一次样条插值，二次样条插值，三次样条插值，线性插值、spline内插方法等。国际制、卡钦斯基制和美国制标准的区别如下表所示。表1土壤颗粒标准国际制（mm）卡钦斯基制（mm）美国制（mm）＞2砾石砾1＞2砾石0.2-2粗沙土砂0.05-10.05-2沙土0.02-0.2细沙土粗粉砂0.01-0.050.002-0.05粉土0.002-0.02粉土中粉砂0.005-0.01＜0.002粘土＜0.002粘土细粉砂0.001-0.005粘粒0.0012、SPAW软件计算部分参数通过美国华盛顿州立大学开发的土壤水特性软件SPAW软件中的Soil-Water-Characteristics(SWCT)模块，并根据粘土(Clay)、砂(Sand)、有机物(OrganicMatter)、盐度(Salinity)、砂砾(Gravel)等参数计算出:(1)凋萎系数；(2)田间持水量；(3)饱和度；(4)土壤容重；(5)饱和导水率等5个变量。由变量(1)和(2)可以计算逐层的有效田间持水量(SOL_AWC)，其计算公式为:SOL_AWC=FC-WP，其中FC为田间持水量，WP为凋萎系数。3、土壤有机碳参数将土壤有机质的含量乘以0.58可以求得土壤中有机碳的含量。4、土壤水文组在SWAT模型中采用SCS径流曲线数模型对径流进行模拟研究，而水文土壤组则是这个模型的重要参数之一。美国自然环保署(NaturalResourceConservationService)根据土壤入渗率特征，将具有相似径流能力的土壤分为四个土壤水文组(A，B，C和D)，该组具有相同的降水和地表特征。土壤的水文分组定义如表2所示：表2土壤水文分组土壤类型最小下渗率（mm/h）渗透率土壤质地A＞7.26较高沙土、粗质沙壤土B3.81～7.26中等壤土、粉沙壤土C1.27～3.81较低沙质粘壤土D0.00～1.27很低粘土、盐渍土5、土壤可蚀性K值土壤可蚀性K值是土壤抵抗水蚀能力大小的一个相对综合指标，K值越大，抗水蚀能力越小；反之，K值越小抗水蚀能力越强。Williams等在EPIC模型中发展了土壤可蚀性因子K值的估算方法，只需要土壤的有机碳和颗粒组成资料即可计算。计算公式如下所示：𝐊={𝟎.𝟐+𝟎.𝟑𝐞𝐱𝐩[−𝟎.𝟎𝟐𝟓𝐒𝐀𝐍𝟏𝟎𝟎]}(𝐒𝐈𝐋𝐂𝐋𝐀+𝐒𝐈𝐋)𝟎.𝟑(𝟏.𝟎−𝟎.𝟐𝟓𝐂𝐂+𝐄𝐗𝐏(𝟑.𝟕𝟐−𝟎.𝟗𝟓𝐂))(𝟏.𝟎−𝟎.𝟕𝐒𝐍𝐒𝐍+𝐄𝐗𝐏(−𝟓.𝟓𝟏+𝟐𝟐.𝟗𝐒𝐍))(4.2)式中，K为土壤侵蚀因子，SAN为含沙量；SIL为土壤含量；CLA为粘土含量；C为土壤有机氮含量；SN=1-SAN/100。6、SWAT土壤数据库其余参数确定对于田间土壤反照率，可以率根据土壤颜色、湿度以及土壤反照率的参考值取为0.16~0.22不等。对于土壤的电导率，与土壤中的盐分、水分、有机质含量、土壤质地结构和孔隙率都有不同程度的关系，可以采用电流-电压四端法进行测定，也可以采用一些经验值。1.2模型建立及运行1.2.1流域划分1.2.1.1DEM设置1.DEM加载首先在单击DEMSetup选项加载流域DEM数据；然后单击DEMprojectionsetup按钮，定义DEM属性。2.定义MASKDEM加载之后，为更加准确的划定流域研究范围，最好需要加载MASK，可以更好的减少数据量的大小。1.2.1.2河网定义为了生成精度较高的流域水系图，可以选择加载河网，这样就可以得到精度符合试验要求的水系图。1)选择DEM-based选项。2）单击Flowdirectionandaccumulation。软件将自动进行流域河网划分分析，分析结束之后，在Area对话框中将出现分析数据，这个数值越小，划分的河网就会越详细。3)在Streamnetwork对话框中点击按钮Creatstreamsandoutlets，生成河网。1.2.1.3OUTLET、INLET定义在流域内进行径流模拟、泥沙模拟和非点源污染模拟等研究时，OUTLET、INLET的正确定义可以更好的定位监测点的位置，提高模拟结果的精度。1.2.1.4流域总出口指定及子流域划分1）单击总出口按钮，选择流域总出口，在这里，流域总出口选为左下角的西洱河。2）单击子流域按钮，划分子流域。1.2.1.5子流域参数的计算单击计算按钮Calculatesubbasinparameters，计算子流域参数。当流域划分完成之后，ArcSWAT产生的栅格数据集，将从SWAT项目目录Watershed\Grid转移到ProjectRasterGeodatabase。流域划分完成之前，Watershed\Grid目录中的栅格以ESRIGRID格式存储，以提高执行效率。一旦划分完成，它们将会被转移到RasterGeodatabase，以简化项目的数据存储。1.2.2水文响应单元划分1.2.2.1加载土地利用栅格图及重分类土地利用类型1）选择HRUAnalysis菜单中的LandUse/Soil/SlopeDefinition，将会弹出以下对话框，2）单击LandUseGrid下的按钮，加载LandUse数据，选择LoadLandUsedataset(s)fromdisk。3）选择数据集里的landuse代码字段，这个字段将转成栅格数据集里的栅格值。4）选择区别土地利用类型的相应属性字段，单击OK，显示Value和面积比。5）单击LookupTable选项，加载土地利用索引表。本研究中，笔者选用土地利用索引表UserTable，将栅格Value值与SWAT土地利用数据库里的分类联系起来。1.2.2.2加载土壤栅格图及重分类土壤类型1）单击SoilsGrid下的按钮，加载Soils数据，选择LoadSoilsdataset(s)fromdisk。2）选择数据集里的Soils代码字段，这个字段将转成栅格数据集里的栅格值。3）选择区别土壤类型的相应属性字段，单击OK，显示Value和面积比。4）单击LookupTable，选择Name字段，加载索引表。1.2.2.3重分类坡度1）选择Slope选项，将出现以下对话框：2）单击选择MultipleSlope选项，将坡度分为两类，然后选择CurrentSlopeClass，输入分类的上限，单位是%。3）完成上述工作后，Reclassify按钮将会被激活，单击Reclassify执行，完成坡度分类。1.2.2.4HRU定义打开HRUAnalysis菜单，选择HRUDefinition选项，可以在显示的对话框中划分水文响应单元，1）单击HRUThresholds选项，选择其中的MultipleHURs，按研究实际需要输入比例值。2）单击LandUseRefinement(Optional)选项，对landuse类型进行详细划分。3）完成上述工作后，单击CreateHRUs选项，完成水文响应单元的划分，生成FinalHRUDistribution的报告，同时创建一个属性文件加载到当前视图中。1.2.3加载气象数据1）选择WriteInputTables菜单中的WeatherStations，然后选择Customdatabase，加载weathergenerator测站位置表，2）然后依次选择菜单中的SolarRadiationData、WindSpeedData、RainfallData、TemperatureData、RelativeHumidityData等选项，加载事先准备好的相应DBF文件。1.2.4创建模型输入文件此过程主要就是将前面的所有SWAT模型需要的数据写入指定的文件。本研究中，需要输入事先准备好的WatershedConfigurationFile(.fig)、SoilInput(.sol)、WeatherGeneratorInput(.wgn)、SubbasinGeneralInput(.sub)、HRUGeneralInput(.hru)、SoilChemicalInput(.chm)等数据文件。1.2.5运行模型当完成以上步骤后，就可以利用RunSWAT命令运行模型，生成研究所需要的模拟数据。本次研究中，笔者在Rainfall/Runoff/Routing选项框中选用Dailyrain/CN/Daily命令，以日为单位进行径流模拟；降雨量选择偏正态分布（即Markovchain-exponentialmodel）方法进行模拟；河道演算采用VariableStorage方法进行模拟，模拟时间为2013年1月1日到2015年1月1日。然后利用ReadSWATOutPut命令，选择右侧的输出文件类型，然后单击ImportFilestoDatabase，当前模拟结果将会被保存在项目目录中。1.3模型验证1.3.1参数敏感性分析SWAT模型是以美国的水文、气候等环境要素为对象开