SWAT模型土壤物理属性数据库构建方法探究

刘 钦，王雯涛

（1.兰州大学 资源环境学院，兰州 730000；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

SWAT模型土壤物理属性数据库构建方法探究

刘 钦1，王雯涛2

（1.兰州大学 资源环境学院，兰州 730000；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

SWAT模型应用广泛，具有综合、分布、基于物理机制且易与GIS集成的特征，能够准确模拟流域水文状况。SWAT模型已经在我国被广泛应用，但在应用过程中存在模型自带土壤属性数据库与中国实际情况不相符的问题。对此，以土壤物理属性数据库的构建为例，在较为系统地论述国内外相关研究进展的基础上，探究了土壤质地转换、基于SPAW软件的土壤属性数据库物理属性参数的确定方法，为建立符合国情的土壤属性数据库提供方法，并为后期SWAT模型的应用奠定了基础。

SWAT模型；土壤属性数据库；SPAW软件

1 引言

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是20世纪90年代美国农业部农业研究中心 （USDAARS）开发的半分布式模型，主要用于水文循环的模拟预测、土地利用管理措施的评价、非点源污染的模拟及土壤侵蚀的预测等方面［1］。国外应用SWAT模型比较广泛，而国内SWAT模型的应用时间相对较短，在水量、非点源污染、泥沙含量的模拟等领域应用广泛。例如，杨桂莲等［2］应用SWAT模型对洛河流域进行基流模拟，结果表明月基流的模拟精度较高；刘昌明等［3］以黄河源区为研究区域，采用SWAT模型对不同土地覆被和气候条件下的水文情景进行模拟，结果表明SWAT模型可适用于大尺度流域的模拟。

在SWAT模型中，土壤的属性参数直接影响着径流模拟的准确性，由于模型自带的土壤数据库是以北美的土壤为基础建立的，与中国土壤的实际情况有很大出入。建立符合实际情况的土壤数据库对于模拟的准确性尤为重要。本研究主要探究建立土壤属性数据库的方法，为解决模型自带土壤属性数据库与中国实际情况不相符的问题提供参考。

2 土壤属性数据库参数

SWAT模型中土壤属性参数包括物理属性参数和化学属性参数，其中物理属性参数数据库对径流模拟有着重要影响，数据库中必需的部分物理属性参数及含义如表1。

表1 部分土壤物理属性参数

2.1 土壤质地转换

我国进行了两次土壤普查，第1次采用了苏联制（卡钦斯基制），第2次大多采用了国际制，因此，我国的土壤资料存在多种不同的体系。而SWAT模型采用的土壤粒径级配标准是USDA简化的美制标准，我国两次土壤普查的资料都不符合模型输入的要求。土壤其他的属性参数，如土壤湿容重、饱和导水率、有效持水量等，都可以从土壤粒径资料中计算得出，因此，建立土壤属性数据库前将国际制标准土壤粒径转换为模型所要求的美制标准是一个必要的步骤。两种标准的具体粒径分布如表2。

表2 美制和国际制土壤粒径对比

土壤质地转化方法上，我国学者尝试使用数学模型来进行土壤质地的转换，如吕喜玺和沈荣明［4］提出了二次样条插值方法，并用江西宁冈的土壤进行了实例研究；蔡永明等［5］以山西安塞为例，进行了线性插值、二次样条插值和三次样条插值的对比，结果表明三次样条插值的结果相对误差最小，并以山西恒山灰褐土为例，通过三次样条插值法插值，进行插值与实测值土壤颗粒累计百分含量对比，对比结果如表3。

表3 插值与实测值对比 单位：%

2.2 土壤属性参数计算

通过现有的土种志等土壤资料可以查得SOL_Z、SOL_MAX、CLAY、SILT、SAND、ROCK，SOL_Z和SOL_MAX的数据，可以直接应用，土壤粒径的数据经过土壤质地转化后也可以直接应用；通过现有土壤资料可以查得有机质的含量，有机质含量乘以0.58可以得到SOL_CBN［6］。 SOL_BD、SOL_K、SOL_AWC可以通过美国农业部开发的SPAW软件的Soil Water Characteristics模块计算获得。 Saxton和Rawls［7］对Soil Water Characteristics模块进行了详细的验证分析，肯定了该模块用来模拟土壤属性参数的实用性。

软件输入Sand（砂土）、Clay（黏粒）、Gravel（砾石）、Organic Matter（有机质含量）、Salinity（盐度）数据，可得出Wilting Point（凋萎系数）、Field Capacity（田间持水量）、Saturation （饱和度）、Available Water（可利用水量）、Sat.HydraulicCond.（饱和导水率）、Matric Bulk Density（湿容重）。SOL_AWC计算公式为 ：SOL_AWC=（Field Capacity-Wilting Point）/100。由于软件计算出的饱和导水率和湿容重的单位不符合SWAT模型的要求（如表4），故须进行单位换算，单位换算公式为：

表4 SWAT模型与SPAW软件比较

HYDGRP（水文分组）是美国国家自然保护局（NRCS）根据土壤的渗透属性对土壤进行分类。HYDGRP根据土壤表层0.5m处的饱和导水率大小分为A、B、C、D组。 依据贺维［8］与陈腊娇［9］的研究结果，修改后的水文分组标准如表5，分组标准中的饱和导水率使用SPAW软件的计算值。

表5 水文分组标准

续表5

SOL_ALB的大范围实测资料较为缺乏，其精确值的获取比较困难，可以根据不同的研究区土壤属性，参考该地区的以往研究，总结出一个经验公式或直接采用模型对该类型土壤的默认值，具体方法根据实际情况而定。如邹悦［10］在疏勒河的研究中根据实际情况采用了默认值；胡雅杰［11］在研究中采用了SOL_ALB与SOL_CBN的经验关系式。

USLE_K为USLE方程中土壤可蚀性K值，其值的大小，直接反应土壤抗侵蚀能力［11］。K值的大小直接影响着模型模拟泥沙含量的精度，因此，如何确定K值是建立土壤数据库的重要问题。通常情况下，K值的准确确定可通过对土壤的试验获得。但由于直接测定K值的要求较高，在研究中一般利用土壤属性与侵蚀能力之间的关系对K值进行推算。Wischmeier提出的诺漠图法应用最为广泛，但诺漠图的构建需要土壤结构系数资料和渗透级别实测数据［4］，故该法在资料缺乏的中国难以适用。刘宝元等［12］通过对不同的K值确定方法进行对比，指出Williams和Sharply［13］在1995年提出的计算K值方法较好，该方法使用的数据为土壤有机碳和颗粒组成数据，这些数据在中国的土壤普查资料可以查到，因此在中国该方法最为适用。 公式如下［10，11，14］：

式中 fcsand为砂土土壤侵蚀因子；fcl-si为黏土土壤侵蚀因子；forgc为土壤有机质因子；fhisand为高砂质土壤侵蚀因子；sd为砂土含量百分数；si为粉砂含量百分数；cl为黏土含量百分数；c为有机碳含量百分数。

根据以上方法，可确定表1中所示的参数，并按照数据库需要的格式输入至usersoil表中，从而构建完成SWAT模型的物理属性参数数据库。

3 结语

模型参数的确定是模型得以运行应用的前提。本文通过收集资料，在国内外研究的基础上，详细地阐述了SWAT模型土壤数据库的建立方法，经过土壤质地转化、SPAW软件估算部分参数等步骤建立土壤属性数据库，确定了各参数的数值及其阈值范围，把建立好的数据库参数按照SWAT需要的格式输入模型中，为进一步使用SWAT模型进行模拟分析奠定了很好的基础。

［1］赖格英，吴敦银，钟业喜，等.SWAT模型的开发与应用进展［J］.河海大学学报：自然科学版，2012，40（3）：243-251.

［2］杨桂莲，郝芳华，刘昌明，等.基于 SW AT模型的基流估算及评价［J］.地理科学进展， 2003， 22（5）.

［3］刘昌明，李道峰，田英，等.基于 DEM 的分布式水文模型在大尺度流域应用研究［J］.地理科学进展，2003，22（5）：437-445.

［4］吕喜玺，沈荣明.土壤可蚀性因子 K值的初步研究［J］.水土保持学报， 1992， 6（1）：63-70.

［5］蔡永明，张科利，李双才.不同粒径制间土壤质地资料的转换问题研究［J］.土壤学报， 2003（4）.

［6］王绍强，刘纪远，于贵瑞.中国陆地土壤有机碳蓄积量估算误差分析［J］.应用生态学报， 2003， 14（5）： 797-802.

［7］Saxton K E， Rawls W J.Soil water characteristic estimates by texture and organic matter for hydrologic solutions［J］.Soil Science Society of America Journal， 2006， 70 （5）：1569-1578.

［8］贺维.SWAT模型在晋西黄土区小流域中的应用研究 ［D］.北京：北京林业大学，2007.

［9］陈腊娇.基于SWAT模型的土地利用/覆被变化产流产沙效应模拟［D］.金华：浙江师范大学，2007.

［10］邹悦.基于 SWAT模型的疏勒河中游径流模拟研究［D］.兰州：西北师范大学，2012.

［11］胡雅杰.基于 SWAT模型的环江流域径流模拟研究［D］.兰州：兰州大学，2012.

［12］刘宝元，张科利，焦菊英.土壤可蚀性及其在侵蚀预报中的应用［J］.自然资源学报， 1999， 14（4）： 345-350.

［13］Williams J R.Sharply A N.EPIC-Erosion Productivity Impact CacalatorⅠ.Model Documentation ［J］.US Department of Agriculture Technical Bulletin， 1768 （1990）.

［14］何旭强.基于 SWAT模型的黑河上游径流模拟及其对气候变化的响应［D］.兰州：西北师范大学，2013.

Construction method of SWAT model soil physical property database

LIU Qin1，WANG Wen-tao2
（1.College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China； 2.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower， Tianjin 300250， China）

SWAT model is widely used.It is a comprehensive， distributed， and physical mechanism-based model integrated with GIS.SWAT model can be used to simulate the hydrological situation of watershed accurately and has already been applied to various regions in China.However，the original soil property database of the SWAT model is not consistent with the real situation of China.This study aims to construct the soil property database suitable to China.The transformation of soil texture was analyzed.The construction methods of physical property parameters for soil property database were performed based on the SPAW software.The results demonstrate that the method used in this study can offer proper tool to establish soil property database for China，as well as to further employ the SWAT model.

SWAT model； soil database； SPAW software

S152

B

1672-9900（2015）06-0040-03

2015-10-9

刘 钦（1988-），男（汉族），河北任丘人，硕士，主要从事水文水资源方向研究，（Tel）18394188290。