龍崗河流域SWAT模型構建及與WebGIS平臺耦合研究

廖國威，林高松，陳純興

(深圳市環(huán)境科學研究院，廣東 深圳 518000)

0 引 言

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是分布式流域水文模型，可以模擬預測不同土地利用方式、土壤類型和管理措施對流域水文、泥沙以及營養(yǎng)鹽物質的影響，在國內外不同流域尺度非點源污染研究應用廣泛[1]，其前身為20世紀90年代中期美國農業(yè)部農業(yè)研究所(USDA-ARS)研發(fā)的SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型[2]。國內學者對SWAT模型參數(shù)的確定、模型耦合、模型輸入界面的完善等方面做出了一系列探討[3]。GIS(Geographic Information System)技術能減少模型模擬數(shù)據(jù)獲取的難度，增強模擬結果的可視化功能，非點源污染模型與GIS技術結合已經成為了研究熱點[4]。Francisco等[5]將SWAT模型嵌入到ArcGIS中，開發(fā)了ArcGIS-SWAT模型。Rao等[6]利用商業(yè)WebGIS平臺ArcIMS和水文模型SWAT構建基于WEB的決策支持原型系統(tǒng)，并將其應用于俄克拉荷馬的小流域(Panhandle)，通過模擬泥沙和營養(yǎng)物質的變化以識別需要參與環(huán)境自然保護區(qū)項目(Conservation Reserve Program)的區(qū)域。梁釗雄等[7]基于組件式GIS與SWAT模型集成，設計了流域水資源管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對模型文件的高效管理及流域水文過程模擬的可視化。侯新[8]以GIS和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為開發(fā)平臺，通過與SWAT分布式水文模型的耦合集成，構建了面向管理和決策層的可視化動態(tài)信息系統(tǒng)。李碩等[9]提出通用輸入文件定制的模型集成方案，并利用動態(tài)鏈接庫技術開發(fā)了一套SWAT模型輸入文件定制的類庫和輸入模型參數(shù)調整的功能模塊。Brooking和Hunter[10]將Receiving Water Quality Model發(fā)布為Web服務，基于Web services開發(fā)了一個可以快速地在線訪問可視化水文模型模擬結果的信息平臺。

本文基于WebGIS開發(fā)技術，將地理信息系統(tǒng)與SWAT模型進行耦合，在瀏覽器端展示研究區(qū)域地圖底圖及相關業(yè)務圖層，并實現(xiàn)輸入及參數(shù)文件的設置、模型的運行計算和模擬輸出結果的展示分析等功能。

1 研究區(qū)域概況

龍崗河流域位于深圳市東北部，是東江二級支流淡水河的上游段。河流發(fā)源于梧桐山北麓，流經深圳境內橫崗、龍崗、龍城、坪地、坑梓等街道，在坑梓街道的嚇陂村附近進入惠州市境內。河流在惠州市蜿蜒曲折4.9 km后，又迂回至坑梓街道沙田村的深圳市市界，成為深圳市與惠州市的界河，界河段長度為2.8 km，接納田腳水后，流入惠州境內。田坑水河口以上流域面積364.4 km2，河長35.5 km(含主源梧桐山河14.4 km)，河床平均坡降2.7‰。流域內共有河流43條，其中干流1條(即龍崗河)，一級支流15條，二、三級支流27條。

圖1 龍崗河流域圖Fig.1 Map of Longganghe River Basin

2 耦合實現(xiàn)方式

本文采用B/S(Browser/Server)架構進行開發(fā)，底層數(shù)據(jù)庫使用Microsoft SQL Server 2008 R2進行構建，數(shù)據(jù)庫內容包含龍崗河流域衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)、土地利用類型、土壤類型等基礎數(shù)據(jù)。在ArcSWAT中對子流域和HRU(Hydrological Response Unit)進行劃分，運行ArcSWAT生成的數(shù)據(jù)文件作為SWAT源文件編譯生成的執(zhí)行文件的調用對象。WebGIS提供地理信息展示功能，包括電子地圖、衛(wèi)星影像底圖，以及子流域、HRU等業(yè)務圖層，氣象數(shù)據(jù)等輸入條件可在WebGIS中進行設置，通過PHP寫入SWAT運行模塊數(shù)據(jù)文件，在WebGIS中調用執(zhí)行文件進行模擬計算。SWAT模擬結果可通過PHP進行讀取，在WebGIS中進行綜合展示。

圖2 技術路線圖Fig.2 Technical route

3 SWAT模型構建

SWAT模型模擬的水文循環(huán)基于水量平衡方程：

(1)

式中：SWt表示最終的土壤含水量，mm；SW0表示土壤的初始含水量，mm；t表示時間，d；Rday表示第i天的降雨量，mm；Qsurf表示第i天的地表徑流量，mm；Ea表示第i天的蒸散發(fā)量，mm；Wseep表示第i天從土壤剖面進入包氣帶的水量，mm；Qlat表示第i天的壤中流量，mm；Qgw表示第i天的回水量，mm。

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)通過2017年谷歌地球進行獲取，分辨率達2.5 m；DEM高程數(shù)據(jù)通過2017年谷歌地球同步獲取，分辨率達5 m；土地利用類型數(shù)據(jù)為衛(wèi)星影像解譯結果，類型包含農用地、林地、果園、草地、建設用地和水體；土壤類型數(shù)據(jù)結合中國土壤數(shù)據(jù)庫和深圳市土壤圖進行制備，主要類型為赤紅壤和南方水稻土。

圖3 龍崗河流域水文模型構建數(shù)據(jù)Fig.3 Data of Longganghe River Basin for hydrological modeling

通過對DEM高程數(shù)據(jù)進行水文分析，將研究區(qū)域進行子流域劃分。選取劃分尺度越大，子流域劃分程度越簡略；反之，子流域劃分程度越細致。實驗結果表明，使用河流矢量數(shù)據(jù)進行修正(Burn In功能)比不使用河流矢量數(shù)據(jù)進行修正子流域邊界的生成質量有較大提升。由于龍崗河流域內建成區(qū)面積占比較大，達43.5%，該區(qū)域地勢平坦，利用DEM數(shù)據(jù)進行水文分析識別度較低，使用河流矢量數(shù)據(jù)進行修正能較大幅度提升子流域劃分的準確度。綜合水系干支流分布情況，圖4(e)劃分結果最為接近實際，選取其作為模型的輸入數(shù)據(jù)。

圖4 不同設置條件子流域劃分結果Fig.4 Results of Sub-basin partitions under different parameter conditions

子流域劃分后，導入土地利用類型和土壤類型數(shù)據(jù)，并按照規(guī)定索引表進行重新分類。坡度數(shù)據(jù)通過DEM高程數(shù)據(jù)分析生成。隨后對HRU單元進行劃分。利用深圳地面氣象觀測站1981-2010年累年平均日最高氣溫、日最小氣溫和日降雨量值作為氣象輸入條件驅動模型模擬，數(shù)據(jù)來源為國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺(中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心)。模型模擬時長為一年。

模型計算生成31個子流域各對應365組日數(shù)據(jù)，通過對模型效果進行分析發(fā)現(xiàn)，從上游往下游方向子流域匯水量遞增，子流域出水口徑流量逐漸增加。龍崗河流域所處區(qū)域氣候具有雨熱同期特征，各子流域出水口徑流量在季節(jié)上均呈現(xiàn)夏天多、冬天少、春秋時期過渡的趨勢。對于不同下墊面而言，建成區(qū)地面透水性能較差，徑流量波動幅度較大；山地林區(qū)植被覆蓋程度高，蓄水能力較強，徑流量變化較為平穩(wěn)。

圖5 模型氣象輸入條件Fig.5 Meteorological input conditions of model

4 WebGIS平臺展示

SWAT模型完成一次模擬后，在輸出文件夾將生成若干數(shù)據(jù)文件。SWAT模型源代碼文件經編譯后可生成執(zhí)行文件。將兩者合并到同一文件夾，放置于網頁端可訪問的服務器路徑下。結合模型GIS數(shù)據(jù)制作GIS資源，并在服務器上發(fā)布GIS服務，通過調用可在前端進行展示開發(fā)。

PHP語言是瀏覽器端WebGIS和服務器端SWAT模塊進行耦合和互操作的橋梁，其設置于服務器端，由WebGIS進行調

用簡便。WebGIS中設計了相應界面，可對氣象條件、模型參數(shù)等進行編輯操作，并可控制模型的模擬計算過程，模擬結果反饋回網頁端，結合圖表、GIS圖件進行展示和分析。具體實現(xiàn)功能如下：

(1)信息查詢。結合整理的GIS數(shù)據(jù)，按屬性表查詢土地利用類型、土壤類型、子流域分布、HRU分布、氣象條件、水系分布、子流域出水口等圖層信息，并將具有空間屬性的要素在天地圖、衛(wèi)星影像、DEM高程圖等底圖上疊加顯示。

(2)模型設置。包括模型參數(shù)的設置、輸入條件的設置以及模型的運行計算控制等。

(3)結果展示。根據(jù)返回模擬結果，按柱狀圖、曲線圖、餅狀圖、GIS分布圖等表現(xiàn)形式進行展示。如通過徑流量變化曲線圖可查看7月1日龍崗河流域總出水口處徑流量為24.6 m3/s。子流域和HRU要素可展示隨時間推移的水量空間分布變化過程，實現(xiàn)模擬結果的動態(tài)展示。如7月1日各子流域徑流量較大值分布在龍崗河干流下游區(qū)域。

(4)統(tǒng)計分析。對模擬結果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如流域統(tǒng)計、區(qū)域水量平衡分析等。經統(tǒng)計，本次模擬結果中年降雨量為1 936.3 mm，地表徑流量為438.75 mm，蒸發(fā)量為497.4 mm，壤中流量為35.38 mm，基流量為803.67 mm。

圖6 SWAT與WebGIS耦合界面Fig.6 Interface of coupling SWAT and WebGIS

5 結 語

本文以龍崗河流域為例，通過收集衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、土地利用類型、土壤類型、氣象條件等數(shù)據(jù)構建了SWAT流域水文模型，結合GIS技術開發(fā)了WebGIS系統(tǒng)平臺，研究了WebGIS和SWAT的耦合方式，實現(xiàn)了在WebGIS中進行模型輸入條件和運行參數(shù)的設置、模型運行計算的控制以及模擬結果的展示和分析等功能，較好地提高了SWAT模型使用的直觀性，更大程度上滿足管理和使用者的需求。

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