SWAT模型土壤数据库建立方法.docx
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SWAT模型土壤数据库建立方法
[学海无涯]转：
SWAT模型土壤数据库建立方法
2010-12-0711:
06:
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shy 土壤 swat 模型 |字号大中小 订阅
本文写的仓促，而又乱七八糟，对付着看吧，有意见或者错误可以指出来。
一些内容参考了《SWAT模型土壤数据库建立方法》一文，出处：
《水利水电技术》2007年第6期。
SWAT模型中用到的土壤数据主要包括两大类：
物理属性数据和化学属性数据。
土壤的物理属性决定了土壤剖面中水和气的运动情况，并且对HRU中的水循环起着重要的作用。
物理属性数据主要包括土层厚度、砂粉砂、粘土、容积密度、有机炭、有效含水率、饱和水力传导率等。
土壤的化学属性主要用来给模型赋初始值。
其中物理属性是必需的，化学属性是可选的。
土壤输入文件.sol为土壤的各个层定义了模型模拟过程所需要的物理属性，.chm文件为土壤的各个层定义了所需要的化学属性。
下面的2个表列出了SWAT模型土壤属性.sol和.chm文件的各变量，根据需要可定义10个层。
土壤质地转换
由于历史原因，我国的土壤普查资料有多种土壤质地体系同时存在。
在已经进行过的两次土壤普查中，第一次土壤普查采用了苏联制（卡钦斯基制），第二次则采用了国际制，而SWAT模型采用的土壤粒径级配标准是USDA简化的美制标准，因此，要利用我国现有的土壤普查资料就必然涉及到不同分类标准的土壤质地转换问题，就存在一个国际制向美国制转换的问题。
土壤颗粒分析的美国制标准：
黏粒（<0.002mm）、粉砂（0.002-0.05mm）、砂（0.05-2mm）、砾石（>2mm）。
土壤颗粒分析的国际制标准：
黏粒（<0.002mm）、粉砂（0.002-0.02mm）、细砂（0.02-0.2mm）、粗砂（0.2-2mm）、砾石（>2mm）。
关于土壤质地的转换,在以往的研究中主要采用的是图解法，通常是在半对数纸上绘制出土壤颗粒的级配曲线，然后查图读出某一土壤粒径对应的百分含量。
但是这种方法存在一定的缺陷，即曲线的绘制有一定的随意性，且不同人的读数也不一样。
因此许多学者提出使用数学模型进行土壤质地转换。
吕喜玺、沈荣明于1992年提出应用二次样条插值的数学方法进行土壤质地转换，并采用了江西宁冈的砂质壤土进行了实例转换。
与图解法相比较，二次样条插值法提供了一种数学工具对土壤质地进行客观的转换。
但是由于只采用了江西宁冈的砂质红壤，且没有实测资料验证转换的结果是否正确，其结论是否适用于其他地区尚有待于进一步研究。
朱秋潮、范浩定（1999）应用三次样条插值的数学方法进行土壤质地转换，将土壤颗粒分级标准的卡钦斯基制换算成国际制。
蔡永明等（2003）在朱秋潮等的研究基础上，对比了三次样条插值、二次样条插值、线性插值法插值的结果，表明三次样条插值法最优，且提供了一种对土壤质地进行客观转换的数学工具。
但以上研究仅限于特定地区的土壤类型，是在具有详细的土壤颗粒组成资料基础上进行的。
考虑到模型的通用性，参数形式的土壤粒径分布模型更便于标准程序的编制以及不同来源粒径分析资料的对比和统一。
刘建立等（2003）比较了对数线性插值、三次样条插值这两种非参数模型和逻辑生长、改进的逻辑生长以及vanGenuchten方程等参数模型的估计效果，表明改进的逻辑生长曲线模型预测效果最好。
上面的计算全部在MATLAB中实现。
MATLAB是一个可视化、可编程的数学工具软件，是集数值计算与图形处理等功能于一体的工程计算应用软件，被广泛应用于数学、电子、生物等各学科的科研领域以及工业研究开发中。
在利用三次样条插值法插值时，在MATLAB命令窗口中的输入为:
loadd1.txt; ％导入国际制土壤质地文件 【对于d1.txt的详细描述见文末留言栏的19楼】
rot90（d1）;
b1=ans;
flipud（b1）;
c1=ans;
x=[0.02,0.2,2];
xx=0.05;
i=1;
n=1;
forj=3:
3:
231
yy（n）=interp1（x,c1（i:
j）,xx,'spline'）; %一维插值函数
i=i+3;
n=n+1;
end
rot90（yy）;
flipud（ans） %得到小于0.05mm土壤粒径累计百分含量（垂向排列）
这样就可以确定表中的CLAY、SILT、SAND、ROCK4个参数。
SOL_ZMX、SOL_Z可以查相关的土壤志查得。
SOL_CRK应该也可以理解为土壤的孔隙比吧（个人理解，若不对，请指出），也可以查得。
SOL_CBN：
土壤层中有机炭的计算一般由有机质的含量乘0.58得到，有机质的含量可以查得到。
SOL_EC：
电导率（dS/m），采用模型默认值。
ANION_EXCL：
阴离子交换孔隙度，模型默认值为0.5。
SOL_ALB：
地表反射率（湿），因为没有相关的可用来借鉴的好的经验公式来计算，所以群友漫天星根据SWAT自带的一些数据做了一个SOL_ALB与SOL_CBN之间的回归方程：
SOL_ALB=0.2227*EXP（-1.8672*SOL_CBN），相关系数R2=0.9832，仅供大家作为参考。
土壤容重、有效田间持水量、饱和导水率可以试验测定。
应用前面求得的各土壤粒径分布转换数据和美国华盛顿州立大学开发的土壤水特性软件SPAW（Soil-Plant-Atmosphere-Water，软件界面见下图。
SPAW软件中的Soil-Water-Charateristics（SWCT）模块，可以根据粘土（Clay）、砂（Sand）、有机物（OrganicMatter）、盐度（Salinity）、砂砾（Grave）等参数计算出：
（1）凋萎系数（WiltingPoint，%vol）；
（2）田间持水量（FieldCapacity，%vol）；（3）饱和度（Saturation,%vol）；（4）土壤容重（BulkDensity,g/cm3）；（5）饱和导水率（Sat·HydraulicCond,cm/h）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。
由此可计算出土壤数据库中SOL_BD、SOL_AWC、SOL_K等参数。
HYDGPR的确定
美国国家自然资源保护局（NRCS）根据土壤的渗透属性，将土壤分为四类。
1996年，NRCS土壤调查小组将在相同的降水和地表条件下，具有相似的产流能力的土壤归为一个水文学类。
影响土壤产流能力的属性是指那些影响土壤在完全湿润并且不冻的条件下的最小渗率属性，主要包括季节性水文深度，饱和水力传导率，下渗深度。
土壤的水文学分组定义如下表：
第一步，计算土壤最小下渗率，采用的文献《试论土壤渗透系数的经验公式和曲线图》介绍的经验计算公式：
砂粒含量等于零时，其平均颗粒直径等于0.01mm，砂粒含量等于100%时，其平均颗粒直径值等于0.3mm，粘土含量100%时，其平均颗粒直径值0.002mm，砂粒含量每增加10%时其平均颗粒直径值增加0.03mm。
平均颗粒直径最大值是0.3mm，最小值是0.002mm.任何土壤的平均颗粒直径值都在两者之间变化，任何情况下都不能超出最大和最小值。
根据上面的关系可以计算土壤的平均颗粒直径。
这里采用的是转换后的美国制哦。
上面都是文献中的原话，下面说说在实际应用中的经验：
首先说一点，有群友对土壤最小下渗率和上式中的土壤渗透系数是不是一个概念，提出了质疑。
可以查看SWAT说明书，这是因为部分参考资料里将Finalconstantinfiltrationrate（mm/hr）翻译为土壤最小下渗率，那大家可以看看原文，有群友就认为应该叫稳渗率，不叫最小下渗率。
第二点，关于上式中X、Y的单位问题：
Y的单位毋庸置疑，是mm；X的单位，原文献里并没有给出，那么在实际应用中发现，单位应该是mm/hr，也就是可以直接用来查水文分组，这一点得到了群友圝贝晶永恒圝的验证（他与用土壤质地三角形查出来的水文分组做了对比，验证了这里的计算也是靠谱的哈）。
第三点，具体的Y的计算公式应该是：
砂粒含量的百分数/10*0.03+0.002。
举个例子：
若砂粒含量是45%，则Y=4.5*0.03+0.002。
再补充一下吧，不知道大家是否能看清公式里的指数，是1.8，不是18。
第二步，在上面表格中查得对应的水文分组即可。
最后还有USLE_K的确定。
当其他影响侵蚀的因子不变时，K[/I][/B]因子反映不同类型土壤抵抗侵蚀力的高低。
它与土壤物理性质，如机械组成、有机质含量、土壤结构、土壤渗透性等有关。
当土壤颗粒粗、渗透性大时，K[/I][/B]值就低，反之则高；一般情况下K[/I][/B]值的变幅为0.02～0.75。
1995年Williams提出了下列方程：
经过查阅一些文献资料，上式fcsand中的0.256（可能）应该原本是0.0256，SWAT原理存在错误。
希望观者能多多看看本式子方面的文献，以查证并自己判断。
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