龙岗河流域SWAT模型构建及与WebGIS平台耦合研究

廖国威，林高松，陈纯兴

(深圳市环境科学研究院，广东 深圳 518000)

0 引 言

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是分布式流域水文模型，可以模拟预测不同土地利用方式、土壤类型和管理措施对流域水文、泥沙以及营养盐物质的影响，在国内外不同流域尺度非点源污染研究应用广泛[1]，其前身为20世纪90年代中期美国农业部农业研究所(USDA-ARS)研发的SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型[2]。国内学者对SWAT模型参数的确定、模型耦合、模型输入界面的完善等方面做出了一系列探讨[3]。GIS(Geographic Information System)技术能减少模型模拟数据获取的难度，增强模拟结果的可视化功能，非点源污染模型与GIS技术结合已经成为了研究热点[4]。Francisco等[5]将SWAT模型嵌入到ArcGIS中，开发了ArcGIS-SWAT模型。Rao等[6]利用商业WebGIS平台ArcIMS和水文模型SWAT构建基于WEB的决策支持原型系统，并将其应用于俄克拉荷马的小流域(Panhandle)，通过模拟泥沙和营养物质的变化以识别需要参与环境自然保护区项目(Conservation Reserve Program)的区域。梁钊雄等[7]基于组件式GIS与SWAT模型集成，设计了流域水资源管理信息系统，实现对模型文件的高效管理及流域水文过程模拟的可视化。侯新[8]以GIS和数据库管理系统为开发平台，通过与SWAT分布式水文模型的耦合集成，构建了面向管理和决策层的可视化动态信息系统。李硕等[9]提出通用输入文件定制的模型集成方案，并利用动态链接库技术开发了一套SWAT模型输入文件定制的类库和输入模型参数调整的功能模块。Brooking和Hunter[10]将Receiving Water Quality Model发布为Web服务，基于Web services开发了一个可以快速地在线访问可视化水文模型模拟结果的信息平台。

本文基于WebGIS开发技术，将地理信息系统与SWAT模型进行耦合，在浏览器端展示研究区域地图底图及相关业务图层，并实现输入及参数文件的设置、模型的运行计算和模拟输出结果的展示分析等功能。

1 研究区域概况

龙岗河流域位于深圳市东北部，是东江二级支流淡水河的上游段。河流发源于梧桐山北麓，流经深圳境内横岗、龙岗、龙城、坪地、坑梓等街道，在坑梓街道的吓陂村附近进入惠州市境内。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，成为深圳市与惠州市的界河，界河段长度为2.8 km，接纳田脚水后，流入惠州境内。田坑水河口以上流域面积364.4 km2，河长35.5 km(含主源梧桐山河14.4 km)，河床平均坡降2.7‰。流域内共有河流43条，其中干流1条(即龙岗河)，一级支流15条，二、三级支流27条。

图1 龙岗河流域图Fig.1 Map of Longganghe River Basin

2 耦合实现方式

本文采用B/S(Browser/Server)架构进行开发，底层数据库使用Microsoft SQL Server 2008 R2进行构建，数据库内容包含龙岗河流域卫星影像数据、DEM(Digital Elevation Model)数据、土地利用类型、土壤类型等基础数据。在ArcSWAT中对子流域和HRU(Hydrological Response Unit)进行划分，运行ArcSWAT生成的数据文件作为SWAT源文件编译生成的执行文件的调用对象。WebGIS提供地理信息展示功能，包括电子地图、卫星影像底图，以及子流域、HRU等业务图层，气象数据等输入条件可在WebGIS中进行设置，通过PHP写入SWAT运行模块数据文件，在WebGIS中调用执行文件进行模拟计算。SWAT模拟结果可通过PHP进行读取，在WebGIS中进行综合展示。

图2 技术路线图Fig.2 Technical route

3 SWAT模型构建

SWAT模型模拟的水文循环基于水量平衡方程：

(1)

式中：SWt表示最终的土壤含水量，mm；SW0表示土壤的初始含水量，mm；t表示时间，d；Rday表示第i天的降雨量，mm；Qsurf表示第i天的地表径流量，mm；Ea表示第i天的蒸散发量，mm；Wseep表示第i天从土壤剖面进入包气带的水量，mm；Qlat表示第i天的壤中流量，mm；Qgw表示第i天的回水量，mm。

卫星影像数据通过2017年谷歌地球进行获取，分辨率达2.5 m；DEM高程数据通过2017年谷歌地球同步获取，分辨率达5 m；土地利用类型数据为卫星影像解译结果，类型包含农用地、林地、果园、草地、建设用地和水体；土壤类型数据结合中国土壤数据库和深圳市土壤图进行制备，主要类型为赤红壤和南方水稻土。

图3 龙岗河流域水文模型构建数据Fig.3 Data of Longganghe River Basin for hydrological modeling

通过对DEM高程数据进行水文分析，将研究区域进行子流域划分。选取划分尺度越大，子流域划分程度越简略；反之，子流域划分程度越细致。实验结果表明，使用河流矢量数据进行修正(Burn In功能)比不使用河流矢量数据进行修正子流域边界的生成质量有较大提升。由于龙岗河流域内建成区面积占比较大，达43.5%，该区域地势平坦，利用DEM数据进行水文分析识别度较低，使用河流矢量数据进行修正能较大幅度提升子流域划分的准确度。综合水系干支流分布情况，图4(e)划分结果最为接近实际，选取其作为模型的输入数据。

图4 不同设置条件子流域划分结果Fig.4 Results of Sub-basin partitions under different parameter conditions

子流域划分后，导入土地利用类型和土壤类型数据，并按照规定索引表进行重新分类。坡度数据通过DEM高程数据分析生成。随后对HRU单元进行划分。利用深圳地面气象观测站1981-2010年累年平均日最高气温、日最小气温和日降雨量值作为气象输入条件驱动模型模拟，数据来源为国家气象科学数据共享服务平台(中国气象局气象数据中心)。模型模拟时长为一年。

模型计算生成31个子流域各对应365组日数据，通过对模型效果进行分析发现，从上游往下游方向子流域汇水量递增，子流域出水口径流量逐渐增加。龙岗河流域所处区域气候具有雨热同期特征，各子流域出水口径流量在季节上均呈现夏天多、冬天少、春秋时期过渡的趋势。对于不同下垫面而言，建成区地面透水性能较差，径流量波动幅度较大；山地林区植被覆盖程度高，蓄水能力较强，径流量变化较为平稳。

图5 模型气象输入条件Fig.5 Meteorological input conditions of model

4 WebGIS平台展示

SWAT模型完成一次模拟后，在输出文件夹将生成若干数据文件。SWAT模型源代码文件经编译后可生成执行文件。将两者合并到同一文件夹，放置于网页端可访问的服务器路径下。结合模型GIS数据制作GIS资源，并在服务器上发布GIS服务，通过调用可在前端进行展示开发。

PHP语言是浏览器端WebGIS和服务器端SWAT模块进行耦合和互操作的桥梁，其设置于服务器端，由WebGIS进行调

用简便。WebGIS中设计了相应界面，可对气象条件、模型参数等进行编辑操作，并可控制模型的模拟计算过程，模拟结果反馈回网页端，结合图表、GIS图件进行展示和分析。具体实现功能如下：

(1)信息查询。结合整理的GIS数据，按属性表查询土地利用类型、土壤类型、子流域分布、HRU分布、气象条件、水系分布、子流域出水口等图层信息，并将具有空间属性的要素在天地图、卫星影像、DEM高程图等底图上叠加显示。

(2)模型设置。包括模型参数的设置、输入条件的设置以及模型的运行计算控制等。

(3)结果展示。根据返回模拟结果，按柱状图、曲线图、饼状图、GIS分布图等表现形式进行展示。如通过径流量变化曲线图可查看7月1日龙岗河流域总出水口处径流量为24.6 m3/s。子流域和HRU要素可展示随时间推移的水量空间分布变化过程，实现模拟结果的动态展示。如7月1日各子流域径流量较大值分布在龙岗河干流下游区域。

(4)统计分析。对模拟结果数据进行统计分析，如流域统计、区域水量平衡分析等。经统计，本次模拟结果中年降雨量为1 936.3 mm，地表径流量为438.75 mm，蒸发量为497.4 mm，壤中流量为35.38 mm，基流量为803.67 mm。

图6 SWAT与WebGIS耦合界面Fig.6 Interface of coupling SWAT and WebGIS

5 结 语

本文以龙岗河流域为例，通过收集卫星影像数据、DEM高程数据、土地利用类型、土壤类型、气象条件等数据构建了SWAT流域水文模型，结合GIS技术开发了WebGIS系统平台，研究了WebGIS和SWAT的耦合方式，实现了在WebGIS中进行模型输入条件和运行参数的设置、模型运行计算的控制以及模拟结果的展示和分析等功能，较好地提高了SWAT模型使用的直观性，更大程度上满足管理和使用者的需求。

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