【SWAT水文模型】SWAT水文模型建立及应用第三期：基于世界土壤数据库HWSD建立土壤库

此博客主要介绍基于世界土壤数据库HWSD建立土壤库的过程。基于中国土壤数据库建立土壤库可参见另一博客-【SWAT水文模型】SWAT水文模型建立及应用第三期：基于中国土壤数据库建立土壤库。

1 简介

SWAT模型中土壤数据是主要的输入参数之一，土壤数据质量的好坏会对模型的模拟结果产生重要影响。SWAT模型用到的土壤数据主要包括土壤类型分布图、土壤类型索引表及土壤物理属性文件（即土壤数据库参数）。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 水文响应单元（HRU，Hydrologic Response Unit） 中的水循环起着重要的作用，是SWAT建模前期处理过程的关键数据。

关键步骤 ：

• 土壤质地转化
• 土壤类型分布图的处理
• 土壤类型索引表的建立
• SPAW软件计算
• 其他变量的计算

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、砂石、黏土、容积密度、有机碳、有效含水量、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。

2 土壤数据下载

主要介绍土壤数据的下载方式，并展示对某流域进行土壤数据下载的实例。

2.1 数据下载方式

根据两种不同数据下载来源，后续处理过程分别讲解。

2.1.1 世界土壤数据库HWSD数据

土壤质地类型数据来源于世界土壤数据库（HWSD，Harmonized World Soil Database），是粮农组织与IIASA、ISRIC-世界土壤信息、中国科学院土壤研究所(ISSCAS)和欧盟委员会联合研究中心 (JRC)合作的成果，该数据提供了各个格网点的土壤类型、土壤相位、土壤理化性状等信息。

官网-世界土壤数据库HWSD
空间分辨率：1km
说明：中国境内数据源为第二次全国土地调查南京土壤所提供的1：100万土壤数据，外蒙地区数据源为区域土壤及地形数据库（SOTWIS）比例尺为1：500万。
目前世界土壤数据库（HWSD ）由于采用了USDA 标准，因此可直接用于建立SWAT模型数据库。

数据下载解压后可以得到栅格数据、土壤属性表和数据使用说明等文件，注意使用该数据时，请遵循相关引用规定，合理合法运用（非商业用途）。

2.1.2 中国土壤数据库

中国土壤数据库目前是我国数据最全的土壤库，也是建立SWAT土壤数据库基础数据的重要来源。
从中国土壤数据库下载的数据，是我国第二次土壤普查采用的国际制，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，存在一个国际制向美国制转换的问题。

官网-中国土壤数据库
打开数据库中的中国土种数据库，按地点查询，即可根据研究区域进行土壤数据的查询。每个亚类可能有多个土种，选择的原则就是以面积最大的土种来代表整个亚类。

点击选择的土类的详情即出现下图界面，继续点击土种每层的详情，可继续查询各层信息，这样土壤的初始信息即可全部得到。

2.2 数据下载

下载完成世界土壤数据库HWSD后，进行以下初步准备工作。

步骤1： 根据所需要的区域进行裁剪/掩膜（裁剪时需要保证HWSD数据库投影与研究区DEM （或边界）投影一致）
根据研究区域对全国土壤类型数据进行掩膜处理（Extract by Mask），如下：

步骤2： 对裁剪完的图像进行投影（本次研究流域均采用WGS_1984_UTM_Zone_46N 投影坐标系。）

土壤分布图投影调整
在SWAT模型中，DEM、土地利用数据和土壤数据需要投影到统一地理坐标系

1）设置图层投影坐标
将DEM数据在ArcMap中打开，查看图层（Layer）的属性（Properties）中的坐标系（Coordinate System）信息，更改坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_46N，如下：

2）更改土壤分布图投影
但以上操作并未实际改变土壤分布图的投影。需要将数据按照选定投影进行输出。右键点击图层列表中的土壤分布图，选择Export Data，如下图所示。

步骤3：
得到研究区域内土壤数据图（右键投影后的图像，打开图层属性，选择用唯一值显示），如下：
此时，VALUE 值为后面需要计算的各土壤类型唯一编号。

3 土壤数据的准备

3.1 SWAT土壤数据库参数

在SWAT 2005数据库的usersoil数据库中，需要填入的变量有以下几个，根据需要可对土壤定义10个层，其含义见下表：

3.2 提取HWSD中土壤参数

下面介绍一下对HWSD 数据库的具体处理过程。

步骤1： 打开HWSD 数据库元数据表（HWSD）

导出表D_SYMBOL90及HWSD_DATA为Excel，如下：

最终导出以下两个表：

步骤2： 将HWSD_DATA 打开，如下：

通过HWSD_DATA 表查询MU_GLOBAL（MU_GLOBAL表示的GIS中每种土壤后面对应的数字） 和 VALUE 对应的行，并贴入新表。

将MU_GLOBAL 与VALUE 对应的土壤数据参数全部找到，并复制到新表中。

同时在D_SYMBOL90 表中找到土壤数据库的名字，并填入上表。
说明： HWSD_DATA表中的SU_SYM90 字段为土壤分类简称，简称与对应的英文全称对应关系在D_SYMBOL90表中，如下：

最终得到土壤数据库在SWAT 模型中需要的参数值（以HWSD 数据库上层为例：HWSD 数据库有两层，上层T表示，下次S表示）

经过以上的操作，就把GIS的目标图层的所有土壤数据从HWSD_DATA中提取出来了，并且每一个土壤的栅格个数也统计好了（可以理解为每种土壤面积的占比），同时对每种土壤进行了英文名称的汇总。

另外，可根据HWSD数据库土壤中文名称此文件查找土壤对应中文名称。对应结果如下：

3.3 土壤类型分布图的处理

从以上汇总表可以看出，土壤的种类有几十种，如果不进行重分类，后面的操作过于麻烦，因此考虑根据土壤分组进行重分类。

为什么需要对土壤数据进行重分类？
下载的数据中土壤种类通常很多，数据量大，不便于后续的处理和计算，因此一般先进行重分类，将一些土壤合并，减少种类。
考虑原则如下：同一土壤分组下的所有土壤归为一类，将该土壤分组中百分比最高的这类土作为最终土壤，该组中其他土壤都采用这类土的属性。

具体实现步骤如下：
（1）选择ArcToolbox/Spatial Analyst Tools/Reclass/Reclassify，出现如下图所示对话框，输入待重分类的栅格图层，选择区分各土地利用类型的字段，在New value下进行重编号，对想要合并的类型重编同样的新号，即可以合并为一类。点击OK。

合并后的土壤类型如下图所示：

3.4 土壤质地转化

在土壤数据中最重要的一类数据是土壤粒径级配数据，其他许多土壤参数如饱和导水率、土壤层有效持水量等都可以从土粒径级配数据来导出。
土壤粒径分布是指土壤固相中不同粗细级别的土粒所占的比例，常用某一粒径及其对应的累积百分含量曲线来表示。

SWAT模型采用的土壤粒径级配标准是USDA简化的美制标准，采用世界土壤数据库HWSD时，无需由国际制向美国制转换。
国际制与美国制区别如下表所示：

3.5 土壤参数的提取

SOL_BD、 SOL_AWC、SOL_K三个变量由SPAW软件可以计算得到。该软件主要利用其中Soil Water Characteristics模块，根据土壤中粘土Clay、砂土Sand、有机质含量Organic Matter、盐度Salinity、砂砾Gravel等含量来计算土壤数据库中所需的土壤湿密度SOL_BD、有效持水量SOL_AWC、饱和导水率SOL_K等参数，这些参数都是我国目前所缺乏的。
SPAW软件安装完成后，打开的界面如下图所示：

通过填入所有空白格内的参数，如Sand、Clay 等，灰色显示的参数就可以显示计算后的结果，其中我们所需要的三个参数：
SOL_BD=Bulk Density
SOL_AWC=Field Capacity（田间持水量）-Wilting Point（饱和导水率）
SOL_K=Sat Hydraulic Cond
另外，在SPAW 模型中单位要选择Metric 国际单位制，在options 下拉菜单中选择units 下的Metric 即可。

详细的计算过程参见另一博客-【SWAT水文模型】ArcSWAT土壤数据库辅助工具SPAW简述。

据此，可以得到SOL_BD、 SOL_AWC、SOL_K三个变量，将数据加入到SWAT2012中的usersoil中即可。

3.6 其他变量的提取

3.6.1 计算USLE_K1可蚀性因子

USLE 方程中土壤侵蚀力因子利用Williams 等在EPIC 模型中发展起来的土壤可蚀性因子K 值得估算方法，只需要土壤的有机碳和颗粒组成资料即可计算。其公式如下：

式中，sd 为砂粒含量百分数；si 为粉粒含量百分数；cl 为粘粒含量百分数；c 为有机碳含量百分数。

具体计算如下：

据此，得到USLE_K1可蚀性因子参数，将数据加入到SWAT2012中的usersoil中即可。

3.6.2 计算水文分组HYDGRP

土壤水文分组的定义在SWAT 用户手册中对其分组标准进行了规定，主要依据0-5 m 厚的表层土壤的饱和导水率大小， 将土壤分成A、B、C、D 4 组，并作出了概念性的说明。

类别	说明
A类	渗透性强、潜在径流量很低的一类土壤，主要是一些具有良好透水性能的砂土或砾石土，土壤在完全饱和的情况下仍然具有很高入渗速率和导水率
B类	渗透性较强的土壤，主要是一些砂壤土，或者在土壤剖面的一定深度处存在一定的弱不透水层，当土壤在水分完全饱和时仍具有较高的入渗速率
C类	中等透水性土壤，主要为壤土，或者虽为砂性土，但在土壤剖面的一定深度处存在一层不透水层，当土壤水分完全饱和时保持中等入渗速率
D类	微弱透水性土壤，主要为粘土等。

根据土壤平均粒径分层计算土壤下渗率：

• 若最小下渗率出现在土层上层深度小于500mm时，则参考正常标准
• 若最小下渗率出现在土层上层深度500-1000mm时，则将土壤水文单元上调一类，即B调至A
• 若最小下渗率出现在土层上层深度1000mm之下，则基于1000mm之上的土壤下渗率来划分水文分组

但一般简便来算，计算均按最小下渗率查阅表格选择分组即可。
根据Z，土壤中含沙量（%）分别计算土壤各层（上/下两层）的平均颗粒粒径Y，然后计算下渗率X，取其中最小的X作为最小下渗率，考虑两个公式：
Y=Z/10*0.03+0.02
X=(20Y)^1.8
当沙粒含量为0时，Y取0.01mm，当沙粒含量为100%时，Y取0.3mm，粘土含量为100%时，Y取0.002mm。

具体计算如下：

据此，得到水文分组HYDGRP参数，将数据加入到SWAT2012中的usersoil中即可。

3.7 土壤类型索引表的建立

为什么需要建立土地利用索引表？
下载的数据与SWAT中生成的数据库的数据不一样，也就是说我们的土壤类型的相关数据在SWAT自带的数据库中检索不到，需要把这些属性信息添加进去才能使用。

在本次建模过程中，土壤类型为六类，其土壤类型索引表如下图所示，其中“VALUE”即图层中代表了各类型的字段编号，“NAME”即在数据库中的名称简写，该表的作用就是将研究区域的土壤类型与SWAT数据库中的类型进行关联，该表以.txt格式存储。

3.8 汇总：土壤库建立

打开ArcSWAT中新建的工程文件夹，其中数据库SWAT2012则是在项目创建时自动建立的，打开土壤属性表usersoil，将属性表导出来，单独放在excel中，将之前根据图层筛选得到的土壤类型数据粘贴过来，构建新的属性表。

土壤属性表usersoil中变量如下，按以下说明填入相关数据，构建新的属性表。
其中，MUID和S5ID为数据库自定义字段，可随意填写。

至此，基于世界土壤数据库HWSD建立SWAT水文模型所需的土壤库完成。

参考

1、书籍-ArcSWAT 2009 用户指南
2、CSDN博客-SWAT模型教程—土地利用、土壤数据、气象数据的处理