Soil and Water Assessment Tools (SWAT) – открытая модель круговорота воды. Часть 1

Моделирование – это имитация процессов и объектов искусственным образом для их изучения. Не так давно моделями считались макеты – например, из бумаги, а сегодня большинство моделей создаются виртуально, на компьютере.

В науках о Земле моделируют разные процессы: тайфуны, смещения тектонических плит, течения в океане и многое другое. Основные преимущества моделирования – это возможность изменять входные параметры, анализировать результаты и делать прогнозы.

Сегодня остановимся на моделировании речных бассейнов и на том, какие прогнозы можно получить с помощью модели водного цикла SWAT. Модель может быть полезна прикладным секторам: сельскохозяйственному и водохозяйственному, а также в академическом секторе – например, специалистам из области гидрологии, почвоведения, биологии. Студенты-геоинформатики, программисты и разработчики моделей могут получить массу полезных навыков, работая со SWAT.

Как моделировать водный цикл

В середине прошлого века началась разработка алгоритмов и формул, способных описать процессы, происходящие в речных бассейнах. Тогда же служба сельского хозяйства США USDA разработала модель взаимодействия почвы, растительного покрова и атмосферных осадков – SWAT.
Модель SWAT представляет собой имитацию круговорота воды в речных бассейнах с детализированным влиянием почв на качество воды и урожайность. Чаще всего она используется для помощи сельскохозяйственному сектору, однако в ее основе лежит уравнение водного баланса. В SWAT освещены основные гидрологические характеристики, поэтому и задачи она может решать разные.

Водный баланс является движущей силой всего, что происходит в речном бассейне, поэтому гидрологи, геофизики, географы, почвоведы, биологи могут найти разные применения этой модели в своих исследованиях.

К основной модели SWAT есть ряд вспомогательных программных продуктов, включающих калибровку и валидацию (SWAT CUP), выявление ошибок (SWAT Check), визуализацию результатов (VIZSWAT), а также интерфейсы для ArcMap и QGIS (ArcSWAT, QSWAT) и другие приложения.

Среди задач, которые может решить модель, содержатся:

1. имитация круговорота воды;
2. прогнозирование паводков;
3. имитация загрязнения почвы и вод;
4. оценка продуктивности лесов;
5. районирование территории;
6. выделение речной сети;
7. оценка антропогенной нагрузки (загрязнение почв, урбанизация, водопотребление).

Плюсы и минусы модели SWAT:

+ бесплатная;
+ позволяет составлять долгосрочные прогнозы;
+ есть открытые базы входных данных;
+ имеет подробную инструкцию и тестовый пример;

- ограниченные русифицированные материалы;
- трудоемкий этап подготовки данных.

Обобщенный алгоритм работы модели:

1. Разделение речного бассейна на элементарные гидрологические единицы (HRU) на основе входных данных;
2. Подробная обработка метеоданных для оценки влияния изменения климата на HRU;
3. Моделирование движения подземных вод;
4. Моделирование загрязнения поверхностных вод;
5. Прогнозирование геоэкологических явлений.

Входные данные для SWAT:

1. Цифровая модель рельефа – ЦМР;
2. Суточные климатические данные (суммы атмосферных осадков, максимальные и минимальные температуры воздуха, солнечная радиация, относительная влажность воздуха, скорость ветра);
3. Почвенная карта (данные о типах почвы, о питательных веществах, о применении пестицидов);
4. Карта землепользования (виды землепользования, характеристики урожая, параметры роста растений);
5. Гидрологические параметры.

В модели уже имеется пять баз данных, которые хранят необходимую информацию об использовании городских земель, обработке почв, управлении растительностью, удобрениях и свойствах пестицидов. Для подключения к базам данных на панели инструментов модели SWAT необходимо выбрать «Редактирование входных данных SWAT» и нажать на вкладку «Базы данных».

Все данные SWAT находятся в единой базе «SWAT2012.mdb», которую можно найти, например, в ArcGIS. Она содержит таблицы с данными, которые можно изменять и редактировать.

Сегодня мы рассказали про SWAT: что это за модель, как она работает и какие задачи решает. В будущем мы подробнее расскажем, как получить входные данные для работы с моделью SWAT.

Источники:

Лычак А.И., Бобра Т.В., Яшенко В.О. SWAT – моделирование: возможности и перспективы использования в Крыму. – Симферополь, 2011. – 10 с.

Токторалиев З.Б., Моделирование с помощью «SWAT» модели. – Кыргазстан. НАН КР, 2013. – 4 с.

Винчел М., Сринвасан Р., Луцио М., Руководство пользователя для ArcSWAT 2012, Техас, 2013. – 464 с.

Арнольд О.П., Вильямс О.К., Теоретическая документация SWAT, Техас, 2005. – 494 с. http://swatmodel.tamu.edu/