因在复杂大流域自然水循环方面较高的模拟精度，SWAT受到广泛关注和应用，但它在干旱区和人类活动较强烈区域的应用受到一定的限制，主要影响因素为：平原绿洲区强烈的人类活动改变了天然水系分布，使原模型河系提取结果精度受到影响；西北内陆河流域融雪径流占总径流量比例较大，原模型对融雪径流的考虑有待改善；原模型中考虑的人工侧支循环用水较简单等。鉴于模型本身的限制和西北内陆河流域的特点，仅利用原来的SWAT模型模拟内陆河流域水循环，模拟精度势必受到影响，但目前也没有能较好地解决以上问题且应用广泛的其他模型。因此，本书选择对SWAT模型局部水循环过程进行修改，构建具有二元特性的干旱区内陆河流域干旱演化模拟模型，增强其在内陆河流域的适用性。
3.3.2.1 河网提取方法改进
河网提取是分布式水文模型精确模拟的前提与基础，它主要基于数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）编程来实现［174，175］，并集成到各种水文模型/模块中。目前基于DEM的数字河网提取方法主要为谷点提取法和流向提取法［176-178］，后一种方法最为常用。流向提取法在沟谷比较发育的山区应用效果较好，而对于地势相对平缓、无明显河道的平原区或“伪洼地”“伪河道”区域，河网提取和流域划分则比较困难，这也是很多已有的基于流向的河网提取模块未彻底解决的难题之一［177，179］。特别是在人类活动更加剧烈的内陆河流域平原灌区，利用现有的河网提取方法所得到的模拟河网精度大部分情况下不能满足分布式水文模型应用的要求。
由于流域内人类活动的影响，流域地形已经发生了较大的变化，如人工渠道和灌溉水网的形成，在一定程度上与下载DEM数据存在差异，为精确模拟水系的形状，利用已有的1∶25万水系矢量底图进行修正，有利于模型中依据DEM生成比较合理的河网。针对伪洼地、平坦区域或地形坡度较缓区域河网提取问题，不少学者采取了各种修正措施和方法，如垫高原始DEM中平原区栅格的高程值［180］，加入实际河网和湖泊的数字化信息辅助确定湖泊的范围和平原河道的流向［181］，加入实测水系作为约束条件局部修改原DEM［182］，从上游沿河道往下寻找和修改伪洼地栅格高程值［183］来处理平行河道的问题，整体修改平原区河道DEM栅格高程值强化流路［184］等。其基本原理是利用实测河网，整体或局部修改原始DEM栅格高程，使上游或局部阻碍过流的河道高程值降低，使河道连续、流路相对清晰明确。叶爱中等［185］结合图论与水文学的思想，提出从DEM直接提取河网与划分子流域的AEDNM法，即不再对DEM进行填洼处理，从流域的出口直接向上游搜索，通过图的遍历来确定流向，使全流域形成一个有向无环图，提取出连续的、与实际误差较小的河网，并在黄河、泾河与白河流域验证了其方法的可行性。
以上各方法在人工渠道较少时可较好地应用于平原区或洼地的河网提取，但对于具有密集、多级人工渠道的平原灌区，却显得无能为力；且尚未见探讨在这种复杂情景作用下，支渠以下模拟河网混乱、很难找到出流点，以及在耗散性流域河网提取的研究。本书基于ArcSWAT模型水文模拟平台，调用ArcGIS的Hydrology模块，以ArcGIS栅格计算和融合等空间分析功能为主要技术手段，利用1∶25万实测矢量水系图和下载的原始DEM，采用上溯搜索高点、确定流向并修改原始DEM的思想，提出渠系分级挖深与预制流域耦合的方法，对内陆河流域河网提取算法进行局部改进。
1.渠系分级挖深与预制流域耦合方法原理
内陆河流域平原区河谷发育不明显，存在平行河道，在河网提取时很难确定流域出口点；在灌区水网体系中，由于灌溉、排水各级渠道的修建，平行灌渠比比皆是，环状渠网随处可见，为灌区精确提取河网增加了困难；位于内陆河区的耗散性流域，山区降水或融雪产流丰富，是流域的产水区，径流经过山前渗漏与蒸发后，所剩水量几乎全部消耗在平原区。在平原区、灌区和耗散性流域这三种特殊因素的交织影响下，具有耗散特性的平原灌区河网提取难度大、模拟精度不高。
本书所提出的耗散性流域平原灌区河网提取的基本思路是融合和发展各家思想，在保持山区模拟河网不变的情况下，按照平原灌区的干、支、斗渠道顺序，对生成的不连续河网部分搜索其所处级别和原始DEM高程值，依次逐级降低其栅格高程，再检验生成河网的精确程度。渠系分级挖深和预制流域的耦合在于：首先进行灌区渠系的分级挖深，获得模拟精度较高的河网和划分较好的子流域，其次利用ArcSWAT模型平台得到流域的范围，而后根据模型平台的“Pre-defined”功能，输入上一步划分好的子流域和提取的较高精度的河网，再选择出流点进行河网的提取，对于河网与实际不符之处进行DEM和子流域中河段的再次修改，重复上述步骤，直到得到满意结果。该方法基于以下条件和假设：首先，根据耗散性流域出山口的自然河道流向，确定和设置水网和流域的虚拟“出口”；其次，找出平原灌区各干渠和天然主河道的水力联系，并假设支渠是总干渠的一个支流，斗渠是支渠的支流；再者，根据实测水系和DEM大致划出比实际略大的流域范围，以保证流域的完整性。
2.具体处理方法和步骤
根据上述基本思想和假设条件对数据进行预处理。在模拟结果出现不连续河网的平原区域，若搜索结果为存在双线河道和岛状水系，则采用生成缓冲区修改DEM高程的方法，将中间栅格挖深为一条主河道，同时降低其外两个栅格的高程值；若存在渠系改道的情况，说明渠道处栅格值高于周围栅格，通过DEM与渠道栅格数据融合，降低其值即可；对于环状河网，根据实测河系及水力联系，断开环形，使其形成具有一个节点的两个水流分支；对于河道和渠系中的湖泊水库，在模拟中做环状河网处理，并在节点位置设置“水库”；在子流域划分方面，一般灌溉渠系的设计均基于地形，尽可能利用重力作用使灌溉水自流，但渠道布置不一定完全依赖地形［178］，因此应参照实测渠系矢量图适当调整子流域划分的单元结构，提出河网和流域范围后，根据灌区实际情况修改子流域和河段拓扑关系，使子流域汇流范围保持完整。用上述方法提取灌区河网并划分流域的流程见图3.2，主要步骤简述如下：
（1）提取河系形状。判断研究区实测小比例尺河网矢量图中的天然河道和灌区干渠，确定流域的虚拟“出口”，利用ArcGIS空间分析模块，提取出实测矢量图中的山区水系、天然河道和总干渠，输出保存并利用Arctoolbox/Conversion tools/To raster/Polyline to raster工具将其转化为栅格数据。
（2）对主干渠道栅格数据Shuixidem和原始DEM进行逻辑和运算、栅格计算及融合功能，为其赋高程值。Shuixidem和DEM每个对应的栅格均非0，取值为1，否则为0。
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图3.2 基于分级挖深渠系与预制流域耦合方法的河网提取及流域划分流程
（3）以主干河网矢量图作为约束条件和参考河网逐级挖深渠系，降低生成的河系栅格数据的高程。利用Data Management tools/Raster/Mosaic to new raster工具，降低后的河系数据（栅格图）和原始DEM合并为一个新的DEM0。两者相重叠的部分计算可以取最低值或者河系的栅格值。
（4）利用ArcSWAT模型平台进行河网提取，与实测河网比较，找出不连续区域，上溯搜索DEM0的栅格值，在实测矢量图上筛选并提取支渠和不连续的区域，进行打断环状处理后输出和保存为一个矢量文件，利用该文件对DEM0栅格高程值进行二次修改。重复步骤（1）和（2），直到干渠、支渠河网模拟相对精确，河网连续且有出口。
（5）得到较为精确的模拟河网后，根据确定的虚拟“出口”，在ArcSWAT模型平台上选择出流点，进行流域范围的确定和子流域的划分；对划分的子流域结果进行分析，根据实际情况，局部小范围手动修改和合并子流域及其内部的河段拓扑关系，保存为预制流域。
（6）利用ArcSWAT模型平台的“pre-defined”功能，输入预制流域和修改好的模拟河网，再进行河网的提取，针对不精确的河网区域重复上述步骤（3）和（4），这样得到模拟精度相对较高的河网，可进行下一步的子流域和河段参数计算。
先利用分级河网提取方法在ArcSWAT中基于DEM划分子流域，一方面得到的流域和水系更接近实际，另一方面流域和水系数据均保留了分布式水文模型所需的格式，手动修改子流域及河段信息时，操作更加方便、省时，并为SWAT模型的下一步应用提供了可靠的数据支撑。
3.3.2.2 融雪模块及人工侧支水循环处理
在西北干旱内流区，冰川融水是河流的主要补给来源之一，冰川融水量约占河流径流量的l/4。在全球变暖的大背景下，中国西北地区出现了由暖干向暖湿转型的气候变化（也有学者研究指出西北气候出现暖干化趋势［186］），春、冬季升温强烈，而冰川对气候变暖极其敏感，融水径流大大增加，流域内水文与生态环境也随之发生着敏感变化。
SWAT模型本身具有融雪模块，模型根据高程、地形等因素考虑山区温度带，当气温低于设定的临界温度时，山区降水以降雪的形式落到地面或雪堆上，当积雪温度大于设定的临界温度时，融雪径流产生，雪堆的消融和积累由雪堆温度决定，融雪量是日最高气温、雪堆温度和临界温度的线性函数。模型默认雪降到山区的植被带，而雪堆只是虚拟的，在水文响应单元中没有具体的地理位置。而冰川区是无植被地带，模型中除了水体外没有设定其他无植被地带，因此，模型中缺乏针对内陆河流域永久冰川区的融水径流计算模块。
本书对其进行简单改进：在植被数据库和土壤数据库中均增加冰川类型，根据流域冰川特性为其制备模型需要的冰川所在子流域位置、冰川厚度和积雪消融因子等各参数。具体步骤可参见第5章土壤、植被数据库制作部分。
针对工农业引用水问题，模型考虑了灌溉、土地管理措施和取用水的消耗量，本书细化了此部分模型输入参数，如制作灌溉制度表；增加了作物种植和收割措施；在考虑水力联系的基础上，根据耗水比例，将工业和生活取水量从河道或水库中去除；根据流域实际情况，将详细的灌溉用水量和来源参数输入模型。典型流域的应用可参见第5章水资源开发利用数据模型化部分。
综上，模型改进后，强化了内陆河流域平原灌区二元水循环的特点，使水系提取精度大大提高；较为详细地考虑了内陆河流域的冰川融水径流，并细化了水资源开发利用数据的模型参数，增强了模型在内陆河流域的适用性。
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