蘇小娟 沈金娟 黃 偉

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院 山西太原 030024）

1 土壤侵蝕預(yù)報(bào)的目的和意義

土壤侵蝕 (主要指水蝕)是發(fā)生在地表水文循環(huán)過(guò)程中伴隨著能量和物質(zhì)分散的復(fù)雜的物理過(guò)程,是水文學(xué)家、土壤保持學(xué)家和環(huán)境保護(hù)學(xué)家所廣泛關(guān)注的問題之一。隨著人口壓力的不斷增加、人民生活水平的日益提高、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,自然資源特別是水資源危機(jī)的加劇,全球生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。土壤加速侵蝕已經(jīng)成為上世紀(jì)90年代全球范圍內(nèi)主要的環(huán)境和農(nóng)業(yè)問題之一,是制約農(nóng)作物產(chǎn)量持續(xù)提高和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因子,嚴(yán)重阻礙著約占全球陸地表面1/5的山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,威脅著未來(lái)全球食物安全保障。我國(guó)土壤資源嚴(yán)重不足,而且由于長(zhǎng)期不合理的開發(fā)利用,土地退化較為嚴(yán)重,據(jù)統(tǒng)計(jì)因土壤侵蝕、肥力貧瘠、鹽漬化、沼澤化、污染及酸化等造成的土壤退化總面積約4～6億hm2,占全國(guó)土地總面積的2/5,是全球土壤退化總面積的1/4[1];同時(shí),土壤侵蝕還限制了地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)85%～86%的貧困縣分布在嚴(yán)重土壤侵蝕的地區(qū)。因此對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行科學(xué)、合理、及時(shí)的預(yù)測(cè),對(duì)于區(qū)域水土保持決策和治理,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 土壤侵蝕預(yù)報(bào)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

水土流失的研究可以分定性和定量?jī)蓚€(gè)層次，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和管理水平的不斷提高，在水土保持的決策規(guī)劃和治理方面，僅在定性層次上研究水土流失己經(jīng)無(wú)法滿足需要，它不僅需要對(duì)土壤侵蝕的發(fā)生機(jī)理、分布規(guī)律和發(fā)展現(xiàn)狀做出評(píng)估，更要對(duì)可能發(fā)生的侵蝕做出定量預(yù)測(cè)，提出具有針對(duì)性的水保措施。我國(guó)的土壤侵蝕定量觀測(cè)開始于20世紀(jì)40年代初，1953年劉善建根據(jù)徑流小區(qū)的10年資料提出計(jì)算年均坡面侵蝕量的公式。70年代以后，我國(guó)開始注重對(duì)土壤侵蝕的定量研究，針對(duì)降雨特征、雨滴動(dòng)能、濺蝕及降雨徑流侵蝕力、植被覆蓋度等因素與侵蝕量的關(guān)系建立了一系列侵蝕方程，如:王萬(wàn)忠、華紹祖、牟金澤、蔡強(qiáng)國(guó)和江忠善等人分別對(duì)降雨、坡度、坡長(zhǎng)、土地利用、植被等因子與侵蝕量的關(guān)系做出定量研究[2]。

2.2 國(guó)外研究進(jìn)展

1887年德國(guó)土壤學(xué)家Wollny剛開始土壤侵蝕研究時(shí)，只限于表面現(xiàn)象的觀察和定性的描述。從20世紀(jì)20年代開始，有學(xué)者進(jìn)行土壤侵蝕的定量研究，但直到60年代，此類研究基本是經(jīng)驗(yàn)性的，60年代末，才有基于侵蝕過(guò)程的物理模型出現(xiàn)。由于土壤侵蝕問題涉及面太廣，目前對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)沙的基本規(guī)律仍然不完全清楚，即使在物理模型中，仍存在大量依靠經(jīng)驗(yàn)手段加以確定的變量。Zingg A.W(1940)、Smith D.D、Musgraveg.W(1947)提出的定量模型多是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停攸c(diǎn)分析影響土壤侵蝕的降水及植被、土壤、地形、土地利用等因素，并利用大量的觀測(cè)資料建立土壤侵蝕與主要影響因子之間的回歸分析模型。1959年WischmeierW.H和Smith D.D第一次提出了通用的土壤流失方程USLE(Universal SoilLoss Equation)，USLE是在對(duì)美國(guó)東部30個(gè)州1000多個(gè)流域小區(qū)近30年的觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上提出的。1997年美國(guó)土壤保持局（SCS）又推出了USLE的修訂版RUSLE，對(duì)USLE進(jìn)行了重大的改進(jìn)。從上世紀(jì)80年代開始，國(guó)外一系列的基于土壤侵蝕過(guò)程的物理模型相繼出現(xiàn)，其中以美國(guó)的CREAMS、ANSWERS、WEEP、AGNPS、KINEROS及歐洲的EUROSEM、荷蘭的LISEM最具有代表性[3]。

3 WEPP模型介紹

美國(guó)水蝕預(yù)報(bào)模型——WEPP(Water Erosion Prediction Project)是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)組織農(nóng)業(yè)研究局、土壤保持局、森林局和美國(guó)內(nèi)政部土地管理局等部門以及十幾所大學(xué)進(jìn)行開發(fā)的科研項(xiàng)目。

WEPP模型是新一代的用于土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的計(jì)算機(jī)模型，它可以預(yù)測(cè)土壤侵蝕以及農(nóng)田、林地、牧場(chǎng)、山地、建筑工地和城區(qū)等不同區(qū)域的產(chǎn)沙和輸沙狀況。WEPP模型是對(duì)細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝間侵蝕及泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理的物理描述，是一種基于侵蝕過(guò)程的模型。WEPP屬于一種連續(xù)的物理模擬模型，根據(jù)每次降雨確定地表狀況的最新系統(tǒng)參數(shù)，可以對(duì)一天時(shí)間內(nèi)的降雨及侵蝕過(guò)程進(jìn)行模擬。該模型不考慮風(fēng)蝕和崩塌等重力侵蝕，其應(yīng)用范圍從1m2到大約100km2的末端小流域。WEPP是以1d為步長(zhǎng)的模擬模型，運(yùn)行過(guò)程中輸入每一天對(duì)土壤侵蝕過(guò)程有重要影響的植物和土壤特征。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，這些植物和土壤特征被用于決定是否將會(huì)有徑流產(chǎn)生。如果預(yù)測(cè)有徑流產(chǎn)生，則模型將計(jì)算出沿縱剖面上一定空間位置的土壤侵蝕量、河道的輸沙量和水庫(kù)的泥沙淤積量。

根據(jù)用戶的不同需要，WEPP可生成不同種類和不同精度的輸出結(jié)果。最基本的輸出結(jié)果包括徑流和侵蝕的主要信息，并且可輸出每場(chǎng)降雨、月際降雨以及年際降雨的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。輸出結(jié)果包括坡面土壤流失量和平均泥沙沉積量，非本位結(jié)果包括泥沙輸移量、受沖刷和被搬運(yùn)泥沙顆粒的粒徑分布以及特殊地段的泥沙沉積量。

WEPP也可以生成某一坡面的輸出結(jié)果，其最基本的輸出結(jié)果包括整個(gè)流域徑流和侵蝕的主要信息。整個(gè)流域以及流域的每一個(gè)單元，其泥沙輸移比、泥沙沉積量、不同地表狀況指標(biāo)和泥沙顆粒粒徑分布均可在輸出模塊中生成。若匯水區(qū)在流域內(nèi)部，匯水區(qū)的輸入和輸出水量以及泥沙量也可生成。另外，每一粒徑泥沙還可以生成某一降雨過(guò)程的輸出結(jié)果(包括降雨、徑流和土壤流失等)，其基本輸出結(jié)果與坡面的輸出結(jié)果相似。本模塊還可輸出與降雨過(guò)程相關(guān)的圖表、曲線等，并輸出土壤、植被、水分平衡、作物、冬季過(guò)程等相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。

4 天鎮(zhèn)縣大梁溝流域土壤侵蝕的水土流失監(jiān)測(cè)資料

本文中用到的數(shù)據(jù)來(lái)自天鎮(zhèn)縣一期“21世紀(jì)初期（2000－2005年）首都水資源可持續(xù)利用項(xiàng)目，該項(xiàng)目區(qū)由3條流域組成，分別是位于天鎮(zhèn)縣北部的大梁溝流域、南部的大洼山流域和石梯梁流域。項(xiàng)目區(qū)總面積195.38km2，其中水土流失面積189.4km2。大梁溝流域的水土流失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1，表2為2000年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 大梁溝坡度數(shù)據(jù)

表2 大梁溝水土流失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 基于WEPP模型下大梁溝流域土壤侵蝕預(yù)報(bào)步驟及結(jié)果

5.1 利用WEPP預(yù)報(bào)土壤侵蝕的步驟

1）將所預(yù)測(cè)地點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，分為降雨數(shù)據(jù)yyxxxxpl.csv,溫度和風(fēng)數(shù)據(jù)yyxxxxcs.csv,風(fēng)、輻射、露點(diǎn)數(shù)據(jù)yyxxxxcl.dat，氣象站信息yyxxxxst.dat依次建立文件[5]。其中:文件名xx表示氣象站的代碼 (兩個(gè)字母),yyyy表示收集的氣象數(shù)據(jù)年份,PL、CS、CL、ST分別代表相應(yīng)的氣象信息。如TZ2000PL.CSV可表示天鎮(zhèn)氣象站2000年收集的降雨數(shù)據(jù)。BPCDG.EXE為斷點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理程序,它的運(yùn)行環(huán)境與WEPP相同。利用bpcdg，運(yùn)行四個(gè)文件，得出后綴為cli的氣候文件，并導(dǎo)入WEPP的climate文件夾。

2）運(yùn)行WEPP,按照預(yù)測(cè)項(xiàng)目的種類，選擇運(yùn)行方案，如圖1。圖中為WEPP提供的5種運(yùn)行方案，分別為：使用默認(rèn)的WEPP方案；建立一個(gè)新的坡面方案；打開一個(gè)現(xiàn)有的坡面方案；打開一組工作方案；打開一個(gè)流域工程。

圖1 運(yùn)行方案選擇界面

圖2 大梁溝流域土壤侵蝕模擬的運(yùn)行界面

3）打開方案后，將模擬所需的數(shù)據(jù)，如土壤類型，坡長(zhǎng)、坡度、面積等輸入并運(yùn)行，即可模擬出土壤侵蝕量。

5.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

大梁溝流域土壤侵蝕模擬的運(yùn)行界面，見圖2，圖2中H1H2H3分別為大梁溝流域的三塊坡地的面積。模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表3：

表3 大梁溝土壤侵蝕模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

6 結(jié)論

1）利用天鎮(zhèn)縣一期“21世紀(jì)初期（2000－2005年）首都水資源可持續(xù)利用項(xiàng)目”項(xiàng)目區(qū)大梁溝流域水土監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用WEPP模型進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)測(cè),并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明WEPP模型的預(yù)報(bào)值較合理,低坡度坡面上模擬預(yù)測(cè)值高于實(shí)際觀測(cè)值,高坡度坡面上模擬預(yù)測(cè)值低于實(shí)際觀測(cè)值。

2）運(yùn)行WEPP,按照預(yù)測(cè)項(xiàng)目的種類還可以可估算土壤侵蝕的空間分布，限于文章的篇幅，沒有給出。

3）運(yùn)行WEPP，如果觀測(cè)資料具有較長(zhǎng)的系列，在一定程度上還可以得出全坡面或坡面任意一點(diǎn)的凈土壤流失量及隨時(shí)間的變化,這對(duì)布置水土保持管理措施有非常重要的意義。

[1]史銀志，雷曉云.土壤侵蝕預(yù)報(bào)方法研究[J].吉林水利,2008,(4):1-3.

[2]繆馳遠(yuǎn).WEPP模型在紫色土地區(qū)的應(yīng)用及與USLE的對(duì)比研究[D].重慶：西南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005：1.

[3]徐文才，甘玉華.土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究現(xiàn)狀[J].科技信息,2009,(21):34-35.

[4]張玉斌，鄭粉莉，賈云云.WEPP模型概述[J].水土保持研究,2004,(12):146-149.

[5]劉益軍，王昭艷.水力侵蝕預(yù)測(cè)模型WEPP氣象數(shù)據(jù)的輸入方法[J].水土保持科技情報(bào),2003,(4):4-5.