張啟旺，安俊珍，王 霞，高雅玉，常萬廣

(1.甘肅省水利水電學(xué)校，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020；3.白銀市水務(wù)局，甘肅 白銀 730900)

土壤侵蝕預(yù)報模型的研發(fā)，是土壤和地理學(xué)科的前沿領(lǐng)域，也是引導(dǎo)和集成土壤侵蝕試驗(yàn)研究、促進(jìn)土壤侵蝕和水土保持科研定量化的重要手段。近30年來，世界多個國家都投入了大量的人力和物力研發(fā)土壤侵蝕預(yù)報模型，并取得了長足的進(jìn)展。根據(jù)模型建立的途徑和模擬過程，模型通常可以分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、物理過程模型和分布式模型。

1 土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

國外土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要以通用土壤流失方?Universal Soil Loss Equation，USLE)和修正的通用土壤流失方程(Reversed Universal Soil Loss Equation，RUSLE)為代表。由于USLE和RUSLE都是基于緩坡的土壤侵蝕預(yù)報模型，加上RUSLE是基于年降雨的侵蝕產(chǎn)沙模型，這對在以高強(qiáng)度次降雨居侵蝕主導(dǎo)地位地區(qū)的運(yùn)用受到限制，即模型的外推性不是甚好。20世紀(jì)80年代以來，我國學(xué)者以USLE為藍(lán)本，利用水蝕區(qū)徑流小區(qū)觀測資料，根據(jù)各研究區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行因子修正，就主要水蝕區(qū)的黃土高原、東北漫崗丘陵、長江三峽庫區(qū)、南方紅壤丘陵和閩東南、廣東、滇東北等地區(qū)的坡面土壤侵蝕，開展了我國土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯俊?/p>

1.1 中國坡面土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)

劉寶元等以USLE為藍(lán)本，利用黃土丘陵溝壑區(qū)安塞、子洲、離石、延安等徑流小區(qū)的實(shí)測資料，建立了中國坡面土壤流失預(yù)報方程[1]。模型形式為

A=RKLSBET

(1)

式中：A為多年平均土壤流失量；R、K、L、S4個因子的意義與USLE中對應(yīng)因子的意義相同；B為水土保持生物措施因子；E為水土保持工程措施因子；T為水土保持耕作措施因子。

該模型的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)我國水土保持的實(shí)際情況，將USLE中的覆蓋與管理兩大因子變?yōu)槲覈帘３秩蟠胧┮蜃樱醋優(yōu)樯?B)、工程(E)和耕作 (T)措施因子，其不足是模型形式與USLE相同，缺乏對物理過程的考慮，對陡坡地特有的淺溝侵蝕考慮不夠。

1.2 陡坡地包括淺溝侵蝕在內(nèi)的土壤流失預(yù)報模型

江忠善等[2]以溝間裸露地基準(zhǔn)狀態(tài)坡面土壤侵蝕模型為基礎(chǔ)，將淺溝侵蝕的影響以修正系數(shù)的方式進(jìn)行處理，建立了計算溝間地次降雨侵蝕的模型。模型形式為

(2)

式中：A為次降雨侵蝕量；K為土壤因子系數(shù)；P為降雨量；I30為一次降雨過程中30 min最大降雨強(qiáng)度；S為坡度；L為坡長；Gs為淺溝侵蝕影響系數(shù)，當(dāng)坡面無淺溝侵蝕時，Gs為1；V為植被影響系數(shù)；C為水土保持措施影響系數(shù)；a為系數(shù)。

同以往模型相比，該模型結(jié)構(gòu)符合黃土丘陵區(qū)地貌特點(diǎn)，考慮了陡坡地的淺溝侵蝕，使預(yù)報精度大大提高。應(yīng)用ARC/INFO地理信息系統(tǒng)軟件建立空間水土流失數(shù)據(jù)庫， 實(shí)現(xiàn)了侵蝕預(yù)報模型與GIS相結(jié)合，使模型能預(yù)報侵蝕產(chǎn)沙的空間分布。

1.3 小流域宏觀產(chǎn)沙模型

尹國康等[3]研究認(rèn)為，氣象—水文因素和包括人類活動影響在內(nèi)的地表物理性質(zhì)因素，是控制土壤侵蝕的2個重要方面。因此，降雨和徑流、流域面積、流域地面溝壑密度、流域高差比、地面溝壑切割深度、流域植被與治理度、地面巖石抗蝕性等因素，是選擇指標(biāo)的主要對象。通過分析篩選和回歸計算，提出小流域宏觀產(chǎn)沙模型為

Msa/Mwa=31.82I0.83

(3)

2 中國土壤侵蝕預(yù)測物理模型——以黃土區(qū)為例

2.1 黃土丘陵溝壑區(qū)流域暴雨產(chǎn)沙模型

謝樹楠等[4]從泥沙運(yùn)動力學(xué)基本理論出發(fā)，基于9個基本的假定，即暴雨產(chǎn)生的徑流按坡面一維流動考慮、壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)分布、流動中的能量系數(shù)按常量考慮、坡面角度不變、坡面土層的組成是均勻的、泥沙不考慮黏性、在計算時段內(nèi)降雨強(qiáng)度和滲透率不變、溝道泥沙的輸移比為1、不考慮前期土壤含水量的影響，將計算流域按自然水系劃分為若干個子流域，再將各個子流域按地貌微觀結(jié)構(gòu)分成若干個基本單元，同時將流域內(nèi)所有雨量站按泰森多邊形劃分成不同的控制區(qū)，以雨量站的降雨代表控制區(qū)內(nèi)所有計算單元的降雨，建立適用于大、中、小流域的暴雨產(chǎn)沙模型，分產(chǎn)流和產(chǎn)沙計算兩部分，產(chǎn)沙量計算根據(jù)水流連續(xù)方程、運(yùn)動方程、泥沙連續(xù)方程和挾沙力公式聯(lián)立求解，在充分考慮植被和土壤類型對土壤侵蝕影響的基礎(chǔ)上，建立了具有一定理論基礎(chǔ)的流域侵蝕模型，得到單位面積單位時間產(chǎn)沙量E的計算公式，即

(4)

式中：CA、CE分別為單位面積裸露率和侵蝕因子；fI為單位時間單位面積斜坡上由降雨產(chǎn)生的徑流量；L為坡長；S0為坡度；D50為泥沙中徑。

該模型的優(yōu)點(diǎn)是模型物理圖形清晰，降雨、徑流、產(chǎn)沙過程的力學(xué)關(guān)系清楚，是一種較全面反映產(chǎn)沙因素的流域暴雨產(chǎn)沙模型。

2.2 黃土區(qū)流域產(chǎn)沙模型

湯立群[5]從流域水沙產(chǎn)生、輸移、沉積過程的基本原理出發(fā)，根據(jù)黃土區(qū)地形地貌和侵蝕產(chǎn)沙的垂直分帶性規(guī)律，將流域劃分為梁峁上部、梁峁下部及溝谷坡3個典型的地貌單元分別進(jìn)行水沙演算。模型包括徑流模型和泥沙模型兩部分，徑流模型中采用超滲產(chǎn)流模型，用Horton下滲曲線確定入滲量，溝道中徑流運(yùn)動采用一維圣維南方程計算。研究指出，流域產(chǎn)沙量取決于水流挾沙能力與可供沙量的比例關(guān)系，若水流挾沙能力小于供沙量，則產(chǎn)沙量等于水流挾沙能力；反之水流將進(jìn)一步?jīng)_刷表土，形成徑流侵蝕，產(chǎn)沙量就等于供沙量與徑流侵蝕量之和。該模型借鑒了國外已有的研究成果，模型結(jié)構(gòu)簡單，考慮了黃土區(qū)的垂直分帶性，可以模擬水沙時空變化過程，適用于中小流域的水沙預(yù)報和編制小流域治理規(guī)劃，但模型中的參數(shù)要根據(jù)實(shí)測資料來確定，因而推廣受到限制。

2.3 黃土高原小流域侵蝕產(chǎn)沙預(yù)報模型

蔡強(qiáng)國等[6]以晉西離石羊道溝流域?yàn)檠芯繉ο?，建立了一個有一定物理基礎(chǔ)的能表示侵蝕輸移產(chǎn)沙過程的小流域次降雨侵蝕產(chǎn)沙模型。該模型由坡面、溝坡和溝道3個相互聯(lián)系的子模型組成。

次降雨坡面濺蝕分散量方程為

Db= 0.015J(ER/λ)e(2.68sinα- 0.48Cv)

(5)

式中:Db為坡面濺蝕分散量；J為前期表土結(jié)皮因子，當(dāng)前期無表土結(jié)皮時為1；ER為降雨動能，可根據(jù)ER= 28.83+13.51lgI計算,其中I為降雨強(qiáng)度；λ為以標(biāo)準(zhǔn)錐體貫入測量得出的土壤抗剪切強(qiáng)度；α為坡度；Cv為植被覆蓋度。

坡面細(xì)溝侵蝕估算方程為

Dr=1.766×10-7E-4.8rλ-0.5

(6)

式中:Dr為細(xì)溝侵蝕模數(shù)；Er為細(xì)溝水流侵蝕力，Er=0.01ρgHAsinα，其中ρ為水密度，g為重力加速度，H為平均徑流深，A為單寬匯流面積；λ為表土抗剪強(qiáng)度。

該模型的優(yōu)點(diǎn)在于能表示侵蝕、輸移和產(chǎn)沙過程，考慮了坡面、溝坡和溝道之間的相互關(guān)系，同時模型要求輸入的變量較少，這為在黃土高原地區(qū)的推廣奠定了基礎(chǔ)。但模型對于微地形和犁底層的影響未能考慮，對洞穴侵蝕、瀉溜侵蝕、泥沙在坡面和溝道的輸移等還有待深入研究。

除上述談及的模型外，江忠善[7]、牟金澤[8]、范瑞瑜[9]等也對土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報物理模型進(jìn)行了研究，并取得了適宜于本地區(qū)的模型。

3 分布式模型

分布式模型將流域劃分成一個個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格單元中的土壤、植被覆蓋均勻分布， 在每個網(wǎng)格上進(jìn)行參數(shù)的輸入，然后依據(jù)一定的數(shù)學(xué)表達(dá)式來計算，并將計算結(jié)果推算到流域出口，從而得到流域土壤侵蝕總量[10]。

3.1 SHE模型

典型的分布式土壤侵蝕模型是SHE(System Hydrologique Europeen)模型，該模型是研究水流及泥沙運(yùn)動空間分布情況的模型，可應(yīng)用于流域模擬土壤侵蝕和泥沙輸移，包括雨滴擊濺、面蝕、面蝕中的二維負(fù)荷對流以及河床侵蝕等[11]。用在該模型中的基本方程為

Dn=KrFw(1-Cg)(1-Cc)(Mr+Md)

(7)

式中：Dn為單位面積土壤侵蝕量；Kr為雨滴擊濺土壤侵蝕力指數(shù)；Fw為雨滴擊濺分配給土壤的能量；Cg為地面覆蓋對地表保護(hù)的比例；Cc為植被覆蓋率；Mr為雨滴直接降落到地面的動能；Md為雨滴擊濺動能。

面蝕土壤侵蝕量計算式為

Df=Kf(T/Tc-1)

(8)

式中：Df為單位面積剝蝕量；Kf為地表徑流侵蝕力指數(shù)；T為水流剪切力；Tc為泥沙運(yùn)動的垂直剪切力。

3.2 EUROSEM模型

EUROSEM模型(歐洲土壤侵蝕模型)是動態(tài)分布式模型，可以在單獨(dú)地塊或小流域中預(yù)測水力侵蝕強(qiáng)度，其特點(diǎn)比較適合于庫區(qū)土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報[12]。王宏等[13]應(yīng)用EUROSEM模型對三峽庫區(qū)陡坡地水力侵蝕研究發(fā)現(xiàn)，該模型對人工降雨中徑流模擬效果較好，但對土壤流失的模擬效果相對較差。

4 中國土壤侵蝕模型研發(fā)中存在的問題及展望

中國土壤侵蝕模型的研發(fā)雖已取得一定的進(jìn)展，但還存在一些需要進(jìn)一步深化研究的問題[14]：①現(xiàn)有的土壤侵蝕預(yù)測模型大多是地方性的，不能用于較大的區(qū)域，也很難用于全國和其他地區(qū)。②對于各侵蝕影響因子尚無系統(tǒng)全面的研究，缺乏足夠的試驗(yàn)觀測資料，影響了所建模型的實(shí)用性。③大多數(shù)模型尚不能很好地用于流域的土地利用和水土保持規(guī)劃。④對USLE的應(yīng)用還存在一些不盡合理的地方，包括將USLE簡單地推廣應(yīng)用于流域侵蝕產(chǎn)沙預(yù)報和較大區(qū)域。宋穎[15]認(rèn)為現(xiàn)有模型研究存在如下問題，即坡面模型研究較多，而流域模型研究特別是大中流域的模型研究較少，溝道及重力侵蝕研究薄弱；模型中產(chǎn)沙部分研究較多而泥沙輸移及匯集部分研究較少。

土壤侵蝕模型建立與研發(fā)具有區(qū)域性特點(diǎn)，因此模型的推廣應(yīng)用具有局限性。國外大多數(shù)耕作土地是緩坡，其基本侵蝕預(yù)報公式都是在緩坡地的基礎(chǔ)上建立的，而我國的土壤侵蝕主要發(fā)生在15°以上的陡坡地，我國的土地利用方式與國外也不盡相同，因此我們應(yīng)該借鑒國外已有的建模思路，充分考慮我國土壤侵蝕發(fā)生的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究陡坡地的侵蝕機(jī)制，以便對土壤侵蝕和水土保持效益作出定量評價[16]。同時，注重土壤侵蝕模型的理論研究，將從以侵蝕因子為基礎(chǔ)的侵蝕預(yù)報向侵蝕過程的量化研究和理論完善，研究各侵蝕因子及其交互作用對侵蝕過程的影響，泥沙在復(fù)雜坡面以及不同流域尺度間的分散、輸移和沉積作用[17-18]；加強(qiáng)對重力侵蝕、洞穴侵蝕機(jī)制和大中流域侵蝕模型的研究[19]。此外，在模型研發(fā)過程中，應(yīng)充分利用先進(jìn)的RS、GIS技術(shù)[20]，為侵蝕模型的研究提供大量的數(shù)據(jù)源，以利于對土壤侵蝕模型的檢驗(yàn)，為我國的水土保持規(guī)劃和環(huán)境治理提供依據(jù)。

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