鄭小路，霍艾迪，朱興華，姜程

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安 710054；3.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

在黃土高原地區(qū)，由于塬面經(jīng)過長期侵蝕切割蠶食，溝壑面積比塬面面積己大很多。特別是在黃土高塬溝壑區(qū)，土壤侵蝕和溝頭溯源侵蝕尤為嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重威脅著居民的正常生活和財(cái)產(chǎn)安全。因此預(yù)測土壤侵蝕量在水土保持措施中顯得尤為重要，而土壤侵蝕模型則是預(yù)報(bào)土壤侵蝕必不可少的工具。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)學(xué)者對國外模型(如RUSLE方程、SWAT模型、WEPP模型)進(jìn)行了大量的研究，對黃土高原侵蝕模型的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。由于地域的限制，國外模型被應(yīng)用到黃土高原時(shí)會(huì)存在較大的誤差，因此我國學(xué)者建立了針對黃土高原的土壤侵蝕模型，如中國土壤流失方程(CSLE)、數(shù)字流域黃河模型(DYRIM)[1]。但是現(xiàn)有的模型在解釋黃土高原土壤侵蝕過程方面的難題依然沒有解決。所以如何建立適合黃土高原的土壤侵蝕模型依舊是當(dāng)今研究黃土高原水土流失過程中重要的一項(xiàng)任務(wù)，本文主要對黃土高原土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的分類和現(xiàn)狀進(jìn)行了分析、總結(jié)和討論，為黃土高原土壤侵蝕模型和水土保持的發(fā)展提供了有益的參考。

1 黃土高原土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究現(xiàn)狀

在2 300多年以前，我國已經(jīng)開始了土壤侵蝕的研究。19世紀(jì)后期到20世紀(jì)40年代末，國內(nèi)外專家對我國西北黃土高原土壤侵蝕開展一系列研究，建立水土保持實(shí)驗(yàn)站[2]。為觀測水土流失的規(guī)律，傅煥光帶領(lǐng)我國的水土保持工作者采用徑流和小流域徑流測驗(yàn)的方法。這種方法為以后研究黃土高原土壤侵蝕的規(guī)律奠定了很重要的基礎(chǔ)[3]。

我國對土壤侵蝕進(jìn)行定量化研究是從20世紀(jì)40年代開始的[4]。美國在50年代建立了計(jì)算土壤流失量的經(jīng)驗(yàn)性土壤侵蝕模型——通用土壤流失方程USLE[5-6]。但是模型具有一定的局限性，并不完全符合我國的情況。我國學(xué)者結(jié)合中國土壤侵蝕特點(diǎn)進(jìn)行一系列的修正研究，開始建立符合我國情況的土壤侵蝕模型[7]，黃土高原地區(qū)土壤侵蝕模型開始迅速發(fā)展。如牟金澤、孟慶枚[8]建立了符合黃土丘陵溝壑區(qū)小流域的流域侵蝕預(yù)報(bào)模型，蔡強(qiáng)國[9]考慮到黃土丘陵溝壑區(qū)復(fù)雜地貌特征和垂直分帶性的特點(diǎn)，將流域土壤侵蝕模型劃分為坡面、溝坡和溝道三個(gè)子模型。美國在20世紀(jì)90年代提出基于物理過程的土壤侵蝕模型WEPP模型。WEPP模型目前分為坡面版、流域版和網(wǎng)格版，坡面版是目前研究最為成功的。王建勛等[10-11]評價(jià)了WEPP模型在黃土地區(qū)的適用性，取得了良好的結(jié)果。并指出WEPP模型的模擬精度比USLE高。隨著“3S”技術(shù)發(fā)展，土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的研究取得了很大進(jìn)展。Cochrane T A[12]將GIS與WEPP聯(lián)合進(jìn)行水蝕預(yù)報(bào)。由于黃土高原地區(qū)坡度陡峭，破碎程度高，物理模型模擬的是細(xì)溝及細(xì)溝間的侵蝕，但是黃土高原的土壤侵蝕一部分是由斜坡底部的重力作用造成的侵蝕，至于如何將斜坡底部的重力作用以什么因子加入模型中，至今尚未由研究表明。因此如何優(yōu)化黃土高原物理模型仍然需要考慮很多方面。

由圖1可知，在黃土高原地區(qū)，坡面被降雨形成的徑流造成細(xì)溝及細(xì)溝間侵蝕，而在坡面底部，由于重力作用造成滑坡。重力侵蝕是黃土高原土壤侵蝕普遍見到的現(xiàn)象，因此模型在建立時(shí)應(yīng)考慮斜坡底部的重力侵蝕問題。

圖1 重力侵蝕Fig.1 Gravity erosion

2 模型評價(jià)與選擇

2.1 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型應(yīng)用與評價(jià)

我國的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃谕ㄓ猛寥懒魇Х匠蘒SLE的基礎(chǔ)之上，結(jié)合黃土高原的實(shí)地情況和實(shí)測資料，對各侵蝕因子進(jìn)行定量研究以此來計(jì)算土壤侵蝕量。

江忠善[13]建立了用修正系數(shù)方法處理淺溝侵蝕影響的計(jì)算侵蝕產(chǎn)沙量的公式：

(1)

該模型與以往模型相比，存在的優(yōu)點(diǎn)是考慮到了黃土丘陵區(qū)的地形特征，建立模型的過程中將淺溝侵蝕考慮在內(nèi)。而且該模型通過GIS軟件建立土壤侵蝕空間數(shù)據(jù)庫，為實(shí)現(xiàn)未來土壤侵蝕模型與GIS軟件更好的相結(jié)合奠定基礎(chǔ)。但是模型在推廣時(shí)，依舊存在局限性。需要對參數(shù)進(jìn)行修正才可能保證其精確度。

劉寶元等[14]利用黃土丘陵溝壑區(qū)的徑流小區(qū)的實(shí)測資料，以USLE為基礎(chǔ)，引入了耕作措施(T)、生物(B)和工程(E)因子，建立了中國土壤流失預(yù)報(bào)方程CSLE。模型忽略了陡坡地特有的淺溝侵蝕的影響，缺乏描述土壤侵蝕的物理過程，因此模型的推廣也受到一定的限制。

以上的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投紝儆谄旅媲治g產(chǎn)沙模型。在流域產(chǎn)沙模型方面，我國研究學(xué)者同樣做了深入的研究，金爭平[15]分析了皇甫川小流域侵蝕產(chǎn)沙的影響因素，利用主導(dǎo)因子建立了不同條件下的泥沙預(yù)報(bào)方程。但是只能在皇甫川流域應(yīng)用，對其他地區(qū)不適用。該模型缺乏對黃土高原近年來大規(guī)模土壤侵蝕防治工程措施的考慮，這也是模型較難實(shí)際推廣應(yīng)用的原因。Zheng等[16]根據(jù)黃土高原12個(gè)小流域的產(chǎn)沙量建立了用于預(yù)測次洪產(chǎn)沙量的比例函數(shù)，對岔巴溝和王家溝子流域的產(chǎn)沙量模擬較為準(zhǔn)確(R2>0.9)，但是預(yù)測較小洪水情況下的產(chǎn)沙量誤差較大。

從以上模型的論述中，得到經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測值都是較為準(zhǔn)確的。這是因?yàn)榻⒔?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)考慮到了各個(gè)影響因子，并對各影響因子進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。但是所有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诮r(shí)都沒有將土壤侵蝕過程考慮進(jìn)去，這也造成了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒軐ν寥狼治g做出理論性的解釋。

2.2 物理過程模型應(yīng)用與評價(jià)

對比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，物理成因模型可以模擬土壤侵蝕的過程。因此可以對未來侵蝕發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，對各種水土保持措施的效果做出評價(jià)。物理成因模型變量輸入和參數(shù)校正的復(fù)雜性限制了模型在不同地區(qū)的適用性。黃土高原土壤侵蝕物理模型一部分是由國外模型改進(jìn)后應(yīng)用于黃土高原，有一部分模型則是國內(nèi)學(xué)者專門為研究黃土高原水土流失而開發(fā)的。

Limburg Soil Erosion Model(LISEM)模型[17-18]用于模擬小流域次降雨土壤侵蝕過程。Rudi Hessel等[19]應(yīng)用LISEM模型模擬了大南溝小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。提出對坡度進(jìn)行修正、加入曼寧系數(shù)、在運(yùn)移方程中將正切改為正弦等改進(jìn)方法。研究表明，LISEM模型在模擬黃土高原小流域的土壤侵蝕是可以適用的。模型不能用于預(yù)測黃土丘陵區(qū)未來降雨造成的徑流和侵蝕量，但是可以模擬在同一次觀測降雨事件中不同土地利用方案的水土流失效應(yīng)。

除了將國外模型改進(jìn)用于黃土高原的水土流失數(shù)值模擬，也有很多學(xué)者專門為研究黃土高原土壤侵蝕開發(fā)新的模型。Wang G等[20]開發(fā)了DYRIM模型，可以模擬在流域尺度下的土壤侵蝕和泥沙輸移過程。Si W等[21]開發(fā)了黃土高原流域產(chǎn)沙物理模型。田鵬等[22]針對黃土高原土壤侵蝕與泥沙輸移，建立了Tian模型。Yang T等[23]提出的模型促進(jìn)了對黃土高原丘陵溝壑區(qū)水土流失與泥沙輸移過程的認(rèn)知。Tian模型、Yang模型預(yù)測精度較高，更適用于小流域。

對比以上模型，在模擬水量平衡方面，雖然LISEM、Si、Yang模型都可以做到，因此可以對氣候變化和土地利用變化的影響進(jìn)行評估。但是LISEM模型在模擬土地利用變化方面要比氣候變化準(zhǔn)確[17，24-25]。而Si模型在模擬氣候及土地利用變化對土壤侵蝕影響的空間分異性時(shí)誤差較大。在確定產(chǎn)沙來源區(qū)方面，DYRIM、Tian、Si、Yang模型比LISEM模型更適用，但DYRIM、Tian、Yang模型在確定產(chǎn)沙來源區(qū)方面的能力比Si模型高。Si模型、Yang模型在建立時(shí)考慮了溝道侵蝕[21，23]。Tian考慮了淤地壩的攔沙效應(yīng)[22]。在模擬重力侵蝕過程方面只有DYRIM模型能夠做到[26-27]。

2.3 分布式模型應(yīng)用與評價(jià)

分布式水文模型具有物理基礎(chǔ)，模型結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，參數(shù)的物理意義明確；結(jié)合“3S”技術(shù)得到更為詳細(xì)的且符合實(shí)際情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；因?yàn)槟Ｐ褪墙⒃贒EM的基礎(chǔ)上，可以反映出人類活動(dòng)和下墊面因素對流域水文過程的影響。分布式水文模型在黃土高原地區(qū)的探索和研究也有較大的進(jìn)展。

Watershed Erosion Prediction Project(WEPP)模型在模擬小流域單次降雨事件或者連續(xù)降雨過程的產(chǎn)沙量時(shí)較為適用[28-29]。地表徑流的模擬基于Chu S T[30]開發(fā)的Green-Ampt方程，徑流峰值估算根據(jù)運(yùn)動(dòng)波或回歸方程。WEPP模型模擬土壤侵蝕利用靜態(tài)泥沙連續(xù)方程[31]。對河道內(nèi)的侵蝕、輸移和淤積過程的模擬是建立在泥沙連續(xù)性方程的靜態(tài)解基礎(chǔ)之上的。王建勛[10-11]、Yu X等[12]對WEPP坡面版在黃土區(qū)(橋子?xùn)|溝、橋子西溝、呂二溝)適應(yīng)性做出評價(jià)并得到良好結(jié)果，Nsc高于0.74。WEPP模型在模擬過程中，可以較好的反映出坡度和坡長對產(chǎn)沙量的影響，模擬流域中的沙源和沙匯的能力較高，可以較好的模擬細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝間侵蝕的物理過程。模擬土壤流失量時(shí)，對于陡坡也同樣適用。但需要注意的是模型未考慮重力侵蝕。

SWAT用于模擬流域內(nèi)徑流和產(chǎn)沙過程及其對土地利用變化的響應(yīng)。Qiu等[32-34]分別在紙坊溝、安家溝、皇甫川進(jìn)行數(shù)值模擬，得到較精確的預(yù)測值(校正R2>0.7，Nsc>0.6)，而驗(yàn)證結(jié)果明顯低于校正結(jié)果。Shao H等[35]為SWAT模型建立了梯田模擬模塊，使模型能夠模擬梯田對侵蝕過程的影響。然而，模型需要的參數(shù)較多并且僅在緩坡地區(qū)適用。因此為提高侵蝕量的計(jì)算常常將CSLE中陡坡因子的計(jì)算方法應(yīng)用在模型中。此外，SWAT與WEPP模型都加入了水庫的影響[36]。WATEM/SEDEM模型由Van Rompaey A J等[37]開發(fā)，用于泥沙輸移過程的模擬。但是模型在黃土高原驗(yàn)證中預(yù)測值精度不高或模擬結(jié)果不穩(wěn)定[38]。此外，劉卓穎[39]建立了適合黃土高原地區(qū)氣候及水土保持特點(diǎn)的分布式水文模型，并且將淤地壩引入到模型中，實(shí)現(xiàn)對其攔水?dāng)r沙效益的模擬。但是這些模型在改進(jìn)時(shí)受到地域的限制，不能廣泛的應(yīng)用于黃土高原。表1是不同土壤侵蝕模型的類型、結(jié)構(gòu)及其在黃土高原土壤侵蝕數(shù)值模擬方面的適用性比較。

表1 土壤侵蝕模型比較Table 1 Comparison of soil erosion models

3 黃土高原土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究展望

3.1 存在的問題

目前黃土高原土壤侵蝕模型存在問題主要有四個(gè)方面：①數(shù)據(jù)質(zhì)量需要提高。如坡度、坡長都是模型運(yùn)行不可少的參數(shù)，不僅決定徑流及泥沙運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)能量，而且決定了徑流方向，這在地形復(fù)雜的黃土高原尤為重要。模擬時(shí)所用的DEM分辨率最高為5 m[1]，但是黃土高原的某些細(xì)溝寬度小于5 m；②對水土流失過程需要更為精細(xì)的描述。黃土高原的水流特性與清水基本不一致，為高含沙水流；而且存在高密度的溝道與陡坡。而泥沙輸運(yùn)公式不能反映出黃土高原這些特有的性質(zhì)[40]，而且由于黃土高原各種水土保持措施，形成了很多特殊的地形，如大規(guī)模梯田、魚鱗坑、淤地壩[41]。現(xiàn)有的模型對這些因素鮮有考慮；③需要提高模型校正與驗(yàn)證方法。通過比較預(yù)測值與實(shí)測值的差異來驗(yàn)證模型的適用性，但是忽略了驗(yàn)證模型內(nèi)部的產(chǎn)輸沙及產(chǎn)匯流過程，而且對模型空間分布的驗(yàn)證比較少。此外，應(yīng)該注意的是，在模型中嵌入更多的過程會(huì)直接增加模型的復(fù)雜性[42]；④對土壤侵蝕機(jī)理和過程了解不清晰?，F(xiàn)有模型大多只是考慮了降雨與水力侵蝕的關(guān)系，但是在黃土高原滑坡發(fā)生時(shí)，邊坡底部的重力侵蝕造成邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象并沒有考慮在模型內(nèi)。而且在坡腳侵蝕區(qū)，由于土壤流失造成地下水水位升高，導(dǎo)致滑動(dòng)面上的有效正應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度降低。目前，我國對黃土水力侵蝕與黃土滑坡的互促機(jī)制問題依舊沒有解決，這就造成了在數(shù)值模型建立的時(shí)候?qū)聶C(jī)制考慮的不夠全面，這可能是數(shù)值模型在模擬時(shí)不準(zhǔn)確的主要原因。

3.2 展望

經(jīng)過對黃土高原土壤侵蝕模型的對比與分析，模型的未來發(fā)展方向主要放在3個(gè)方面：數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高、開發(fā)新模塊與模型評估。①模型模擬的準(zhǔn)確性是直接建立在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之上的。由于黃土高原地形復(fù)雜，數(shù)據(jù)精度的提高尤為重要。因此在數(shù)據(jù)方面的發(fā)展要集中于提高DEM的分辨率，對土地利用數(shù)據(jù)的時(shí)空變化記錄更為詳細(xì)，對實(shí)測土壤侵蝕量的統(tǒng)計(jì)更加準(zhǔn)確，以提高模型驗(yàn)證精度；②由于黃土高原各種水土保持措施形成的特殊的地貌沒有辦法在目前的模型中加以體現(xiàn)，因此要注重新模塊的開發(fā)。目前的模型大都只適用于小流域，未來應(yīng)注重于將小流域向大流域的轉(zhuǎn)換，從小尺度到大尺度。對于上述提到的對水力侵蝕與黃土斜坡穩(wěn)定性的問題，可以按照野外測量的斜坡原型利用WEPP建立數(shù)值模型。首先模擬地下水位的升降變化對斜坡坡體穩(wěn)定性的影響，然后模擬流水作用對坡腳的侵蝕作用，同時(shí)設(shè)置浸潤，模擬流水作用對坡腳的浸潤作用，浸潤高度根據(jù)流水的水面高程和毛細(xì)水上升高度確定，通過設(shè)置不同的變化條件，進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性分析，研究水力侵蝕與斜坡失穩(wěn)之間的相關(guān)性；③在驗(yàn)證模型時(shí)，只驗(yàn)證了單個(gè)模型的適用性，忽略了對比不同模型在相同條件下的模擬精度，而且目前模型驗(yàn)證的方法只是簡單對比預(yù)測值與實(shí)測值的差異，并不能體現(xiàn)出是否對土壤侵蝕過程進(jìn)行了正確模擬，黃土高原土壤侵蝕復(fù)雜多樣，比如WEPP模型雖然精度得到驗(yàn)證，但是不能模擬重力侵蝕，而在黃土高原這樣重力侵蝕普遍發(fā)生的地區(qū)模型的內(nèi)部侵蝕過程更應(yīng)該得到檢驗(yàn)。因此未來需要集中于模型內(nèi)部的侵蝕過程的驗(yàn)證。且需要驗(yàn)證模擬結(jié)果在空間分布上的適用性。