殷文強

(惠州市博潤生態(tài)工程咨詢有限公司,廣東 惠州 516000)

0 引言

水土侵蝕是我國的一個主要農(nóng)業(yè)和環(huán)境問題,也是造成富營養(yǎng)表層土流失和水土肥力下降的主要原因之一。例如,廣東2005年水土侵蝕面積為40 006 km2,占城市總面積的48.6%;2005年水土流失總量為146億 t。流域的水土流失和泥沙淤積是對大壩安全的潛在威脅。此外,生活在該地區(qū)的大多數(shù)人口以農(nóng)業(yè)為生,因此必須保護水土以維持作物產(chǎn)量。

1 方法和材料

1.1 研究區(qū)域

某水庫面積1.62 km2。該地區(qū)年平均氣溫18℃,年平均降水量1 439 mm,海拔148～530 m。流域平均坡度22.0%,部分丘陵地區(qū)最大坡度71.6%。主要土地利用為土堤階地-519%,石堤階地22.0%,水田14.1%,混交林10.0%。

在某水庫建設(shè)了10個試驗地塊,每個地塊大小為2 m×10 m,坡度為46.6%。地塊邊界用混凝土建造。每個地塊下方都有一個混凝土罐,用于收集降雨期間地塊的地表徑流和沉積物。在這十個地塊中,有一個是傾斜的野生草原作為參考。該地塊種植了三種植物,包括花生樹、桔子樹和茶樹。橘子樹和茶樹種植時已有一年樹齡。兩種保護措施是梯田和樹籬。在這項研究中使用的灌木樹籬是一種灌木。

1.2 WEPP模型

WEPP流域模型是一個連續(xù)模擬計算機程序,用于預測山坡陸上流的沉積物產(chǎn)量和沉積,小渠道集中流的沉積物產(chǎn)量和沉積,以及蓄水池中的沉積物沉積。它計算沉積物產(chǎn)量和沉積的空間和時間分布,并明確估計在流域或山坡上何時何地發(fā)生侵蝕,以便可以選擇保護措施來有效控制沉積物產(chǎn)量。

該模型使用穩(wěn)態(tài)沉積物連續(xù)性方程來估計凈分離和沉積

dG/dx=Df+Di

(1)

式中:G是沉積物負荷(kg/s/m),x表示下坡距離 (m), Df是裂縫侵蝕率(kg/S/m) , Di是向裂縫輸送的裂縫間沉積物(kg/S/m).Di被視為獨立于i,并且始終大于 0。Df>0 表示分離,Df<0 表示沉積。

對于模型計算,兩個Df和Di以每個裂縫面積為基礎(chǔ)計算,因此G以每單位裂縫寬度為基礎(chǔ)求解。計算后,沉積物產(chǎn)量表示為單位土地面積的沉積物產(chǎn)量。

通過目視檢查觀測值和模擬值的數(shù)字以及某些擬合優(yōu)度統(tǒng)計標準(包括偏差)來評估模擬值(Re)、決定系數(shù)(R2)和模型效率值(ENS)。

Re=(Pi-Oi)/Oi×100%

(2)

式中:Oi和Pi是觀測值和模擬值的第i對。越小 |Re|模型結(jié)果越好。

R2使用以下公式計算每個關(guān)系

R2=

(3)

ENS表示為

(4)

ENS的范圍從 -∞ 到 1,其中 1 表示完全擬合。

1.3 數(shù)據(jù)

實驗地塊的建設(shè)于2014年4月完成,因此從那時起只有觀測數(shù)據(jù)。對2014-2017年的流域地表徑流和沉積物進行了測量。對于每一次降雨事件,都會測量河流流量。在流域出口處安裝了水位計,以提供在同一地點測量的水位和流速。溢洪道為矩形,因此可以很好地估計流量。由于非降雨日的含沙量相對較低,因此僅在降雨日采集泥沙流量樣本。沉積物濃度是通過過濾和蒸發(fā)方法獲得的。

降雨事件發(fā)生后,這些地塊的水和侵蝕沉積物被收集在混凝土罐中。將它們均勻混合以估計平均含沙量。地表徑流是根據(jù)水箱的水位計算的。產(chǎn)沙量是通過將水箱中的水量與平均含沙量相乘來計算的。

模型輸入包括日降水量、溫度、太陽輻射、露點、風速、管理、水土、坡度和土地利用。在紫桂水土保持實驗站收集了降雨數(shù)據(jù)。其他所需的氣候數(shù)據(jù)是在紫桂縣氣象站收集的。管理和水土輸入文件是根據(jù)實地調(diào)查建立的。數(shù)字高程模型(DEM)和坡度數(shù)據(jù)是根據(jù)流域等高線圖(間隔3米)開發(fā)的。土地利用信息是根據(jù)實地調(diào)查,通過對IRS P6 LISS-4(5米分辨率)衛(wèi)星圖像的解釋獲得的。

1.4 分析方案

WEPP模型用于模擬2014-2017年流域的月徑流和產(chǎn)沙量、地塊的年徑流和水土侵蝕,以及流域和地塊的降雨事件徑流和水土流失。

通過在可接受的范圍內(nèi)改變參數(shù)值并觀察水流和產(chǎn)沙量,對2014年和2005年進行了敏感性分析。有效導水率是徑流最敏感的參數(shù),基線細溝間可蝕性、有效導水性、細溝可蝕性和臨界水力剪應(yīng)力值對水土侵蝕最敏感。

首先調(diào)整產(chǎn)生最大靈敏度的參數(shù),然后調(diào)整其他參數(shù)。一旦校準了模型,就使用校準的參數(shù)運行WEPP,并模擬驗證期內(nèi)的水流和產(chǎn)沙量值。所有校準的參數(shù)值都在物理上有意義的值范圍內(nèi)。

選擇了五個降雨事件,平均降雨強度范圍為0.80～5.57 mm/h,并模擬了徑流和水土侵蝕。之所以選擇這五個事件,是因為有相對完整的徑流和水土侵蝕記錄,所有這些都可能導致水土侵蝕。使用了為先前模擬設(shè)置的模型參數(shù)。

為了進一步研究傳統(tǒng)坡耕地對水土侵蝕的影響,選擇了7-10號地塊(分別有花生、茶樹、桔子樹和野生草地的坡耕地),并以10號地塊為參考,通過WEPP對其徑流和水土侵蝕率進行建模。根據(jù)上面的數(shù)據(jù)和模型,得出以下結(jié)果。

表1 五個選定降雨事件的詳細信息

2 結(jié)果和討論

2.1 保護措施的效果

對水土侵蝕率進行了年度和降雨事件尺度的分析。在降雨事件水平上,從四年中均勻選擇了21個降雨事件,測量了地塊的產(chǎn)沙量。

2.1.1 年水土侵蝕率

這十個地塊的水土侵蝕率是根據(jù)四年的降雨事件觀測結(jié)果計算的。水土侵蝕率是從1-12月計算的,但僅在2014年5-12月期間計算,因為地塊直到2014年5月份才建造。每年前四個月的降水量相對較小,因此2014年的水土侵蝕率接近全年的實際值。

除4號、5號、8號和10號地塊外,大多數(shù)地塊的水土侵蝕率都隨著時間的推移而下降。與2014年相比,2017年的數(shù)值大幅下降,從74.7%降至100%。水土侵蝕率下降的原因是一個漸進的過程穩(wěn)定了地塊中的水土和植物。在地塊建設(shè)過程中,水土受到了很大的擾動。桔子樹和茶樹需要很長一段時間才能穩(wěn)定水土。因此,2014年的水土侵蝕程度相對較高。隨著時間的推移,植物生長,水土穩(wěn)定性逐漸增強。

2.1.2 不同保護措施的效果比較

1)樹籬與坡地

按年度計算,種植茶樹和樹籬的地塊5的泥沙量低于地塊8(沒有樹籬)。年均減少率約為39.6%。然而,與9號地塊(無樹籬)相比,種植橙樹和樹籬的6號地塊沒有明顯的控制效果;2005年和2006年,6號地塊的水土侵蝕大于9號地塊。

對于事件比較,在有樹籬和沒有樹籬的坡地上種植茶樹(分別為地塊5和8)的水土侵蝕率結(jié)果如圖所示。第3(a)段。21次降雨中有15次表明,在有樹籬的坡地上種植茶樹有利于控制水土侵蝕。對于其他事件(1號、2號、4號、9號、11號和19號),結(jié)果相反。原因可能是1號、2號和4號事件發(fā)生在小區(qū)實驗開始時,當時樹籬很小。由于樹籬周圍是裸露的土地,它們在早期階段可能沒有什么影響。

在有樹籬和沒有樹籬的斜坡土地上種植橘子樹的水土侵蝕率結(jié)果(分別為地塊6和9)。在21次降雨事件中,有13次表明種植橘子樹有利于控制水土侵蝕,其他8次則相反。

研究結(jié)果表明,樹籬在控制水土侵蝕方面是有益的,與之前的一些研究類似。

2)階地與坡地

與坡耕地相比,在石堤梯田上種植花生對水土侵蝕的平均控制效果良好(分別為1號地塊和7號地塊)。梯田的年均減沙率為23.2%。相反,與坡地(9號地塊)相比,在土堤梯田(2號地塊)上種植橘子樹對水土侵蝕的影響很小。土堤階地的水土侵蝕率甚至大于坡地。

以降雨事件為基礎(chǔ),比較了在石堤階地和斜坡土地上種植花生的水土侵蝕率(分別為地塊1和地塊7)。21次降雨中有12次表明,在石堤梯田上種植花生有利于控制水土侵蝕。對于其他9個事件,結(jié)果相反。

在土堤階地和坡地上種植橘子樹的水土侵蝕率結(jié)果(分別為地塊2和9)。在21次降雨事件中,只有5次表明在土堤階地上種植橘子樹有利于控制地塊的水土侵蝕。對于其他16個事件,則出現(xiàn)了相反的結(jié)果。

在本研究中,石質(zhì)堤防階地在控制水土侵蝕方面優(yōu)于土質(zhì)堤防階地?？赡苡袃蓚€原因。一是由于地塊的長度相對較短,土堤的高度不足。因此,與坡地相比,土堤增加了裸露土地的面積,無法有效減緩地表徑流。因此,更多的水土被侵蝕。二是花生比桔子樹更善于覆蓋水土表面。在中國四川盆地也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果,在那里種植作物比在梯田上種植樹木具有更好的水土保護效果。

3)樹籬與梯田

上述比較表明,樹籬對水土侵蝕的控制效果最好,其次是石堤階地,土堤階地的控制效果最小。

然而,在一些研究中,梯田在水土保護方面是有效的。階地可以降低斜坡的陡峭度和長度,使侵蝕過程的自然斜坡長度功能失效。因此,它們增加了與地表徑流的速度、數(shù)量和能量降低相關(guān)的入滲率,從而減少了水土侵蝕。然而,水土保護只是種植的一個方面,還需要考慮社會經(jīng)濟因素和保護措施的設(shè)計。

通過小區(qū)實驗估算的水土侵蝕率用于評估保護措施的效果,并校準和驗證研究區(qū)域的WEPP模型。然而,地塊實驗存在許多方法學問題,包括邊界效應(yīng)、復制地塊的適當數(shù)量以及空間或時間背景下數(shù)據(jù)的不確定性。由于資金和資源的限制,這些地塊沒有在本研究區(qū)域復制。為了避免或最大限度地減少與非復制相關(guān)的問題,地塊的建設(shè)和管理是相同的,包括布局、尺寸、材料、位置和人員。因此,在本研究中,不同保護技術(shù)的效果是可比較的。

2.2 WEPP建模分析

2.2.1 流域侵蝕模擬

將校準和驗證期間WEPP模型的模擬月平均流量值與觀測值進行比較。模擬峰值與所有年份的實測流量峰值一致。在校準和驗證期間,ENS值相當高(分別為0.864和0.835),表明模型的性能令人滿意。在整個校準和驗證期間,觀測和模擬的月平均值之間的Re值分別為9.2%和11.1%。這些結(jié)果以及其他標準表明,WEPP對月平均流量的總體模擬令人滿意。

將校準和驗證期間WEPP模型的模擬月平均產(chǎn)沙量值與觀測值進行比較。模擬的峰值與所有年份的沉積物測量峰值一致。校準和驗證期間的ENS值相當高(分別為0.847和0.828),以及其他標準表明該模型的性能令人滿意。月平均沉積物的總體模擬令人滿意,因此用于進一步分析。

使用WEPP對小流域的徑流和水土流失進行了令人滿意的模擬,但由于季節(jié)性影響,對地中海流域的侵蝕模擬結(jié)果較差。因此,在新的地區(qū)使用WEPP時,應(yīng)檢查其適用性。

2.2.2 地塊年侵蝕模擬

對觀測和模擬的年徑流量和水土侵蝕率進行了比較。年徑流量和水土侵蝕率模擬得相當好。徑流和水土侵蝕的平均值|Re|=111.1%和18.5%;ENS的平均值分別為0.787和0.929。

植被在減少徑流和水土流失方面很重要。它可以增加地表的枯枝落葉,從而增加水土有機質(zhì),改善水土結(jié)構(gòu),從而提高水土滲透能力,降低可蝕性。植物在改善水土質(zhì)量、控制徑流和水土流失方面的有效性取決于植物形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化。然而,在本研究中,與傾斜的野生草原相比,沒有任何傳統(tǒng)植物能有效減少水土流失。在這三種植物中,花生的水土侵蝕最為嚴重;四年中有三年的水土侵蝕率高于傾斜的野生草原。

2.2.3 流域降雨事件侵蝕模擬

對五次降雨事件的觀測和模擬流域徑流和產(chǎn)沙量進行了比較。將觀測值和模擬值進行比較表明,該模型在高R2和ENS的情況下模擬得很好。使用WEPP模型在流域?qū)用娅@得了令人滿意的水土侵蝕降雨事件模擬結(jié)果。

降雨特征決定了侵蝕力,這是水土侵蝕因果關(guān)系中的一個重要因素。這種關(guān)系已經(jīng)被研究過多次。強度較小但時間較長的事件也起到了重要作用。在Rt30(30 min平均降雨量)>4 mm h-1的降雨事件中,徑流和水土侵蝕都有可能發(fā)生,這是一個非常低的降雨閾值。

在本研究中,僅在四次降雨事件中出現(xiàn)了明顯的水土侵蝕。盡管第5號事件具有與第2號事件相似的特征,但流域?qū)用鏇]有監(jiān)測到水土流失。WEPP在降雨事件步驟成功模擬了這些過程。

2.2.4 降雨事件對地塊的侵蝕模擬

對5次降雨事件的7-10地塊進行了徑流和水土侵蝕的WEPP模擬。徑流和水土侵蝕的平均值|Re|=118.7%和23.7%;并且各自的平均ENS=0.960和0.964。與上述年度情況類似,與傾斜的野生草原相比,沒有任何常規(guī)植物能有效減少水土損失,WEPP模型成功地模擬了這些情況。

比較了WEPP、侵蝕生產(chǎn)力影響計算器(EPIC)和區(qū)域非點源流域環(huán)境響應(yīng)模擬(ANSWERS)的模型性能,他們的結(jié)果表明,在大多數(shù)情況下,WEPP的預測優(yōu)于其他兩個模型的預測。De la Rosa等人(2005)使用SIDASS模型(對WEPP模型的改編)對徑流系數(shù)和細溝間水土侵蝕進行建模,他們的結(jié)果表明,該模型很好地復制了自然徑流和水土侵蝕響應(yīng)。

2.2.5 流域水土侵蝕分布

上述模擬表明,WEPP模型充分模擬了某水庫的水土侵蝕。使用相同的參數(shù)集,對流域的年平均水土侵蝕率分布進行了建模(圖10),其范圍為20～380 t km2。這一比率與同一縣附近流域的比率相似(220～940 t/km2),但遠低于中國西北黃土高原的比率(1 700～6 300 t/km2)和長江上游四川省的比率(2 415 t/km2)。受侵蝕最嚴重的地區(qū)是該流域西北部的地區(qū)。實地調(diào)查表明,該地區(qū)的地形變化很大。該地區(qū)有許多農(nóng)業(yè)活動,大多數(shù)作物都種植在土堤梯田上,在前一分析中,土堤梯田的水土保持效果最差。所有這些原因使該地區(qū)成為受侵蝕最嚴重的地區(qū)。流域侵蝕最小的地區(qū)是中部地區(qū),那里有許多農(nóng)業(yè)活動,如水稻。然而,該地區(qū)幾乎是分水嶺的最低部分,坡度較低,水土侵蝕并不嚴重。WEPP對水土侵蝕速率的模擬與實際情況相符。

圖1 模擬水土侵蝕分布

2.3 應(yīng)對未來的研究和實施工作

不確定性在任何系統(tǒng)中都是不可避免的,并且很可能導致決策混亂。與其他模型一樣,WEPP模擬在輸入數(shù)據(jù)、參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)方面也存在不確定性。輸入數(shù)據(jù)可能會造成不確定性,因為天氣數(shù)據(jù)、觀測到的徑流量和產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)、土地利用信息圖、水土類型圖和DEM不能絕對準確。歸因于參數(shù)的不確定性可以通過以下事實來解釋,即校準的參數(shù)值可能無法充分捕捉流域的時間和空間變化。至于模型結(jié)構(gòu),它可能會造成不確定性,因為在開發(fā)模型的方程和算法時有一組假設(shè)和簡化。在使用建模結(jié)果以在未來做出更好的決策時,應(yīng)評估所有這些不確定性。

大部分徑流和水土侵蝕發(fā)生在4-9月,這一時期對三峽庫區(qū)的防洪至關(guān)重要。根據(jù)三峽水庫的運行計劃,在此期間,水面高程保持最低(4-5月約150 m,6-9月約145 m)。巨大的水土流失可能威脅到三峽大壩的安全。同時,被侵蝕的水土攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)和殺蟲劑,可能對水生生態(tài)構(gòu)成威脅。然而,上述措施的保護效果是有限的。因此,還需要采取額外措施,如過濾帶、濕地、植草水道等,以防止水土和污染物在此期間進入水庫。因此,對它們的綜合效應(yīng)進行研究是必要的。

3 結(jié)語

為了評價某水庫的水土保持效果,建立了10個試驗區(qū)。通過實地調(diào)查數(shù)據(jù)對水土保持措施進行了分析。樹籬對水土侵蝕的控制效果最好,其次是石堤階地,土堤階地的控制效果最小。水土保持措施必須根據(jù)幾個因素進行選擇,如水土類型、地形條件、水文過程、土地利用和土地管理實踐。WEPP在流域和地塊徑流和水土侵蝕建模中的應(yīng)用表明,它可以在該地區(qū)得到充分利用。對流域的年平均水土侵蝕率分布進行了建模,表明侵蝕最嚴重的地區(qū)是西北部。因此,應(yīng)該對這一地區(qū)采取控制措施。小區(qū)試驗可以提供實際的水土侵蝕情況,但費用昂貴。WEPP模型在這一領(lǐng)域表現(xiàn)良好,與小區(qū)實驗相結(jié)合可以幫助決策選擇水土保持做法。