WEPP在天镇县大梁沟流域土壤侵蚀预报中的应用研究

2012-10-29苏小娟沈金娟

山西水利科技 2012年1期

苏小娟沈金娟黄伟

（太原理工大学水利科学与工程学院山西太原 030024）

1 土壤侵蚀预报的目的和意义

土壤侵蚀 (主要指水蚀)是发生在地表水文循环过程中伴随着能量和物质分散的复杂的物理过程,是水文学家、土壤保持学家和环境保护学家所广泛关注的问题之一。随着人口压力的不断增加、人民生活水平的日益提高、工农业生产的飞速发展,自然资源特别是水资源危机的加剧,全球生态环境进一步恶化。土壤加速侵蚀已经成为上世纪90年代全球范围内主要的环境和农业问题之一,是制约农作物产量持续提高和实现农业可持续发展的主要因子,严重阻碍着约占全球陆地表面1/5的山区经济的发展,威胁着未来全球食物安全保障。我国土壤资源严重不足,而且由于长期不合理的开发利用,土地退化较为严重,据统计因土壤侵蚀、肥力贫瘠、盐渍化、沼泽化、污染及酸化等造成的土壤退化总面积约4～6亿hm2,占全国土地总面积的2/5,是全球土壤退化总面积的1/4[1];同时,土壤侵蚀还限制了地区社会经济的发展,据统计全国85%～86%的贫困县分布在严重土壤侵蚀的地区。因此对土壤侵蚀进行科学、合理、及时的预测,对于区域水土保持决策和治理,实现经济、环境与社会的可持续发展具有重要意义。

2 土壤侵蚀预报的国内外研究进展

2.1 国内研究进展

水土流失的研究可以分定性和定量两个层次，随着现代科学技术和管理水平的不断提高，在水土保持的决策规划和治理方面，仅在定性层次上研究水土流失己经无法满足需要，它不仅需要对土壤侵蚀的发生机理、分布规律和发展现状做出评估，更要对可能发生的侵蚀做出定量预测，提出具有针对性的水保措施。我国的土壤侵蚀定量观测开始于20世纪40年代初，1953年刘善建根据径流小区的10年资料提出计算年均坡面侵蚀量的公式。70年代以后，我国开始注重对土壤侵蚀的定量研究，针对降雨特征、雨滴动能、溅蚀及降雨径流侵蚀力、植被覆盖度等因素与侵蚀量的关系建立了一系列侵蚀方程，如:王万忠、华绍祖、牟金泽、蔡强国和江忠善等人分别对降雨、坡度、坡长、土地利用、植被等因子与侵蚀量的关系做出定量研究[2]。

2.2 国外研究进展

1887年德国土壤学家Wollny刚开始土壤侵蚀研究时，只限于表面现象的观察和定性的描述。从20世纪20年代开始，有学者进行土壤侵蚀的定量研究，但直到60年代，此类研究基本是经验性的，60年代末，才有基于侵蚀过程的物理模型出现。由于土壤侵蚀问题涉及面太广，目前对土壤侵蚀产沙的基本规律仍然不完全清楚，即使在物理模型中，仍存在大量依靠经验手段加以确定的变量。Zingg A.W(1940)、Smith D.D、Musgraveg.W(1947)提出的定量模型多是经验模型，重点分析影响土壤侵蚀的降水及植被、土壤、地形、土地利用等因素，并利用大量的观测资料建立土壤侵蚀与主要影响因子之间的回归分析模型。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是在对美国东部30个州1000多个流域小区近30年的观测资料进行统计分析的基础上提出的。1997年美国土壤保持局（SCS）又推出了USLE的修订版RUSLE，对USLE进行了重大的改进。从上世纪80年代开始，国外一系列的基于土壤侵蚀过程的物理模型相继出现，其中以美国的CREAMS、ANSWERS、WEEP、AGNPS、KINEROS及欧洲的EUROSEM、荷兰的LISEM最具有代表性[3]。

3 WEPP模型介绍

美国水蚀预报模型——WEPP(Water Erosion Prediction Project)是由美国农业部(USDA)组织农业研究局、土壤保持局、森林局和美国内政部土地管理局等部门以及十几所大学进行开发的科研项目。

WEPP模型是新一代的用于土壤侵蚀预测预报的计算机模型，它可以预测土壤侵蚀以及农田、林地、牧场、山地、建筑工地和城区等不同区域的产沙和输沙状况。WEPP模型是对细沟侵蚀和细沟间侵蚀及泥沙运动机理的物理描述，是一种基于侵蚀过程的模型。WEPP属于一种连续的物理模拟模型，根据每次降雨确定地表状况的最新系统参数，可以对一天时间内的降雨及侵蚀过程进行模拟。该模型不考虑风蚀和崩塌等重力侵蚀，其应用范围从1m2到大约100km2的末端小流域。WEPP是以1d为步长的模拟模型，运行过程中输入每一天对土壤侵蚀过程有重要影响的植物和土壤特征。当降雨发生时，这些植物和土壤特征被用于决定是否将会有径流产生。如果预测有径流产生，则模型将计算出沿纵剖面上一定空间位置的土壤侵蚀量、河道的输沙量和水库的泥沙淤积量。

根据用户的不同需要，WEPP可生成不同种类和不同精度的输出结果。最基本的输出结果包括径流和侵蚀的主要信息，并且可输出每场降雨、月际降雨以及年际降雨的基础数据。输出结果包括坡面土壤流失量和平均泥沙沉积量，非本位结果包括泥沙输移量、受冲刷和被搬运泥沙颗粒的粒径分布以及特殊地段的泥沙沉积量。

WEPP也可以生成某一坡面的输出结果，其最基本的输出结果包括整个流域径流和侵蚀的主要信息。整个流域以及流域的每一个单元，其泥沙输移比、泥沙沉积量、不同地表状况指标和泥沙颗粒粒径分布均可在输出模块中生成。若汇水区在流域内部，汇水区的输入和输出水量以及泥沙量也可生成。另外，每一粒径泥沙还可以生成某一降雨过程的输出结果(包括降雨、径流和土壤流失等)，其基本输出结果与坡面的输出结果相似。本模块还可输出与降雨过程相关的图表、曲线等，并输出土壤、植被、水分平衡、作物、冬季过程等相关数据[4]。

4 天镇县大梁沟流域土壤侵蚀的水土流失监测资料

本文中用到的数据来自天镇县一期“21世纪初期（2000－2005年）首都水资源可持续利用项目，该项目区由3条流域组成，分别是位于天镇县北部的大梁沟流域、南部的大洼山流域和石梯梁流域。项目区总面积195.38km2，其中水土流失面积189.4km2。大梁沟流域的水土流失监测数据见表1，表2为2000年监测数据。

表1 大梁沟坡度数据

表2 大梁沟水土流失监测数据

5 基于WEPP模型下大梁沟流域土壤侵蚀预报步骤及结果

5.1 利用WEPP预报土壤侵蚀的步骤

1）将所预测地点的气象数据，分为降雨数据yyxxxxpl.csv,温度和风数据yyxxxxcs.csv,风、辐射、露点数据yyxxxxcl.dat，气象站信息yyxxxxst.dat依次建立文件[5]。其中:文件名xx表示气象站的代码 (两个字母),yyyy表示收集的气象数据年份,PL、CS、CL、ST分别代表相应的气象信息。如TZ2000PL.CSV可表示天镇气象站2000年收集的降雨数据。BPCDG.EXE为断点气象数据转换处理程序,它的运行环境与WEPP相同。利用bpcdg，运行四个文件，得出后缀为cli的气候文件，并导入WEPP的climate文件夹。

2）运行WEPP,按照预测项目的种类，选择运行方案，如图1。图中为WEPP提供的5种运行方案，分别为：使用默认的WEPP方案；建立一个新的坡面方案；打开一个现有的坡面方案；打开一组工作方案；打开一个流域工程。