基于WEPP模型在乌裕尔河流域的应用

■程雪 陈圣波 周欢

（吉林大学地球探测科学与技术学院 吉林长春130026）

基于WEPP模型在乌裕尔河流域的应用

■程雪 陈圣波 周欢

（吉林大学地球探测科学与技术学院 吉林长春130026）

本文以小兴安岭西南坡的乌裕尔河流域的气候数据资料为基础，利用WEPP模型模拟分析坡度因子与土壤侵蚀量的关系。结果表明在一定的坡度范围内，随着坡度的增加，土壤侵蚀量与坡度呈幂函数递增关系，原因主要有坡度的陡缓决定了水力阻力的大小和坡面承雨面积的改变等。表明用WEPP模型来模拟乌裕尔河流域坡面与土壤侵蚀量的关系是可行的。对今后建立适用于我国东北地区侵蚀环境的侵蚀预报模型具有指导意义。

坡度WEPP模型土壤侵蚀乌裕尔河流域

1　引言

地面坡度是地形因素中对坡面土壤侵蚀起重要作用的因子。本文研究WEPP模型（坡面版）在小兴安岭西南坡的乌裕尔河流域不同坡度条件下的土壤侵蚀量，为今后研究乌裕尔河流域的土壤侵蚀预报提供技术支持。

图1　研究区概况Figure 1 general situation of the Study area

土壤侵蚀预报模型是国土资源调查、水土保持效益评价和水土保持规划设计的重要手段，受到世界各国的普遍重视。新一代水蚀预报模型——WEPP(Water Erosion Prediction Project)[1]是美国农业部农业研究局 (USDA-ARS)、土壤保持局 (USDA-SCS)、林业局(USDA-FS)、普渡大学(Purdue University)等共同开发的，其目的是替代通用土壤流失方程—USLE(Universal Soil Loss Equation)[2]，推出更能满足实际生产要求的土壤侵蚀预报模型。WEPP以物理过程为基础的原理，同传统的经验模型相比更有利于在美国以外其他地区的推广和应用。目前，我国学者对WEPP模型在我国紫色土丘陵区和黄土丘陵沟壑区的适用性进行了研究，发现在一定坡度条件下WEPP模型对侵蚀过程模拟较为合理[3]，同时WEPP模型的模拟结果优于USLE模型[4]。但WEPP模型在东北流域的研究还相对较少。

本文基于克山气象站1982—2013年30年的气象资料数据，利用WEPP模型模拟在不同坡度条件下的多年平均下的土壤侵蚀量，研究并分析小兴安岭西南坡乌裕尔河流域的坡度与土壤侵蚀量的关系。从而为建立适用于我国侵蚀环境的侵蚀预报模型提供科学依据。

2　研究区概况与数据收集

2.1研究区概况

以小兴安岭向东北平原过渡的乌裕尔河流域为研究区，地貌上从平原向山地过渡，位于东北平原向小兴安岭的过渡地带。乌裕尔河位于黑龙江省西部齐齐哈尔市境内，为省内最大的内陆河。流域面积23110平方公里。

2.2数据收集

研究区气候资料来源于中国气象科学数据共享服务网，年限为1982—2013年。地形数据采用乌裕尔河地区的ASTER GDEM数据，土地利用类型数据来源于全球土地覆盖GlobCover2009数据。

3　 WEPP模拟方法

3.1技术路线

WEPP模型的运行需要建立气候、土壤、坡面和作物管理4个数据库。WEPP模型的气候数据可以由用户直接输入或由模型生成。由于从中国气象科学数据共享服务网下载的乌裕尔河流域气象数据的气象参数只包括WEEP模型需要的日降雨量、日最高温和日最低温，所以采用CLIGEN模型来模拟生成气候数据库。根据已知气象站的气象数据，以年降水量的±5%为范围选择年降水量比较接近的美国气象站，克山站年降水量的选择范围为549.2235～607.0365mm，选择所有年降水量在上述范围内的美国气象站，以研究站与参证站间月降水决定系数（R2）最大为标准选择各站的参证站[5]，克山站的参证站为Minnesota的GUNFLINT LODGE MN气象站，研究站与参证站月降水量间的决定系数为0.9095。

图2　技术流程图Figure 2technical flowchart

3.2WEPP模型坡面版基本原理

WEPP模型坡面版是WEPP模型中最简单、最基本的模型版本，将坡面侵蚀分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀。WEPP模型[6]利用稳态泥沙连续方程来描述泥沙的运动：

式（1）中，x：某点沿下坡方向的距离（m），G：输沙量（kg/s·m），Dr：细沟侵蚀速率（kg/s·m2），Di：细沟间泥沙输移到细沟的速率（kg/s·m2）

①水流剪切力（τf）大于临界土壤剪切力（τc），并且输沙量（G）小于泥沙输移能力（Tc）时，细沟内以搬运过程为主：

式中，Dc：细沟水流的剥离能力（kg/s·m2），Tc：细沟间泥沙输移能力（kg/s·m）。Kr：细沟可蚀性参数（s/m），τf：水流剪切压力(pa)，τc：临界剪切力(pa)。

②输沙量（G）大于泥沙输移能力（T）时，以沉积过程为主：

式（4）中，Vf：有效沉积速率（m/s），q：单宽水流流量（m2/s），β：雨滴扰动系数。

3.3WEPP模型结构

运行WEPP模型（坡面版）需要建立气候、土壤、坡度坡长和作物管理4个数据库（见表1），每个数据库都涉及多个参数[7]。

表1　WEPP模型（坡面板）输入参数Table 1 Input parameters of WEPP model(slope panel)

4　结果分析

4.1土壤侵蚀量随坡度变化的关系

利用建立的气候、土壤、坡面和作物管理4个数据库，利用WEPP模型分别模拟坡度为2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°十一个坡度条件下的多年平均土壤侵蚀量。

图3　土壤侵蚀量与坡度的变化关系Figure 3therelationship of soil erosion and slope changes

根据WEPP模型输入不同坡度参数，可以得到坡度与侵蚀量的关系，土壤侵蚀量与坡度的关系指数为1.015，从土壤侵蚀量的变化趋势来看，模型模拟的土壤侵蚀量值均随坡度的增加而呈增加趋势。在一定的坡度范围内，输入不同坡度参数得到的结果是随着坡度的增加，土壤侵蚀量也随之增加，但是坡度每增加一度，土壤侵蚀量增加的幅度有所不同(如图4)。

图4　侵蚀增加量随坡度的变化关系Figure 4 erosion increases along with the change of slope

从图4中可以看出，坡度在0°～7°范围内，土壤侵蚀量随坡度变陡而增加，至12°时随坡度的增加，其增加率减缓。

4.2影响因素分析

坡度是影响坡面径流侵蚀能力的动力因子，坡度的陡缓决定了坡面径流动力比降的大小[8]。坡面流受降雨的影响，直接表现在流速的变化上，在一定的坡度范围内，随着坡度的增加，根据水力学原理[9]，水流在重力方向上的分力增加，流速呈增加趋势。

土壤侵蚀过程是区域地理环境各因素相互作用的过程，侵蚀状况取决于侵蚀动力和抗侵蚀阻力的对比关系。在一定的水深条件下，坡度越陡，其水力比降就越大，陡坡水流对地表就具有更大的切应力，也就具有更大的分散能力。同时坡度越大，土壤颗粒在顺坡方向的分力也愈大，土粒稳定性降低，更容易遭受侵蚀。

坡面土壤侵蚀率除了水力阻力随坡度变化的规律之外，还与坡面承雨面积有关[10]，因为对于一定坡长的坡面，坡度越大，其承雨面积就越小，形成的径流量就相对减少，即在一定坡度上符合坡度越陡，一定坡长上的坡面径流量就越少。

5　结论

通过1982-2013年的乌裕尔河地面气候数据，利用WEPP模型在不同坡度条件下模拟坡度与土壤侵蚀量的关系是可行的，得出了在一定的坡度范围内，随着坡度的增加，土壤侵蚀量与坡度呈幂函数递增关系。为模型模拟其它地区的应用提供一个参考。

WEPP模型是“新一代水蚀预报技术”开发的计算机土壤侵蚀预报模型，是一个过程模型，可应用于更广泛的条件下，不仅可以预测产沙量、输沙量、侵蚀强度等，而且可以估算土壤侵蚀时空分布即全坡面或坡面任一点的净土壤流失量及其随时间的变化，对侵蚀过程的每一个阶段都可以进行模拟和预测[11]。还可以对影响因子和侵蚀过程进行分析和描述，只是模型预测的准确性是以大量的参数为前提的，这就要求我们做好基础工作，收集大量的基础数据资料，为充分利用WEPP带给我们的好处，建立更加合理有效的土壤侵蚀预测模型。

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A research of the relationship between slope factor and soil erosion based on the WEPP model——A Case Study of WuyuerRiver

CHENG Xue，CHEN Shen-bo，ZHOU Huan

College of GeoExploration Science and Technology,JilinUniversity, Changchun130026,China

The study used WEPP model to simulation and analysis the relationship between slope factor and soil erosion based on the climate data of WuyuerRiver in the southwest of Lesser Khingan Mountains.Theresult showed that in a certain slope range,with the increase of slope, slope and soil erosion increased in power function relationship.The reasons were that hydraulic friction and change of the acceptant area were decided by steep and slow of the slope.The result also showed that the relationship simulated by WEPP model was feasible.It has significance on establishing erosion forecasting model that suitable for China's northeast erosion environment area in the future.

slope;WEPP model;soil erosion;WuyuerRiver Region

P[文献码]B

1000-405X（2016）-2-402-3

程雪（1990～），女，硕士研究生，研究方向为大气遥感。

陈圣波（1967～），男，教授，博士生导师，研究方向为地质遥感、月球探测等。