基于水蚀预报模型的黄土高原水平阶减流阻蚀效应模拟

任柯蒙,卫 伟,赵西宁,冯天骄,陈 蝶

1 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,杨凌 712100 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 3 西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌 712100 4 中国科学院水利部水土保持研究所,杨凌 712100 5 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049

黄土高原是我国土壤侵蚀最为严重的地区,水蚀面积占整个区域的45%,其中,剧烈侵蚀(土壤侵蚀模数≥15000 t km-2a-1)占总面积的5.7%[1-2]。造成土壤侵蚀的主要原因包括自然因素(气象、水文、生物、地形地貌、土壤等)和人为因素(耕作、工程措施等)两个方面[3]。其中,影响土壤侵蚀的人为因素占主导地位,人类对自然地貌不合理开采加剧了土壤侵蚀[4]。坡度作为主要地貌形态特征,对坡面流速、土壤入渗和稳定性有重要作用,随着坡度的增加,入渗量减小,径流量增加,径流流速提高,土壤稳定性降低[5-6]。大量研究表明,在一定条件和范围内,存在临界坡度使得土壤侵蚀随坡度先增加后减小,但因试验条件、推导理论和考虑因素等不同,使得不同研究中得到的临界坡度相差较大,通过理论推导得出的临界坡度普遍大于40°,而通过径流小区试验和模拟降雨实验的临界坡度小于30°[7]。

坡面尺度微地形改造是减少土壤侵蚀的有效措施之一,它是指人类根据科学研究或改造自然的实际需求,有目的地对下垫面原有形态结构进行二次改造和整理,通过增加地表起伏度、降低地面漫流的连通性,起到涵蓄水源的作用[8]。水平阶作为一种微地形改造工程措施,通过调节降水在坡面的再分配过程,从而起到保水减沙、提高土壤肥力的作用,且因其操作简便,成本较低,被广泛应用于生态建设中[9- 11]。从机耕操作便利和田坎稳定性考虑,Ramos等[12]对葡萄园庄园原始坡面进行优化设计的水平阶规格为田坎高(4.8±3.0) m,台宽(6.2±3.5) m。毛勇等[13]从投资角度考虑发现坡度在5°—25°时土坎水平梯田的最佳台面宽度为1.5—4 m。可见人们会根据自己实际需求来设计不同水平阶规格,但是在一定的坡度条件下,如何优化设计水平阶台面宽度,从而最大限度的减少土壤侵蚀的定量研究十分稀缺。

水蚀预报模型(Water Erosion Prediction Project, WEPP)是基于物理过程模拟模型,以一天为步长,输入对侵蚀过程有重要影响的地形、土壤和植物特征,可模拟径流量和泥沙量[14-15]。与其他侵蚀预报模型相比,WEPP模型可以更精确的预估坡面尺度水土流失情况[16]。目前我国学者在WEPP模型方面做的研究表明：在单次降雨事件下模拟坡面侵蚀过程与实际侵蚀过程拟合度良好[17]。为达到调控径流,阻沙防蚀的效果,我国学者从多个方面开展了系统研究：模拟了不同水平梯田设计参数下的侵蚀过程,认为WEPP模型对优化设计断面具有指导意义[18]；应用WEPP模型分析不同梯田配置的水土保持效应[19]；基于作物需水,将水窖与隔坡梯田结合,对隔坡梯田进行优化设计,对隔坡梯田设计具有参考价值[20]；运用WEPP模型,模拟不同坡度、不同种植密度的植物篱防蚀效果,提出不同坡度植物篱的最佳种植方式[21]。但应用该模型评价水平阶的减流阻蚀效应及其台面宽度优化的研究较少。

综上所述,本研究旨在寻找临界坡度,基于水平阶台面宽度设计不同水平阶规格,分析不同水平阶规格对土壤侵蚀的影响规律,依据单位台宽减沙效益提出不同水平阶规格的最佳台面宽度,以期为工程措施在流域治理及植被恢复中的设计与应用提供技术支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省定西市龙滩流域(35°43′—35°46′N,104°27′—104°31′E),流域面积16.1 km2,海拔1800—2200 m。该区属于典型的半干旱黄土丘陵区小流域,地处半干旱大陆性气候区,据长期气候数据(1958年—2016年),年平均气温6.8 ℃,平均无霜期152 d,平均日照时数2052 h。年均降水量386.3 mm,降雨主要集中在7—9月份,且多暴雨,潜在蒸发量为1649.0 mm,年平均相对湿度72%,水分亏缺严重。该地区土质均一,土壤以黄绵土为主。流域属典型草原地带,本试验在柠条坡面径流小区上进行,坡长10 m,坡度26°,坡向西偏南,土壤容重(1.22±0.04) g/cm3,植被覆盖度为50%,主要植被为骆驼蓬(Peganumharmala)、乌里芯芭(Cymbariadahurica)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus) 、长芒草(Stipabungeana)。

1.2 数据库建立

WEPP模型是包含水蚀相关参数最多的土壤侵蚀模型,其参数的准确性对模拟结果尤为重要。WEPP模型运行需要4个输入文件,分别是气候文件、地形文件、土壤文件和管理措施文件。

气候文件源于2015—2016年龙滩自计式雨量计(HOBO, USA)观测站和自动气象站(Vantage Pro2, Davis, USA)的实测数据,利用WEPP模型系统提供的独立程序断点气候生成器(BPCDG)生成气候文件。在情景设计中选择次降雨模式(single storm),雨强根据黄土高原典型降雨特征[22]设为小雨强(0.5 mm/min)、中雨强(1.0 mm/min)、大雨强(1.5 mm/min),降雨历时1 h。

土壤文件中的细沟间土壤可蚀性、细沟土壤可蚀性、土壤临界剪切力、有效水力传导系数通过土壤颗粒组成(表1)手动算出的数值为基值[23],并通过率定获得最终参数。

表1 WEPP模型中的土壤特性

地形文件根据试验小区实际情况获取,设置坡面径流小区坡度26°,坡长10 m；水平阶径流小区坡度26°,坡长10 m,水平阶台面宽度1.3 m。并在情景模拟中设置不同地形条件：设置坡长均为10 m,坡度分别为5°、10°、15°、20°、25°、30°的坡面；基于不同水平阶台面宽度,固定总坡长和田坎坡度,设置不同水平阶规格见表2。

表2 水平阶规格设计

试验小区选取植被为柠条,管理措施参数包括植物生长参数和种植参数,通过植被调查、参考文献或选取WEPP模型数据库中的同类植物确定[24- 28](表3)。

表3 柠条生物学特性参数

1.3 WEPP模型运行机理

WEPP模型是一种基于侵蚀过程的模型,其坡面版是WEPP模型中最基本的模型版本,模拟水平阶时,将坡面分成数段,设置多种土壤类型和多个管理措施[29]。坡面侵蚀分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀。细沟间侵蚀指雨滴击溅和坡面水流对土壤进行剥蚀和搬运的过程；细沟侵蚀指细沟内土壤所发生剥蚀、搬运和沉积的过程。WEPP模型利用稳态泥沙连续方程来模拟泥沙运动,当水流剪切力大于临界土壤剪切力,且输沙率小于泥沙输移能力时,以搬运过程为主；当输沙率小于泥沙输移能力时,以沉积过程为主[30]。

1.4 模型评价方法与指标计算

采用Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)和决定系数(R2)对率定参数进行验证。NSE的计算公式为：

(1)

决定系数R2(拟合优度)是回归方程拟合优度的一个度量,取值范围为0—1,当R2越接近1,则表示实测值与预测值相关性越高。

(2)

为了描述水平阶对径流泥沙的调控作用,分别引入径流和泥沙调控率的概念[32]。径流调控率指布置某种调控措施后)径流量相对于对照条件下径流量的变化百分率；产沙调控率指布置某种调控措施后产沙量相对于对照条件下产沙量的变化百分率。可用下式表示：

(3)

(4)

式中:Cw、Cs分别是径流调控率(%)和泥沙调控率(%)；Ws、Wo分别是调控措施后和原状坡面的径流量(mm)；Gs、Go分别是调控措施后和原状坡面的产沙量(t/hm2)。

为了更好的描述台面宽度的减蚀效益,引入单位台面宽度减沙量,其计算公式为：

(5)

式中,Ds为单位台宽减沙量(kg/m3)；Gs、Go与上述一致；L为台面的总宽度(m)。

1.5 模型率定及模型有效性验证

2015年和2016年生长季(5.1—10.31)降水量分别为320.8、156.8 mm,雨量计共记录降雨事件130余次,其中引起较为明显水土流失现象的降雨事件共21场(微弱降雨不计),将降雨量由小到大排序每两场降雨划分为一组,每组中随机选取一组用来率定或验证[29]。选用柠条坡面径流小区对土壤参数进行率定和验证。从图1a、1c可知率定小区径流量和产沙量的NSE分别为0.90、0.77,图1b、1d验证小区径流量和产沙量分别为0.79和0.63,说明模拟结果较好；从决定系数R2看,率定小区径流量和产沙量的R2分别为0.92、0.81,验证小区径流量和产沙量的R2分别为0.82和0.78,模拟值与实测值拟合度良好,具有良好的相关性,因此WEPP模型的模拟结果可以较好反映坡面的实际情况。最终土壤参数率定结果见表4。

图1 土壤参数率定结果验证Fig.1 Validation of soil parameter of WEPPa. 率定小区径流量对比；b. 验证小区径流量对比；c. 率定小区土壤侵蚀量对比；d. 验证小区土壤侵蚀量对比；NSE为Nash-Sutcliffe效率系数; WEPP: 水蚀预报模型, Water Erosion Prediction Project

参数Parameters细沟间可蚀性Interill erodibility细沟可蚀性Rill erodibility/(s/m)临界剪切力Critical shear stress/Pa有效水力导水系数Effective hydraulic conductivity/(mm/h)参数值Parameter values6.995×1060.0263.512.2

为验证WEPP模型模拟水平阶的有效性,对柠条水平阶径流小区进行模拟验证,由图2知径流量和产沙量模拟值和实测值的决定系数分别为0.80和0.87,NSE为0.72和0.60,表明模型可以有效反映水平阶的水文过程。

图2 验证水平阶有效性Fig.2 Validate the effectiveness of level terrace

2 结果

2.1 坡度变化对产流产沙过程的影响

采用WEPP模型模拟柠条坡面小区不同坡度下的土壤侵蚀规律,为合理开展整地措施提供理论依据。从图3可知,同一雨强条件下,径流量随坡度的逐渐增加呈增加趋势,但坡度大于20°后,径流值不再变化,保持稳定。而在不同雨强下,水土流失与雨强和坡度(小于20°)呈正比,且在小雨强时,径流量增加最为明显,增加了1.9倍,中、大雨强时径流量分别增加了1.2倍、1.1倍。此外,由图3可知,产沙量随坡度增加,也呈增加态势,但增加幅度却并不一致。当坡度从5°变化到10°时,不同雨强下的产沙量增幅明显,其中小雨强下的产沙增加了4.7倍,增加幅度最大,而中雨强和大雨强增加了2.6倍、2.1倍。在20°以上,产沙量增加放缓,变化倍数约1倍左右。

图3 不同雨强下坡度变化对产流产沙的影响Fig.3 Effects of slope on runoff and sediment yield under different rainfall intensity

2.2 水平阶规格对侵蚀的调控作用

水平阶台面宽度可以有效蓄流阻沙,因此为研究水平阶台面宽度对径流的拦截作用,根据以上所述,选取径流临界坡度20°的柠条坡面径流小区为研究对象,比较坡面径流小区与相同小区尺寸不同水平阶规格下的土壤侵蚀变化。

增加台面宽度与阶数可以减少径流量(图4)。在小雨强(0.5 mm/min)时,相比于自然坡面,水平阶为二阶时台面宽度从1 m增加到2 m,径流调控率从31.9%增加到61.2%,当阶数变为三阶时,径流调控率从49.4%增加到69.7%；中雨强(1 mm/min)时,台面宽度从1 m增加到2 m,二阶和三水平阶的径流调控率分别从10.9%增加到20.9%,16.8%增加到23.8%；大雨强(1.5 mm/min)时,台面宽度从1 m增加到2 m,二阶和三阶水平阶的径流调控率从6.5%增加到12.6%,10.1%增加到14.3%。台面越宽,径流调控效果越好,与二阶水平阶相比,三阶水平阶可更有效减少坡面径流量。

图4 不同雨强下产流产沙量随不同水平阶规格的变化Fig.4 Effects of level terrace specificationon runoff and sediment yield under different rainfall intensities

产沙量从图4可知,水平阶可以削弱产沙能力。小雨强时,二阶水平阶的泥沙调控率在台面宽度从1 m增加到2 m时,泥沙调控率分别从8.4%增加到68.8%,53%增加到82.3%；中、大雨强时,水平阶台面宽度在1 m时,二阶水平阶的产沙量比自然坡面分别高18.9%和21.0%,当台面宽度为1.5 m时开始减少产沙,泥沙调控率分别从8.1%增加到21.7%,1.1%增加到12.7%。而三阶水平阶在不同台面宽度时均可以减少产沙量,其调控范围为1.7%—82.3%。

2.3 水平阶不同单位台宽的侵蚀调控效益对比

产沙量的变化与径流相比较为复杂。由表5可知,在小雨强时,三阶水平阶不同台宽的单位台宽减沙量没有明显变化,而二阶水平阶在台宽是1.5 m时单位台宽减沙量达到最大值0.13 kg/m3；中雨强时,二阶水平阶在台宽为1.5 m时开始起到拦截泥沙的作用,且在2 m台宽时单位台宽减沙量达到最大值0.14 kg/m3。三阶水平阶在台面宽度1.5 m时,单位台宽减沙量增加最大,增加1.9倍；大雨强时,二阶水平阶在2 m台宽时的单位台宽减沙量远大于1.5 m台宽的单位台宽减沙量,而三阶水平阶台面宽度是1 m时单位台宽减沙量为0.02 kg/m3,随着台面宽度的增加,其效能逐渐体现,在台宽2 m时单位台宽减沙量达到最大值0.3 kg/m3。

表5 不同规格的水平阶单位台宽减沙量

3 讨论

坡度是影响坡面土壤侵蚀的重要地形因子之一,其大小能够决定径流的冲刷与搬运能力[33]。Nassif和Wilson[34]进行模拟降雨试验发现存在一个临界坡度使得径流量达到峰值后不随坡度增加而变化。本研究通过WEPP模型模拟坡度与径流的关系,也得到与之相似的结果,当坡度达到20°时,径流量随坡度增加无变化。原因从入渗特性角度分析,坡度与累积入渗量呈反比,当坡度较小时,入渗量随坡度变化较大,当坡度较大时,入渗随坡度变化不明显[35]。有研究表明当坡度小于18°时,入渗量随坡度变化较大,但当坡度大于18°后入渗量随坡度的变化将不明显[36]。土壤侵蚀随坡度变化存在类似规律。Mccool等[37]发现存在转折坡度,坡度超过一定限度时,侵蚀量反而随坡度增大而减小。在此基础上,Horton[38]从坡面流理论角度,通过曼宁公式得出坡度转折角为57°。国内学者陈永宗[39]对黄土高原径流小区研究发现临界坡度是25°或者28°。由于理论推导只考虑径流冲刷而忽略了雨滴击溅对坡面的溅蚀作用,导致理论推导的临界坡度普遍高于试验值[40]。存在临界坡度的原因可以从承雨面积角度解释,将斜坡面积平均分配到水平投影上时,则单位面积上承受的雨量变小,单位面积冲刷量也相应减小,即坡度到达一定值时,坡度越大,侵蚀反而减小[41-42]。本研究通过WEPP模型模拟结果得到随着坡度增加,土壤侵蚀量也在随之增加,但当坡度大于20°时,土壤侵蚀量增长放缓,但仍呈增加趋势。这可能是由于设计的坡度并未达到临界坡度。

水平阶对水文效应的影响除受到雨强等自然因素外,其自身结构也是影响水文过程的重要因素。景维杰[43]研究了不同间距水平阶的保水效果发现水平阶间距从4 m缩减到1 m,土壤含水量从11.8%增加到18%,说明水平阶密度越大越能有效拦截地表径流,增加土壤含水量。董莉等[44]、王建文等[45]在元谋干热河谷区的径流小区布设的水平阶规格分别为：每隔3 m布设台宽1 m的水平阶和每隔0.8 m布设0.8 m的水平阶,与对照(无水平阶)相比,径流拦截率分别为69.74%和33.68%,说明不仅水平阶间距对水土流失有影响外,台面宽度对其也有一定作用。本研究中,我们发现二阶和三阶水平阶随台宽(1,1.5,2 m)增加对地表径流调控率分别从6.5%增加到61.2%,从10.1%增加到69.7%,说明水平阶的阻流作用表现为随台面宽度的增加其减流能力越大。但是,由于水平阶的结构分为田坎和台面,在单位坡长条件下,增加台宽势必会增加田坎坡度。田坎越陡峭,水分损失越严重,发生土壤侵蚀的可能性越大[46-47]。本研究应用WEPP模型模拟水平阶对土壤侵蚀的影响是田坎与台面共同作用的结果。本研究从台面宽度减蚀效果发现：当雨强较大时, 二阶水平阶在1 m台宽时的产沙量高于坡面小区,说明台面宽度是1 m时水平阶未起到减沙作用,因此在设计水平阶规格时,考虑合理的台面宽度是十分必要的。

水平阶通过缩短坡长,增加雨水入渗来削弱土壤侵蚀。本研究通过分析单位台面宽度的减蚀能力为水平阶设计提供科学依据。模拟小雨强(0.5 mm/min)时,二阶、三阶水平阶分别在台宽1.5 m和1 m时,单位台宽减沙量最大分别为0.13 kg/m3和0.12 kg/m3。随着雨强变大,单位台宽减沙量呈增加趋势且存在一个临界台宽使得其变化倍数呈减小趋势。说明单位台宽减沙量存在临界值。其原因可能是,在降雨一定情况下,有效台宽范围内可有效减少土壤侵蚀,当台宽超过该范围时可视为无效台宽。类似地,李萍[48]在设计不同规格鱼鳞坑时发现,如果设计的鱼鳞坑面积过大,没有足量雨水汇集,不但使土壤蒸散量有所增加,而且也增加了整地费用,同时地表破坏面积增大,增加了水蚀风险。因此在实际地形改造时,应合理考虑工程面积,面积过大或过小均不利于水保措施发挥作用。

4 结论

(1)基于WEPP模型模拟不同坡度的土壤侵蚀规律：径流量和侵蚀量随坡度增加而增加。坡度达到20°时,径流量随坡度增加保持稳定,产沙量增加趋势渐缓。

(2)与坡面小区对比,二阶和三阶水平阶随台宽增加对地表径流调控率分别从6.5%增加到61.2%,从10.1%增加到69.7%；二阶水平阶在中(1.0 mm/min)、大(1.5 mm/min)雨强下,台面宽度大于1.5 m时产沙量小于坡面,泥沙调控率从1.1%增加到68.8%,三阶水平阶泥沙调控率从1.4%增加到82.3%。

(3)单位台宽减沙量可以作为优化台面宽度的一个重要指标。以模拟的10 m坡长为例,小雨强(0.5 mm/min)时,二阶和三阶水平阶的台面宽度达到1.5 m和1 m时即可发挥优良的水土保持效益,其单位台宽减沙量最大,分别为0.13 kg/m3和0.12 kg/m3；遭遇中雨强(1 mm/min)时,台宽1.5 m的三阶水平阶效果最佳,其最大单位台宽减沙量为0.17 kg/m3；大雨强(0.5 mm/min)时,台宽2 m的三阶水平阶效益最好,其最大单位台宽减沙量为0.30 kg/m3。