水蚀预报模型WEPP的应用研究进展

雷 珊

(重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 401331)

1 引言

以往的通用流失方程是建立在经验基础上的预测模型，难以对单场降雨的土壤侵蚀过程、沉积位置、土壤侵蚀量等进行预测，因此模拟复杂斜坡的土壤侵蚀较为困难。为了克服缺陷，美国农业部农业研究局于1985年主持开发了新一代水蚀预报模型WEPP(Water Erosion Prediction Project)，用以取代通用流失方程[1]。目前土壤侵蚀预测模型的研究已经由统计模型发展到具有一定物理意义的过程模型，由坡面模型发展到流域模型，由集总式模型发展到分布式模型，由只能预测年侵蚀量发展到可以预测不同降雨、不同时段的侵蚀量以及土壤侵蚀的连续过程。自从水蚀预报模型WEPP研发以来，在国内外得到了快速的发展和应用。其主要用来模拟气象变化 、植被变化、水土保持措施与耕作管理等引起的土壤侵蚀。

2 WEPP模型及原理

WEPP 模型是一个连续对土壤沟蚀、沟间侵蚀、泥沙运动机理进行模拟的物理模型,是一种基于侵蚀过程的模型。作为新一代的土壤侵蚀预测预报的模型,可以用它进行土壤侵蚀预测以及林地、草地、农田、牧场、城区等不同区域的根系层士壤水分、土壤水蚀、积雪的融化、植物生长以及、暴雨径流等。该模型可根据每次降雨，确定地表状况的最新系统参数,并对一天时间内的降雨及侵蚀过程进行模拟。现阶段使用的WEPP模型主要有坡面版、流域版以及网格版，其中包括侵蚀模块、水文过程模块、植物生长模块、天气随机生成模块、残留物分解模块、土壤模块、冬季过程模块、灌溉模块、地表径流模块等9个模块。WEPP 模型建立在土壤学、植物学、气候理论、渗透理论、水力学等学科基础之上，并将各个方面都涵盖其中，经过几十年的发展，在全世界得到了广泛应用[2，3]。

3 WEPP模型的应用研究进展

WEPP模型给水土保持治理、土壤侵蚀预测提供了新的技术工具，其建模思路同样对土壤侵蚀科学研究提供了诸多借鉴。WEPP模型的研究总结起来主要有模型的适用性、土壤侵蚀预测、相关参数和侵蚀机理研究等。下面将从以下几个方面介绍。

3.1 WEPP模型的适用性研究

WEPP模型是研究之初是根据美国国内的气象、试验数据建立起来的模型，对于模型具体参数值，则是根据具体统计得来，易受到地域的影响。因此，使用WEPP模型之前，须对WEPP模型的径流量和土壤侵蚀量进行模拟预测，并验证该地区的适用性[4]。

已有很多学者在不同地区、不同自然条件下对 WEPP 模型的适用性进行了大量的研究探索。景卫华[5]、幸定武[6]、贾立志[7]等利用WEPP模型，评价了WEPP模型在黄土高原坡面、流域、丘陵多级梯田的适用性情况，结果表明模型的模拟值与实测值的拟合度较高，对多年平均径流量和侵蚀量的模拟效果可满足要求，模型适用性较好。刘远利[8]等认为WEPP模型对次降雨坡面径流量的模拟效果较差,而对次降雨坡面土壤侵蚀量模拟效果较好，模型普遍适用于黑龙江省。叶俊道等[9]以准格尔旗西黑岱沟小流域为研究区，研究了WEPP模型在林地、草地和休闲地三种坡面土壤侵蚀过程模拟中的适用性，得出模型对研究区三种坡面的土壤侵蚀模拟结果较好。李慧敏[10]以下垫面为研究重心，评价了不同土地利用方式、不同水土保持措施、不同坡度下WEPP模型在安徽省径流侵蚀研究中的适用性。朱韵峤[11]利用WEPP 模型在紫色土区域水蚀模拟研究表明，对径流量的预测远比侵蚀量的预测合理，低坡度条件下模拟优于高坡度条件。 H.A. Grønsten[12]将WEPP模型运用于模拟径流产沙事件，得出模型推荐的土壤侵蚀参数方程不适用于挪威的土壤，特别是不适用于以前平整的土壤。

WEPP 模型在受一定程度人类活动干扰地区的适用性也得到了研究。Benedictto[13]在西班牙西北部含砾石坡地运用4年监测试验区模拟森林火灾后牧场侵蚀，得出该模型可以预测具有类似特征的区域森林火灾后牧场侵蚀。同时Linda等[14]在西班牙西北部收集各种数据进行模拟，结果表明WEPP是评估种植系统和管理措施对水量平衡和土壤侵蚀影响的有用工具。Han[15]在黄土高原上引入WEPP模型，分析表明在斜坡尺度的模拟值非常接近测量值。退耕还草后模拟的侵蚀趋势比较准确，并得出WEPP模型可用于建立合理的植被恢复模型，指导黄土高原的植被恢复。YU[16]基于WEPP模型模拟了洛峪沟和卢尔沟流域的生态水文响应，探讨了植被格局变化与沉积物之间的关系，以及流域产流量和产沙量的响应。韩凤朋[17]利用观测数据和模拟数据分别估算人工小区和天然小区的水土流失以及养分流失的状况，分析得出WEPP 模型不仅可以用来模拟估算黄土高原坡面尺度的养分流失以及水土流失状况，还能够较好的模拟不同土壤类型、不同土地利用类型的侵蚀强度趋势分布。

综上可知，WEPP模型在不同地区、不同自然环境和适度人类活动干扰下的小流域地区适用性较好，能够较为合理的预测径流量和侵蚀产沙状况，模型具有一定的适用性。

3.2 WEPP模型的相关参数和侵蚀机理研究

WEPP 模型在进行预测时会涉及到许多物理参数，且侵蚀过程的计算较为复杂。因此参数描述的准确性直接影响WEPP模型对径流量和土壤侵蚀量的预测。当前国内外已有许多学者结合野外实测数据，对WEPP模型的土壤参数、气象参数、地形参数和管理措施参数进行了大量的分析研究。

3.2.1 气候参数

WEPP模型支持两种气候模型:CLGIEN和BPCDG。CLIGEN是基于美国境内7000多个气象站的历史气象数据的基础上，利用其统计特征，估计出口序列的开发的随机性气候模型。而对于一些气象数据格式不兼容和缺乏历史气象数据的地区，大多选用断点生成器BPCDG。Grønsten[12]认为模型需要改进冬季水文计算，特别是需要改善土壤霜冻发育和冻土渗透的计算。张光辉等[18]研究发现CLIGEN能较好地模拟相关气象参数，但模拟得到的标准差普遍低于实际的标准差。史婉丽等[19]研究得出，CLIGEN能够较好地模拟单个气象因了，并且在选择参考站点时应综合考虑各个气象因子。史志文[20]利用气候模型模拟，表明了BPCDG在新疆天山西部的中山带的适用性。王建勋[21]通过对CLIGEN4.3与CLIGEN5.2两个版本比较得出，无论是基于CLIGEN4.3还是CLIGEN5.2气候文件，WEPP模型对径流量和土壤侵蚀量的模拟均偏高，且CLIGEN5.2的模拟结果均略优于CLIGEN4.3的模拟结果。林忠辉[22]选用1959～1999年黄河流域上中游地区15个气象监测站降雨资料，对CLIGEN气候模型在干旱、半干旱地区的降水能力进行了验证。缪驰远[23]运用WEPP模型对单次降雨侵蚀进行预测，并利用气候生成器CLLGEN或断点生成器BPCDG并与相应的实测值比较。二者的预测效果都相达到显著水平，但在模拟产流、产沙方面，使用气候生成器CLIGEN的预测结果没有BPCDG的好。

3.2.2 土壤参数

土壤参数对WEPP模型模拟的准确性至关重要，因此在分析与验证模型之前，须对模型的土壤参数加以完善。WEPP模型的参数研究主要包括土壤参数的敏感性分析和土壤参数的率定过程。

对于土壤参数的敏感性分析，Bahram Saghafian[24]研究敏感性分析表明，有效水力传导率和临界剪切力是模拟沉积物产量最敏感的参数，而径流对有效导水率最为敏感。苏锋[25]利用模型模拟紫色土休闲地单次降雨侵蚀事件时，认为土壤初始饱和度和有效水力传导率是单场降雨径流量引起误差的主要原因。代华龙[26]应用WEPP模型评价紫色土的坡面水蚀时，提出了模型参数的估算方法，并利用野外径流小区的产流、产沙的观测资料，验证WEPP模型预测水蚀的精度及其敏感性情况。

模型中土壤可蚀性参数的估计取决于细沟剥蚀率，张晴雯等[27，28]研究者根据通过理论分析模型中径流含沙量和剥蚀率相关性拟合。分析得出，随着细沟和浅沟坡底的距离呈指数关系，剥蚀率坡面与沉积量呈线性下降。结合REE示踪法得出，细沟流净剥蚀率随着坡度和流量的增大而增大，随着坡长迅速增大至最大值，然后逐渐减小。雷廷武等[29]在假定细沟径流和土壤侵蚀沿细沟的行为相同条件下，提出了直接由试验数据计算剥蚀率的方法，并进一步表达了细沟剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系，实验结果在15o、20o、25o时表现出很好的显著性。Mirzaee[30]认为来自DEM和遥感数据可以显著提高WEPP的可蚀性参数Kib和Krb等相关辅助变量的预测。缪驰远等[31]通过比较通用土壤流失方程USLE中的K因子与WEPP模型中的Ki和Kr因子的联系，得出USLE中的k因子与WEPP模型中的Ki, Kr因子之间的相关性并不明显。 Romero[32]用WEPP模型对细沟可蚀性Kr和细沟间可蚀性参数Ki与其他模型进行了对比得出，Kr的实测值范围为:0.3～14×10-3sm-1，Ki的实测值范围为:1.9～56×105kgsm-4。Mahmoodabadi等[33]在水流动力理论上，提出了修改细沟间侵蚀性参数的公式和估算基准细沟间侵蚀(Kib)和调整细沟间侵蚀(Kiadj)两个回归方程，将WEPP模型的纳什有效性提升到0.9。

3.2.3 地形参数

在坡度上，刘淑燕等[34]分析坡度因子与土壤侵蚀量的关系时表明，随着坡度的增加，土壤侵蚀量与坡度呈幂函数递增关系。王建勋等[35]研究发现径流量的模拟值在10°、15°、20°、25°和28° 5个坡度条件下，WEPP模型对次降雨、年平均和多年平均土壤侵蚀量模拟效果较好。刘远利等[36]认为WEPP模型对坡度变化反应敏感。代华龙等[37]研究表明多数情况下模型预报值较为合理,低坡度坡面上有高估现象,高坡度坡面上有低估现象。在坡长上，王建勋[38]通过不同坡长条件得出，WEPP模型对对次降雨和年平均土壤侵蚀量模拟结果高于次降雨、年平均和多年平均径流量的模拟。无论是模拟值在不同坡长之间的差值，还是模拟值随坡长变化趋势均接近实测值。严冬春等[39]表明在低坡度的土壤侵蚀模拟中, 年降雨侵蚀量的模拟误差小，实测值与模拟值相差不大。歌丽巴[40]通过选取坡长因素对模型影响性分析结果显示，径流量实测值和模拟值随着坡长的増加而减少,侵蚀量实测值和模拟值都随着坡长的增加而增加。

3.2.4 管理措施参数

WEPP模型中作物管理参数因子较为复杂，并且需要考虑的因素众多。该参数主要是根据实际当地实际的耕作方式、耕作时间、作物类别等来确定,包括很多耕作和作物生长等方面的详细资料。

马浩等[41]利用WEPP模型的作物生长模块对陈家湾小流域的作物及植被生长状况进行模拟，并与实测植被高度、覆盖度以及叶面积指数进行对比研究，结果表明:WEPP模型作物生长模块对作物高度模拟精度较高，能够较好的预测植被盖度、叶面积变化趋势，但模拟结果相对偏高，同时发现WEPP模型作物生长模块不适合模拟林地下层的灌草植被的盖度。王树军等[42]通过利用WEPP模型,对小流域常规耕作和免耕条件下的地表径流和产沙量进行预测，研究表明WEPP模型可以很好的评价土壤含水量、作物产量以及免耕小流域的地上生物量，并且预测得到的蒸散量值与根据水量平衡原理计算得到的数值相一致。但两个小流域的年径流量和年侵蚀量模拟值与实际值相比均偏低。常规耕作和免耕小流域分别只有0.3%和0.03%的降雨量以径流形式输出。

3.3 利用WEPP模型进行土壤侵蚀预测研究

陈晓燕[43]在四川盆地进行土壤侵蚀预测得出，次降雨相对误差在30%以内的占总样本86%以上；对年降雨相对误差均在15%以内。模型对长时间尺度的土壤侵蚀预测更为准确。代华龙[44]运用 WEPP 模型得出，低坡度坡面上预测值高于实际观测值 ,高坡度坡面上预测值低于实际观测值。而且模型还可估算土壤侵蚀的时空分布及全坡面或坡面任意一点的净土壤流失量及随时间的变化。莫春华等[45]运用WEPP模型模拟湿地系统得出了模型对气象资料、径流量和排水流量的模拟均实际相符，并得出具体侵蚀状况。Mengistu[46]马拉河流域尺度模拟结果表明，输沙量和径流量因坡度、土地利用和土壤类型而不同。耕地平均模拟侵蚀量约为120t/ha/年，最低模拟的侵蚀速率在灌木林地和草地上。美国学者 J.D.Williams等[47]采用 WEPP模型预测俄勒冈州东北部旱地小流域常规耕作和免耕下的地表径流和产沙量。刘世梁[48]针对典型丘陵区土地整理项目，模拟不同坡地梯田改造后土壤流失量和产沙量的长期变化，及土地利用和耕作措施的影响。周欢等[49]在蚂蚁河流域的侵蚀状况进行定量研究，得到近30年来蚂蚁河流域的土壤侵蚀分布状况结果显示，该研究区的平均侵蚀模数范围为0～1020 t/(km2·a)，属于微度和轻度侵蚀。Bahram Saghafian[50]WEPP是根据测量的降雨—径流—沉积物数据进行模拟预测得出，WEPP模型充分模拟了径流和沉积物产量值。余长洪[51]通过 WEPP 模型模拟了水平梯田多种设计方案的土壤流失量，结果表明:梯田建设后土壤流失量降低了88.5%～92.1%。任艳[52]将WEPP模型运用于生态建设项目造成水土流失，综合分析折线型和台阶型两种堆土方式，通过分析可以得出，堆土场土壤侵蚀最小的堆土坡度组合为α1=40°，α2=26°。

4 WEEP模型应用中存在的问题及未来发展方向

土地利用、植被、气候在世界各地，甚至是中国境内的不同地区或是省份，由于地形地貌、土壤、地表水文、水土保持措施等复杂多样，地区间存在较大差异性，因此WEPP模型在运用过程中就存在着诸多问题。

(1)喀斯特地区岩石裸露率高、岩溶发育，呈现出地表和地下的“二元结构”，对于这种类型的区域，WEPP模型模拟的数值就出现了很大差异。因此对于这些喀斯特区域，无土可流、土壤侵蚀量小的地区，调整出最佳的模型参数是下一步研究得重点。

(2)到目前为止，WEPP模型并没有考虑风蚀和由重力引起的坍塌的情况，不合适用于有永久沟道区域。

(3)利用GIS技术作为中间接口技术可以与RS、GPS采集的数据进行整合，用以评价流域水土流失情况。重视基础数据的收集、共享以及数据标准化等基础性工作。加强基础实验设施的建设、实验数据的收集和共享。在不同条件下，利用WEPP模型对径流量和土壤侵蚀量进行模拟，研究适合国内使用的土壤侵蚀预报模型。