水力侵蝕預(yù)測模型GeoWEPP研究進(jìn)展

郝 韻,于瑞宏,郝瑞英,楊 歡,張宇瑾,張笑欣

(內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

水力侵蝕預(yù)測模型GeoWEPP研究進(jìn)展

郝 韻,于瑞宏,郝瑞英,楊 歡,張宇瑾,張笑欣

(內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

總結(jié)了水力侵蝕預(yù)測模型GeoWEPP的發(fā)展歷程、技術(shù)框架、適用性和局限性,從DEM數(shù)據(jù)、土地利用/覆被變化、管理因子和土壤要素等4個角度詳細(xì)論述了GeoWEPP模型的研究進(jìn)展,針對模型的優(yōu)勢及存在的問題,結(jié)合當(dāng)前水文和侵蝕模型研究形勢,對GeoWEPP模型未來發(fā)展的趨勢與走向作了展望,指出該模型在DEM精度閾值的確定、空間尺度的轉(zhuǎn)換、人類活動集中區(qū)的應(yīng)用、與生態(tài)過程的結(jié)合以及WEPP與GIS集成開發(fā)5個方面有較大的拓展空間。

水力侵蝕預(yù)測模型;GeoWEPP;水土保持;模型適用性;模擬精度;綜述

隨著人口增長、資源缺乏、能源危機(jī)、糧食不足等問題的出現(xiàn),人們?yōu)榱藵M足人類社會發(fā)展之需,對土地資源的破壞越來越嚴(yán)重,不僅破壞了生態(tài)環(huán)境的平衡,導(dǎo)致干旱、洪澇等自然災(zāi)害,更會直接影響社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2],因此及時有效地進(jìn)行土壤侵蝕研究與評價顯得尤為迫切與重要。土壤侵蝕研究初期僅對土壤侵蝕進(jìn)行了表面觀察和定性研究,20世紀(jì)20年代逐漸有學(xué)者進(jìn)行定量研究。1965年,Wischmeier等[3]提出了通用土壤流失方程 (universal doil loss equation,USLE),該方程雖然具有普遍性,但屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?需要依靠大量的觀測值和實驗進(jìn)行率定驗證,外延性較差,不能模擬泥沙的侵蝕產(chǎn)沙和輸移過程,無法展現(xiàn)侵蝕產(chǎn)沙的時空分布。20世紀(jì)90年代末,針對水資源管理、水文過程和土壤侵蝕過程研究的模型研究日益增多,出現(xiàn)了一系列的土壤侵蝕模型,如CREAMS (chemicals runoff and erosion from agricultural management system)、ANSWERS(area nonpoint source watershed environment response simulation)、AGNPS (agricultural nonpoint pollution source)、EPIC (erosion productivity impact calculator)、SWAT (soil and water assessment tool)和WEPP (water erosion prediction project)等模型,同時GIS技術(shù)在土壤侵蝕模型中得到廣泛應(yīng)用,可完成影像的處理、解譯,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成分析及應(yīng)用等。當(dāng)前分布式侵蝕產(chǎn)沙模型已成為土壤侵蝕預(yù)報研究的主要模型之一[4-5],其中水力侵蝕預(yù)測模型WEPP模型是一個由美國農(nóng)業(yè)部研發(fā)的基于物理過程且可以連續(xù)模擬的土壤侵蝕模型，它是以隨機(jī)天氣生成過程、入滲理論、水文學(xué)、土壤物理、作物科學(xué)、水力學(xué)和侵蝕力學(xué)等為基礎(chǔ)開發(fā)的,有坡面版、流域版和網(wǎng)格版3個版本,目前較成熟的是坡面版和流域版[6]。相對經(jīng)驗?zāi)Ｐ停琖EPP模型具有考慮水文和侵蝕過程空間異質(zhì)性的分布式水文模型特點(diǎn),相對于其他分布式水文模型還具有基于物理過程和連續(xù)模擬的優(yōu)勢,不僅可以反映自然界中下墊面的復(fù)雜性、降水和侵蝕產(chǎn)沙的時空不均勻性,還能描述侵蝕的動態(tài)變化和泥沙輸移、沉降過程的時空變化,而基于地理信息系統(tǒng) (geographic information system,GIS)的WEPP模型——GeoWEPP模型的產(chǎn)生和發(fā)展為流域徑流模擬、土壤侵蝕產(chǎn)沙和水土保持措施優(yōu)化等提供了一個強(qiáng)大工具。本文對GeoWEPP模型的發(fā)展歷程、技術(shù)框架、適用性、 研究進(jìn)展作一綜述,并結(jié)合當(dāng)前水文和侵蝕模型研究形勢,對GeoWEPP模型未來發(fā)展的可能趨勢進(jìn)行展望,為GeoWEPP模型的有效利用提供參考。

1 GeoWEPP模型的發(fā)展歷程

土壤侵蝕研究經(jīng)歷了由經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、基于物理機(jī)制的土壤侵蝕模型,向具有靈活可視化地理用戶(GUI)界面的新一代物理模型發(fā)展的過程,模型的發(fā)展為流域水土保持措施優(yōu)化提供了更為有效的評估工具。

土壤侵蝕模型在GIS的支持下,能夠反映和模擬出流域的侵蝕過程和空間分布,建立適合不同地區(qū)的流域侵蝕產(chǎn)沙模型,提高模型對所研究區(qū)域侵蝕預(yù)報的精度,同時使模型具有更好的開放性、動態(tài)性和可移植性[7]。隨著WEPP模型的應(yīng)用與發(fā)展,數(shù)據(jù)處理量大及參數(shù)識別主觀性強(qiáng)等問題逐步突顯,如人工識別坡道與溝道、劃分流域等預(yù)處理過程工作量大,不同建模者對流域的劃分不盡相同等,因此,將具有對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效儲存、管理和預(yù)處理功能的ArcGIS與WEPP模型緊密結(jié)合,不僅能夠大幅度提高運(yùn)行效率,同時也能夠增強(qiáng)WEPP模型的適用性。Savabi等[8]運(yùn)用GRASS-GIS獲取WEPP模型所需的輸入?yún)?shù),發(fā)現(xiàn)GRASS-GIS技術(shù)可以用于參數(shù)化復(fù)雜的水文模型,繪制可識別的流域配置圖，從而改善模型暴雨徑流的預(yù)測能力。2001年,Renschler等[9]將GIS和基于物理過程的WEPP模型相結(jié)合,發(fā)布了新的GUI評估工具——基于Arcview3.X平臺的GeoWEPP模型,該模型需用戶通過DEM數(shù)據(jù)輸入、溝道和流域劃分、模型參數(shù)輸入、模擬結(jié)果制圖等4個基本步驟,來提取流域模擬所需的地形輸入?yún)?shù),而參數(shù)的質(zhì)量和不確定性對模型模擬效果的影響則需要進(jìn)行驗證和校準(zhǔn)。隨后,經(jīng)過多個部門和組織的聯(lián)合研發(fā),美國農(nóng)業(yè)部又推出了基于ArcGIS9.X版本的GeoWEPP模型。2006年,Baigorria等[10]又將GIS和WEPP模型整合為一個新的工具GEMSE(geospatial modelling of soil erosion)來評價Andean流域的侵蝕熱點(diǎn)地區(qū),但由于該模型不能給出流域總的徑流和土壤侵蝕產(chǎn)沙量,導(dǎo)致無法對流域土壤侵蝕進(jìn)行定量預(yù)測。 2013年10月,基于ArcGIS10.X的最新版GeoWEPP模型也在其官網(wǎng)發(fā)布(http://geowepp.geog.buffalo.edu/)。

2 GeoWEPP模型技術(shù)框架

GeoWEPP模型主要依靠TOPAZ(topographic parameterization tool)、TOPWEPP和CLIGEN (climate generator)工具完成模塊的運(yùn)行。TOPAZ利用DEM數(shù)據(jù)提取地形數(shù)據(jù),實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)參數(shù)化,從而創(chuàng)建山坡剖面文件,DEM數(shù)據(jù)的精度、分辨率與來源對GeoWEPP的應(yīng)用模擬效果具有一定影響。CLIGEN天氣生成器是GeoWEPP處理氣象數(shù)據(jù)的附帶軟件,可以生成模型所需的氣象文件。TOPWEPP是能夠從土壤圖、土地利用圖和管理因子中提取WEPP所需信息的一個重要工具,包括土壤性質(zhì)、土地利用類型、植被等信息。這些信息與水文數(shù)據(jù)相結(jié)合，共同構(gòu)建了研究區(qū)侵蝕模型的數(shù)據(jù)庫,并在TOPWEPP中運(yùn)行,可獲得徑流、產(chǎn)沙、甚至輸移量等數(shù)據(jù)圖。GeoWEPP模型技術(shù)框圖如圖1所示。

圖1 GeoWEPP模型技術(shù)框架

3 GeoWEPP模型的適用性研究

3.1 GeoWEPP模型適用范圍

GeoWEPP模型下滲、徑流及產(chǎn)沙過程基本理論均采用針對細(xì)溝及溝間侵蝕的公式,因此模型主要適用于小尺度空間范圍，如模擬梯形溝渠、暫時性沖溝等渠道及攔蓄設(shè)施上的徑流、侵蝕和產(chǎn)沙過程。

已有很多學(xué)者對GeoWEPP模型在不同自然條件下的適用性進(jìn)行了有益探索。張曉明等[11]針對黃土高原地區(qū)的兩個小流域——橋子?xùn)|溝和橋子西溝,開展了GeoWEPP模型的適用性研究,結(jié)果表明GeoWEPP模型對黃土高原流域徑流和輸沙模擬值與實測值絕對誤差小于30%,相關(guān)系數(shù)大于0.98,且納什效率系數(shù)(Nash-suteliffe)大于0.8,模擬值可以較好地反映實測值,模型適用性較好;Meghdadi[12]也利用GeoWEPP模型對森林部分覆蓋的Kasilian小流域的徑流和侵蝕產(chǎn)沙進(jìn)行了模擬,并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,再用相關(guān)系數(shù)(R2)、標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)和納什效率系數(shù)等參數(shù)來評估模擬精度,結(jié)果表明模擬值與實測值有較好的一致性,GeoWEPP模型可以很好地反映該流域的侵蝕現(xiàn)狀。

GeoWEPP模型在受一定程度人類活動干擾地區(qū)的適用性也得到了研究。莫放等[13]將WEPP模型與GIS有機(jī)結(jié)合開展高原小流域侵蝕模擬,同時對應(yīng)用不同管理設(shè)施來降低侵蝕量和徑流量的效果作出定量評價,得出向陽溝小流域的徑流量從大到小依次為裸地、荒坡、坡耕地、人工草地、林地,侵蝕量從大到小依次為裸地、坡耕地、人工草地、荒坡和林地。Gaffer等[14]應(yīng)用GeoWEPP模型模擬和評價了美國印第安納州軍隊訓(xùn)練基地的公路和鐵路的土壤侵蝕,表明該模型對軍隊訓(xùn)練地周邊的未修繕公路和鐵路的土壤侵蝕評價較為可靠,因此可將模型拓展至類似條件下公路和鐵路的土壤侵蝕評價中。

綜上可知,GeoWEPP模型在不同自然環(huán)境和適度人類活動干擾下的小流域地區(qū)適用性較好,對徑流和侵蝕產(chǎn)沙的模擬預(yù)測也較為可靠,具有一定的普適性。

3.2 GeoWEPP模型的局限性

GeoWEPP模型適用范圍局限于坡面和小流域,由于不同尺度侵蝕產(chǎn)沙過程機(jī)理不同,影響侵蝕產(chǎn)沙過程的因素在時空上具有很大的不均勻性和變異性,這就增加了不同尺度侵蝕產(chǎn)沙模擬的復(fù)雜性,模型應(yīng)用于大流域尺度上需解決跨尺度研究和尺度轉(zhuǎn)化等問題。倪九派等[15]基于水系改進(jìn)的高分辨率DEM和GeoWEPP模型,采用坡面、子流域和流域3種空間尺度對五橋河流域產(chǎn)沙量進(jìn)行了估算。從坡面尺度到子流域尺度和流域尺度,114.6 km2的研究區(qū)年產(chǎn)沙總量從37.9萬t減少至12.5萬t和8.4萬t,單位面積年產(chǎn)沙量從33 109 t/hm2減少至10 194 t/hm2和7 129 t/hm2,年均泥沙輸移比從1.00減小至0.33和0.22。這可能是由于流域劃分尺度越大,對坡道和溝渠的描繪越粗糙,表明從不同的空間尺度考察,流域的水土流失特征存在較大差異,從小尺度到大尺度的轉(zhuǎn)化不能依靠簡單疊加。

GeoWEPP模型對人類活動集中地區(qū)的徑流和侵蝕產(chǎn)沙的模擬能力十分有限。徐貴新等[16]在將GeoWEPP模型應(yīng)用于濟(jì)源市土壤侵蝕時空分布特征研究時發(fā)現(xiàn),受較強(qiáng)人類活動影響,濟(jì)源市城區(qū)的水文響應(yīng)能力較弱,進(jìn)而影響了土壤侵蝕和徑流模擬的精度;Maalim等[17]在研究土地利用類型變化對GeoWEPP模型的精度影響時,同樣發(fā)現(xiàn)模型在城鎮(zhèn)化區(qū)域的模擬效果有限。原因可能在于城鎮(zhèn)化地區(qū)的下墊面條件變化較大,地表硬化等人類改造活動改變了自然條件下的水文循環(huán)過程和地表土壤性質(zhì),仍用原始參數(shù)值或算法不符合實際情況,導(dǎo)致GeoWEPP模型在城區(qū)的模擬效果不佳。因此增強(qiáng)GeoWEPP模型在城鎮(zhèn)化區(qū)域的適用性還需更多研究。

GeoWEPP模型在自然條件下的干旱和半干旱地區(qū)土壤侵蝕模擬效果較差。Raclot等[18]評估了GeoWEPP模型在地中海流域的徑流和侵蝕產(chǎn)沙模擬預(yù)測能力,該地區(qū)屬于半干旱地區(qū),年平均降雨量為600 mm,蒸發(fā)量為1 500 mm,模型對徑流的預(yù)測效果很好,而受季節(jié)性干旱導(dǎo)致的巖石破碎影響,對侵蝕產(chǎn)沙的預(yù)測結(jié)果偏高。Mahmoodabadi等[19]利用GeoWEPP模型對屬于干旱半干旱地區(qū)的伊朗科爾曼流域進(jìn)行了土壤侵蝕研究,嘗試?yán)醚芯繀^(qū)的含沙量、有機(jī)物含量以及體積含水率來校正溝間基準(zhǔn)可蝕性系數(shù)和溝間可蝕性系數(shù),從而達(dá)到改善WEPP模型在干旱半干旱區(qū)的侵蝕模擬效果,然而模型在該區(qū)域的適用性有限,校正后的模型總是對低產(chǎn)沙量估計過高,高產(chǎn)沙量估計過低,即便提出一個基于過程的方程來改進(jìn)模型,模擬的效果仍然不佳,這很可能是因為在預(yù)測子模塊中選用了土壤經(jīng)驗參數(shù)。因此,找到合理且恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法才能真正有助于模型在干旱半干旱區(qū)適用性的提高。

3.3 GeoWEPP模型的改進(jìn)

盡管GeoWEPP模型適用范圍有限,但對于適用性較差地區(qū)亦可采用調(diào)整和校準(zhǔn)參數(shù)、靈敏度分析等方法,在一定程度上改善其適用性。Moore等[20]通過校正GeoWEPP模型管理設(shè)施參數(shù)和土壤參數(shù)使其適用于工地的侵蝕預(yù)測,將模型中表層土壤特性參數(shù)替換為亞表層土壤特性參數(shù),就可以成功預(yù)測工地侵蝕,當(dāng)工地施工完成后將臨界剪切力參數(shù)值增加到10 Pa,則徑流和產(chǎn)沙量的預(yù)測與實際相符。Pandey等[21]也將經(jīng)過調(diào)整參數(shù)后的WEPP模型應(yīng)用于印度的一個農(nóng)業(yè)小流域的侵蝕產(chǎn)沙建模之中,并利用GIS、實地監(jiān)測、實驗室試驗和遙感等手段代替模型經(jīng)驗公式獲取校準(zhǔn)模型的參數(shù),大大提高了模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。Singh等[22]在將GeoWEPP模型應(yīng)用于印度喜馬拉雅山東部經(jīng)過治理的山地小流域時,發(fā)現(xiàn)將周邊未經(jīng)治理的土壤參數(shù)用于土壤侵蝕預(yù)測效果欠佳,經(jīng)過對土壤參數(shù)的重新校準(zhǔn)和靈敏度分析后,模型可基本滿足土壤侵蝕預(yù)測需要,且模型對土壤的溝間侵蝕、細(xì)溝侵蝕、滲透系數(shù)、臨界剪應(yīng)力和曼寧系數(shù)等參數(shù)十分敏感。

GeoWEPP模型還可以通過改進(jìn)算法等技術(shù)手段來擴(kuò)大其適用范圍。Covert等[23]將GeoWEPP模型和改進(jìn)版WEPPv98.4應(yīng)用于森林土壤的徑流預(yù)測,結(jié)果表明WEPP v98.4用于年徑流預(yù)測比GeoWEPP模型更為準(zhǔn)確,而在季徑流預(yù)測中WEPP v98.4對高徑流量季度的預(yù)測最為準(zhǔn)確,對徑流量較小的季度預(yù)測值過大。Zhang等[24]利用GeoWEPP模型對森林流域的徑流和產(chǎn)沙進(jìn)行模擬,通過改進(jìn)溝道侵蝕算法不僅改善了WEPP模型的積雪水文過程,還將地下水基流定量化的能力融入模型,使得模型更適用于陡坡森林流域產(chǎn)流模擬。

4 GeoWEPP模型研究進(jìn)展

DEM數(shù)據(jù)、土地利用、土壤分布及土地管理措施是GeoWEPP模型的重要影響因素,多年來國內(nèi)外學(xué)者就以上各因素對GeoWEPP模型模擬效果的影響進(jìn)行了廣泛的研究,研究重點(diǎn)集中于DEM數(shù)據(jù)精度對流域水力侵蝕過程模擬的影響、土地利用對水土流失狀況評價的影響、不同管理措施對土壤侵蝕量估測的影響以及土壤條件變化對侵蝕預(yù)測的影響等方面。

4.1 DEM數(shù)據(jù)精度對流域水力侵蝕過程模擬的影響

隨著GIS的應(yīng)用與計算機(jī)能力的提高,利用DEM數(shù)字化流域和提取流域地貌特征的技術(shù)已得到了廣泛研究[25],DEM數(shù)據(jù)也成為GeoWEPP模型TOPAZ模塊提取地形參數(shù)的主要數(shù)據(jù)來源,其精度對徑流和土壤流失預(yù)測的效果起到舉足輕重的作用,相關(guān)研究也應(yīng)運(yùn)而生。Cochrane等[26]研究發(fā)現(xiàn)選用不同的坡剖面方法,WEPP模型受DEM精度影響不同:如果模型用一個典型坡剖面的特征代表流域山坡特征來作為WEPP模型的輸入?yún)?shù)，那么模型受DEM精度影響不大,如果分別輸入各個坡剖面的特征來作為WEPP模型的參數(shù)，那么模型受DEM精度影響明顯。Zhang等[24]分別采用30 m、10 m、4 m的LIDAR(light detection and ranging)DEM數(shù)據(jù),30 m、10 m的NED(usgs national elevation dataset)DEM數(shù)據(jù)和30m的STRM(shuttle radar topography mission)DEM數(shù)據(jù),對森林小流域的徑流和侵蝕產(chǎn)沙進(jìn)行模擬,結(jié)果表明3種類型的30 m DEM數(shù)據(jù)由于分辨率低,導(dǎo)致模型模擬出過高侵蝕產(chǎn)沙量;對于LIDAR DEM數(shù)據(jù),利用10 m DEM數(shù)據(jù)模擬出的水文侵蝕過程最接近于野外試驗,而4 m DEM數(shù)據(jù)的模擬效果并沒有明顯優(yōu)于10 m的模擬效果,還因為分辨率過高導(dǎo)致計算煩瑣和耗時;對于10 m的NED DEM數(shù)據(jù),其模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)不相符。因此,選擇適宜的DEM數(shù)據(jù)源和分辨率更有利于WEPP模型對土壤侵蝕的模擬。

4.2 土地利用/覆被變化對水土流失狀況評價的影響

土地利用/覆被變化(land use/cover change,LUCC)對不同時間和空間尺度的水文循環(huán)都會產(chǎn)生一定的影響。土地覆被變化能夠引起近地表的蒸散發(fā)、截留、填洼、下滲等因素的改變而導(dǎo)致產(chǎn)匯流的變化,從而也將引起產(chǎn)輸沙、水質(zhì)、洪水過程等發(fā)生改變。WEPP模型的參數(shù)和輸出結(jié)果容易與GIS結(jié)合,可以靈活模擬土地利用變化情景和不同土地利用變化情景下的水文響應(yīng),因此,GeoWEPP模型成為研究LUCC水文響應(yīng)和產(chǎn)輸沙變化的重要工具。Yüksel等[27]將GeoWEPP模型應(yīng)用于土耳其卡赫拉曼馬拉什Orcan Creek流域,該流域總面積為490 hm2,按照林地、牧場和農(nóng)用地等土地利用類型進(jìn)行劃分,結(jié)果顯示GeoWEPP模型對該流域產(chǎn)沙量預(yù)測值略微偏高,徑流預(yù)測值略微偏低,但兩者都大于90%的置信水平,模型適于在高泥沙輸移的流域為管理者提供參考,可為水土流失的預(yù)防與管理提供科學(xué)依據(jù)。Yu等[28]對GeoWEPP模型在橋子?xùn)|溝、橋子西溝等流域的徑流和侵蝕產(chǎn)沙模擬過程進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗證,結(jié)果顯示GeoWEPP模型可以滿足該流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙模擬,同時在森林生長的不同時期,土壤侵蝕狀況不斷發(fā)生變化,當(dāng)森林處于幼年時期,土壤侵蝕仍然嚴(yán)重,森林樹木長成時,土壤侵蝕最小,隨著森林慢慢衰老,土壤侵蝕又逐漸增大,這不僅模擬了LUCC生態(tài)環(huán)境變化的水文響應(yīng),同時也反映了土壤水文、土壤性質(zhì)等與植被生長之間的作用與反饋。

Defersha等[29-30]利用GeoWEPP模型在肯尼亞馬拉河流域的田間小區(qū)開展試驗,研究土地利用變化對該流域的徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響,在流域尺度上的結(jié)果表明,土地利用、坡度及土壤類型的變化會導(dǎo)致侵蝕產(chǎn)沙的較大改變,而侵蝕敏感區(qū)的識別可為水土保持措施確定明確目標(biāo),有效預(yù)防水土流失的發(fā)展。Maalim等[17]使用GeoWEPP模型研究了明尼蘇達(dá)河流域土地利用變化對徑流和產(chǎn)沙量的影響,結(jié)果表明土地利用變化改變了區(qū)域的歷史水文過程和土壤輸移機(jī)制,徑流量、產(chǎn)沙量和土壤流失都隨土地利用或土地覆蓋改變而發(fā)生重大變化,由于該流域沉積物負(fù)荷包含了GeoWEPP模型不能反映的山地、峽谷和河床沉積物等,導(dǎo)致了模型在該地區(qū)的應(yīng)用受到限制。

綜上所述,GeoWEPP模型不僅可以用于多種土地利用類型的水土流失評價,還能模擬土地覆被變化對流域徑流產(chǎn)沙的影響,是土壤侵蝕預(yù)測的一個重要工具。

4.3 不同管理措施對土壤侵蝕量估測的影響

WEPP模型中的管理設(shè)施因子和農(nóng)田模式可以表示水土保持措施,結(jié)合DEM、GIS和RS技術(shù)可以有效獲取土壤、地形及土地利用數(shù)據(jù),對土壤侵蝕的產(chǎn)沙過程進(jìn)行時空模擬[31]。Pandey等[32]利用GIS將研究區(qū)劃分為7個子流域并提取了地形參數(shù),基于RS進(jìn)行土地利用類型的劃分,其后在劃分好的流域上種植利于水土保持的作物,并裝配不同的治理設(shè)施,結(jié)果表明GeoWEPP模型可以在實施植被保持和耕地等管理措施下很好地模擬土壤侵蝕量,評估易受侵蝕的子流域,提出適宜的保持水土方法。在考慮用植被措施保持水土的同時,人為建造的結(jié)構(gòu)化水土保持設(shè)施,如攔蓄設(shè)施等,也是預(yù)防土壤侵蝕和治理水土流失的一種重要手段。Singh等[22]發(fā)現(xiàn)在高坡和強(qiáng)降雨條件下,喜馬拉雅區(qū)域依靠增加植被覆蓋措施不足以控制水土流失,GeoWEPP模型經(jīng)過驗證后可以很好地模擬高位栽培床耕作區(qū)域的徑流量和產(chǎn)沙量。

4.4 土壤條件變化對侵蝕預(yù)測的影響

不同的土壤類型具有不同的土壤特征,表現(xiàn)為土壤質(zhì)地、各組分含量、陽離子交換量(CEC)、含水量、土壤反射率、土壤臨界剪切力、有效水傳導(dǎo)率等方面的差異,這些參數(shù)是GeoWEPP模型預(yù)測土壤侵蝕狀況的重要影響因子,決定著徑流和產(chǎn)沙模擬的效果。嚴(yán)冬春等[33]在川中紫色土地區(qū)研究中,選擇5個徑流小區(qū)開展土壤侵蝕量模擬及其空間分布研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)WEPP模型對年降雨造成的土壤侵蝕預(yù)測誤差較穩(wěn)定,在15%內(nèi),表明模型對長時間尺度的土壤侵蝕預(yù)測更準(zhǔn)確;劉遠(yuǎn)利等[34]采用敏感性分析方法探討了東北黑土地區(qū)土壤和氣候參數(shù)對模型模擬結(jié)果的影響,表明土壤的初始飽和度、細(xì)溝間土壤可蝕性、細(xì)溝土壤可蝕性、臨界剪切力和有效水力傳導(dǎo)系數(shù)對次降雨造成的土壤侵蝕量的模擬結(jié)果有重要影響;葉俊道等[35]對內(nèi)蒙古砒砂巖地區(qū)進(jìn)行了研究,該研究區(qū)表層土壤主要為沙土和黃土,土層厚度較薄,有機(jī)質(zhì)含量低,土壤持水性差,極易造成水土流失,通過趨勢性分析和納什模型效率分析可知模型在砒砂巖區(qū)土壤侵蝕模擬總體效果較好。

綜上所述,完善不同土壤類型的土壤特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫,加強(qiáng)模型在不同土壤環(huán)境下的驗證和率定,有利于增強(qiáng)GeoWEPP模型的適用性。

5 GeoWEPP模型的研究展望

GeoWEPP模型是GIS與WEPP模型的有機(jī)結(jié)合,其不僅提高了模型的模擬效率,同時為水資源管理、水土保持決策提供了一個強(qiáng)大的工具。然而,模型在應(yīng)用研究中也呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)精度選擇、尺度空間轉(zhuǎn)換、區(qū)域適用性等方面的不足,因此,GeoWEPP模型的改進(jìn)方向和發(fā)展趨勢將主要在以下幾方面:

5.1 DEM數(shù)據(jù)來源與精度選擇

合理選擇DEM數(shù)據(jù)的來源與精度是GeoWEPP模型模擬效果的重要保障。GeoWEPP模型中的TOPAZ工具利用不同來源與精度的DEM數(shù)據(jù),獲取模型所需的河網(wǎng)、流域、流向等地形參數(shù),來生成山坡剖面。DEM數(shù)據(jù)來源和精度的差異對侵蝕產(chǎn)沙的影響較大,不同的DEM數(shù)據(jù)提取出不同的山坡、溝道和地形特征,會共同影響WEPP模型在出口處、溝道和山坡間侵蝕產(chǎn)沙量的模擬。低精度的DEM數(shù)據(jù)無法精確描繪流域的山坡和溝道,模擬的侵蝕產(chǎn)沙量偏高,而高精度的DEM數(shù)據(jù)則對十分平緩的坡腳描繪過度,模擬的侵蝕產(chǎn)沙量會偏低。因此,選取適宜精度的DEM數(shù)據(jù)能有效提高GeoWEPP模型在產(chǎn)沙輸沙方面的模擬效果,DEM精度閾值的確定則成為GEOWEPP模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中有待研究的課題之一。

5.2 GeoWEPP模型空間尺度的轉(zhuǎn)換

GeoWEPP模型對于空間尺度有較大限制,雖然有學(xué)者提出利用GIS的外插法擴(kuò)大其應(yīng)用的空間尺度,但由于區(qū)域下墊面條件、侵蝕方式、土地類型以及氣候條件都大不相同,若只是簡單通過外插法來擴(kuò)大其空間尺度,模擬效果難以保障。因此,分析不同尺度間水文特征與侵蝕特征的差異,以及地理地貌因素對模型的影響,探索尺度轉(zhuǎn)換的方法,才可能改善GeoWEPP模型在特定區(qū)域徑流和產(chǎn)沙的模擬效果,增強(qiáng)模型的空間適用性,從而實現(xiàn)模型從小尺度向大尺度應(yīng)用的轉(zhuǎn)換。

5.3 侵蝕過程與生態(tài)過程的結(jié)合

流域尺度生態(tài)水文過程主要是研究植被對水文過程的影響和相互作用,植被的生長過程、植被的空間分布以及植被的不同類型都會對水文過程的產(chǎn)匯流、產(chǎn)輸沙、截留、蒸散發(fā)以及氣候響應(yīng)等方面有重要影響?？紤]生態(tài)過程對徑流和產(chǎn)輸沙的作用,能更準(zhǔn)確地理解實際環(huán)境中徑流和土壤侵蝕過程,因此,探索生態(tài)過程與GeoWEPP模型的有機(jī)結(jié)合,有助于GeoWEPP模型提高對土壤侵蝕預(yù)測的模擬,也是該模型的一個重要研究方向。

5.4 人類活動集中區(qū)的應(yīng)用

改善灌溉、城區(qū)等受人類活動影響集中地區(qū)的徑流和產(chǎn)沙的模擬是GeoWEPP模型的一個重要發(fā)展方向。隨著人類活動對自然環(huán)境干擾的加劇,自然條件下的水文特性和土壤輸移機(jī)制發(fā)生改變,流域水文和侵蝕過程也越來越復(fù)雜,特別是在人類活動集中的城區(qū),使GeoWEPP模型在模擬徑流、產(chǎn)沙和輸移過程中效果不佳。通過深入研究受人類活動干擾集中地區(qū)的水文特征和侵蝕機(jī)理,采用調(diào)整參數(shù)、模型驗證、探索新方法等手段,有助于完善GeoWEPP模型在人類活動密集地區(qū)的土壤侵蝕過程模擬。

5.5 WEPP模型與GIS的集成開發(fā)

盡管新版GeoWEPP模型建立了與PRISM的聯(lián)系來修正模擬地區(qū)的氣候數(shù)據(jù),但在全球氣候變化條件下的干旱半干旱區(qū)、資料缺乏地區(qū)等的模擬過程中存在較大的不確定性。因此,強(qiáng)化GIS與WEPP水文模型的耦合程度,在集成開發(fā)環(huán)境下采用COMGIS開發(fā)GIS功能和水文模塊,實現(xiàn)GIS與WEPP的完全集成,同時加強(qiáng)與能夠為GeoWEPP模型提供土地利用/覆被變化、雪蓋、管理因子等信息的RS技術(shù)的聯(lián)系,將會大幅度提升GeoWEPP模型的適用性、高效性和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[ 1 ] 趙其國,史學(xué)正,張甘霖,等.土壤資源概論 [M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[ 2 ] 彭珂珊.中國土壤侵蝕影響因素及其危害分析[J].水利水電科技進(jìn)展,2000,20(4):15-18(PENG Keshan.Analysis of factors affecting soil erosion in China[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2000,20(4):15-18.(in Chinese))

[ 3 ] WHISCHMEIER W H,SMITH D D.Predicting rainfall erosion losses from cropland east of the Rocky Mountains(Agricultural Handbook No.282.) [M].Washington D.C.:USDA Agricultural Research Service, 1965.

[ 4 ] 姚文藝,肖培青.黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究方向與途徑[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(2):73-78.(YAO Wenyi,XIAO Peiqing.Research direction of the study of soil erosion in the loess plateau[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(2):73-78.(in Chinese))

[ 5 ] 王冬梅,趙鋼,錢惠康,等.利用3S技術(shù)實現(xiàn)小流域水土保持的動態(tài)監(jiān)測[J].水利水電科技進(jìn)展,2004,24(1): 62-63.(WANG Dongmei,ZHAO Gang,QIAN Huikang,et al.Using 3S technology to realize the dynamic monitoring of soil and water conservation of small watershed[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2004,24(1):62-63.(in Chinese))

[ 6 ] 史婉麗,楊勤科,張光輝.WEPP模型的最新研究進(jìn)展[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2006,24(6):173-177.(SHI Wanli,YANG Qinke,ZHANG Guanghui.Current progress in water erosion prediction project[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2006,24(6):173-177.(in Chinese))

[ 7 ] 唐政洪,蔡國強(qiáng).侵蝕產(chǎn)沙模型研究進(jìn)展和GIS應(yīng)用[J].泥沙研究,2002(5):59-66 .(TANG Zhenghong,CAI Guoqiang.Study progress of the GIS-based soil erosion and sediment yield models[J].Journal of Sediment Research,2002(5):59-66.(in Chinese))

[ 8 ] SAVABI M R,SAVAB D C,FLANAGAN D C,et al.Application of WEPP and GIS-GRASS to a small watershed in Indiana[J].Journal of Soil and Water Conservation,1995,50(5):477-483.

[ 9 ] RENSCHLER C S.Designing geo-spatial interfaces to scale process models:the GeoWEPP approach[J].Hydrological Processes,2003,17(5):1005-1017.

[10] BAIGORRIA G A,ROMERO C C.Assessment of erosion hotspots in a watershed:Integrating the WEPP model and GIS in a case study in the Peruvian Andes[J].Environmental Modelling & Software,2006,22 (2007):1175-1183.

[11] 張曉明,曹文洪,余新曉,等.GeoWEPP在黃土高原地區(qū)應(yīng)用的適用性評價[J].泥沙研究,2011(6):50-54. (ZHANG Xiaoming,CAO Wenhong,YU Xinxiao,et al.Evaluation of applicability of GeoWEPP model on Loess Plateau in China[J].Journal of Sediment Research,2011(6):50-54.(in Chinese))

[12] MEGHDADI A R.Identification of effective best management practices in sediment yield diminution using GeoWEPP:the Kasilian watershed case study[J].Environ Monit Assess,2013,185(12):9803-9817.

[13] 莫放,賈忠華,羅紈,等.基于水蝕模型WEPP 和GIS 的高原小流域侵蝕模擬[J].水資源與工程學(xué)報,2005,16(4):41-45.(MO Fang,JIA Zhonghua,LUO Wan,et al.Simulation of water erosion by jointly application of WEPP and GIS[J].Journal of Water Resources&Water Engineering,2005,16(4):41-45.(in Chinese) )

[14] GAFFER R L,FLANAGAN D C,DENIGHT M L,et al.Geographical information system erosion assessment at a military training site[J].Journal of Soil and Water Conservation,2008,63(1):1-10.

[15] 倪九派,高明,魏朝富,等.基于水系改進(jìn)的高分辨率DEM和GEOWEPP的流域產(chǎn)沙量估算及其空間尺度效應(yīng)研究[J].土壤學(xué)報,2010,47(1):1-6.(NI Jiupai,GAO Ming,WEI Chaofu,et al.Watershed sediment yield and effect of spatial scale based on high resolution digital elevation model and GeoWEPP[J].Acta Pedologica Sinica,2010,47(1):1-6.(in Chinese))

[16] 徐貴新,曾貴,張澤中.基于GeoWEPP的濟(jì)源市土壤侵蝕研究[J].人民黃河,2012,34(12):100-105.(XU Guixin,ZENG Gui,ZHANG Zezhong.Jiyuan city soil erosion assessment based on GeoWEPP model[J].Yellow River,2012,34(12):100-105.(in Chinese))

[17] MAALIM F K,MELESSE A M,BELMONT P,et al.Modeling the impact of land use changes on runoff and sediment yield in the Le Sueur watershed,Minnesota using GeoWEPP[J].Catena,2013,107:35-45.

[18] RACLOT D,ALBEGEL J.Runoff and water erosion modelling using WEPP on a Mediterranean cultivated catchment[J].Physics and Chemistry of the Earth,2006,31:1038-1047.

[19] MAHMOODABADI M,CERDAERDA.WEPP calibration for improved predictions of interrill erosion in semi-arid to arid environments[J].Geoderma,2013,204-205:75-83.

[20] MOORE A D,MCLAUGHLIN R A,MITASOVA H,et al.Calibrating WEPP model parameters for erosion prediction on construction Sites[J].Transactions of the ASABE,2007,50(2):507-516.

[21] PANDEY A,CHOWDARY V M,MAL B C,et al.Runoff and sediment yield modeling from a small agricultural watershed in India using the WEPP model[J].Journal of Hydrology,2008,348(3/4):305-319.

[22] SINGH R K,PANDA R K,SATAPATHY K K,et al.Runoff and sediment yield modelling for a treated hilly watershed in eastern Himalaya using the water erosion prediction project model[J].Water Resour Manage,2012,26:643-665.

[23] COVERT S A,ROBICHAUD P R,ELLIOT W J,et al.Evaluation of runoff prediction from WEPP-based erosion models for harvested and burned forest watersheds[J].Transactions of the ASAE,2005,48(3):1091-1010.

[24] ZHANG J X,WU J Q,CHANG K,et al.Effects of DEM source and resolution on WEPP hydrologic and erosion simulation:a case study of two forest watersheds in northern Idaho[J].Transactions of the ASABE,2009,52(2):447-457.

[25] 姚成,李致家,章玉霞.DEM分辨率對分布式水文模擬的影響[J].水利水電科技進(jìn)展.2013,33(5):11-14. (YAO Cheng,LI Zhijia,ZHANG Yuxia.Effects of DEM resolution on distributed hydrologic simulation[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(5):11-14.(in Chinese))

[26] COCHRANE T A,FLANAGAN D C.Representative hillslope methods for applying the WEPP model with DEMS and GIS[J].Transactions of the ASAE,2003,46(4):1041-1049.

[28] YU Xinxiao,ZHANG Xiaoming,NIU Lili.Simulated multi-scale watershed runoff and sediment production based on GeoWEPP model[J].International Journal of Sediment Research,2009,24(4):465-478.

[29] DEFERSHA M B,MELESSE A M.Field-scale investigation of the effect of land use on sediment yield and runoff using runoff plot data and models in the Mara River basin,Kenya[J].Catena,2012,89(1):54-64.

[30] DEFERSHA M B,MELESSE A M,MCCLAIN M E.Watershed scale application of WEPP and EROSION 3D models for assessment of potential sediment source areas and runoff flux in the Mara River Basin,Kenya[J].Catena,2012,95:63-72.

[31] 王京民,馬浩,王蕊.水蝕預(yù)報模型WEPP在水土保持評估中的應(yīng)用[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2012,27(6):52-59.(WANG Jingming,MA Hao,WANG Rui.A literature review on the application of water erosion prediction project in the evaluation of soil and water conservation[J].Journal of Northwest Forestry University,2012,27(6):52-59.(in Chinese))

[32] PANDEY A,CHOWDAY V M,MAL B C,et al.Application of the WEPP model for prioritization and evaluation of best management practices in an Indian watershed[J].Hydrological Processes,2009,23(21):2997-3005.

[33] 嚴(yán)冬春,文安邦,張忠啟,等.坡面版WEPP模型在川中丘陵區(qū)的應(yīng)用研究[J].水土保持學(xué)報,2007,21(5):42-63.(YAN Dongchun,WAN Anbang,ZHANG Zhongqi,et al.Using study of sloping WEPP model in Sichuan hilly basin[J].Journal of Soil and Water Conservation,2007,21(5):42-63.(in Chinese))

[34] 劉遠(yuǎn)利.WEPP模型(坡面版)在東北黑土區(qū)的適用性評價 [D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

[35] 葉俊道,秦富倉,岳永杰,等.WEPP模型在砒砂巖地區(qū)土壤侵蝕模擬的適用性研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(7):132-135.(YE Jundao,QIN Fucang,YUE Yongjie,et al.The applicability of WEPP in simulating the soil erosion in soft rock region[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2012,26(7):132-135.(in Chinese))

Research development on geo-spatial interface for water erosion prediction project //

HAO Yun, YU Ruihong, HAO Ruiying, YANG Huan, ZHANG Yujin, ZHANG Xiaoxin

(CollegeofEnvironmentandResources,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China)

This paper summarized geo-spatial interface for water erosion prediction project (GeoWEPP) model’s development process, technical framework, applicability and limitations, and then respectively described current research development of GeoWEPP from the standpoints of dynamic effect model (DEM) data, land use/cover change, management factors and soil factors. For the advantages and disadvantages combining with the research status of water erosion prediction model, this paper proposed development directions of the model and pointed out possibilities of development about GeoWEPP in five aspects：definition of the accuracy of DEM, transform of spatial scale, application in human activities center, combination with ecological process, and integrated development of WEPP and geographic information system (GIS).Key words: water erosion prediction model; geo-spatial interface for water erosion prediction project (GeoWEPP); soil and water conservation; model applicability; simulation accuracy; summary

國家自然科學(xué)基金(51469018);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2014MS0403);內(nèi)蒙古科技廳應(yīng)用與研究開發(fā)計劃(20130428)

郝韻(1989—),女,內(nèi)蒙古包頭人,碩士研究生,主要從事流域水文模擬研究。E-mail:haoyunann@163.com

于瑞宏(1978—),女,內(nèi)蒙古包頭人,副教授,博士,主要從事流域水文模擬研究。E-mail:yrh0108@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.019

S157.1

A

1006-7647(2015)03-0099-07

2014-02-20 編輯：熊水斌)