基于WEPP模型在烏裕爾河流域的應用

■程雪 陳圣波 周歡

（吉林大學地球探測科學與技術學院 吉林長春130026）

基于WEPP模型在烏裕爾河流域的應用

■程雪 陳圣波 周歡

（吉林大學地球探測科學與技術學院 吉林長春130026）

本文以小興安嶺西南坡的烏裕爾河流域的氣候數(shù)據(jù)資料為基礎，利用WEPP模型模擬分析坡度因子與土壤侵蝕量的關系。結果表明在一定的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量與坡度呈冪函數(shù)遞增關系，原因主要有坡度的陡緩決定了水力阻力的大小和坡面承雨面積的改變等。表明用WEPP模型來模擬烏裕爾河流域坡面與土壤侵蝕量的關系是可行的。對今后建立適用于我國東北地區(qū)侵蝕環(huán)境的侵蝕預報模型具有指導意義。

坡度WEPP模型土壤侵蝕烏裕爾河流域

1　引言

地面坡度是地形因素中對坡面土壤侵蝕起重要作用的因子。本文研究WEPP模型（坡面版）在小興安嶺西南坡的烏裕爾河流域不同坡度條件下的土壤侵蝕量，為今后研究烏裕爾河流域的土壤侵蝕預報提供技術支持。

圖1　研究區(qū)概況Figure 1 general situation of the Study area

土壤侵蝕預報模型是國土資源調(diào)查、水土保持效益評價和水土保持規(guī)劃設計的重要手段，受到世界各國的普遍重視。新一代水蝕預報模型——WEPP(Water Erosion Prediction Project)[1]是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局 (USDA-ARS)、土壤保持局 (USDA-SCS)、林業(yè)局(USDA-FS)、普渡大學(Purdue University)等共同開發(fā)的，其目的是替代通用土壤流失方程—USLE(Universal Soil Loss Equation)[2]，推出更能滿足實際生產(chǎn)要求的土壤侵蝕預報模型。WEPP以物理過程為基礎的原理，同傳統(tǒng)的經(jīng)驗模型相比更有利于在美國以外其他地區(qū)的推廣和應用。目前，我國學者對WEPP模型在我國紫色土丘陵區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)的適用性進行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定坡度條件下WEPP模型對侵蝕過程模擬較為合理[3]，同時WEPP模型的模擬結果優(yōu)于USLE模型[4]。但WEPP模型在東北流域的研究還相對較少。

本文基于克山氣象站1982—2013年30年的氣象資料數(shù)據(jù)，利用WEPP模型模擬在不同坡度條件下的多年平均下的土壤侵蝕量，研究并分析小興安嶺西南坡烏裕爾河流域的坡度與土壤侵蝕量的關系。從而為建立適用于我國侵蝕環(huán)境的侵蝕預報模型提供科學依據(jù)。

2　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)收集

2.1研究區(qū)概況

以小興安嶺向東北平原過渡的烏裕爾河流域為研究區(qū)，地貌上從平原向山地過渡，位于東北平原向小興安嶺的過渡地帶。烏裕爾河位于黑龍江省西部齊齊哈爾市境內(nèi)，為省內(nèi)最大的內(nèi)陸河。流域面積23110平方公里。

2.2數(shù)據(jù)收集

研究區(qū)氣候資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，年限為1982—2013年。地形數(shù)據(jù)采用烏裕爾河地區(qū)的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，土地利用類型數(shù)據(jù)來源于全球土地覆蓋GlobCover2009數(shù)據(jù)。

3　 WEPP模擬方法

3.1技術路線

WEPP模型的運行需要建立氣候、土壤、坡面和作物管理4個數(shù)據(jù)庫。WEPP模型的氣候數(shù)據(jù)可以由用戶直接輸入或由模型生成。由于從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)下載的烏裕爾河流域氣象數(shù)據(jù)的氣象參數(shù)只包括WEEP模型需要的日降雨量、日最高溫和日最低溫，所以采用CLIGEN模型來模擬生成氣候數(shù)據(jù)庫。根據(jù)已知氣象站的氣象數(shù)據(jù)，以年降水量的±5%為范圍選擇年降水量比較接近的美國氣象站，克山站年降水量的選擇范圍為549.2235～607.0365mm，選擇所有年降水量在上述范圍內(nèi)的美國氣象站，以研究站與參證站間月降水決定系數(shù)（R2）最大為標準選擇各站的參證站[5]，克山站的參證站為Minnesota的GUNFLINT LODGE MN氣象站，研究站與參證站月降水量間的決定系數(shù)為0.9095。

圖2　技術流程圖Figure 2technical flowchart

3.2WEPP模型坡面版基本原理

WEPP模型坡面版是WEPP模型中最簡單、最基本的模型版本，將坡面侵蝕分為細溝侵蝕和細溝間侵蝕。WEPP模型[6]利用穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程來描述泥沙的運動：

式（1）中，x：某點沿下坡方向的距離（m），G：輸沙量（kg/s·m），Dr：細溝侵蝕速率（kg/s·m2），Di：細溝間泥沙輸移到細溝的速率（kg/s·m2）

①水流剪切力（τf）大于臨界土壤剪切力（τc），并且輸沙量（G）小于泥沙輸移能力（Tc）時，細溝內(nèi)以搬運過程為主：

式中，Dc：細溝水流的剝離能力（kg/s·m2），Tc：細溝間泥沙輸移能力（kg/s·m）。Kr：細溝可蝕性參數(shù)（s/m），τf：水流剪切壓力(pa)，τc：臨界剪切力(pa)。

②輸沙量（G）大于泥沙輸移能力（T）時，以沉積過程為主：

式（4）中，Vf：有效沉積速率（m/s），q：單寬水流流量（m2/s），β：雨滴擾動系數(shù)。

3.3WEPP模型結構

運行WEPP模型（坡面版）需要建立氣候、土壤、坡度坡長和作物管理4個數(shù)據(jù)庫（見表1），每個數(shù)據(jù)庫都涉及多個參數(shù)[7]。

表1　WEPP模型（坡面板）輸入?yún)?shù)Table 1 Input parameters of WEPP model(slope panel)

4　結果分析

4.1土壤侵蝕量隨坡度變化的關系

利用建立的氣候、土壤、坡面和作物管理4個數(shù)據(jù)庫，利用WEPP模型分別模擬坡度為2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°十一個坡度條件下的多年平均土壤侵蝕量。

圖3　土壤侵蝕量與坡度的變化關系Figure 3therelationship of soil erosion and slope changes

根據(jù)WEPP模型輸入不同坡度參數(shù)，可以得到坡度與侵蝕量的關系，土壤侵蝕量與坡度的關系指數(shù)為1.015，從土壤侵蝕量的變化趨勢來看，模型模擬的土壤侵蝕量值均隨坡度的增加而呈增加趨勢。在一定的坡度范圍內(nèi)，輸入不同坡度參數(shù)得到的結果是隨著坡度的增加，土壤侵蝕量也隨之增加，但是坡度每增加一度，土壤侵蝕量增加的幅度有所不同(如圖4)。

圖4　侵蝕增加量隨坡度的變化關系Figure 4 erosion increases along with the change of slope

從圖4中可以看出，坡度在0°～7°范圍內(nèi)，土壤侵蝕量隨坡度變陡而增加，至12°時隨坡度的增加，其增加率減緩。

4.2影響因素分析

坡度是影響坡面徑流侵蝕能力的動力因子，坡度的陡緩決定了坡面徑流動力比降的大小[8]。坡面流受降雨的影響，直接表現(xiàn)在流速的變化上，在一定的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增加，根據(jù)水力學原理[9]，水流在重力方向上的分力增加，流速呈增加趨勢。

土壤侵蝕過程是區(qū)域地理環(huán)境各因素相互作用的過程，侵蝕狀況取決于侵蝕動力和抗侵蝕阻力的對比關系。在一定的水深條件下，坡度越陡，其水力比降就越大，陡坡水流對地表就具有更大的切應力，也就具有更大的分散能力。同時坡度越大，土壤顆粒在順坡方向的分力也愈大，土粒穩(wěn)定性降低，更容易遭受侵蝕。

坡面土壤侵蝕率除了水力阻力隨坡度變化的規(guī)律之外，還與坡面承雨面積有關[10]，因為對于一定坡長的坡面，坡度越大，其承雨面積就越小，形成的徑流量就相對減少，即在一定坡度上符合坡度越陡，一定坡長上的坡面徑流量就越少。

5　結論

通過1982-2013年的烏裕爾河地面氣候數(shù)據(jù)，利用WEPP模型在不同坡度條件下模擬坡度與土壤侵蝕量的關系是可行的，得出了在一定的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量與坡度呈冪函數(shù)遞增關系。為模型模擬其它地區(qū)的應用提供一個參考。

WEPP模型是“新一代水蝕預報技術”開發(fā)的計算機土壤侵蝕預報模型，是一個過程模型，可應用于更廣泛的條件下，不僅可以預測產(chǎn)沙量、輸沙量、侵蝕強度等，而且可以估算土壤侵蝕時空分布即全坡面或坡面任一點的凈土壤流失量及其隨時間的變化，對侵蝕過程的每一個階段都可以進行模擬和預測[11]。還可以對影響因子和侵蝕過程進行分析和描述，只是模型預測的準確性是以大量的參數(shù)為前提的，這就要求我們做好基礎工作，收集大量的基礎數(shù)據(jù)資料，為充分利用WEPP帶給我們的好處，建立更加合理有效的土壤侵蝕預測模型。

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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[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-402-3

程雪（1990～），女，碩士研究生，研究方向為大氣遙感。

陳圣波（1967～），男，教授，博士生導師，研究方向為地質(zhì)遙感、月球探測等。