MU L S E模型在區(qū)域水土流失模擬中的應用研究

宋 磊

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

MU L S E模型在區(qū)域水土流失模擬中的應用研究

宋 磊

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

本文結(jié)合水土流失試驗小區(qū)水土流失調(diào)查數(shù)據(jù),運用MU L SE模型模擬該試驗小區(qū)水土流失情況。研究結(jié)果表明:MU L SE模型可綜合考慮水文氣象因子以及流域下墊面情況,對區(qū)域水土流失的模擬具有較好的精度,模擬的年尺度和月尺度水土流失量和實測水土流失之間的相對誤差均小于15%,相關(guān)系數(shù)分別達到0.751 2和0.614 2,符合水土流失模擬規(guī)范;模擬的月尺度水土流失量和實測月水土流失變化過程吻合度較高。研究成果對于區(qū)域水土流失模擬提供重要參考價值。

MU L SE模型;水土流失模擬;模擬精度分析;水土流失試驗小區(qū)

我國屬于水土流失多發(fā)的國家，水土流失災害頻繁，嚴重危害環(huán)境和人身安全，每年我國對于水土流失防治的投入均較大，水土流失防治的關(guān)鍵和基礎是做好預測，在對區(qū)域水土流失有較為明確的估算后，再進行水土流失防治規(guī)劃和治理。當前，對于區(qū)域水土流失預測的方法主要由2種，一種是數(shù)理統(tǒng)計學方法，結(jié)合實測長時間系列水土流失數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計學方法，統(tǒng)計水土流失的變化規(guī)律，結(jié)合該規(guī)律進行未來水土流失的預測，早期，一些學者運用該方法預測區(qū)域的水土流失，取得一定的研究成果［1-5］。第二種方法是采用物理模型進行預測，這其中進行水土流失模擬的模型有U L SE模型，SWA T模型等，這些模型在區(qū)域水土流失模擬中，取得一定的研究成果［6-9］。進入20世紀，美國學者對傳統(tǒng)的U L SE模型進行改進，綜合考慮水文因子對水土流失的影響，建立MU L SE模型，并在不同區(qū)域得到運用，但是該模型在我國運用較少，特別是在遼寧地區(qū)運用成果更少，而遼寧地區(qū)也為水土流失較為嚴重的區(qū)域，為此，本文引入MU L SE模型，結(jié)合遼寧水土流失試驗小區(qū)的基礎數(shù)據(jù)，模擬該試驗小區(qū)的水土流失，并結(jié)合試驗小區(qū)實測水土流失情況，定量分析MU L SE模型在遼寧地區(qū)水土流失模擬的適用性。

2 MU L S E模型原理

MU SL E模型綜合考慮水文氣象因子和流域下墊面對水土流失的影響，模型方程的公式為:

式中:Se d—流域坡面產(chǎn)沙量，t;Rsurf—地表徑流深，水文因子，m m;qpeak—峰值流量，該值和流域最大半小時降雨強度有關(guān)，m3/s。峰值流量qpeak通過當?shù)氐谋┯甑戎稻€圖獲取。A—流域面積，km2; KULSE—不同土壤類型的土壤侵蝕因子，該參數(shù)可以通過不同土壤質(zhì)地組成采用相關(guān)公式計算;CULSE—植被覆蓋因子;PULSE—流域具有水保措施的土壤流失比，這里的 PULSE和流域農(nóng)業(yè)耕種方式有關(guān); LULSE—地形因子;C F R G—粗糙斷面因子，該因子通過土壤質(zhì)地中第一層土壤礫石的百分比(%)計算獲得。

2.1 土壤侵蝕因子KULSE

土壤侵蝕因子 KULSE值表示的是土壤本身的一個可以抗侵蝕的能力，和土壤類型有關(guān)，土壤侵蝕因子表示的是水土流失的一個內(nèi)在要素，是定量模擬分析水土流失的關(guān)鍵要素，從改進的通用土壤侵蝕方程可看出，土壤侵蝕因子是坡面產(chǎn)沙模型的一個重要的影響參數(shù)。如今，估計土壤侵蝕因子的方法大致可以歸為統(tǒng)計試驗法、試驗區(qū)域測定法和理論公式計算法，本文選用Wi l l i a m s等人在E P I C模型中使用的一個土壤侵蝕因子估算的方法，該方法對資料需求較少，且比較簡單實用，已被廣泛運用到不少流域水土流失模擬的土壤侵蝕因子估算中。該方法只需要輸入土壤的質(zhì)地組成和土壤中有機物組成數(shù)據(jù)，即可估算不同土壤類型的土壤侵蝕因子，計算公式為:

式中:fcsand—具有低土壤侵蝕因子的土壤中粗砂比例以及高土壤侵蝕因子的土壤中細砂比例;fcl-si—低土壤侵蝕因子的土壤中粘土的比例;forgc—降低土壤侵蝕因子的有機質(zhì)比例;fhisand—降低土壤侵蝕因子的沙土比例。

各比例的計算公式如下:

式中:ms—土壤質(zhì)地組成中砂粒的含量(粒徑在0.05～2.00m m的顆粒)，%;msilt—土壤質(zhì)地組成中粉粒含量(粒徑在0.002～0.05m m的顆粒)，%; mc—土壤質(zhì)地組成中粘粒的含量(粒徑 ＜0.002的顆粒)，%;o r gC—土壤中有機質(zhì)的含量，%。

2.2 植被覆蓋和和作物管理因子CULSE

植物覆蓋以及農(nóng)作物管理因子也是改進通用土壤侵蝕方程中一個較為重要的參數(shù)，其物理意義表示的是在地性、土壤質(zhì)地以及降雨條件相同情況下，區(qū)域內(nèi)土地利用方式為耕地、林地以及草地與無植被覆蓋的休閑地水土流失的一個比值，流域植被覆蓋和農(nóng)作物管理因子的最大值為1.0。選用下列方程計算流域植被覆蓋以及作物管理因子。

式中:CULSE，mm—最小植被覆蓋和管理因子，r s dsurf—地表植物殘留量。最小植被覆蓋和管理因子可以由已知年平均植被覆蓋和管理因子，通過下面的方程(A r no l d和Wi l l i a m s，1995)計算出來:

式中:CULSE，aa—不同植被覆蓋的年均植被覆蓋和管理因子。

2.3 地形因子LULSE

地形因子LULSE為坡長為22.1m、坡度為9%的坡地在單位面積上水土流失率的預期值，地形因子的計算公式如下:

式中:Lhill—柵格坡長，m;m—坡長指數(shù);αhill—斜坡的角度，℃。坡長指數(shù)m的計算公式如下:

式中:s l p—柵格的坡度。

2.4 粗糙斷面因子C F R G

粗糙斷面因子C F R G的計算公式如下:

式中:r o c k—第一層土壤中礫石的百分比，%。

3 模型應用

結(jié)合遼寧某水土保持試驗小區(qū)2000～2010年水土流失試驗數(shù)據(jù)，運用MU L SE模型模擬該試驗小區(qū)2000～2010年水土流失情況，并和試驗小區(qū)實測水土流失數(shù)據(jù)進行對比分析模型的適用性。

3.1 模型參數(shù)設置

結(jié)合試驗小區(qū)的土地利用、土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)和實測降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合前述參數(shù)計算方法，設置模型參數(shù)初值，并結(jié)合模擬和實測結(jié)果，不斷調(diào)整模型的模擬參數(shù)，得到模型參數(shù)最終值，見表1。

表1 模型參數(shù)設置

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)年尺度水土流失模擬分析。運用 MU L SE模型模擬了試驗小區(qū)2000～2010年水土流失情況，并和試驗小區(qū)實測水土流失情況進行對比分析，分析結(jié)果如圖1所示，并見表2。

圖1 MU L S E模型水土流失模擬和實測水土流失年尺度相關(guān)

表2 MU L S E模型水土流失模擬年尺度精度分析結(jié)果

表2為運用MU L SE模型預測的試驗小區(qū)2000～2010年水土流失量模擬精度，從表2中可以看出，MU L SE模型模擬的2000～2010年水土流失和實測水土流失之間的相對誤差在-12.96%～14.88%之間，均小于15%，符合水土流失模擬的精度要求。從圖1中可以看出MU L SE模型模擬的各個年份水土流失過程和實測水土流失吻合度也較高，模型預測的水土流失量和實測的水土流失量之間的相關(guān)系數(shù)為0.751 2，具有較好地相關(guān)性。綜上，可見MU L SE模型可較好的模擬區(qū)域水土流失年變化過程。

(2)月尺度水土流失模擬分析。考慮到年內(nèi)水土流失的時程分配，在年尺度水土流失模擬的基礎上，應用MU L SE模型模擬試驗小區(qū)月尺度水土流失，結(jié)合試驗小區(qū)水土流失實測數(shù)據(jù)，對比分析MU L SE模型在月尺度的水土流失模擬的適用性，模擬分析結(jié)果如圖2所示，并見表3。

表3 MU L S E模型水土流失模擬月尺度精度分析結(jié)果

表3為MU L SE模型模擬的試驗小區(qū)月尺度水土流失模擬結(jié)果，從模擬結(jié)果可以看出，MU L SE在不同月份模擬的相對誤差在-14.69%～14.75%之間，也均小于15%的相對誤差范圍，符合水土流失預測精度要求。從圖2中可以看出，MU L SE模型模擬的各月份的水土流失過程和實測的各個月份水土流失過程較為吻合，試驗小區(qū)水土流失量較大值主要出現(xiàn)在7月，這主要是因為該月降水量最大，使得該月水土流失量較大，而MU L SE模擬的水土流失峰值也出現(xiàn)在7月，其次MU L SE模擬的月水土流失量和實測的水土流失量之間的相關(guān)系數(shù)為 0.6142，也具有較好的相關(guān)性?？梢?，MU L SE模型在月尺度的水土流失模擬也具有較好的精度。

4 結(jié)論

本文運用MU L SE模型模擬試驗小區(qū)的水土流失過程，并結(jié)合試驗小區(qū)實測水土流失數(shù)據(jù)分析模型水土流失預測精度以及適用性，研究取得以下結(jié)論:①MU L SE模型可用于區(qū)域水土流失模擬，水土流失模擬值和實測值之間的相對誤差可控制在15%以內(nèi)，可滿足水土流失精度模擬規(guī)范要求。②MU L SE模型不僅對水土流失量模擬較為適用，在水土流失過程也具有較好的吻合度。

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S157.1

A

1008-1305(2016)05-0040-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.016

2016-02-08

宋 磊(1978年—)，男，工程師。