基于WEPP模型的沿海新圍墾區(qū)土壤侵蝕規(guī)律研究

陳 鳳 ，鄒玉田 ，張 華 ，陳文猛

（1.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037；）

水土流失是世界性的環(huán)境災(zāi)害問題之一，其發(fā)生和發(fā)展受降水、土壤、地形、植被覆蓋和土地利用方式等多因素的影響，是一種復雜的人文和自然地理過程。國內(nèi)外許多學者和專家對水土流失及其影響因子進行了大量、廣泛而較深入的觀測和研究[1-7]。早期為開發(fā)沿海灘涂，人們對于成陸較早并經(jīng)過一段時間淋鹽長草的土地進行開墾，由于建設(shè)修筑海堤，挖河、筑路、修建田間溝渠等工程措施勢必改變了原本地形狀況，形成許多集水、匯水坡面[8]，江蘇沿海地區(qū)沙壤土區(qū)占地面積較大，裸露的坡面極易發(fā)生水土流失，如果沒有采取相應(yīng)的有效措施，雨季往往發(fā)生嚴重的土壤侵蝕。沿海平原區(qū)土壤沙性重、有機質(zhì)含量少，土壤結(jié)構(gòu)差，同時，因土壤鹽分較高，植物難以生長。因此，植被覆蓋率低，在降雨及地表徑流作用下，表土極易被雨水沖蝕，土壤隨徑流沖入河中沉積或排除墾區(qū)，加之海潮頂托、閘下淤積、排水不暢，導致大量泥沙淤積河道，造成引水排水系統(tǒng)失效[9]。本文通過試驗及實地調(diào)查，分析研究沿海新墾區(qū)高鈉鹽土壤邊坡在自然降雨條件下土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展過程，采用WEPP模型模擬計算并進行適用性分析。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在江蘇省東臺市，北緯32°33'～32°57'東經(jīng)120°07'～120°53'，處于北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，年平均氣溫14.5 ℃。主導風向為東南風和西北風，年平均風速3.3 m/s。年平均日照時數(shù)2231.9 h。平均年降雨量1065.2 mm，最大年降雨量1978.2 mm（1991年），最小年降雨量462.3 mm（1978年），汛期平均降雨量為733.4 mm，汛期最大降雨量1294.1 mm，汛期最小降雨量為218.5 mm。汛期和非汛期雨量懸殊較大，容易形成旱澇災(zāi)害。

東臺地區(qū)屬于沿海淤積性砂土區(qū)，距離海邊越近，成陸開墾的時間越短，土壤質(zhì)地越差，海洋性氣候越明顯，試驗小區(qū)設(shè)立在距離海邊20 km的華丿鎮(zhèn)。海拔高度4.1 m（廢黃河口），地形平緩，高低起伏不大，成土土質(zhì)多以砂土、砂壤土為主。

試驗區(qū)設(shè)在華丿境內(nèi)的東臺河北岸的清坎上，共有7個徑流小區(qū)，分別設(shè)立在坡度為1°、2.36°、5°、15°、26.5°、35°、45°的荒坡上。為防止客水進入，每個小區(qū)周圍設(shè)有楔形保護墻，保護墻深30 cm，地上露出部分25 cm，墻的上口外緣向小區(qū)外呈60°傾斜，小區(qū)下部設(shè)有集流槽，集流槽內(nèi)光滑，上口與小區(qū)內(nèi)地面齊平。集流槽下端接集水池。集水池下端設(shè)有排水閥，便于測后排水。小區(qū)之間設(shè)立1 m寬的保護帶。為防止汛期集水池內(nèi)蓄水量超過集水池的設(shè)計容積，故在集流槽內(nèi)設(shè)置三角堰進行1/2分流，分流出的徑流分別排入集水池和東臺河內(nèi)。試驗區(qū)地理位置見圖1。

圖1 試驗區(qū)地理位置（東臺）

1.2 試驗方法

本試驗于2016年5～9月在野外徑流小區(qū)進行，供試土壤為沿海新墾區(qū)高鹽土，主要觀測項目有：土壤容重采用環(huán)刀法；土壤顆粒級配采用比重計法測定；土壤鹽分的常規(guī)測定采用ProCheck手持式多功能讀表/數(shù)采儀器，每月初另外取表層0～10cm土壤使用水土比5∶1電導法校核。土壤含水率的測定：每周測定1次（TDR），降雨后加測；降雨徑流結(jié)束后，測量徑流量和泥沙量。本文試驗氣象數(shù)據(jù)氣象要素采集采用錦州陽光全自動氣象站，溫濕度采用大氣溫濕度傳感器LCWSD1，降雨量采用雨量傳感器LC-YL1，蒸發(fā)量采用蒸發(fā)傳感器LC-ZF1，氣象數(shù)據(jù)采集儀（帶屏幕顯示）帶分析軟件LC-CQ1。

1.3 數(shù)據(jù)分析計算

本文試驗數(shù)據(jù)采用SPSS11.5、excel2010對數(shù)據(jù)和公式進行統(tǒng)計分析計算，同時采用Pearson簡單相關(guān)系數(shù)、Spearman等級相關(guān)系數(shù)和Kendall秩相關(guān)系數(shù)進行相關(guān)分析。

1.4 WEPP模型

水蝕預報模型WEPP可以模擬和預測不同時間尺度（日、月、季、每年及多年）、不同土地利用類型（農(nóng)地、草地、林地、建筑工地及城區(qū)等）的徑流量和土壤侵蝕量，同時還具備模擬和預測土壤水分的入滲、蒸發(fā)、農(nóng)作物生長等功能。目前WEPP模型的機理研究主要為模型的一些參數(shù)因子對模擬產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系[9-15]。WEPP模型將坡面侵蝕分為細溝侵蝕和細溝間侵蝕2種。WEPP模型是以穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程（1）為基礎(chǔ)來描述泥沙運動過程：

式中：

x—某點沿下坡方向的距離，m；

G—輸沙量， kg·s-1·m-1；

Dr—細溝侵蝕速率，kg·s-1·m-2；

Di—細溝間泥沙輸移到細溝的速率，kg·s-1·m-2。

當水流剪切力大于臨界土壤剪切力，并且輸沙量小于泥沙輸移能力時，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-1·m-2；

Tc—細溝間泥沙輸移能力，kg·s-1·m-1；

Kr—細溝可蝕性參數(shù)，s·m-1；

τf—水流剪切壓力，Pa；

τc—臨界剪切壓力，Pa。

當輸沙量大于泥沙輸移能力時，以沉積過程為主：

式中：

Vf—有效沉積速率，m·s-1；

q—單寬水流流量，m-2·s-1；

β—雨滴擾動系數(shù)。

1.5 模型適用性評價

模型適用性評價是當氣候、土壤和作物覆蓋等條件都相同的條件下，將WEPP模型模擬的土壤侵蝕量與實測值進行比較：如果兩者比值接近1，說明模型能夠較好地模擬該地區(qū)土壤侵蝕實際情況，區(qū)域土壤侵蝕量可以用RUSLE模型來進行模擬預測；如果模擬值與實測值相差較大，說明RUSLE模型并不適用。模型適用性評價用模型模擬結(jié)果的Nash-Sutcliffe有效性表示，其計算公式為：

式中：

ME—模擬有效性；

Yobs—實測值；

Ypred—模擬值；

Ymean—實測值的平均值。

ME的值在-8～1之間：當ME=1時，表示模擬值與實測值均相等；當ME=0時，表示模擬值與實測值的平均值精度相同；負值表示實測值的平均值要優(yōu)于模型的模擬值。ME的值越接近1，預測精度越高。

2 試驗結(jié)果

2.1 土壤鹽分變化

圖2 2016年徑流小區(qū)0～10 cm土壤鹽分變化及降雨量

圖2為2016年徑流小區(qū)0～10cm土壤鹽分變化及降雨量，由圖2可以看出，土壤初始鹽分雖達到試驗開始的條件，但隨著降雨淋鹽過程的開始徑流小區(qū)土壤鹽分便急劇下降，5月10日之后土壤鹽分一直在0～0.5 g/kg之間波動，不同坡度的鹽分變化趨勢一致。

采用Spearman相關(guān)系數(shù)及Kendall秩相關(guān)系數(shù)計算分析土壤鹽分與降雨量之間的關(guān)系，經(jīng)計算，降雨量和土壤鹽分之間的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.237，Kendall秩相關(guān)系數(shù)為0.145，兩者之間不相關(guān)的雙側(cè)顯著性值為0，小于0.01。因此，降雨量和土壤鹽分為顯著的弱相關(guān)且為正相關(guān)，這也進一步說明降雨淋鹽作用可加速土壤脫鹽理論的正確性。

2.2 土壤侵蝕量

降雨是導致土壤侵蝕的主要原因。江蘇沿海地區(qū)全年土壤侵蝕形式主要為水力侵蝕。因此，觀測期也是水土流失的重點監(jiān)測時段，表1為徑流小區(qū)觀測期處理后的土壤侵蝕模數(shù)，泥砂流失量數(shù)據(jù)采集自每次清池收集到的土壤。由表1可以看出，土壤流失量與階段內(nèi)的降雨總量關(guān)系不明顯，而與24 h內(nèi)的降雨量有密切關(guān)系，這是因為產(chǎn)生徑流受降雨前期含水量的影響，當前期土壤含水量高，土壤受降雨影響易飽和，易產(chǎn)生徑流量；反之，則不易產(chǎn)生徑流，這也是階段降雨量與土壤流失量關(guān)系不明顯的主要原因之一。從徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與降雨量變化圖（圖3）可以直觀的看出，觀測期初期的侵蝕模數(shù)明顯大于觀測期后期，6月21日和9月16日的總體降雨量相差不大，且降雨前后的2次清池之間均無特大降雨產(chǎn)生土壤流失，可以基本判斷2次清池之間的泥沙流失量由一場降雨產(chǎn)生，但是后者的泥沙流失量明顯小于前者，這主要是因為試驗初期土地平整，土層被擾動，土壤侵蝕模數(shù)最大，隨后隨著觀測進行，經(jīng)自然雨水浸潤和重力密實后土壤侵蝕模數(shù)降低。

降雨強度與土壤侵蝕關(guān)系十分密切，圖4為各徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與最大30 min瞬時雨強的關(guān)系分析圖，可以看出各徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與最大30 min瞬時雨強呈線性相關(guān)。因此，推論坡度一定條件下，坡面土壤侵蝕模數(shù)隨降雨強度的增加有線性增加的趨勢。

采用SPSS軟件分析計算降雨量與土壤流失量以及降雨強度與土壤流失量的相關(guān)系數(shù)。降雨量和土壤流失量之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.419，Spearman相關(guān)系數(shù)為0.349，Kendall秩相關(guān)系數(shù)為0.266，兩者的不相關(guān)的雙側(cè)顯著性值小于0.05，因此降雨量和土壤侵蝕量為顯著的弱相關(guān)且為正相關(guān)。而降雨強度和土壤流失量之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.427，Spearman相關(guān)系數(shù)為0.362，Kendall秩相關(guān)系數(shù)為0.266，兩者的不相關(guān)的雙側(cè)顯著性值小于0.05，因此降雨強度和土壤侵蝕量也是顯著的弱相關(guān)且為正相關(guān)。因此，可以判斷降雨量及降雨強度兩者都是影響土壤侵蝕量的關(guān)鍵因素，從相關(guān)分析結(jié)果看，降雨強度對土壤侵蝕量的影響較降雨量更顯著。

表1 不同邊坡條件下徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化

圖3 2016年徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與降雨量

圖4 2016年徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與降雨強度

2.3 土壤侵蝕實測與模型模擬

表2為東臺華丿徑流小區(qū)階段總土壤流失量的實測值與模擬值的對比情況，由表可以看出，各徑流小區(qū)的擬合結(jié)果較好，其中1°小區(qū)的擬合結(jié)果最好。WEPP模型的研發(fā)主要針對坡度10°以下的緩坡，模型模擬時一些數(shù)據(jù)不可避免需要美國的觀測數(shù)據(jù)填補，而模型的數(shù)據(jù)庫中不包含坡度10°以上的觀測資料且模型模擬所依賴的計算方程的部分參數(shù)對坡度的變化不敏感，因此WEPP模型不能很好地模擬坡度較大的徑流小區(qū)。

根據(jù)2016年徑流小區(qū)階段實測土壤流失量與模型模擬值對比計算模型有效性系數(shù)ME，結(jié)果表明，各徑流小區(qū)按坡度由小到大的順序的模型有效性系數(shù)分別為 0.744，0.474，0.467，0.563，0.551，0.353，0.652，模擬結(jié)果較好。徑流量的模型有效性系數(shù)明顯的大于侵蝕量的模型有效性系數(shù)，說明WEPP模型對徑流的模擬結(jié)果明顯好于侵蝕的模擬結(jié)果。

表2 2016年自然降雨條件下徑流小區(qū)裸地土壤侵蝕實測與模擬

（續(xù)表2）

3 討論

本試驗中自然降雨條件下徑流小區(qū)土壤鹽分的保持作用不明顯，主要有以下原因：①由于徑流小區(qū)全部建設(shè)在原地面之上，以地下水補給為形式的土壤毛管水上升高度達不到原地面以上的坡面高度，因而坡面土壤蒸發(fā)不能得到高礦化度地下水補給；②因徑流小區(qū)臨近東臺河，加速了淋鹽洗鹽的過程，地下水含鹽量較其他地區(qū)低；③ProCheck測量土壤含鹽量是基于土壤中鹽分越高，其電導性越強的原理，而干旱時土壤含水量低，測得電導率為0，此時測得的鹽分數(shù)據(jù)不具代表性，相反干旱季節(jié)測得的電導率偏低的情形有可能土壤鹽分反而較高。因此，從鹽分變化的角度，本試驗不能完全模擬江蘇沿海新墾區(qū)的脫鹽過程。楊延春等[16]通過室內(nèi)人工模擬降雨，研究江蘇沿海土壤侵蝕量與土壤鹽分的關(guān)系，試驗結(jié)果顯示土壤侵蝕量與土壤鹽分呈線性正相關(guān)，同時也指出江蘇沿海鹽分與黏聚力呈線性負相關(guān)關(guān)系。但從影響土壤侵蝕的機理上來講，鹽分對土壤侵蝕的影響屬于間接影響，自然狀態(tài)下，鹽分高的土壤往往土壤結(jié)構(gòu)性差且植被發(fā)育程度低，土壤有機質(zhì)得不到補充，形成團聚體的植被根系、腐殖質(zhì)、微生物菌絲等黏結(jié)劑少，土壤黏聚性差，在相同降雨條件下，鹽分高的土壤更容易流失。因此，防治江蘇沿海土壤侵蝕除了要注重正常的水土保持措施外，還要高度重視土壤的脫鹽過程，尤其是植被在淋鹽洗鹽過程中的脫鹽改土，通過引淡洗鹽、在沿海新墾區(qū)推廣耐鹽作物可以加快土壤的脫鹽過程和有機質(zhì)積累，促進土壤團聚體形成，土壤黏聚力和抗侵蝕力增強。

坡度一定條件下，單場降雨雨強大則降雨雨滴動能大，作用于地表土壤顆粒容易造成土粒分散、飛濺，形成地表徑流，沖刷土體，侵蝕和輸沙能力增強。不同坡度條件下，6月21日降雨最大30 min瞬時雨強（降雨強度為55.6 mm/h）與土壤侵蝕模式均偏離擬合趨勢線，一方面是因為6月21日降雨歷時長降雨總量大，另一方面因為試驗初期土壤疏松，由此可以看出降雨總量及降雨強度都是影響土壤侵蝕的關(guān)鍵因素。

5°小區(qū)7月9日～9月17日、9月18日～10月3日、10月4日～10月31日的3個階段流失量實測值和模擬值相對誤差絕對值均在100%以上，分析其中原因可能有：①該徑流小區(qū)旁邊有一片落葉林，從7月開始常有落葉飄入徑流小區(qū)，其中5°小區(qū)影響最大；②通過土壤顆粒劑配分析，3個緩坡小區(qū)地表土構(gòu)成相差不大，通過土壤容重分析，5°小區(qū)是各徑流小區(qū)中容重最低的，由此可以看出5°小區(qū)土壤孔隙度較大，土壤滲透性強，而WEPP模型所需輸入的土壤參數(shù)卻未涉及土壤孔隙度。根據(jù)試驗初土壤滲透性監(jiān)測，坡度為5°小區(qū)的滲透系數(shù)平均0.0029 cm/s，在所有徑流小區(qū)中最大，而徑流的產(chǎn)生于土壤滲透性密切相關(guān)，滲透系數(shù)越小，降雨過程大于土壤入滲，達到土壤含水量飽和所需時間越短，產(chǎn)流時間提前，地表形成的徑流越大，土壤越容易流失。

部分徑流小區(qū)6月23日～7月6日階段的模擬效果較差，這可能與6月21日特大降雨有關(guān)，從6月21日降雨前后土壤顆粒級配分析可以看出，降雨前后模擬效果較差的徑流小區(qū)土壤顆粒組成發(fā)生了明顯變化。通過徑流量的模擬得出WEPP模型不能很好的模擬雨量大雨強大降雨事件的結(jié)論，WEPP模型基于一個穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，模擬過程中不能很好的修正某一單場降雨事件對土壤理化性質(zhì)的影響，從而影響后期降雨的模擬。此外各徑流小區(qū)5月1日～6月9日階段實測與模擬的相對誤差絕對值也普遍偏高，且模擬值均小于實測值，這主要還是因為試驗初期土地平整導致土壤疏松，土壤總孔隙度變大，土壤滲透系數(shù)變大。

根據(jù)東臺華丿徑流小區(qū)6個月的觀測結(jié)果，計算WEPP 模型模擬1°、2°、5°、15°、26.5°、35°、45°不同坡度徑流小區(qū)在整個觀測期內(nèi)侵蝕量，用模型有效系數(shù)評價模型模擬效果。WEPP模型對土壤侵蝕量的模型有效性系數(shù)ME分別為0.744、0.474、0.467、0.563、0.551、0.353、0.652，模擬結(jié)果較好。WEPP模型模擬江蘇沿海新墾區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙情況適用性良好。對于長時期或多尺度過程的模擬，WEPP模型雖顯著優(yōu)于其他經(jīng)驗?zāi)Ｐ停鏤SLE，但WEPP模型基于一個穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)沙過程且涉及多項參數(shù)，而實際上土壤地表特征隨時間、降雨不斷變化，模擬時WEPP模型卻又不能將多尺度過程參數(shù)變化輸入其中，模型模擬精度和效率不夠準確，說明WEPP模型應(yīng)用時需要針對特殊的自然條件進一步率定和修正。

4 結(jié)論

自然降雨條件下，沿海新墾區(qū)邊坡土壤侵蝕過程復雜，影響因素較多。本文中土壤侵蝕模數(shù)與24 h降雨總量、瞬時雨強密切相關(guān)，相關(guān)關(guān)系顯著；WEPP模型模擬出土壤侵蝕量的模型有效性系數(shù)平均為0.543，WEPP模擬結(jié)果適用性較好，在特殊的自然條件下尚需進一步修正。在以后的沿海新圍墾區(qū)土壤侵蝕研究中需考慮近沿海地表地下水位及水鹽運移的影響。

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