土壤侵蝕模型在黃土高原水土保持實(shí)踐中的應(yīng)用研究

韓 波

（藍(lán)田縣水利水保工作站，陜西 藍(lán)田 710500）

土壤侵蝕是世界上嚴(yán)重的環(huán)境和土地退化問題之一。近些年來，隨著全球環(huán)境問題的逐漸加劇，我國(guó)加強(qiáng)了對(duì)土壤侵蝕問題的重視。減少水土流失，做好水土保持工作，對(duì)經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境的發(fā)展，都具有重要意義，且具有一定的社會(huì)價(jià)值。土壤侵蝕預(yù)報(bào)是有效監(jiān)測(cè)水土流失和評(píng)估水保措施效益的手段，土壤侵蝕模型則是進(jìn)行土壤流失監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的重要工具，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 土壤侵蝕模型

土壤侵蝕模型指的是對(duì)土壤侵蝕情況進(jìn)行分析與研究的模型，從19世紀(jì)開始，便已被應(yīng)用于土壤侵蝕的研究過程中。但是在應(yīng)用的最初階段，這一模型僅限于對(duì)土壤表面情況進(jìn)行觀察，并對(duì)水土情況進(jìn)行定性描述。隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平的提高，進(jìn)入到20世紀(jì)30年代后，對(duì)這一模型的應(yīng)用逐漸成熟，開始能通過力圖的方式，呈現(xiàn)侵蝕報(bào)告[1]。計(jì)算機(jī)技術(shù)興起并普及后，土壤侵蝕模型的應(yīng)用效果得到了前所未有的改善，模型開始從集總式向分布式過渡，用于評(píng)價(jià)水土保持的結(jié)果，呈現(xiàn)方式也體現(xiàn)出了多元化的特點(diǎn)。因此，我國(guó)環(huán)境領(lǐng)域開始高頻率應(yīng)用這一模型，為環(huán)境問題的解決奠定基礎(chǔ)。

2 土壤侵蝕模型在水土保持實(shí)踐中的應(yīng)用

2.1 調(diào)查區(qū)域土壤侵蝕情況

土壤侵蝕模型在水土保持實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值之一，便在于調(diào)查區(qū)域土壤的侵蝕情況。1934年“黑風(fēng)暴”的產(chǎn)生，受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，各國(guó)均加強(qiáng)了對(duì)土壤侵蝕問題的重視，首次對(duì)土壤侵蝕的調(diào)查逐漸展開。隨著研究逐漸深入，環(huán)境領(lǐng)域借助土壤侵蝕模型而制定的區(qū)域土壤侵蝕報(bào)告，也逐漸出現(xiàn)在公眾的視野中。據(jù)報(bào)道，1982—2007年間土壤侵蝕量減少了43%，而水蝕模數(shù)從1982年的896.7t/（km2·a）降到了2007年的605.3t/（km2·a），風(fēng)蝕模數(shù)從739.8t/（km2·a）降到了470.8t/（km2·a）[2]。其中可以看出，將土壤侵蝕模型應(yīng)用到區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查中，可以有效判斷出當(dāng)?shù)赝寥狼治g的發(fā)展?fàn)顩r以及脈絡(luò)。

2.2 分析水土保持環(huán)境效益

將土壤侵蝕模型應(yīng)用到水土保持中，同樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)水土保持環(huán)境效益的分析。水土保持評(píng)價(jià)過程中，常見的評(píng)價(jià)內(nèi)容包括耕地、草地、濕地與野生動(dòng)植物棲息地。上述四種評(píng)價(jià)內(nèi)容之中，應(yīng)用土壤侵蝕模型，能判斷出耕地的面積變化特征、草地是否存在退化、解濕地面積是否增加以及野生動(dòng)植物棲息地面積是否足夠等問題。為了達(dá)到上述目的，在應(yīng)用模型的過程中，需要首先以NRI草地抽樣點(diǎn)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，建立模型數(shù)據(jù)庫，然后利用草地土壤侵蝕模型RHEM模擬當(dāng)?shù)厮帘３智闆r，最終通過模擬結(jié)果分析水土保持可能產(chǎn)生的環(huán)境效益[3]。

3 土壤侵蝕模型在黃土高原水土保持實(shí)踐中的應(yīng)用

3.1 水土遷移過程

影響黃土高原水土保持情況的因素，包括水力侵蝕與重力侵蝕兩種，具體表現(xiàn)包括受降雨、河流徑流、受重力影響出現(xiàn)的土壤剝離以及土壤沉積等。在上述因素的共同作用下，水土極容易發(fā)生遷移。在黃土高原坡面上，導(dǎo)致水土流失發(fā)生的原因，以降雨滲透為主。調(diào)查顯示，近些年來黃土高原的坡長(zhǎng)逐漸增加，同樣與降雨所導(dǎo)致的土壤遷移存在聯(lián)系。常見的重力侵蝕主要包括滑坡、崩塌等形式?；屡c崩塌的發(fā)生，與當(dāng)?shù)赝馏w的結(jié)構(gòu)存在一定的聯(lián)系。因此，了解遷移過程，對(duì)解決黃土高原水土流失問題，提高水土保持水平，具有重要價(jià)值。

3.2 模型的建立

（1）模型類型。采用土壤侵蝕模型對(duì)黃土高原水土保持情況進(jìn)行分析前，需要建立模型。

該模型一般可以分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型與物理成因模型：經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型是通過試驗(yàn)觀測(cè)資料和數(shù)理統(tǒng)計(jì)技術(shù)，選定影響土壤侵蝕的相關(guān)因素，得出計(jì)算土壤流失量的方程式；物理成因模型以土壤侵蝕的物理過程為基礎(chǔ)，利用水文學(xué)、水力學(xué)、土壤學(xué)、河流泥沙動(dòng)力學(xué)以及其他相關(guān)學(xué)科的基本原理，根據(jù)已知降雨、徑流條件來描述土壤侵蝕產(chǎn)沙過程，從而預(yù)報(bào)在給定時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕量[4]。

兩者之中，前者又被稱之為“黑箱”或“灰箱”模型，要求工作人員在整理過去當(dāng)?shù)厮亮魇?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的模型以及計(jì)算公式，最終制定出模型，為當(dāng)前的水土保持情況提供參考。后者強(qiáng)調(diào)對(duì)區(qū)域當(dāng)?shù)厮亮魇У倪^程進(jìn)行模擬。需要注意的是，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，且在制定公式使用資料范圍內(nèi)具有可靠的精度，但是模型被移植到其他區(qū)域使用及向建模條件外延時(shí)，模型精度難以控制，模型的實(shí)用性容易受到影響。物理成因模型的建立難度較高，模型參數(shù)的確定，對(duì)精準(zhǔn)度的要求同樣較高。

（2）模型結(jié)構(gòu)。本次研究主要從集總式和分布式兩種結(jié)構(gòu)型式來分析土壤侵蝕模型：集總式模型是將流域系統(tǒng)作為整體來考慮，用一系列的參數(shù)反映全流域的各種下墊面條件和水流泥沙物理過程；分布式模型是將流域系統(tǒng)劃分為若干個(gè)相對(duì)均勻的單元流域，每個(gè)單元上都有反映下墊面條件和水流泥沙過程的參數(shù)，分塊分過程模擬，最后集成。兩種結(jié)構(gòu)之中，應(yīng)用前者時(shí)需要首先確定水土流失的影響因子（通常情況下，該因子為確定值，一般以土壤屬性以及地形等為主）。根據(jù)黃土高原空間的不同，這一因子同樣存在差異，因此影響因子具有不確定的特點(diǎn)。應(yīng)用分布式結(jié)構(gòu)時(shí)，需要將黃土高原分為多個(gè)不同的單元，以單元為單位，對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)行。兩種結(jié)構(gòu)相比，前者參數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后者靈活性大，適應(yīng)性強(qiáng)。

（3）模型尺度。不同的土壤侵蝕模型，適用性不同。通常情況下，如果黃土高原待評(píng)定水土保持情況這一區(qū)域的空間尺度已經(jīng)確定，且評(píng)定時(shí)間也已確定，則模型的選擇會(huì)存在較大的限制。在選擇模型尺度時(shí)，可以在空間尺度上將其劃分為坡面、小流域和區(qū)域三個(gè)不同層次。此外，還可以以評(píng)價(jià)時(shí)間作為依據(jù)，將其分為次、日、季、年等模型。選擇模型尺度時(shí)，需要堅(jiān)持便利性原則。簡(jiǎn)言之，需要保證此尺度能夠最有利于快速獲取區(qū)域水土保持評(píng)定結(jié)果。

3.3 模型的選取

目前，應(yīng)用于評(píng)價(jià)黃土高原水土保持情況的土壤侵蝕模型有30余種[5]，不同的模型，其類型、尺度以及結(jié)構(gòu)都存在差異。以A代表經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，B代表物理成因模型，C代表集總式模型，D代表分布式模型，則不同土壤侵蝕模型的特征差異詳見表1。

表1 不同土壤侵蝕模型的特征差異

3.4 模型的評(píng)估

在了解各項(xiàng)模型的特點(diǎn)后，需要根據(jù)黃土高原待評(píng)價(jià)空間的不同，選取模型。此外，還需要根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在嚴(yán)格控制精確度的基礎(chǔ)上，描述土壤侵蝕的過程。除考慮上述因素的外，還需要保證模型應(yīng)用最為便利，且能最準(zhǔn)確地還原區(qū)域的土壤侵蝕情況。另外，模型評(píng)估的過程中，還需要充分利用情景分析能力，對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓⑼恋厍闆r以及水土保持情況的影響進(jìn)行分析，如此方可得出比較可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.5 分析與建議

朱元駿、賈小旭和邵明安[6]量化并估算了黃土厚度及空間分布，為土壤侵蝕模型在黃土高原水土保持實(shí)踐中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?；谕寥狼治g模型的黃土高原水土保持分析結(jié)果見圖1。

圖1 基于土壤侵蝕模型的黃土高原水土保持分析結(jié)果

黃土高原上不同區(qū)域的黃土厚度存在較大的差異：黃土厚度小的區(qū)域，主要靠近平原邊緣，判斷可能與坡面出口徑流侵蝕等因素有關(guān)；黃土厚度大的區(qū)域，則一般存在植被。由此可見，為解決黃土高原水土流失的問題，需要積極落實(shí)植樹造林種草工作。

4 結(jié)論

文章對(duì)土壤侵蝕模型在水土保持實(shí)踐中的應(yīng)用研究，能為水土流失治理提供指導(dǎo)，有助于減輕土壤侵蝕問題，改善自然環(huán)境。在未來，以黃土高原為例的各個(gè)存在水土流失問題的區(qū)域，均應(yīng)積極借助土壤侵蝕模型，對(duì)當(dāng)?shù)氐乃帘３脂F(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，并依據(jù)結(jié)果制定有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)策略及治理措施，為水土保持治理奠定基礎(chǔ)。