水沙耦合模型在遼寧小流域水土流失模擬的適用性分析

豐亞麗

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124000)

1 引言

小流域治理設(shè)計(jì)需要對區(qū)域水土流失量進(jìn)行預(yù)測，水土流失預(yù)測的精準(zhǔn)度對于小流域治理設(shè)計(jì)的合理性十分重要[1]。早在1877年來自德國的研究學(xué)者Ew al dWollny開始進(jìn)行土壤侵蝕的定量研究，直到美國研究出一個(gè)通用土壤侵蝕方程，德國研究學(xué)者的這一階段研究才結(jié)束，這一個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕研究主要定量研究土壤侵蝕量和一些簡單因子之間的關(guān)系，這些簡單的因子例如流域坡度、坡長以及植被覆蓋度等，國外學(xué)者通過進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行觀測，基于大量觀測數(shù)據(jù)，一些土壤侵蝕的統(tǒng)計(jì)模型得到了發(fā)展[2-7]。我國的研究學(xué)者在土壤侵蝕方面也同樣進(jìn)行了大量的研究工作，在我國早期也大都是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，通過實(shí)驗(yàn)區(qū)域，得到土壤侵蝕的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?953年劉善建[8]在我國首次提出一個(gè)坡面土壤侵蝕方程的公式，而后許多學(xué)者結(jié)合不同區(qū)域的地理和下墊面情況，得到了不同的土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在這些土壤侵蝕的統(tǒng)計(jì)模型中，有代表的是江忠善[9]和劉寶元[10]兩位學(xué)者分別提出的土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀５@些模型大都未能考慮坡面產(chǎn)沙量，而坡面沙量主要隨水流進(jìn)入河道內(nèi)，需要結(jié)合水文模型對水量進(jìn)行模擬，在水量模擬的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)坡面沙量的計(jì)算。為此本文建立水沙耦合模型，實(shí)現(xiàn)降雨侵蝕量和坡面產(chǎn)沙量的模擬，提高水土流失預(yù)測的精度。

2 水沙耦合模型原理

相比于傳統(tǒng)單一考慮降雨侵蝕模型，水沙耦合模型在通過土壤侵蝕方程的基礎(chǔ)上，增加了水文因子，計(jì)算方程為：

S=11.8×(Qsurf·qpeak·A)·K·C·P·L·R

(1)

式中：S表示為預(yù)測的水土流失量，t；Qsurf表示為場次降雨下的產(chǎn)流量，mm，本文結(jié)合水文模型來計(jì)算場次降雨下的產(chǎn)流量；qpeak表示為暴雨侵蝕力，mm，可用區(qū)域最大1 h降雨量進(jìn)行表征；A表示為集水面積，km2；K表示土壤侵蝕因子；C表示為植被覆蓋參數(shù)；P表示為水土保持措施參數(shù)；L表示為流域平均坡度，‰；R表示為土壤質(zhì)地中的沙礫比例，%。

土壤侵蝕因子K計(jì)算方程為：

K=fs·fcl·fforgc·fsd

(2)

式中：fs表示為壤土比例，%；fcl表示為砂土比例，%；forgc表示為有機(jī)質(zhì)的比例，%；fsd表示為砂礫石比例，%。

植被覆蓋參數(shù)C采用如下方程進(jìn)行計(jì)算：

C=exp([ln(0.8)-ln(Cmin)]·exp[-0.00115·rsdsurf]+ln(Cmin))

(3)

式中：Cmin表示為植被覆蓋度的年最小值；rsdsurf表示為植被表層距離地面的高度，mm。

流域平均坡度L的計(jì)算方程為：

(4)

式中：Lhill表示為斜坡系數(shù)；ahill表示為平均坡度系數(shù)；m表示為坡比系數(shù)。

m=0.6·(1-exp[-35.835·slp])

(5)

式中：slp表示為計(jì)算區(qū)域的坡度均值，‰。

土壤沙礫比例的計(jì)算方程為：

R=exp(-0.053×rock)

(6)

式中：rock表示為礫石比例量，%。

3 模型應(yīng)用

3.1 區(qū)域概況

本文以遼寧西部某小流域治理為工程實(shí)例，流域流域集水面積為24.93 km2，高程差為195 m，屬于典型的大陸季風(fēng)半干旱、半濕潤氣候，區(qū)域多年降水量均值為430 mm，徑流深多年均值為60 mm，流域平均寬度為5.3 km，長度為5.6 km。流域?qū)儆谥卸韧寥狼治g，水蝕是流域水土流失影響的主因，侵蝕溝壑在小流域內(nèi)分布較為密集，水土流失比例占總面積比例高達(dá)56.0%。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

模型輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：①地形數(shù)據(jù)，本文采用的地形數(shù)據(jù)的分辨率為90 m；②土地利用/植被覆蓋數(shù)據(jù)的分辨率為1 km；③土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)主要包括土壤類型、土壤質(zhì)地組成；④氣象數(shù)據(jù)，采用流域內(nèi)氣象站點(diǎn)的最高、最低日平均氣溫、太陽輻射、相對濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)主要用于計(jì)算流域的蒸發(fā)，作為水文模型的輸入；⑤降雨數(shù)據(jù)，采用小流域內(nèi)10個(gè)降水站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用面積加權(quán)計(jì)算面平均降水量，并統(tǒng)計(jì)分析最大1 h平均降水量。此外考慮到水文模型的驗(yàn)證，本文結(jié)合小流域附近的水文站，采用面積相似方法，將水文站實(shí)測流量和泥沙數(shù)據(jù)移植到計(jì)算流域，用于模型驗(yàn)證。

3.3 參數(shù)設(shè)置

由于計(jì)算流域位于西部，為此本文采用超滲產(chǎn)流模型對水文因子進(jìn)行計(jì)算，土壤侵蝕因子采用式(2)，結(jié)合設(shè)計(jì)流域的土壤質(zhì)地比重進(jìn)行計(jì)算得到，植被覆蓋比例和水保比例這兩個(gè)參數(shù)主要參考文獻(xiàn)[11]進(jìn)行設(shè)置，坡度因子結(jié)合式(4)，其中Lhill和aLill結(jié)合參考文獻(xiàn)[12]，基于設(shè)計(jì)流域的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，土壤沙礫比例主要結(jié)合土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行確地。超滲產(chǎn)流模型參數(shù)結(jié)合附近水文站水文預(yù)報(bào)方案進(jìn)行確定，結(jié)果見表1。

表1 水沙耦合模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果

3.4 精度檢驗(yàn)結(jié)果

采用對比觀測試驗(yàn)方式，從2015年開始，進(jìn)行試驗(yàn)小流域水土流失的觀測，對場次降雨下的水土流失量進(jìn)行了分析，并結(jié)合水沙耦合模型，在模型參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，對比分析水沙耦合模型和傳統(tǒng)單一產(chǎn)沙模型(ULSE方程)的產(chǎn)沙量模擬精度，結(jié)果見表2，并分析典型降水條件下不同模型含沙量過程的預(yù)測精度，結(jié)果見圖1。

表2 產(chǎn)沙模型精度驗(yàn)證結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，在觀測的10場典型降水過程中，水沙耦合模型都較ULSE單一產(chǎn)沙模型的沙量模擬精度有明顯改善，采用ULSE方程模擬的沙量與觀測沙量的相對誤差在22.44%～-39.13%之間，各場次產(chǎn)沙量預(yù)測的相對誤差均高于20%，這主要是因?yàn)閁LSE模型主要考慮降雨對土壤侵蝕的影響，預(yù)測的含沙量大部分為暴雨侵蝕量，這種模型主要適合于南方地區(qū)，當(dāng)降雨的土壤侵蝕力較大時(shí)候，可以忽略坡面的產(chǎn)沙量。而對于北方地區(qū)而言，在暴雨條件下，由于降雨的土壤侵蝕力不高，因此坡面產(chǎn)沙量不能被忽略。從對比結(jié)果可看出，采用水沙耦合模型后，對其地表徑流進(jìn)行模擬，綜合考慮降水產(chǎn)沙和坡面徑流產(chǎn)沙，6場降水過程下，水沙耦合模型預(yù)測的沙量和觀測沙量的相對誤差在-10.77%～17.89%之間，均低于20%，相比于單一考慮降雨的ULSE模型，預(yù)測的精度平均提升14.8%。從圖1中可看出，水沙耦合模型的含沙量過程預(yù)測值和觀測的逐時(shí)段含沙量值均有較好的吻合度，ULSE方程雖然在沙峰過程模擬較好，但是總體的吻合度要低于水沙耦合模型。綜上，可見水沙耦合模型由于綜合考慮降雨和坡面匯流對產(chǎn)沙的影響，產(chǎn)沙量預(yù)測精度得到較好的提升。

圖1 各模型含沙量預(yù)測過程對比

3.5 土地利用變化下的產(chǎn)沙量響應(yīng)分析

土地利用變化是小流域治理關(guān)鍵措施之一，結(jié)合水沙耦合模型，通過對應(yīng)的土地利用數(shù)據(jù)，調(diào)整植被覆蓋度因子和水保措施參數(shù)，即可對不同土地利用方式下沙量進(jìn)行預(yù)測，為此本文通過設(shè)定3種土地利用變化情景，并對各情景下的產(chǎn)沙量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果見表3。

表3 不用土地利用情景模式

從土地利用情景模式變化情況可看出，情景模式1相比于現(xiàn)狀土地利用增加了旱地的面積，增加比重為5%，其他土地利用比重不變，從情景模式1的產(chǎn)沙量預(yù)測結(jié)果可看出， 旱地面積的增加，使得產(chǎn)沙量增加幅度為26.92%，產(chǎn)沙量遞增較為明顯。而情景模式2下主要是增加了林地的面積比例，其他土地利用方式不發(fā)生變化，從情景模式2下的產(chǎn)沙量預(yù)測結(jié)果可看出，相比于土地利用未發(fā)生變化前，產(chǎn)沙遞減幅度為16.67%，可見增加林地面積后，流域產(chǎn)沙量削減效果較為明顯。土地利用情景模式3主要是增加了草地的覆蓋面積，對應(yīng)的產(chǎn)沙量削減幅度為11.54%，少于林地增加的情景模式下的產(chǎn)沙量削減比例，從而可以看出，草地面積的變化對流域土壤侵蝕能力改善程度低于林地面積的變化。

4 結(jié)語

(1)水沙耦合模型可綜合考慮暴雨對土壤侵蝕的影響及坡面產(chǎn)沙的影響，在小流域水土預(yù)測的精度明顯高于傳統(tǒng)單一考慮降雨侵蝕下的沙量預(yù)測精度，適合于北方小流域水土流失預(yù)測；

(2)通過預(yù)測分析，對于水沙耦合模型而言，水量模擬的精度也將直接影響沙量的模擬精度，因此在運(yùn)移水沙模型進(jìn)行預(yù)測時(shí)，要結(jié)合小流域的水文特征，選定不同水文模型進(jìn)行產(chǎn)沙量的預(yù)測；

(3)林地對于小流域產(chǎn)沙量削減幅度效果較為明顯，其次為草地，增加相同比重的旱地，其產(chǎn)沙量的增幅遠(yuǎn)高于同比例林地或草地下的沙量削減比例。