淮河流域坡面產(chǎn)沙模型研究

樂紅玲，郭偉建

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230000；2.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

治淮70多年來，淮河流域生態(tài)文明建設(shè)取得明顯成效，但其水土流失嚴(yán)重仍然不可忽視。最早在19世紀(jì)80年代，德國土壤學(xué)家Ewald woliny[1]就關(guān)于土壤侵蝕做出了定量的研究分析。接下來的100多年來，各個(gè)國家的學(xué)者對(duì)土壤侵蝕研究都付出了艱辛的努力，對(duì)土壤侵蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)和研究也獲得了豐碩的成果。1941年，Smithm[2]建立了土壤侵蝕速率與坡度、坡長、作物因子和水土保持措施因子之間的定量關(guān)系；隨后，著名的通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)[3]應(yīng)運(yùn)而生，USLE是對(duì)美國一千多萬個(gè)徑流實(shí)驗(yàn)小區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理研究分析后，得出的土壤侵蝕總量與降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長、作物覆蓋和水土保持措施五大因子之間的定量運(yùn)算關(guān)系。USLE的誕生，標(biāo)志著土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)模型研究進(jìn)入了嶄新的領(lǐng)域；但由于USLE模型主要計(jì)算年土壤侵蝕總量，并不能對(duì)次降雨帶來的降雨侵蝕進(jìn)行預(yù)報(bào)，這無疑限制了模型的廣泛運(yùn)用，因此，W H Wischmeier和D Simth針對(duì)此問題，成功對(duì)USLE模型進(jìn)行了修正，得到了大家普遍認(rèn)同的修正版MUSLE模型[4]。

1 模型概述

坡面產(chǎn)流計(jì)算是坡面泥沙模型的基礎(chǔ)。根據(jù)淮河流域水文氣象特點(diǎn)，其產(chǎn)流機(jī)制具有明顯的蓄滿產(chǎn)流特點(diǎn)，故決定選用三水源新安江模型作為區(qū)間流域暴雨徑流預(yù)報(bào)的流域水文模型，丁飛等人[5-8]的研究，均證明了其在淮河流域的適用性，故模型所需的坡面產(chǎn)流量由新安江模型計(jì)算結(jié)果提供。

在通用土壤流失方程USLE[9]的基礎(chǔ)上，基于產(chǎn)流與產(chǎn)沙的相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)流因子取代了降雨能量因子，由于產(chǎn)流和產(chǎn)沙的相關(guān)性，極大地提高了產(chǎn)沙的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。MUSLE考慮流域形態(tài)、植被覆蓋、水土保持措施等因素的影響，采用公式(1)對(duì)產(chǎn)沙量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

CUSLE·PUSLE·LSUSLE·CFRG

(1)

式中，sed—坡面日產(chǎn)沙量，t；Qsurf—坡面產(chǎn)流量，mm；qpeak—峰值產(chǎn)流率，m3/s；areahru—水文響應(yīng)單元(HRU)面積，ha；KUSLE—土壤侵蝕性因子；CUSLE—覆蓋與管理因子；PUSLE—保持措施因子；LSUSLE—地形因子；CFRG—碎屑因子。

2 坡面水沙模型驗(yàn)證與分析

對(duì)淮河流域2006—2010年的水沙資料進(jìn)行了收集，共選取了淮河流域上同時(shí)具備水文與泥沙觀測(cè)資料的4個(gè)不同的子流域：蘆莊、柴胡店、黃尾河、告成。以2006—2008年資料對(duì)模型進(jìn)行率定，采用2009年和2010年資料進(jìn)行模型驗(yàn)證。產(chǎn)流與產(chǎn)沙模型的時(shí)間步長均為1d。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

模型驗(yàn)證需要相應(yīng)的流域地形、土壤類型以及降雨、水文泥沙資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1.1流域信息提取

流域匯流河網(wǎng)的提取利用ArcGIS中的Hydrology[10]模塊。首先對(duì)DEM中存在的“洼地”進(jìn)行填洼處理(Fill)，從而消除流向計(jì)算中可能出現(xiàn)的偏差。本文統(tǒng)一選用500作為河道提取的閾值。選取的各流域高程及河網(wǎng)分布如圖1所示。本文所用流域DEM信息來自于美國地址勘探局(U.S.Geological Survey，USGS)，數(shù)據(jù)精度為90m(http://data.geocomm.com/dem/)。流域地形統(tǒng)計(jì)信息見表1。

圖1 各流域高程及河網(wǎng)分布

表1 流域地形統(tǒng)計(jì)信息

2.1.2土壤類型數(shù)據(jù)提取

坡面產(chǎn)沙模型受土壤類型影響強(qiáng)烈，為保證模型計(jì)算的合理性與準(zhǔn)確性，本文對(duì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)流域的土壤類型數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取以及分析。土壤信息來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1)(HWSD)，其中中國境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查中科院南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，采用的土壤分類系統(tǒng)主要為FAO-90，土壤屬性表主要包含：土壤質(zhì)地、土壤有效含水量、土壤容重、有機(jī)碳含量等相關(guān)信息。由于植被覆蓋、保持措施等因子的空間分布資料的不足，模型主要考慮土壤侵蝕因子K空間分布差異對(duì)模型計(jì)算影響。應(yīng)用ArcGIS空間疊加以及分析功能，對(duì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)流域的土壤類型分布進(jìn)行計(jì)算，得出每個(gè)流域的土壤分布組成，并進(jìn)行疊加，通過K的計(jì)算公式可得到流域土壤侵蝕因子的取值蘆莊、告成、柴胡店和黃尾河分別為0.28、0.17、0.11、0.23。

2.1.3降雨及水文泥沙數(shù)據(jù)

本文所用降雨及水文泥沙資料來源于2006—2010年水文年鑒，降雨采用逐日降雨資料，泥沙采用逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表，流量采用逐日平均流量，蒸發(fā)則采用逐日水面蒸發(fā)量。受觀測(cè)資料限制，每個(gè)流域只選用一個(gè)降雨觀測(cè)站，水文模型輸入采用面平均降雨。

2.2 模型驗(yàn)證與比較

2.2.1流域產(chǎn)流模擬

產(chǎn)流模型的率定以年總水量平衡誤差RRE和峰值流量誤差RPE作為率定目標(biāo)函數(shù)，取每個(gè)子流域平均誤差最小參數(shù)集為率定模型參數(shù)，采用人工試錯(cuò)的方式對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化率定。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，對(duì)于年徑流的估值偏小，而對(duì)于洪峰的估值偏大，基流的模擬效果稍差，模擬基流與實(shí)測(cè)過程流量偏小，這也導(dǎo)致了平均年產(chǎn)流估值與實(shí)測(cè)值相比偏小，這主要來自于新安江模型對(duì)基流的估算方法，本文通過子流域的劃分，采用滯后演算法考慮洪水的退水過程，其對(duì)真實(shí)洪水響應(yīng)的模擬有待進(jìn)一步改進(jìn)。而對(duì)于峰值估算整體偏大，則可能是由于缺少流域內(nèi)人類活動(dòng)影響資料以及涉水工程對(duì)洪水響應(yīng)影響的合理估算。

2.2.2流域產(chǎn)沙模擬

根據(jù)收集的資料情況，本文共計(jì)算了黃尾河、告成、蘆莊、柴胡店4個(gè)流域共計(jì)12年的流域產(chǎn)沙過程，其中2006—2008年用于產(chǎn)沙模型的參數(shù)率定，2009年與2010年用于模型的驗(yàn)證。產(chǎn)沙模型參數(shù)的率定以年產(chǎn)沙誤差(RSE)作為目標(biāo)函數(shù)：

(2)

式中，Ssim—計(jì)算年產(chǎn)沙量,t；Sobs—觀測(cè)年產(chǎn)沙量,t。

部分驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2，從表2可以看出，除2009年黃尾河流域產(chǎn)沙明顯高估外，年實(shí)測(cè)產(chǎn)沙量與計(jì)算產(chǎn)沙量基本相當(dāng)，相對(duì)誤差基本控制在37%左右。但產(chǎn)沙過程中的峰值產(chǎn)沙量還存在明顯的低估，這是由于在MUSLE模型中，認(rèn)為坡面產(chǎn)沙取決于坡面產(chǎn)流量的大小，但根據(jù)Renard、Foster[4]、段建南[11]、湯立群[12]、王光謙[13]、Desmet[14]等人的研究，坡面水土的流失還受到降雨擊濺、流域形態(tài)等影響。因此模型對(duì)于流域產(chǎn)沙的估計(jì)存在一定的偏差。結(jié)果顯示，流域產(chǎn)沙受降雨強(qiáng)度的影響非常明顯，因?yàn)槟Ｐ驼J(rèn)為產(chǎn)沙過程受到坡面產(chǎn)流量的控制，因此對(duì)于較大降雨強(qiáng)度，會(huì)有明顯的產(chǎn)沙過程出現(xiàn)，而對(duì)于年際降雨分布較為均勻的年份，產(chǎn)沙量則明顯減小。

圖2 2006—2010年黃尾河計(jì)算與實(shí)測(cè)泥沙過程

表2 流域產(chǎn)沙模型率定與驗(yàn)證結(jié)果

2.3 模型適用性分析

2.3.1坡面侵蝕相關(guān)性分析

為驗(yàn)證產(chǎn)沙模型選擇的合理性，我們選擇降雨強(qiáng)度、產(chǎn)流量、坡面產(chǎn)流量與土壤侵蝕模數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析。我們采用日降雨量、日產(chǎn)流量以及日坡面產(chǎn)流量作為相關(guān)性指標(biāo)，對(duì)4個(gè)流域2006—2010年與實(shí)測(cè)土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表3。

表3 日降雨量、日產(chǎn)流量、日坡面產(chǎn)流與土壤侵蝕模數(shù)相關(guān)性分析

從表3可以看出土壤侵蝕模數(shù)與坡面產(chǎn)流量的相關(guān)性最強(qiáng)，平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.62，而日降雨強(qiáng)度、日產(chǎn)流量與土壤侵蝕模數(shù)的相關(guān)性則稍差。這說明流域產(chǎn)沙的主要成因是坡面水流的侵蝕造成，同時(shí)也說明了產(chǎn)沙模型選擇的合理性。但需要指出的是，由以上4個(gè)流域的相關(guān)分析結(jié)果，注意到降雨、產(chǎn)流與產(chǎn)沙過程存在約1d的滯后性相關(guān)，這是由流域的匯沙過程決定，也與流域面積大小有關(guān)，MUSLE模型缺少對(duì)流域坡面匯沙過程的考慮。

2.3.2不同坡度下侵蝕特征分析

除流域產(chǎn)沙量的時(shí)序分布外，我們希望進(jìn)一步評(píng)估流域產(chǎn)沙與流域形態(tài)的關(guān)系。本文依據(jù)流域特性將流域坡度劃分為<1°、1°～3°、3°～5°、>5°四個(gè)級(jí)別，通過統(tǒng)計(jì)4個(gè)流域內(nèi)不同坡度下的土壤侵蝕模數(shù)，分析不同坡度條件下土壤侵蝕的空間分布特性。具體見表4。

表4 流域坡度與土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系 單位：t/(km2·a)

從表4可以看到，隨著坡度的增加，土壤侵蝕模數(shù)顯著增加，較大的坡度以及伴隨的較長的匯流長度都加大了土壤易侵蝕性。但需要注意的是，淮河流域整體地勢(shì)較為平坦，對(duì)于4個(gè)流域，大于5°的坡面占整個(gè)流域的比重非常低(<5%)，雖然較易受到產(chǎn)流侵蝕，但對(duì)年侵蝕量的貢獻(xiàn)有限。相反，流域大部分區(qū)域?qū)儆诰弮A斜坡，它們對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)最大。所以，對(duì)于淮河流域應(yīng)加強(qiáng)緩傾斜坡內(nèi)的水土保持措施，從而減少流域水土流失。

2.3.3不同土壤類型下侵蝕特征分析

土壤類型決定了土壤的易侵蝕程度，土壤不同粒徑級(jí)配，有機(jī)碳含量等都與土壤侵蝕強(qiáng)度密切相關(guān)。對(duì)4個(gè)流域不同土壤類型下的土壤侵蝕程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，能夠更有針對(duì)性的進(jìn)行土壤侵蝕的防治工作，也進(jìn)一步探討不同類型土壤對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)，如圖3所示。從圖3可知，對(duì)蘆莊流域，飽和粘盤土貢獻(xiàn)了48%的流域產(chǎn)沙量，其次為飽和始成土和不飽和始成土。對(duì)于柴胡店流域，石灰性粗骨土、石灰性淋溶土、石灰性始成土對(duì)流域侵蝕的貢獻(xiàn)分別為37%、26%、19%。對(duì)于告成流域，石灰性始成土對(duì)土壤侵蝕貢獻(xiàn)約為77%，其次為弱發(fā)育淋溶土。黃尾河流域主要土壤類型為弱發(fā)育淋溶土，因此其貢獻(xiàn)最大，占98%。

圖3 土壤類型與土壤侵蝕貢獻(xiàn)

2.4 淮河流域土壤侵蝕的空間異質(zhì)性分析

流域土壤侵蝕受降雨強(qiáng)度、土壤類型等因素的綜合影響。而其空間分布的不均一也導(dǎo)致了流域土壤侵蝕的空間差異性。

降雨是土壤侵蝕的重要驅(qū)動(dòng)因素，也是水文模型的輸入項(xiàng)。淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，淮河以北屬溫帶區(qū)，淮河以南為北亞熱帶，降雨分布大致為由南向北遞減，山區(qū)多于平原，沿海大于內(nèi)陸。很多學(xué)者對(duì)降雨動(dòng)能的計(jì)算提出了經(jīng)驗(yàn)型的估算方法[15-17]，但由于MUSLE模型中通過坡面產(chǎn)流量來體現(xiàn)降雨侵蝕的作用，因此這里不采用降雨動(dòng)能的形式對(duì)土壤侵蝕的空間分布進(jìn)行分析。這里對(duì)淮河2003、2005、2007、2008、2009年收集到了60個(gè)雨量站進(jìn)行分析，以年均降雨總量為降雨侵蝕強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)淮河流域淮濱至蚌埠段空間分布進(jìn)行分析。降雨分布采用反距離插值方法如圖4所示。

圖4 降雨侵蝕因子分布

地形是影響土壤侵蝕程度的另一重要因子。受流域形態(tài)控制，不同坡度與坡長下，坡面水流對(duì)土壤的沖刷能力也將存在極大差距，坡長越長、坡度越大，坡面水流導(dǎo)致的土壤侵蝕作用也就越為強(qiáng)烈，否則反之。MUSLE模型中考慮了坡面長度和坡度對(duì)水土侵蝕的影響，計(jì)算得到的淮河流域淮濱至蚌埠段地形因子空間分布，計(jì)算所用DEM精度為90m，模型所需的坡度及坡長因子均采用ArcGIS相應(yīng)模塊進(jìn)行計(jì)算，如圖5所示。從圖5中可知，土壤侵蝕地形因子以淮河為界，南北差異巨大，淮北地勢(shì)平坦，易受侵蝕較小，而淮河南部多為山地丘陵，地形起伏大，土壤侵蝕的敏感性較高。

圖5 地形因子分布

MUSLE模型中采用土壤可侵蝕因子衡量土壤的易侵蝕程度，取值大小受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤厚度、滲透性等因素影響。土壤可侵蝕因子越大表明土壤越容易受到坡面水流的侵蝕，其取值范圍一般在0.02～0.75之間[18]。本文采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織的HWSD數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度約1000m?？臻g分布如圖6所示，從圖6中可知，類似于地形因子，淮河流域以淮河干流為界，南北土壤類型同樣呈現(xiàn)明顯差異，淮河以北多為石灰性沖積土和石灰性始成土，淮河以南則為土墊旱耕人為土為主。

圖6 流域土壤侵蝕因子分布

3 結(jié)語

以淮河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于淮河流域已有的水文水動(dòng)力模型，構(gòu)建了適用于淮河流域的坡面土壤侵蝕模型。采用MUSLE坡面土壤侵蝕模型，考慮了坡面產(chǎn)流、流域形態(tài)、植被覆蓋以及水土保持措施等因素的影響，在蘆莊、柴胡店、告成、黃尾河4個(gè)小流域的驗(yàn)證結(jié)果表明，模型可以達(dá)到預(yù)期精度。對(duì)于流域侵蝕模數(shù)與降雨強(qiáng)度、產(chǎn)流量、坡面產(chǎn)流量的分析也進(jìn)一步驗(yàn)證了淮河流域土壤侵蝕模型選擇的合理性。但同時(shí)需要指出的是，由于模型缺少對(duì)坡面匯沙對(duì)產(chǎn)沙滯時(shí)因素的影響，該模型在較大流域應(yīng)用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一定偏差，本文通過子流域的劃分解決這一問題。

本文構(gòu)建的坡面產(chǎn)沙模型中主要考慮坡面產(chǎn)流的影響，降雨擊濺、植被空間分布以及水土保持措施等因素由于模型概化、資料收集等因素的限制，在本文中做了簡化處理，從模擬結(jié)果可以看出，坡面產(chǎn)沙受多種條件影響，這需要在今后的研究中繼續(xù)完善和改進(jìn)。