中國土壤侵蝕相關模型研究進展

張啟旺，安俊珍，王 霞，高雅玉，常萬廣

(1.甘肅省水利水電學校，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020；3.白銀市水務局，甘肅 白銀 730900)

土壤侵蝕預報模型的研發，是土壤和地理學科的前沿領域，也是引導和集成土壤侵蝕試驗研究、促進土壤侵蝕和水土保持科研定量化的重要手段。近30年來，世界多個國家都投入了大量的人力和物力研發土壤侵蝕預報模型，并取得了長足的進展。根據模型建立的途徑和模擬過程，模型通常可以分為經驗模型、物理過程模型和分布式模型。

1 土壤侵蝕經驗模型

國外土壤侵蝕經驗模型，主要以通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)和修正的通用土壤流失方程(Reversed Universal Soil Loss Equation，RUSLE)為代表。由于USLE和RUSLE都是基于緩坡的土壤侵蝕預報模型，加上RUSLE是基于年降雨的侵蝕產沙模型，這對在以高強度次降雨居侵蝕主導地位地區的運用受到限制，即模型的外推性不是甚好。20世紀80年代以來，我國學者以USLE為藍本，利用水蝕區徑流小區觀測資料，根據各研究區實際情況進行因子修正，就主要水蝕區的黃土高原、東北漫崗丘陵、長江三峽庫區、南方紅壤丘陵和閩東南、廣東、滇東北等地區的坡面土壤侵蝕，開展了我國土壤侵蝕經驗模型的研究。

1.1 中國坡面土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)

劉寶元等以USLE為藍本，利用黃土丘陵溝壑區安塞、子洲、離石、延安等徑流小區的實測資料，建立了中國坡面土壤流失預報方程[1]。模型形式為

A=RKLSBET

(1)

式中：A為多年平均土壤流失量；R、K、L、S4個因子的意義與USLE中對應因子的意義相同；B為水土保持生物措施因子；E為水土保持工程措施因子；T為水土保持耕作措施因子。

該模型的優點是根據我國水土保持的實際情況，將USLE中的覆蓋與管理兩大因子變為我國水土保持三大措施因子，即變為生物(B)、工程(E)和耕作 (T)措施因子，其不足是模型形式與USLE相同，缺乏對物理過程的考慮，對陡坡地特有的淺溝侵蝕考慮不夠。

1.2 陡坡地包括淺溝侵蝕在內的土壤流失預報模型

江忠善等[2]以溝間裸露地基準狀態坡面土壤侵蝕模型為基礎，將淺溝侵蝕的影響以修正系數的方式進行處理，建立了計算溝間地次降雨侵蝕的模型。模型形式為

(2)

式中：A為次降雨侵蝕量；K為土壤因子系數；P為降雨量；I30為一次降雨過程中30 min最大降雨強度；S為坡度；L為坡長；Gs為淺溝侵蝕影響系數，當坡面無淺溝侵蝕時，Gs為1；V為植被影響系數；C為水土保持措施影響系數；a為系數。

同以往模型相比，該模型結構符合黃土丘陵區地貌特點，考慮了陡坡地的淺溝侵蝕，使預報精度大大提高。應用ARC/INFO地理信息系統軟件建立空間水土流失數據庫， 實現了侵蝕預報模型與GIS相結合，使模型能預報侵蝕產沙的空間分布。

1.3 小流域宏觀產沙模型

尹國康等[3]研究認為，氣象—水文因素和包括人類活動影響在內的地表物理性質因素，是控制土壤侵蝕的2個重要方面。因此，降雨和徑流、流域面積、流域地面溝壑密度、流域高差比、地面溝壑切割深度、流域植被與治理度、地面巖石抗蝕性等因素，是選擇指標的主要對象。通過分析篩選和回歸計算，提出小流域宏觀產沙模型為

Msa/Mwa=31.82I0.83

(3)

2 中國土壤侵蝕預測物理模型——以黃土區為例

2.1 黃土丘陵溝壑區流域暴雨產沙模型

謝樹楠等[4]從泥沙運動力學基本理論出發，基于9個基本的假定，即暴雨產生的徑流按坡面一維流動考慮、壓強按靜水壓強分布、流動中的能量系數按常量考慮、坡面角度不變、坡面土層的組成是均勻的、泥沙不考慮黏性、在計算時段內降雨強度和滲透率不變、溝道泥沙的輸移比為1、不考慮前期土壤含水量的影響，將計算流域按自然水系劃分為若干個子流域，再將各個子流域按地貌微觀結構分成若干個基本單元，同時將流域內所有雨量站按泰森多邊形劃分成不同的控制區，以雨量站的降雨代表控制區內所有計算單元的降雨，建立適用于大、中、小流域的暴雨產沙模型，分產流和產沙計算兩部分，產沙量計算根據水流連續方程、運動方程、泥沙連續方程和挾沙力公式聯立求解，在充分考慮植被和土壤類型對土壤侵蝕影響的基礎上，建立了具有一定理論基礎的流域侵蝕模型，得到單位面積單位時間產沙量E的計算公式，即

(4)

式中：CA、CE分別為單位面積裸露率和侵蝕因子；fI為單位時間單位面積斜坡上由降雨產生的徑流量；L為坡長；S0為坡度；D50為泥沙中徑。

該模型的優點是模型物理圖形清晰，降雨、徑流、產沙過程的力學關系清楚，是一種較全面反映產沙因素的流域暴雨產沙模型。

2.2 黃土區流域產沙模型

湯立群[5]從流域水沙產生、輸移、沉積過程的基本原理出發，根據黃土區地形地貌和侵蝕產沙的垂直分帶性規律，將流域劃分為梁峁上部、梁峁下部及溝谷坡3個典型的地貌單元分別進行水沙演算。模型包括徑流模型和泥沙模型兩部分，徑流模型中采用超滲產流模型，用Horton下滲曲線確定入滲量，溝道中徑流運動采用一維圣維南方程計算。研究指出，流域產沙量取決于水流挾沙能力與可供沙量的比例關系，若水流挾沙能力小于供沙量，則產沙量等于水流挾沙能力；反之水流將進一步沖刷表土，形成徑流侵蝕，產沙量就等于供沙量與徑流侵蝕量之和。該模型借鑒了國外已有的研究成果，模型結構簡單，考慮了黃土區的垂直分帶性，可以模擬水沙時空變化過程，適用于中小流域的水沙預報和編制小流域治理規劃，但模型中的參數要根據實測資料來確定，因而推廣受到限制。

2.3 黃土高原小流域侵蝕產沙預報模型

蔡強國等[6]以晉西離石羊道溝流域為研究對象，建立了一個有一定物理基礎的能表示侵蝕輸移產沙過程的小流域次降雨侵蝕產沙模型。該模型由坡面、溝坡和溝道3個相互聯系的子模型組成。

次降雨坡面濺蝕分散量方程為

Db= 0.015J(ER/λ)e(2.68sinα- 0.48Cv)

(5)

式中:Db為坡面濺蝕分散量；J為前期表土結皮因子，當前期無表土結皮時為1；ER為降雨動能，可根據ER= 28.83+13.51lgI計算,其中I為降雨強度；λ為以標準錐體貫入測量得出的土壤抗剪切強度；α為坡度；Cv為植被覆蓋度。

坡面細溝侵蝕估算方程為

Dr=1.766×10-7E-4.8rλ-0.5

(6)

式中:Dr為細溝侵蝕模數；Er為細溝水流侵蝕力，Er=0.01ρgHAsinα，其中ρ為水密度，g為重力加速度，H為平均徑流深，A為單寬匯流面積；λ為表土抗剪強度。

該模型的優點在于能表示侵蝕、輸移和產沙過程，考慮了坡面、溝坡和溝道之間的相互關系，同時模型要求輸入的變量較少，這為在黃土高原地區的推廣奠定了基礎。但模型對于微地形和犁底層的影響未能考慮，對洞穴侵蝕、瀉溜侵蝕、泥沙在坡面和溝道的輸移等還有待深入研究。

除上述談及的模型外，江忠善[7]、牟金澤[8]、范瑞瑜[9]等也對土壤侵蝕預測預報物理模型進行了研究，并取得了適宜于本地區的模型。

3 分布式模型

分布式模型將流域劃分成一個個網格，每個網格單元中的土壤、植被覆蓋均勻分布， 在每個網格上進行參數的輸入，然后依據一定的數學表達式來計算，并將計算結果推算到流域出口，從而得到流域土壤侵蝕總量[10]。

3.1 SHE模型

典型的分布式土壤侵蝕模型是SHE(System Hydrologique Europeen)模型，該模型是研究水流及泥沙運動空間分布情況的模型，可應用于流域模擬土壤侵蝕和泥沙輸移，包括雨滴擊濺、面蝕、面蝕中的二維負荷對流以及河床侵蝕等[11]。用在該模型中的基本方程為

Dn=KrFw(1-Cg)(1-Cc)(Mr+Md)

(7)

式中：Dn為單位面積土壤侵蝕量；Kr為雨滴擊濺土壤侵蝕力指數；Fw為雨滴擊濺分配給土壤的能量；Cg為地面覆蓋對地表保護的比例；Cc為植被覆蓋率；Mr為雨滴直接降落到地面的動能；Md為雨滴擊濺動能。

面蝕土壤侵蝕量計算式為

Df=Kf(T/Tc-1)

(8)

式中：Df為單位面積剝蝕量；Kf為地表徑流侵蝕力指數；T為水流剪切力；Tc為泥沙運動的垂直剪切力。

3.2 EUROSEM模型

EUROSEM模型(歐洲土壤侵蝕模型)是動態分布式模型，可以在單獨地塊或小流域中預測水力侵蝕強度，其特點比較適合于庫區土壤侵蝕預測預報[12]。王宏等[13]應用EUROSEM模型對三峽庫區陡坡地水力侵蝕研究發現，該模型對人工降雨中徑流模擬效果較好，但對土壤流失的模擬效果相對較差。

4 中國土壤侵蝕模型研發中存在的問題及展望

中國土壤侵蝕模型的研發雖已取得一定的進展，但還存在一些需要進一步深化研究的問題[14]：①現有的土壤侵蝕預測模型大多是地方性的，不能用于較大的區域，也很難用于全國和其他地區。②對于各侵蝕影響因子尚無系統全面的研究，缺乏足夠的試驗觀測資料，影響了所建模型的實用性。③大多數模型尚不能很好地用于流域的土地利用和水土保持規劃。④對USLE的應用還存在一些不盡合理的地方，包括將USLE簡單地推廣應用于流域侵蝕產沙預報和較大區域。宋穎[15]認為現有模型研究存在如下問題，即坡面模型研究較多，而流域模型研究特別是大中流域的模型研究較少，溝道及重力侵蝕研究薄弱；模型中產沙部分研究較多而泥沙輸移及匯集部分研究較少。

土壤侵蝕模型建立與研發具有區域性特點，因此模型的推廣應用具有局限性。國外大多數耕作土地是緩坡，其基本侵蝕預報公式都是在緩坡地的基礎上建立的，而我國的土壤侵蝕主要發生在15°以上的陡坡地，我國的土地利用方式與國外也不盡相同，因此我們應該借鑒國外已有的建模思路，充分考慮我國土壤侵蝕發生的特點，重點研究陡坡地的侵蝕機制，以便對土壤侵蝕和水土保持效益作出定量評價[16]。同時，注重土壤侵蝕模型的理論研究，將從以侵蝕因子為基礎的侵蝕預報向侵蝕過程的量化研究和理論完善，研究各侵蝕因子及其交互作用對侵蝕過程的影響，泥沙在復雜坡面以及不同流域尺度間的分散、輸移和沉積作用[17-18]；加強對重力侵蝕、洞穴侵蝕機制和大中流域侵蝕模型的研究[19]。此外，在模型研發過程中，應充分利用先進的RS、GIS技術[20]，為侵蝕模型的研究提供大量的數據源，以利于對土壤侵蝕模型的檢驗，為我國的水土保持規劃和環境治理提供依據。

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