基于WEPP模型的多級梯田暴雨侵蝕模擬初步研究

賈立志, 高建恩, 許秀泉, 白先發(fā), 張元星

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

基于WEPP模型的多級梯田暴雨侵蝕模擬初步研究

賈立志1,2, 高建恩1,3, 許秀泉1,2, 白先發(fā)1,2, 張元星3

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

針對2013年6—9月份安塞縣馬家溝多級梯田遭受暴雨侵蝕嚴(yán)重等問題，運(yùn)用新一代水蝕預(yù)報模型WEPP模型對馬家溝多級梯田在暴雨條件下的侵蝕情況進(jìn)行模擬，并將WEPP模型模擬的結(jié)果與實(shí)測資料進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：WEPP 模型能夠較好地模擬黃土丘陵區(qū)多級梯田在暴雨條件下的徑流量以及土壤侵蝕量，隨著梯田級數(shù)的增加，WEPP模型對徑流量與侵蝕量的模擬精度逐漸降低。由于受該區(qū)地下水的影響，模擬徑流量總體小于采用徑流系數(shù)法算得的徑流量，由于梯田田埂的防蝕作用，模擬土壤侵蝕量總體大于實(shí)測侵蝕量。研究為黃土丘陵區(qū)梯田防蝕以及梯田修筑提供科學(xué)依據(jù)及有效方法，為黃土丘陵區(qū)多級梯田的暴雨侵蝕預(yù)測提供了合理化建議。

多級梯田； 侵蝕； 暴雨； WEPP模型； 黃土丘陵區(qū)

水土資源流失與浪費(fèi)嚴(yán)重已成為阻礙黃土高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要的因素，梯田作為黃土高原地區(qū)廣泛推廣應(yīng)用的一種水土保持措施，為該區(qū)水土保持做出了巨大的貢獻(xiàn)[1]。梯田是指在坡耕地上沿著等高線修筑的田面平整的臺階狀耕作田塊，或按照等高線修建的田面[2]。然而由于在修筑梯田時對一些自然災(zāi)害考慮不足，當(dāng)遇到暴雨等自然災(zāi)害時，下方梯田面匯集大量徑流，梯田田埂就會遭到嚴(yán)重的沖毀[3]，不僅會造成該地水土流失、養(yǎng)分流失等問題，甚至造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，因此對于梯田侵蝕的模擬與預(yù)報對黃土丘陵區(qū)的水土保持工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文運(yùn)用新一代水蝕預(yù)報模型WEPP模型對暴雨條件下安塞縣馬家溝多級梯田斷面侵蝕情況進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并且探求該區(qū)多級梯田在暴雨沖刷下的侵蝕規(guī)律，以及梯田田埂與坡面林草措施在防蝕方面的作用與修筑標(biāo)準(zhǔn)。為黃土丘陵區(qū)梯田防蝕以及梯田修筑提供科學(xué)依據(jù)及有效方法，并且為黃土丘陵區(qū)多級梯田侵蝕的預(yù)測提供了合理化建議。

1 數(shù)據(jù)監(jiān)測與整理

1.1 研究區(qū)概況

安塞縣馬家溝流域位于延安市西北35 km，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)地形破碎，植被稀少，地形陡峻，水土流失嚴(yán)重[4]。其中溝蝕、面蝕嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)約為14 000 t/(km2·a)，多年平均降雨約為500 mm，80%集中在6—9月，并且多以短歷時大強(qiáng)度的暴雨為主[5]。曹新莊梯田所處位置經(jīng)緯度為：36.8983905N,109.2286867E，土壤以黃綿土為主，為典型的粉壤土。土壤容重在1.08 g/cm3左右，其中粉粒含量67.06%，黏粒含量5.53%，砂粒含量26.27%，有機(jī)質(zhì)含量0.9%[6-7]。梯田斷面總共有8級，按高程從上到下依次為1—8號梯田斷面。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與降雨資料整理

運(yùn)用徠卡全站儀與ArcGIS軟件結(jié)合對梯田侵蝕量進(jìn)行測定與計算，具體步驟如下：(1) 在5月份降雨前運(yùn)用全站儀對多級梯田地形數(shù)據(jù)進(jìn)行測量包括經(jīng)度、緯度、高程；(2) 將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS，構(gòu)建矢量點(diǎn)格式圖層并且“內(nèi)插構(gòu)建TIN”；(3) 在9月份降雨過后再運(yùn)用全站儀對多級梯田地形數(shù)據(jù)測量并按照第2步操作，生成降雨后TIN圖；(4) 將降雨前后的兩個TIN圖層做差便可得到各級梯田土壤侵蝕量以及匯水面積。

參照多級梯田實(shí)際地形，每一級梯田所產(chǎn)生的地表徑流量都是上方梯田所匯集的降雨量。每一級上方來水量都需要根據(jù)匯水面積計算。所以，由于下級梯田的匯水面積大，所以上方來水量也比上級梯田要多，對梯田造成的侵蝕也越嚴(yán)重。多級梯田的各級產(chǎn)流量可用徑流系數(shù)法根據(jù)地表徑流量公式計算得出：

(1)

式中：W——地表徑流量(m3)；F——匯水面積(m2)；R——該區(qū)6—9月降雨量(mm)；K——徑流系數(shù)。

根據(jù)安塞試驗(yàn)站所觀測統(tǒng)計的氣象資料，馬家溝流域2013年6—9月累計降雨量為1 000.6 mm。由于各級梯田的海拔高度不同，地下水出露情況也不同，受地下水與各級梯田不同的管理措施影響下的土壤含水量也不同。根據(jù)實(shí)地測量可獲得各級梯田土壤含水量、土壤容重以及土壤入滲率數(shù)據(jù)，同時參照《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》[8-9]，各個梯田斷面的5月份降雨前土壤含水量、土壤容重、土壤入滲率以及徑流系數(shù)選取如表1所示。

表1 各梯田斷面土壤數(shù)據(jù)以及徑流系數(shù)選取

在監(jiān)測的2013年6—9月的暴雨中，7月持續(xù)強(qiáng)降雨累計達(dá)524 m，是該區(qū)域年平均降水量的1.04倍[5]，共計有66次單場日降雨，日降雨量如圖1所示，平均日降雨量為15.2 mm，最大日降雨量為100 mm，最小日降雨量為0.2 mm。其中6月20日、7月4日、7月8日、8月24日1 h最大降雨量分別為13.6，24，11.4，22.4 mm。

2 WEPP模型準(zhǔn)備

2.1 WEPP模型簡介

WEPP模型是美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的新一代水蝕預(yù)報模型，主要包括氣候、土壤、植物生長、殘留物分解、冬季過程、灌溉、水文過程、地表徑流、侵蝕等9個模塊，輸入?yún)?shù)有氣候、地形、土壤和管理措施等4個數(shù)據(jù)庫參數(shù)模塊[10]。該模型克服了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚒SLE的缺點(diǎn)，在調(diào)整參數(shù)之后對產(chǎn)沙、產(chǎn)流、土壤水分的模擬具有較高的精度[10-12]。

圖1 馬家溝流域日降雨過程

2.2 WEPP模型數(shù)據(jù)庫建立

WEPP模型坡面版是WEPP 模型中最基本、最簡單的模型版本，運(yùn)行所需要建立的四個數(shù)據(jù)庫分別是氣候、坡面、土壤、作物數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)安塞縣試驗(yàn)站統(tǒng)計的2013年6—9月的日序列的氣象數(shù)據(jù)，包括日降雨量、太陽輻射量、風(fēng)速、風(fēng)向、最高氣溫、最低氣溫、露點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)。按照隨機(jī)氣候生成器CLIGEN格式建立WEPP模型運(yùn)行所需要的氣象數(shù)據(jù)庫[13-14]。在坡面數(shù)據(jù)庫的建立方面，根據(jù)WEPP模型中自帶的分段功能模塊，可將該梯田分為多個斷面[15]，通過對每個斷面的模擬可以實(shí)現(xiàn)對整個梯田的模擬，由于地勢原因，上級梯田所產(chǎn)生的徑流與泥沙會通過流失進(jìn)入下一級，并且在該級梯田發(fā)生蒸發(fā)、入滲、侵蝕等一系列過程。根據(jù)實(shí)地測量可將各級梯田分為水平田面段和梯田田坎段兩部分，梯田坡度、坡長等地形數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各級梯田斷面坡度、坡長概況

土壤數(shù)據(jù)庫總共包括6個參數(shù)，其中土壤反照率、粉粒含量、初始飽和導(dǎo)水率、細(xì)溝間土壤可蝕性在輸入土壤的砂粒含量、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、巖屑含量及陽離子交換變量之后可通過WEPP模型自帶的公式計算得到。土壤臨界剪切力、細(xì)溝土壤可蝕性、有效水力傳導(dǎo)系數(shù)則是在已有的觀測資料基礎(chǔ)之上，結(jié)合前人的研究而取得[16-17]。本文選取休閑地土壤參數(shù)分別為有效水力傳導(dǎo)系數(shù)為19.7 mm/h，細(xì)溝土壤可蝕性為0.026 s/m，土壤臨界剪切力為3.51 Pa[18]。

作物數(shù)據(jù)庫是WEPP數(shù)據(jù)庫中涉及參數(shù)最多、最為復(fù)雜的一個，其包含8個子數(shù)據(jù)庫，70多個參數(shù)，其中玉米(Zeamays)、裸地、向日葵(Helianthusannuus)、谷子(Olyzasativa)等采用梁改革[19]與郝連安[20]所建立的安塞地區(qū)的作物數(shù)據(jù)庫，由于WEPP模型沒有關(guān)于土豆(Solanumtuberosum)的數(shù)據(jù)庫，因此選用苜蓿代替。各梯田斷面作物與土壤類型如表3所示。

表3 各級梯田斷面作物與土壤概況

3 結(jié)果與分析

將WEPP模型模擬的8個梯田斷面的土壤侵蝕量、徑流量與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并且運(yùn)用Nash-Sutcliffe模型有效性對模型進(jìn)行評價[21]。在8個梯田斷面的不同坡長、坡度、管理措施條件下,WEPP模型對土壤侵蝕量與徑流量的模擬精度也表現(xiàn)出不同。

3.1 徑流量模擬效果分析

將WEPP模型模擬數(shù)據(jù)與徑流系數(shù)法算得徑流量進(jìn)行對比，計算得到模擬值與徑流系數(shù)法算得值之間絕對誤差與相對誤差如表4示。模擬值與徑流系數(shù)法算得值基本吻合并且R2達(dá)到0.87為顯著相關(guān)(如圖2所示)，大于一般認(rèn)為的模型可用R2=0.5，因此WEPP模型能較好地模擬黃土丘陵區(qū)多級梯田坡面在暴雨條件下的地表徑流量。

表4為地表徑流量模擬值和徑流系數(shù)法計算得值以及誤差對比。可以看出，第1級梯田徑流量模擬值與徑流系數(shù)法計算得值吻合度最高，相對誤差僅為8.55%，主要原因?yàn)榈?級梯田產(chǎn)生徑流不受其他梯田影響，并且海拔較高，受地下水影響小，因此WEPP模型在模擬時具有較高的精度。第3，4，5級梯田模擬徑流量比徑流系數(shù)法計算得值分別高27.29%，14.38%，16.56%，因?yàn)榈?，2級梯田田埂在暴雨沖刷過程中有效地攔擋了徑流，并且由于匯流面積較小，徑流量沒有沖毀梯田田埂，所以大部分徑流被攔蓄在上級梯田，沒有對下級梯田造成顯著影響。從第6級梯田開始徑流系數(shù)法計算得值比模擬徑流量大，并且隨著梯田級數(shù)增加相對誤差顯著增加，因?yàn)殡S著匯流面積的增加，土壤含水量增加明顯，梯田徑流逐漸沖毀梯田田埂并且對下級梯田徑流產(chǎn)生具有貢獻(xiàn)。第6級梯田徑流系數(shù)法計算得值與模擬徑流量間相對誤差為16.30%，由于第7，8級梯田田埂被完全沖毀，所以徑流系數(shù)法計算得值顯著高于模擬值，其相對誤差分別為30.87%，32.23%，說明WEPP模型在模擬多級梯田暴雨沖刷時，隨著梯田級數(shù)增加，精度有降低趨勢。

圖2 徑流量模擬值與徑流系數(shù)法計算得值對比

通過對比可以看出，模型模擬的徑流量總體上明顯小于徑流系數(shù)法計算得值，分析主要原因是該區(qū)地下水豐富，可使土壤保持在相對濕潤狀態(tài)，使得土壤含水量較高，這樣降水不容易下滲，更容易使土壤含水量達(dá)到飽和狀態(tài)，對于地表徑流的補(bǔ)給起到了重要的作用[22]，WEPP模型在對該區(qū)地表徑流量模擬時對地下水的含量考慮不夠充分，所以對于地表徑流量的模擬值要小于徑流系數(shù)法計算得值。所以在運(yùn)用WEPP模型對該地區(qū)徑流量模擬時應(yīng)當(dāng)充分考慮地下水對于地表徑流的補(bǔ)給以及土壤含水量的影響。

表4 地表徑流量模擬值和徑流系數(shù)法計算得值對比

注：AE 為絕對誤差的絕對值，AER 為相對誤差的絕對值。

3.2 土壤侵蝕量模擬效果分析

在土壤侵蝕量方面，WEPP模型模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測土壤侵蝕量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 土壤侵蝕量模擬值與實(shí)測值對比

模擬值與實(shí)測值之間的R2達(dá)到0.79為顯著相關(guān)，因此WEPP模型能較好地模擬黃土丘陵區(qū)多級梯田坡面在暴雨條件下的土壤侵蝕。

通過對比可以看出(表5)，第1，2級梯田模擬值與實(shí)測值之間的相對誤差比較大，分別為127.05%，104.72%，主要原因?yàn)椋诘?，2級梯田田埂分別為27，26 cm，梯田田埂是分布于梯田外圍的主要用于減水減沙的埂坎，其具有攔蓄徑流、防止侵蝕、保水保肥等作用[23]，當(dāng)面臨2013年6—9月暴雨時，梯田田埂能夠有效地攔蓄徑流防止土壤侵蝕的發(fā)生，梯田田埂對于緩減徑流對下級梯田沖刷起到了重要的作用，并且在一定范圍內(nèi)，梯田田埂高度越高，其對泥沙攔蓄效果越好。然而在模型坡面版中沒有相對應(yīng)的攔擋措施模塊，沒有充分考慮梯田田埂的作用，導(dǎo)致模擬值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)測值。

表5 土壤侵蝕量模擬值與實(shí)測值對比

注：AE 為絕對誤差的絕對值，AER 為相對誤差的絕對值

從數(shù)據(jù)分析來看，第8級梯田模擬侵蝕量與實(shí)測侵蝕量之間的相對誤差為169.01%，該級梯田田埂高度最高為28 cm(表6為梯田田埂暴雨沖蝕情況)，所以起到攔蓄徑流以及防蝕效果最好，WEPP模型的模擬效果也就最差。根據(jù)蔣定生[24]在中國科學(xué)院安塞實(shí)驗(yàn)站的觀測表明，梯田田埂高度超過25 cm時能夠很好地保持水土，在整個訊期都不發(fā)生水土流失。然而在面臨極端暴雨時，尤其是僅2013年7月12日一天降雨量達(dá)到100 mm，多級梯田特別是下級梯田土壤含水量接近飽和，降雨無法入滲，形成大量的徑流，對梯田田埂沖刷嚴(yán)重，造成梯田田埂被嚴(yán)重沖毀，無法起到蓄水保土、防止侵蝕的目的。因此對于多級梯田的下級梯田應(yīng)當(dāng)提高防蝕措施的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可將梯田田埂的設(shè)計年限由原來的20 a一遇的暴雨提高至50 a一遇的暴雨，才能切實(shí)地起到防止土壤侵蝕的目的。

在第 3，6 級梯田模擬值與實(shí)測值誤差不大，相對誤差僅為29.23%與32.87%，因?yàn)榈?，6級梯田為裸地，人為干預(yù)較少，并且梯田田埂高度分別為21 cm和22 cm，沒有能夠有效地攔蓄地表徑流來防止土壤侵蝕的發(fā)生，WEPP模型在對其進(jìn)行模擬時能夠較好地反映實(shí)地情況。

表6 梯田田埂暴雨沖蝕情況

4 結(jié) 論

(1) WEPP模型能夠較好地模擬黃土丘陵區(qū)多級梯田在暴雨條件下的產(chǎn)流量與土壤侵蝕量，隨著梯田級數(shù)的增加WEPP模型的模擬精度有降低趨勢，并且對產(chǎn)流量的模擬精度要高于土壤侵蝕量的精度。

(2) WEPP模型對多級梯田暴雨沖刷的徑流量模擬效果較好，由于該區(qū)地下水豐富的原因，徑流系數(shù)法計算得值總體高于模擬值。WEPP模型對下級梯田的模擬精度低于上級梯田。

(3) 由于WEPP模型缺少攔擋措施模塊，在模擬土壤侵蝕量時，模擬值總體上要大于實(shí)測值。隨著梯田級數(shù)增加，模擬值與實(shí)測值之間的相對誤差值增加顯著。梯田田埂在應(yīng)對暴雨沖刷時對多級梯田的防蝕起到了重要的作用。

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StudyonRainstormErosionSimulationofMulti-LevelTerracesBasedontheWEPPModel

JIA Li-zhi1,2, GAO Jian-en1,3, XU Xiu-quan1,2, BAI Xian-fa1,2, ZHANG Yuan-xing3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

With respect to the prob lem of serious rainstorm erosion of multi-level terraces in Majiagou river basin from June to September in 2013, this article used the WEPP model to simulate the soil erosion of rainstorm of multi-level terraces, and then compared the result of simulation with the observed data. The results show that WEPP model can well simulate the runoff and soil loss of multi-level terraces under rainstorm in Loess Hilly and Gully Region. With the increase of terrace level the precision of WEPP model of the simulation on runoff and soil loss reduced; simulation of runoff is less than the result calculated by runoff coefficient method due to the influence of the groundwater. Simulation of soil erosion is greater than the measured erosion as a whole because of the prevention erosion of the terrace ridge. This research result provided scientific basis and effective method for the terrace anticorrosive and terraces buildup and provided scientific basis for the forecast of multi-level terrace erosion under rainstorm in the loess hilly region.

multi-level terraces; soil erosion; rainstorm; WEPP model; loess hilly region

2014-04-24

：2014-06-20

國家“十二五”科技支撐計劃項目課題“黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持與高效農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)集成示范”(2011BAD31B05);國家自然科學(xué)基金“復(fù)雜下墊面暴雨徑流侵蝕相似性模擬實(shí)驗(yàn)研究”(41371276);中國科學(xué)院水利部水土保持研究所知識創(chuàng)新工程專項(A315021304)。

賈立志(1988—),男,山東濱州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗临Y源高效利用。E-mail:jializhi10000@126.com

高建恩(1962—),男,山西運(yùn)城人,博士,博士生導(dǎo)師,研究員,主要研究方向:徑流調(diào)控河流治理。E-mail:gaojianen@126.com

S157

：A

：1005-3409(2014)06-0001-05