基于水蝕預報模型的黃土高原水平階減流阻蝕效應模擬

任柯蒙,衛 偉,趙西寧,馮天驕,陳 蝶

1 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室,楊凌 712100 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 3 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100 4 中國科學院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 5 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049

黃土高原是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區,水蝕面積占整個區域的45%,其中,劇烈侵蝕(土壤侵蝕模數≥15000 t km-2a-1)占總面積的5.7%[1-2]。造成土壤侵蝕的主要原因包括自然因素(氣象、水文、生物、地形地貌、土壤等)和人為因素(耕作、工程措施等)兩個方面[3]。其中,影響土壤侵蝕的人為因素占主導地位,人類對自然地貌不合理開采加劇了土壤侵蝕[4]。坡度作為主要地貌形態特征,對坡面流速、土壤入滲和穩定性有重要作用,隨著坡度的增加,入滲量減小,徑流量增加,徑流流速提高,土壤穩定性降低[5-6]。大量研究表明,在一定條件和范圍內,存在臨界坡度使得土壤侵蝕隨坡度先增加后減小,但因試驗條件、推導理論和考慮因素等不同,使得不同研究中得到的臨界坡度相差較大,通過理論推導得出的臨界坡度普遍大于40°,而通過徑流小區試驗和模擬降雨實驗的臨界坡度小于30°[7]。

坡面尺度微地形改造是減少土壤侵蝕的有效措施之一,它是指人類根據科學研究或改造自然的實際需求,有目的地對下墊面原有形態結構進行二次改造和整理,通過增加地表起伏度、降低地面漫流的連通性,起到涵蓄水源的作用[8]。水平階作為一種微地形改造工程措施,通過調節降水在坡面的再分配過程,從而起到保水減沙、提高土壤肥力的作用,且因其操作簡便,成本較低,被廣泛應用于生態建設中[9- 11]。從機耕操作便利和田坎穩定性考慮,Ramos等[12]對葡萄園莊園原始坡面進行優化設計的水平階規格為田坎高(4.8±3.0) m,臺寬(6.2±3.5) m。毛勇等[13]從投資角度考慮發現坡度在5°—25°時土坎水平梯田的最佳臺面寬度為1.5—4 m。可見人們會根據自己實際需求來設計不同水平階規格,但是在一定的坡度條件下,如何優化設計水平階臺面寬度,從而最大限度的減少土壤侵蝕的定量研究十分稀缺。

水蝕預報模型(Water Erosion Prediction Project, WEPP)是基于物理過程模擬模型,以一天為步長,輸入對侵蝕過程有重要影響的地形、土壤和植物特征,可模擬徑流量和泥沙量[14-15]。與其他侵蝕預報模型相比,WEPP模型可以更精確的預估坡面尺度水土流失情況[16]。目前我國學者在WEPP模型方面做的研究表明：在單次降雨事件下模擬坡面侵蝕過程與實際侵蝕過程擬合度良好[17]。為達到調控徑流,阻沙防蝕的效果,我國學者從多個方面開展了系統研究：模擬了不同水平梯田設計參數下的侵蝕過程,認為WEPP模型對優化設計斷面具有指導意義[18]；應用WEPP模型分析不同梯田配置的水土保持效應[19]；基于作物需水,將水窖與隔坡梯田結合,對隔坡梯田進行優化設計,對隔坡梯田設計具有參考價值[20]；運用WEPP模型,模擬不同坡度、不同種植密度的植物籬防蝕效果,提出不同坡度植物籬的最佳種植方式[21]。但應用該模型評價水平階的減流阻蝕效應及其臺面寬度優化的研究較少。

綜上所述,本研究旨在尋找臨界坡度,基于水平階臺面寬度設計不同水平階規格,分析不同水平階規格對土壤侵蝕的影響規律,依據單位臺寬減沙效益提出不同水平階規格的最佳臺面寬度,以期為工程措施在流域治理及植被恢復中的設計與應用提供技術支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省定西市龍灘流域(35°43′—35°46′N,104°27′—104°31′E),流域面積16.1 km2,海拔1800—2200 m。該區屬于典型的半干旱黃土丘陵區小流域,地處半干旱大陸性氣候區,據長期氣候數據(1958年—2016年),年平均氣溫6.8 ℃,平均無霜期152 d,平均日照時數2052 h。年均降水量386.3 mm,降雨主要集中在7—9月份,且多暴雨,潛在蒸發量為1649.0 mm,年平均相對濕度72%,水分虧缺嚴重。該地區土質均一,土壤以黃綿土為主。流域屬典型草原地帶,本試驗在檸條坡面徑流小區上進行,坡長10 m,坡度26°,坡向西偏南,土壤容重(1.22±0.04) g/cm3,植被覆蓋度為50%,主要植被為駱駝蓬(Peganumharmala)、烏里芯芭(Cymbariadahurica)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus) 、長芒草(Stipabungeana)。

1.2 數據庫建立

WEPP模型是包含水蝕相關參數最多的土壤侵蝕模型,其參數的準確性對模擬結果尤為重要。WEPP模型運行需要4個輸入文件,分別是氣候文件、地形文件、土壤文件和管理措施文件。

氣候文件源于2015—2016年龍灘自計式雨量計(HOBO, USA)觀測站和自動氣象站(Vantage Pro2, Davis, USA)的實測數據,利用WEPP模型系統提供的獨立程序斷點氣候生成器(BPCDG)生成氣候文件。在情景設計中選擇次降雨模式(single storm),雨強根據黃土高原典型降雨特征[22]設為小雨強(0.5 mm/min)、中雨強(1.0 mm/min)、大雨強(1.5 mm/min),降雨歷時1 h。

土壤文件中的細溝間土壤可蝕性、細溝土壤可蝕性、土壤臨界剪切力、有效水力傳導系數通過土壤顆粒組成(表1)手動算出的數值為基值[23],并通過率定獲得最終參數。

表1 WEPP模型中的土壤特性

地形文件根據試驗小區實際情況獲取,設置坡面徑流小區坡度26°,坡長10 m；水平階徑流小區坡度26°,坡長10 m,水平階臺面寬度1.3 m。并在情景模擬中設置不同地形條件：設置坡長均為10 m,坡度分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°的坡面；基于不同水平階臺面寬度,固定總坡長和田坎坡度,設置不同水平階規格見表2。

表2 水平階規格設計

試驗小區選取植被為檸條,管理措施參數包括植物生長參數和種植參數,通過植被調查、參考文獻或選取WEPP模型數據庫中的同類植物確定[24- 28](表3)。

表3 檸條生物學特性參數

1.3 WEPP模型運行機理

WEPP模型是一種基于侵蝕過程的模型,其坡面版是WEPP模型中最基本的模型版本,模擬水平階時,將坡面分成數段,設置多種土壤類型和多個管理措施[29]。坡面侵蝕分為細溝侵蝕和細溝間侵蝕。細溝間侵蝕指雨滴擊濺和坡面水流對土壤進行剝蝕和搬運的過程；細溝侵蝕指細溝內土壤所發生剝蝕、搬運和沉積的過程。WEPP模型利用穩態泥沙連續方程來模擬泥沙運動,當水流剪切力大于臨界土壤剪切力,且輸沙率小于泥沙輸移能力時,以搬運過程為主；當輸沙率小于泥沙輸移能力時,以沉積過程為主[30]。

1.4 模型評價方法與指標計算

采用Nash-Sutcliffe效率系數(NSE)和決定系數(R2)對率定參數進行驗證。NSE的計算公式為：

(1)

決定系數R2(擬合優度)是回歸方程擬合優度的一個度量,取值范圍為0—1,當R2越接近1,則表示實測值與預測值相關性越高。

(2)

為了描述水平階對徑流泥沙的調控作用,分別引入徑流和泥沙調控率的概念[32]。徑流調控率指布置某種調控措施后)徑流量相對于對照條件下徑流量的變化百分率；產沙調控率指布置某種調控措施后產沙量相對于對照條件下產沙量的變化百分率。可用下式表示：

(3)

(4)

式中:Cw、Cs分別是徑流調控率(%)和泥沙調控率(%)；Ws、Wo分別是調控措施后和原狀坡面的徑流量(mm)；Gs、Go分別是調控措施后和原狀坡面的產沙量(t/hm2)。

為了更好的描述臺面寬度的減蝕效益,引入單位臺面寬度減沙量,其計算公式為：

(5)

式中,Ds為單位臺寬減沙量(kg/m3)；Gs、Go與上述一致；L為臺面的總寬度(m)。

1.5 模型率定及模型有效性驗證

2015年和2016年生長季(5.1—10.31)降水量分別為320.8、156.8 mm,雨量計共記錄降雨事件130余次,其中引起較為明顯水土流失現象的降雨事件共21場(微弱降雨不計),將降雨量由小到大排序每兩場降雨劃分為一組,每組中隨機選取一組用來率定或驗證[29]。選用檸條坡面徑流小區對土壤參數進行率定和驗證。從圖1a、1c可知率定小區徑流量和產沙量的NSE分別為0.90、0.77,圖1b、1d驗證小區徑流量和產沙量分別為0.79和0.63,說明模擬結果較好；從決定系數R2看,率定小區徑流量和產沙量的R2分別為0.92、0.81,驗證小區徑流量和產沙量的R2分別為0.82和0.78,模擬值與實測值擬合度良好,具有良好的相關性,因此WEPP模型的模擬結果可以較好反映坡面的實際情況。最終土壤參數率定結果見表4。

圖1 土壤參數率定結果驗證Fig.1 Validation of soil parameter of WEPPa. 率定小區徑流量對比；b. 驗證小區徑流量對比；c. 率定小區土壤侵蝕量對比；d. 驗證小區土壤侵蝕量對比；NSE為Nash-Sutcliffe效率系數; WEPP: 水蝕預報模型, Water Erosion Prediction Project

參數Parameters細溝間可蝕性Interill erodibility細溝可蝕性Rill erodibility/(s/m)臨界剪切力Critical shear stress/Pa有效水力導水系數Effective hydraulic conductivity/(mm/h)參數值Parameter values6.995×1060.0263.512.2

為驗證WEPP模型模擬水平階的有效性,對檸條水平階徑流小區進行模擬驗證,由圖2知徑流量和產沙量模擬值和實測值的決定系數分別為0.80和0.87,NSE為0.72和0.60,表明模型可以有效反映水平階的水文過程。

圖2 驗證水平階有效性Fig.2 Validate the effectiveness of level terrace

2 結果

2.1 坡度變化對產流產沙過程的影響

采用WEPP模型模擬檸條坡面小區不同坡度下的土壤侵蝕規律,為合理開展整地措施提供理論依據。從圖3可知,同一雨強條件下,徑流量隨坡度的逐漸增加呈增加趨勢,但坡度大于20°后,徑流值不再變化,保持穩定。而在不同雨強下,水土流失與雨強和坡度(小于20°)呈正比,且在小雨強時,徑流量增加最為明顯,增加了1.9倍,中、大雨強時徑流量分別增加了1.2倍、1.1倍。此外,由圖3可知,產沙量隨坡度增加,也呈增加態勢,但增加幅度卻并不一致。當坡度從5°變化到10°時,不同雨強下的產沙量增幅明顯,其中小雨強下的產沙增加了4.7倍,增加幅度最大,而中雨強和大雨強增加了2.6倍、2.1倍。在20°以上,產沙量增加放緩,變化倍數約1倍左右。

圖3 不同雨強下坡度變化對產流產沙的影響Fig.3 Effects of slope on runoff and sediment yield under different rainfall intensity

2.2 水平階規格對侵蝕的調控作用

水平階臺面寬度可以有效蓄流阻沙,因此為研究水平階臺面寬度對徑流的攔截作用,根據以上所述,選取徑流臨界坡度20°的檸條坡面徑流小區為研究對象,比較坡面徑流小區與相同小區尺寸不同水平階規格下的土壤侵蝕變化。

增加臺面寬度與階數可以減少徑流量(圖4)。在小雨強(0.5 mm/min)時,相比于自然坡面,水平階為二階時臺面寬度從1 m增加到2 m,徑流調控率從31.9%增加到61.2%,當階數變為三階時,徑流調控率從49.4%增加到69.7%；中雨強(1 mm/min)時,臺面寬度從1 m增加到2 m,二階和三水平階的徑流調控率分別從10.9%增加到20.9%,16.8%增加到23.8%；大雨強(1.5 mm/min)時,臺面寬度從1 m增加到2 m,二階和三階水平階的徑流調控率從6.5%增加到12.6%,10.1%增加到14.3%。臺面越寬,徑流調控效果越好,與二階水平階相比,三階水平階可更有效減少坡面徑流量。

圖4 不同雨強下產流產沙量隨不同水平階規格的變化Fig.4 Effects of level terrace specificationon runoff and sediment yield under different rainfall intensities

產沙量從圖4可知,水平階可以削弱產沙能力。小雨強時,二階水平階的泥沙調控率在臺面寬度從1 m增加到2 m時,泥沙調控率分別從8.4%增加到68.8%,53%增加到82.3%；中、大雨強時,水平階臺面寬度在1 m時,二階水平階的產沙量比自然坡面分別高18.9%和21.0%,當臺面寬度為1.5 m時開始減少產沙,泥沙調控率分別從8.1%增加到21.7%,1.1%增加到12.7%。而三階水平階在不同臺面寬度時均可以減少產沙量,其調控范圍為1.7%—82.3%。

2.3 水平階不同單位臺寬的侵蝕調控效益對比

產沙量的變化與徑流相比較為復雜。由表5可知,在小雨強時,三階水平階不同臺寬的單位臺寬減沙量沒有明顯變化,而二階水平階在臺寬是1.5 m時單位臺寬減沙量達到最大值0.13 kg/m3；中雨強時,二階水平階在臺寬為1.5 m時開始起到攔截泥沙的作用,且在2 m臺寬時單位臺寬減沙量達到最大值0.14 kg/m3。三階水平階在臺面寬度1.5 m時,單位臺寬減沙量增加最大,增加1.9倍；大雨強時,二階水平階在2 m臺寬時的單位臺寬減沙量遠大于1.5 m臺寬的單位臺寬減沙量,而三階水平階臺面寬度是1 m時單位臺寬減沙量為0.02 kg/m3,隨著臺面寬度的增加,其效能逐漸體現,在臺寬2 m時單位臺寬減沙量達到最大值0.3 kg/m3。

表5 不同規格的水平階單位臺寬減沙量

3 討論

坡度是影響坡面土壤侵蝕的重要地形因子之一,其大小能夠決定徑流的沖刷與搬運能力[33]。Nassif和Wilson[34]進行模擬降雨試驗發現存在一個臨界坡度使得徑流量達到峰值后不隨坡度增加而變化。本研究通過WEPP模型模擬坡度與徑流的關系,也得到與之相似的結果,當坡度達到20°時,徑流量隨坡度增加無變化。原因從入滲特性角度分析,坡度與累積入滲量呈反比,當坡度較小時,入滲量隨坡度變化較大,當坡度較大時,入滲隨坡度變化不明顯[35]。有研究表明當坡度小于18°時,入滲量隨坡度變化較大,但當坡度大于18°后入滲量隨坡度的變化將不明顯[36]。土壤侵蝕隨坡度變化存在類似規律。Mccool等[37]發現存在轉折坡度,坡度超過一定限度時,侵蝕量反而隨坡度增大而減小。在此基礎上,Horton[38]從坡面流理論角度,通過曼寧公式得出坡度轉折角為57°。國內學者陳永宗[39]對黃土高原徑流小區研究發現臨界坡度是25°或者28°。由于理論推導只考慮徑流沖刷而忽略了雨滴擊濺對坡面的濺蝕作用,導致理論推導的臨界坡度普遍高于試驗值[40]。存在臨界坡度的原因可以從承雨面積角度解釋,將斜坡面積平均分配到水平投影上時,則單位面積上承受的雨量變小,單位面積沖刷量也相應減小,即坡度到達一定值時,坡度越大,侵蝕反而減小[41-42]。本研究通過WEPP模型模擬結果得到隨著坡度增加,土壤侵蝕量也在隨之增加,但當坡度大于20°時,土壤侵蝕量增長放緩,但仍呈增加趨勢。這可能是由于設計的坡度并未達到臨界坡度。

水平階對水文效應的影響除受到雨強等自然因素外,其自身結構也是影響水文過程的重要因素。景維杰[43]研究了不同間距水平階的保水效果發現水平階間距從4 m縮減到1 m,土壤含水量從11.8%增加到18%,說明水平階密度越大越能有效攔截地表徑流,增加土壤含水量。董莉等[44]、王建文等[45]在元謀干熱河谷區的徑流小區布設的水平階規格分別為：每隔3 m布設臺寬1 m的水平階和每隔0.8 m布設0.8 m的水平階,與對照(無水平階)相比,徑流攔截率分別為69.74%和33.68%,說明不僅水平階間距對水土流失有影響外,臺面寬度對其也有一定作用。本研究中,我們發現二階和三階水平階隨臺寬(1,1.5,2 m)增加對地表徑流調控率分別從6.5%增加到61.2%,從10.1%增加到69.7%,說明水平階的阻流作用表現為隨臺面寬度的增加其減流能力越大。但是,由于水平階的結構分為田坎和臺面,在單位坡長條件下,增加臺寬勢必會增加田坎坡度。田坎越陡峭,水分損失越嚴重,發生土壤侵蝕的可能性越大[46-47]。本研究應用WEPP模型模擬水平階對土壤侵蝕的影響是田坎與臺面共同作用的結果。本研究從臺面寬度減蝕效果發現：當雨強較大時, 二階水平階在1 m臺寬時的產沙量高于坡面小區,說明臺面寬度是1 m時水平階未起到減沙作用,因此在設計水平階規格時,考慮合理的臺面寬度是十分必要的。

水平階通過縮短坡長,增加雨水入滲來削弱土壤侵蝕。本研究通過分析單位臺面寬度的減蝕能力為水平階設計提供科學依據。模擬小雨強(0.5 mm/min)時,二階、三階水平階分別在臺寬1.5 m和1 m時,單位臺寬減沙量最大分別為0.13 kg/m3和0.12 kg/m3。隨著雨強變大,單位臺寬減沙量呈增加趨勢且存在一個臨界臺寬使得其變化倍數呈減小趨勢。說明單位臺寬減沙量存在臨界值。其原因可能是,在降雨一定情況下,有效臺寬范圍內可有效減少土壤侵蝕,當臺寬超過該范圍時可視為無效臺寬。類似地,李萍[48]在設計不同規格魚鱗坑時發現,如果設計的魚鱗坑面積過大,沒有足量雨水匯集,不但使土壤蒸散量有所增加,而且也增加了整地費用,同時地表破壞面積增大,增加了水蝕風險。因此在實際地形改造時,應合理考慮工程面積,面積過大或過小均不利于水保措施發揮作用。

4 結論

(1)基于WEPP模型模擬不同坡度的土壤侵蝕規律：徑流量和侵蝕量隨坡度增加而增加。坡度達到20°時,徑流量隨坡度增加保持穩定,產沙量增加趨勢漸緩。

(2)與坡面小區對比,二階和三階水平階隨臺寬增加對地表徑流調控率分別從6.5%增加到61.2%,從10.1%增加到69.7%；二階水平階在中(1.0 mm/min)、大(1.5 mm/min)雨強下,臺面寬度大于1.5 m時產沙量小于坡面,泥沙調控率從1.1%增加到68.8%,三階水平階泥沙調控率從1.4%增加到82.3%。

(3)單位臺寬減沙量可以作為優化臺面寬度的一個重要指標。以模擬的10 m坡長為例,小雨強(0.5 mm/min)時,二階和三階水平階的臺面寬度達到1.5 m和1 m時即可發揮優良的水土保持效益,其單位臺寬減沙量最大,分別為0.13 kg/m3和0.12 kg/m3；遭遇中雨強(1 mm/min)時,臺寬1.5 m的三階水平階效果最佳,其最大單位臺寬減沙量為0.17 kg/m3；大雨強(0.5 mm/min)時,臺寬2 m的三階水平階效益最好,其最大單位臺寬減沙量為0.30 kg/m3。