水蝕預報模型WEPP的應用研究進展

雷 珊

(重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 401331)

1 引言

以往的通用流失方程是建立在經驗基礎上的預測模型，難以對單場降雨的土壤侵蝕過程、沉積位置、土壤侵蝕量等進行預測，因此模擬復雜斜坡的土壤侵蝕較為困難。為了克服缺陷，美國農業部農業研究局于1985年主持開發了新一代水蝕預報模型WEPP(Water Erosion Prediction Project)，用以取代通用流失方程[1]。目前土壤侵蝕預測模型的研究已經由統計模型發展到具有一定物理意義的過程模型，由坡面模型發展到流域模型，由集總式模型發展到分布式模型，由只能預測年侵蝕量發展到可以預測不同降雨、不同時段的侵蝕量以及土壤侵蝕的連續過程。自從水蝕預報模型WEPP研發以來，在國內外得到了快速的發展和應用。其主要用來模擬氣象變化 、植被變化、水土保持措施與耕作管理等引起的土壤侵蝕。

2 WEPP模型及原理

WEPP 模型是一個連續對土壤溝蝕、溝間侵蝕、泥沙運動機理進行模擬的物理模型,是一種基于侵蝕過程的模型。作為新一代的土壤侵蝕預測預報的模型,可以用它進行土壤侵蝕預測以及林地、草地、農田、牧場、城區等不同區域的根系層士壤水分、土壤水蝕、積雪的融化、植物生長以及、暴雨徑流等。該模型可根據每次降雨，確定地表狀況的最新系統參數,并對一天時間內的降雨及侵蝕過程進行模擬。現階段使用的WEPP模型主要有坡面版、流域版以及網格版，其中包括侵蝕模塊、水文過程模塊、植物生長模塊、天氣隨機生成模塊、殘留物分解模塊、土壤模塊、冬季過程模塊、灌溉模塊、地表徑流模塊等9個模塊。WEPP 模型建立在土壤學、植物學、氣候理論、滲透理論、水力學等學科基礎之上，并將各個方面都涵蓋其中，經過幾十年的發展，在全世界得到了廣泛應用[2，3]。

3 WEPP模型的應用研究進展

WEPP模型給水土保持治理、土壤侵蝕預測提供了新的技術工具，其建模思路同樣對土壤侵蝕科學研究提供了諸多借鑒。WEPP模型的研究總結起來主要有模型的適用性、土壤侵蝕預測、相關參數和侵蝕機理研究等。下面將從以下幾個方面介紹。

3.1 WEPP模型的適用性研究

WEPP模型是研究之初是根據美國國內的氣象、試驗數據建立起來的模型，對于模型具體參數值，則是根據具體統計得來，易受到地域的影響。因此，使用WEPP模型之前，須對WEPP模型的徑流量和土壤侵蝕量進行模擬預測，并驗證該地區的適用性[4]。

已有很多學者在不同地區、不同自然條件下對 WEPP 模型的適用性進行了大量的研究探索。景衛華[5]、幸定武[6]、賈立志[7]等利用WEPP模型，評價了WEPP模型在黃土高原坡面、流域、丘陵多級梯田的適用性情況，結果表明模型的模擬值與實測值的擬合度較高，對多年平均徑流量和侵蝕量的模擬效果可滿足要求，模型適用性較好。劉遠利[8]等認為WEPP模型對次降雨坡面徑流量的模擬效果較差,而對次降雨坡面土壤侵蝕量模擬效果較好，模型普遍適用于黑龍江省。葉俊道等[9]以準格爾旗西黑岱溝小流域為研究區，研究了WEPP模型在林地、草地和休閑地三種坡面土壤侵蝕過程模擬中的適用性，得出模型對研究區三種坡面的土壤侵蝕模擬結果較好。李慧敏[10]以下墊面為研究重心，評價了不同土地利用方式、不同水土保持措施、不同坡度下WEPP模型在安徽省徑流侵蝕研究中的適用性。朱韻嶠[11]利用WEPP 模型在紫色土區域水蝕模擬研究表明，對徑流量的預測遠比侵蝕量的預測合理，低坡度條件下模擬優于高坡度條件。 H.A. Gr?nsten[12]將WEPP模型運用于模擬徑流產沙事件，得出模型推薦的土壤侵蝕參數方程不適用于挪威的土壤，特別是不適用于以前平整的土壤。

WEPP 模型在受一定程度人類活動干擾地區的適用性也得到了研究。Benedictto[13]在西班牙西北部含礫石坡地運用4年監測試驗區模擬森林火災后牧場侵蝕，得出該模型可以預測具有類似特征的區域森林火災后牧場侵蝕。同時Linda等[14]在西班牙西北部收集各種數據進行模擬，結果表明WEPP是評估種植系統和管理措施對水量平衡和土壤侵蝕影響的有用工具。Han[15]在黃土高原上引入WEPP模型，分析表明在斜坡尺度的模擬值非常接近測量值。退耕還草后模擬的侵蝕趨勢比較準確，并得出WEPP模型可用于建立合理的植被恢復模型，指導黃土高原的植被恢復。YU[16]基于WEPP模型模擬了洛峪溝和盧爾溝流域的生態水文響應，探討了植被格局變化與沉積物之間的關系，以及流域產流量和產沙量的響應。韓鳳朋[17]利用觀測數據和模擬數據分別估算人工小區和天然小區的水土流失以及養分流失的狀況，分析得出WEPP 模型不僅可以用來模擬估算黃土高原坡面尺度的養分流失以及水土流失狀況，還能夠較好的模擬不同土壤類型、不同土地利用類型的侵蝕強度趨勢分布。

綜上可知，WEPP模型在不同地區、不同自然環境和適度人類活動干擾下的小流域地區適用性較好，能夠較為合理的預測徑流量和侵蝕產沙狀況，模型具有一定的適用性。

3.2 WEPP模型的相關參數和侵蝕機理研究

WEPP 模型在進行預測時會涉及到許多物理參數，且侵蝕過程的計算較為復雜。因此參數描述的準確性直接影響WEPP模型對徑流量和土壤侵蝕量的預測。當前國內外已有許多學者結合野外實測數據，對WEPP模型的土壤參數、氣象參數、地形參數和管理措施參數進行了大量的分析研究。

3.2.1 氣候參數

WEPP模型支持兩種氣候模型:CLGIEN和BPCDG。CLIGEN是基于美國境內7000多個氣象站的歷史氣象數據的基礎上，利用其統計特征，估計出口序列的開發的隨機性氣候模型。而對于一些氣象數據格式不兼容和缺乏歷史氣象數據的地區，大多選用斷點生成器BPCDG。Gr?nsten[12]認為模型需要改進冬季水文計算，特別是需要改善土壤霜凍發育和凍土滲透的計算。張光輝等[18]研究發現CLIGEN能較好地模擬相關氣象參數，但模擬得到的標準差普遍低于實際的標準差。史婉麗等[19]研究得出，CLIGEN能夠較好地模擬單個氣象因了，并且在選擇參考站點時應綜合考慮各個氣象因子。史志文[20]利用氣候模型模擬，表明了BPCDG在新疆天山西部的中山帶的適用性。王建勛[21]通過對CLIGEN4.3與CLIGEN5.2兩個版本比較得出，無論是基于CLIGEN4.3還是CLIGEN5.2氣候文件，WEPP模型對徑流量和土壤侵蝕量的模擬均偏高，且CLIGEN5.2的模擬結果均略優于CLIGEN4.3的模擬結果。林忠輝[22]選用1959～1999年黃河流域上中游地區15個氣象監測站降雨資料，對CLIGEN氣候模型在干旱、半干旱地區的降水能力進行了驗證?？婑Y遠[23]運用WEPP模型對單次降雨侵蝕進行預測，并利用氣候生成器CLLGEN或斷點生成器BPCDG并與相應的實測值比較。二者的預測效果都相達到顯著水平，但在模擬產流、產沙方面，使用氣候生成器CLIGEN的預測結果沒有BPCDG的好。

3.2.2 土壤參數

土壤參數對WEPP模型模擬的準確性至關重要，因此在分析與驗證模型之前，須對模型的土壤參數加以完善。WEPP模型的參數研究主要包括土壤參數的敏感性分析和土壤參數的率定過程。

對于土壤參數的敏感性分析，Bahram Saghafian[24]研究敏感性分析表明，有效水力傳導率和臨界剪切力是模擬沉積物產量最敏感的參數，而徑流對有效導水率最為敏感。蘇鋒[25]利用模型模擬紫色土休閑地單次降雨侵蝕事件時，認為土壤初始飽和度和有效水力傳導率是單場降雨徑流量引起誤差的主要原因。代華龍[26]應用WEPP模型評價紫色土的坡面水蝕時，提出了模型參數的估算方法，并利用野外徑流小區的產流、產沙的觀測資料，驗證WEPP模型預測水蝕的精度及其敏感性情況。

模型中土壤可蝕性參數的估計取決于細溝剝蝕率，張晴雯等[27，28]研究者根據通過理論分析模型中徑流含沙量和剝蝕率相關性擬合。分析得出，隨著細溝和淺溝坡底的距離呈指數關系，剝蝕率坡面與沉積量呈線性下降。結合REE示蹤法得出，細溝流凈剝蝕率隨著坡度和流量的增大而增大，隨著坡長迅速增大至最大值，然后逐漸減小。雷廷武等[29]在假定細溝徑流和土壤侵蝕沿細溝的行為相同條件下，提出了直接由試驗數據計算剝蝕率的方法，并進一步表達了細溝剝蝕率隨含沙量以及溝長變化的函數關系，實驗結果在15o、20o、25o時表現出很好的顯著性。Mirzaee[30]認為來自DEM和遙感數據可以顯著提高WEPP的可蝕性參數Kib和Krb等相關輔助變量的預測。繆馳遠等[31]通過比較通用土壤流失方程USLE中的K因子與WEPP模型中的Ki和Kr因子的聯系，得出USLE中的k因子與WEPP模型中的Ki, Kr因子之間的相關性并不明顯。 Romero[32]用WEPP模型對細溝可蝕性Kr和細溝間可蝕性參數Ki與其他模型進行了對比得出，Kr的實測值范圍為:0.3～14×10-3sm-1，Ki的實測值范圍為:1.9～56×105kgsm-4。Mahmoodabadi等[33]在水流動力理論上，提出了修改細溝間侵蝕性參數的公式和估算基準細溝間侵蝕(Kib)和調整細溝間侵蝕(Kiadj)兩個回歸方程，將WEPP模型的納什有效性提升到0.9。

3.2.3 地形參數

在坡度上，劉淑燕等[34]分析坡度因子與土壤侵蝕量的關系時表明，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量與坡度呈冪函數遞增關系。王建勛等[35]研究發現徑流量的模擬值在10°、15°、20°、25°和28° 5個坡度條件下，WEPP模型對次降雨、年平均和多年平均土壤侵蝕量模擬效果較好。劉遠利等[36]認為WEPP模型對坡度變化反應敏感。代華龍等[37]研究表明多數情況下模型預報值較為合理,低坡度坡面上有高估現象,高坡度坡面上有低估現象。在坡長上，王建勛[38]通過不同坡長條件得出，WEPP模型對對次降雨和年平均土壤侵蝕量模擬結果高于次降雨、年平均和多年平均徑流量的模擬。無論是模擬值在不同坡長之間的差值，還是模擬值隨坡長變化趨勢均接近實測值。嚴冬春等[39]表明在低坡度的土壤侵蝕模擬中, 年降雨侵蝕量的模擬誤差小，實測值與模擬值相差不大。歌麗巴[40]通過選取坡長因素對模型影響性分析結果顯示，徑流量實測值和模擬值隨著坡長的増加而減少,侵蝕量實測值和模擬值都隨著坡長的增加而增加。

3.2.4 管理措施參數

WEPP模型中作物管理參數因子較為復雜，并且需要考慮的因素眾多。該參數主要是根據實際當地實際的耕作方式、耕作時間、作物類別等來確定,包括很多耕作和作物生長等方面的詳細資料。

馬浩等[41]利用WEPP模型的作物生長模塊對陳家灣小流域的作物及植被生長狀況進行模擬，并與實測植被高度、覆蓋度以及葉面積指數進行對比研究，結果表明:WEPP模型作物生長模塊對作物高度模擬精度較高，能夠較好的預測植被蓋度、葉面積變化趨勢，但模擬結果相對偏高，同時發現WEPP模型作物生長模塊不適合模擬林地下層的灌草植被的蓋度。王樹軍等[42]通過利用WEPP模型,對小流域常規耕作和免耕條件下的地表徑流和產沙量進行預測，研究表明WEPP模型可以很好的評價土壤含水量、作物產量以及免耕小流域的地上生物量，并且預測得到的蒸散量值與根據水量平衡原理計算得到的數值相一致。但兩個小流域的年徑流量和年侵蝕量模擬值與實際值相比均偏低。常規耕作和免耕小流域分別只有0.3%和0.03%的降雨量以徑流形式輸出。

3.3 利用WEPP模型進行土壤侵蝕預測研究

陳曉燕[43]在四川盆地進行土壤侵蝕預測得出，次降雨相對誤差在30%以內的占總樣本86%以上；對年降雨相對誤差均在15%以內。模型對長時間尺度的土壤侵蝕預測更為準確。代華龍[44]運用 WEPP 模型得出，低坡度坡面上預測值高于實際觀測值 ,高坡度坡面上預測值低于實際觀測值。而且模型還可估算土壤侵蝕的時空分布及全坡面或坡面任意一點的凈土壤流失量及隨時間的變化。莫春華等[45]運用WEPP模型模擬濕地系統得出了模型對氣象資料、徑流量和排水流量的模擬均實際相符，并得出具體侵蝕狀況。Mengistu[46]馬拉河流域尺度模擬結果表明，輸沙量和徑流量因坡度、土地利用和土壤類型而不同。耕地平均模擬侵蝕量約為120t/ha/年，最低模擬的侵蝕速率在灌木林地和草地上。美國學者 J.D.Williams等[47]采用 WEPP模型預測俄勒岡州東北部旱地小流域常規耕作和免耕下的地表徑流和產沙量。劉世梁[48]針對典型丘陵區土地整理項目，模擬不同坡地梯田改造后土壤流失量和產沙量的長期變化，及土地利用和耕作措施的影響。周歡等[49]在螞蟻河流域的侵蝕狀況進行定量研究，得到近30年來螞蟻河流域的土壤侵蝕分布狀況結果顯示，該研究區的平均侵蝕模數范圍為0～1020 t/(km2·a)，屬于微度和輕度侵蝕。Bahram Saghafian[50]WEPP是根據測量的降雨—徑流—沉積物數據進行模擬預測得出，WEPP模型充分模擬了徑流和沉積物產量值。余長洪[51]通過 WEPP 模型模擬了水平梯田多種設計方案的土壤流失量，結果表明:梯田建設后土壤流失量降低了88.5%～92.1%。任艷[52]將WEPP模型運用于生態建設項目造成水土流失，綜合分析折線型和臺階型兩種堆土方式，通過分析可以得出，堆土場土壤侵蝕最小的堆土坡度組合為α1=40°，α2=26°。

4 WEEP模型應用中存在的問題及未來發展方向

土地利用、植被、氣候在世界各地，甚至是中國境內的不同地區或是省份，由于地形地貌、土壤、地表水文、水土保持措施等復雜多樣，地區間存在較大差異性，因此WEPP模型在運用過程中就存在著諸多問題。

(1)喀斯特地區巖石裸露率高、巖溶發育，呈現出地表和地下的“二元結構”，對于這種類型的區域，WEPP模型模擬的數值就出現了很大差異。因此對于這些喀斯特區域，無土可流、土壤侵蝕量小的地區，調整出最佳的模型參數是下一步研究得重點。

(2)到目前為止，WEPP模型并沒有考慮風蝕和由重力引起的坍塌的情況，不合適用于有永久溝道區域。

(3)利用GIS技術作為中間接口技術可以與RS、GPS采集的數據進行整合，用以評價流域水土流失情況。重視基礎數據的收集、共享以及數據標準化等基礎性工作。加強基礎實驗設施的建設、實驗數據的收集和共享。在不同條件下，利用WEPP模型對徑流量和土壤侵蝕量進行模擬，研究適合國內使用的土壤侵蝕預報模型。