土壤侵蝕模型在黃土高原水土保持實踐中的應用研究

韓 波

（藍田縣水利水保工作站，陜西 藍田 710500）

土壤侵蝕是世界上嚴重的環境和土地退化問題之一。近些年來，隨著全球環境問題的逐漸加劇，我國加強了對土壤侵蝕問題的重視。減少水土流失，做好水土保持工作，對經濟以及環境的發展，都具有重要意義，且具有一定的社會價值。土壤侵蝕預報是有效監測水土流失和評估水保措施效益的手段，土壤侵蝕模型則是進行土壤流失監測和預報的重要工具，具有較高的應用價值。

1 土壤侵蝕模型

土壤侵蝕模型指的是對土壤侵蝕情況進行分析與研究的模型，從19世紀開始，便已被應用于土壤侵蝕的研究過程中。但是在應用的最初階段，這一模型僅限于對土壤表面情況進行觀察，并對水土情況進行定性描述。隨著相關技術發展水平的提高，進入到20世紀30年代后，對這一模型的應用逐漸成熟，開始能通過力圖的方式，呈現侵蝕報告[1]。計算機技術興起并普及后，土壤侵蝕模型的應用效果得到了前所未有的改善，模型開始從集總式向分布式過渡，用于評價水土保持的結果，呈現方式也體現出了多元化的特點。因此，我國環境領域開始高頻率應用這一模型，為環境問題的解決奠定基礎。

2 土壤侵蝕模型在水土保持實踐中的應用

2.1 調查區域土壤侵蝕情況

土壤侵蝕模型在水土保持實踐中的應用價值之一，便在于調查區域土壤的侵蝕情況。1934年“黑風暴”的產生，受到了世界各國的廣泛關注，各國均加強了對土壤侵蝕問題的重視，首次對土壤侵蝕的調查逐漸展開。隨著研究逐漸深入，環境領域借助土壤侵蝕模型而制定的區域土壤侵蝕報告，也逐漸出現在公眾的視野中。據報道，1982—2007年間土壤侵蝕量減少了43%，而水蝕模數從1982年的896.7t/（km2·a）降到了2007年的605.3t/（km2·a），風蝕模數從739.8t/（km2·a）降到了470.8t/（km2·a）[2]。其中可以看出，將土壤侵蝕模型應用到區域土壤侵蝕調查中，可以有效判斷出當地土壤侵蝕的發展狀況以及脈絡。

2.2 分析水土保持環境效益

將土壤侵蝕模型應用到水土保持中，同樣能實現對水土保持環境效益的分析。水土保持評價過程中，常見的評價內容包括耕地、草地、濕地與野生動植物棲息地。上述四種評價內容之中，應用土壤侵蝕模型，能判斷出耕地的面積變化特征、草地是否存在退化、解濕地面積是否增加以及野生動植物棲息地面積是否足夠等問題。為了達到上述目的，在應用模型的過程中，需要首先以NRI草地抽樣點數據作為基準，建立模型數據庫，然后利用草地土壤侵蝕模型RHEM模擬當地水土保持情況，最終通過模擬結果分析水土保持可能產生的環境效益[3]。

3 土壤侵蝕模型在黃土高原水土保持實踐中的應用

3.1 水土遷移過程

影響黃土高原水土保持情況的因素，包括水力侵蝕與重力侵蝕兩種，具體表現包括受降雨、河流徑流、受重力影響出現的土壤剝離以及土壤沉積等。在上述因素的共同作用下，水土極容易發生遷移。在黃土高原坡面上，導致水土流失發生的原因，以降雨滲透為主。調查顯示，近些年來黃土高原的坡長逐漸增加，同樣與降雨所導致的土壤遷移存在聯系。常見的重力侵蝕主要包括滑坡、崩塌等形式。滑坡與崩塌的發生，與當地土體的結構存在一定的聯系。因此，了解遷移過程，對解決黃土高原水土流失問題，提高水土保持水平，具有重要價值。

3.2 模型的建立

（1）模型類型。采用土壤侵蝕模型對黃土高原水土保持情況進行分析前，需要建立模型。

該模型一般可以分為經驗統計模型與物理成因模型：經驗統計模型是通過試驗觀測資料和數理統計技術，選定影響土壤侵蝕的相關因素，得出計算土壤流失量的方程式；物理成因模型以土壤侵蝕的物理過程為基礎，利用水文學、水力學、土壤學、河流泥沙動力學以及其他相關學科的基本原理，根據已知降雨、徑流條件來描述土壤侵蝕產沙過程，從而預報在給定時段內的土壤侵蝕量[4]。

兩者之中，前者又被稱之為“黑箱”或“灰箱”模型，要求工作人員在整理過去當地水土流失數據的基礎上，建立相應的模型以及計算公式，最終制定出模型，為當前的水土保持情況提供參考。后者強調對區域當地水土流失的過程進行模擬。需要注意的是，經驗統計模型經驗公式結構簡單、計算方便，且在制定公式使用資料范圍內具有可靠的精度，但是模型被移植到其他區域使用及向建模條件外延時，模型精度難以控制，模型的實用性容易受到影響。物理成因模型的建立難度較高，模型參數的確定，對精準度的要求同樣較高。

（2）模型結構。本次研究主要從集總式和分布式兩種結構型式來分析土壤侵蝕模型：集總式模型是將流域系統作為整體來考慮，用一系列的參數反映全流域的各種下墊面條件和水流泥沙物理過程；分布式模型是將流域系統劃分為若干個相對均勻的單元流域，每個單元上都有反映下墊面條件和水流泥沙過程的參數，分塊分過程模擬，最后集成。兩種結構之中，應用前者時需要首先確定水土流失的影響因子（通常情況下，該因子為確定值，一般以土壤屬性以及地形等為主）。根據黃土高原空間的不同，這一因子同樣存在差異，因此影響因子具有不確定的特點。應用分布式結構時，需要將黃土高原分為多個不同的單元，以單元為單位，對模型進行運行。兩種結構相比，前者參數多，結構復雜，后者靈活性大，適應性強。

（3）模型尺度。不同的土壤侵蝕模型，適用性不同。通常情況下，如果黃土高原待評定水土保持情況這一區域的空間尺度已經確定，且評定時間也已確定，則模型的選擇會存在較大的限制。在選擇模型尺度時，可以在空間尺度上將其劃分為坡面、小流域和區域三個不同層次。此外，還可以以評價時間作為依據，將其分為次、日、季、年等模型。選擇模型尺度時，需要堅持便利性原則。簡言之，需要保證此尺度能夠最有利于快速獲取區域水土保持評定結果。

3.3 模型的選取

目前，應用于評價黃土高原水土保持情況的土壤侵蝕模型有30余種[5]，不同的模型，其類型、尺度以及結構都存在差異。以A代表經驗統計模型，B代表物理成因模型，C代表集總式模型，D代表分布式模型，則不同土壤侵蝕模型的特征差異詳見表1。

表1 不同土壤侵蝕模型的特征差異

3.4 模型的評估

在了解各項模型的特點后，需要根據黃土高原待評價空間的不同，選取模型。此外，還需要根據相應標準，在嚴格控制精確度的基礎上，描述土壤侵蝕的過程。除考慮上述因素的外，還需要保證模型應用最為便利，且能最準確地還原區域的土壤侵蝕情況。另外，模型評估的過程中，還需要充分利用情景分析能力，對當地的氣候變化、土地情況以及水土保持情況的影響進行分析，如此方可得出比較可靠的評價結果。

3.5 分析與建議

朱元駿、賈小旭和邵明安[6]量化并估算了黃土厚度及空間分布，為土壤侵蝕模型在黃土高原水土保持實踐中的應用奠定了基礎。基于土壤侵蝕模型的黃土高原水土保持分析結果見圖1。

圖1 基于土壤侵蝕模型的黃土高原水土保持分析結果

黃土高原上不同區域的黃土厚度存在較大的差異：黃土厚度小的區域，主要靠近平原邊緣，判斷可能與坡面出口徑流侵蝕等因素有關；黃土厚度大的區域，則一般存在植被。由此可見，為解決黃土高原水土流失的問題，需要積極落實植樹造林種草工作。

4 結論

文章對土壤侵蝕模型在水土保持實踐中的應用研究，能為水土流失治理提供指導，有助于減輕土壤侵蝕問題，改善自然環境。在未來，以黃土高原為例的各個存在水土流失問題的區域，均應積極借助土壤侵蝕模型，對當地的水土保持現狀進行分析研究，并依據結果制定有針對性的應對策略及治理措施，為水土保持治理奠定基礎。