流域土壤侵蚀模型探讨

流域土壤侵蚀模型探讨
土壤侵蚀预测模型（方程）可以定量的反映土壤侵蚀各影响因素与土壤侵蚀强度之间的关系，在土壤侵蚀调查与水土保持规划治理中有着重要的作用。自美国20世纪50年代著名的通用土壤流失方程（USLE）发布以来，土壤侵蚀预测模型研究日新月异。目前土壤侵蚀预测模型的研究已经由统计模型发展到具有一定物理意义的过程模型，由坡面模型发展到流域模型，由集总式模型发展到分布式模型，由只能预测年侵蚀量发展到可以预测不同降雨、不同时段的侵蚀量以及土壤侵蚀的连续过程，除传统的USLE以外，RUSLE、WEPP、AGNPS、EUROSEM、LISM等新的土壤侵蚀模型不断出现。而流域土壤侵蚀模型则是当前土壤模型研究的热点问题之一。

我国流域土壤侵蚀模型的研究发轫于20世纪80年代初期。当时水利、水保、农业、林业等部门以及社会各界对水土保持工作的目的和意义，水土保持在江河治理特别是治黄工作中的地位等问题存在着不同的认识。一些水土保持工作者为了论证水土保持减沙作用对治黄的意义，通过黄土高原地区丰富的径流、泥沙观测资料，通过统计学方法建立了不同级别不同支流天然情况下降水和水土流失量的数量关系，以确定水土保持减沙效益在黄河流域减沙量中的份额，论证水土保持在治黄中的意义，在此基础上，逐渐考虑流域条件和治理措施因素，逐渐形成了可以预测流域某一段面出泥沙输出量的侵蚀模型。
集总式统计模型是我国流域土壤侵蚀模型的特色。目前研究主要集中在水土流失最为严重的黄土高原地。

北美、西欧、澳洲等西方发达国家对流域土壤侵蚀模型的研究则出于另外的目的，即所谓的BMP（最佳管理措施）问题。二战以后，随着现代农业的发展，西方发达国家相继解决了粮食问题，但由于现代化学农业的发展，水土流失以及相伴而生的非点源污染问题日渐突出。由于事关财政补贴和农场利润，因此不论政府还是农场主都非常希望确定土壤侵蚀及非点源污染物在流域或农场中的分布情况，以便合理布置治理措施，以最小的投资达到控制水土流失和保护水质的目的。目前常用的分布式小流域土壤侵蚀模型主要有：WEPP、AGNPS、ANSWERS、LISEM等。
分布式小流域土壤侵蚀模型结构和的机理主要有以下两种：一种是以传统的坡面模型为基础，通过GIS软件确定计算单元，输入数据和输出结果，土壤侵蚀模型和GIS系统是共同的界面(即ASCⅡ环境)下相对独立两个运行系统，通过数据链连接起来；另一种是所谓的“捆绑式连接”，即直接将GIS算法和语言嵌入到土壤侵蚀预报模型中。
小流域分布式土壤侵蚀模型可以以坡面或预测单元。任何一个流域都可以划分出一条沟道和三个坡面，即沟道左右岸坡面和沟头坡面，在坡面自然地理、植被和经营管理因子一致或相似的情况下，每一个坡面都可以看作内部相对一致的侵蚀预测单元。从可以识别的沟道开始，将每条沟道作为一个坡面—沟道体系，由最高级别的小流域逐级汇总，就可以得到整个流域的土壤侵蚀预报框架体系。GIS技术的发展使土壤侵蚀模型由传统的坡面模型实现了向流域模型的转变，GIS是一种非常有效的空间数据分析和统计系统，具有极强的空间信息处理能力，可以反映与土壤侵蚀有关的诸因素的空间的分异规律，提供模型所需的参数以及基本数据。在GIS环境下，ArcView等软件可以识别的沟道和分水线，将全流域划分成一定级别和数量的次级流域。每个小流域都可以划分出三个坡面和一条沟道的，从而确定了土壤侵蚀预报的基本单元。GIS软件可以提供计算单元面积、坡度、土壤、植被等信息，实现了坡面土壤侵蚀模型在流域范围内的应用。在运行结果的输出过程中，GIS软件还可以以图像的形式，直观地反映土壤侵蚀强度在流域的空间分布和泥沙沿沟道输移和沉积的情况。
目前采用这种方法进行流域土壤侵蚀预报的模型主要有流域版WEPP，AGNPS、ANSWERS等非点源污染模型，上述模型在与GIS输出入过程原理基本上是一致的，但AGNPS和ANEWERS采用的土壤侵蚀预测工具是USLE的修正形式RUSLE，而流域版WEPP则采用著名的过程模型WEPP预测坡面土壤侵蚀数量和分布情况。
利用DEM数字高程地图，可以直接将GIS算法和语言嵌入到土壤侵蚀预报模型中，实现土壤侵蚀模型和GIS技术的高度融合。在GIS数据库当中，每一个GIS信息栅格都是一个内部信息比较一致的地理信息单元，可以为土壤侵蚀预报提供坡度、土壤、植被、管理等必要信息，可以看作是一个土壤侵蚀的模拟单元。随着DEM数字高程地图技术的成熟，GIS算法可以计算出每一个GIS信息栅格与周围栅格的空间矢量关系。按照相邻栅格间坡度最大的关系，确定流域径流、泥沙输移路径。因此，从由GIS系统给出的构成沟道的栅格出发，就可以建立达于全流域任何一个计算单元的土壤侵蚀预测体系，从而建立与GIS技术完全融合的分布式小流域土壤侵蚀预测模型。
土壤侵蚀预报可以通过水沙连续方程进行。径流冲刷是土壤的基础，而径流的形成包括产流和汇流两个组成部分。产流与降雨和入渗是同一个过程，在GIS环境下，根据降水量在流域内的分布情况和分布式土壤水分入渗方程，可以获得流域内不同的区的产流强度，为以后的汇流计算打下基础。汇流包括坡面汇流和沟道汇流两个阶段，均可以用以采用圣．维南（Saint-Venant）方程描述，圣．维南（Saint-Venant）方程组包括连续方程和水力学方程。其中连续方程为：
dQ/dt+dA/dx=R
式中，Q为水流流量，A为水流横断面积，t为产流时间，x为横断面位置，R为单位时间汇入水流的净雨量。水力学方程可以简写为谢才—曼宁公式的形式。
圣．维南（Saint-Venant）方程组通过运动波法可以取得其数值解，从而可以确定降雨过程中流域内任何一点的径流强度与侵蚀力。
坡面侵蚀一般包括细沟侵蚀和细沟间侵蚀，同时认为细沟不仅是侵蚀发育的具体过程，也是坡面径流、泥沙输移的通道，从而建立了坡面侵蚀的连续方程：
dG/dx=Df+Di
式中，dG/dx为预报坡面x(距坡顶距离)处的土壤侵蚀速率（侵蚀模数），Df为该处细沟侵蚀速率，Di为该处细沟间侵蚀速率。
著名的过程模型WEPP认为：
Df=Kr(τf-τc)(1-G/Tc)
Di=KiadjIeσirSDRRRFnozzte(Rs/w)
式中，Kr为细沟土壤抗蚀性指标，即单位径流侵蚀的土壤量；τf 为细沟径流侵蚀力，τc为发生细沟临界侵蚀力；1-G/Tc为土壤输移比，G为径流携沙量，Tc为径流携沙能力（最大携沙量），如果G≥Tc，则不发生侵蚀。Kiadj为细沟间土壤抗蚀性，Ie指有效（可蚀性）降雨量，σir指可蚀性降水的产流率，SDRRR系细沟间侵蚀的泥沙输移比，Fnozzte是和灌溉有关的校正系数，Rs/w为细沟间宽度与细沟宽度之比。
而沟道侵蚀过程方程可以表示为：
dG/dx=DL+DF
式，G系总输沙量(kgs-1m-1)；x系距沟头的距离；D系由坡面或水池进入沟道的泥沙(kgs-1m-2)；DF系剥蚀或沉积的泥沙(kgs-1m-2)
目前国际上应用DEM原理的全GIS流域土壤侵蚀模型主要有欧洲的LISM，美国著名的WEPP模型也开发了基于DEM技术的版本。
分布式流域模型是我国今后土壤侵蚀模型研究的主要方向。但是与我国相比，欧美国家地形相对简单和均匀，同时由于是大农场生产，坡面植被和管理措施一致性较高，坡面可以看作内部均质土壤侵蚀预报的单元。而我国地形远较欧美复杂，特别是在一家一户的小农经营下，坡面植被和管理异质性较大，因此除了东北波状平原和漫岗丘陵等少数地区外，我国多数地区以坡面为计算单元进行农田土壤预报存在着较大的困难。开发基于GIS和DEM技术的分布式土壤侵蚀预报模型可能是更加可行的研究方向，但即使是通过DEM数字高程地图，由于我国很多地区地形极端崎岖复杂，特别是梯田等人工地形的影响，以及农业生产经营活动的多样性和复杂性，一旦GIS栅格的尺寸较大，栅格内部也不一定均质，DEM模型可能与实际情况存在较大的差异，从而影响了流域土壤侵蚀预报的准确性。这些问题需在今后的研究中考虑和解决。