土壤侵蝕模型進(jìn)展

1、土壤侵蝕模型進(jìn)展摘要土壤侵蝕及其模型的研究,長(zhǎng)期以來一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。土壤侵蝕模型作為了解土壤侵蝕過程與強(qiáng)度,掌握土地資源發(fā)展動(dòng)態(tài),指導(dǎo)人們合理利用土地資源,管理和維持人類長(zhǎng)期生存環(huán)境的重要技術(shù)工具,受到世界各國(guó)的普遍重視;本文總結(jié)了中國(guó)土壤侵蝕模型的主要成果,對(duì)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、物理成因模型、國(guó)外模型在我國(guó)的應(yīng)用方面作了介紹;在總結(jié)和評(píng)價(jià)中國(guó)土壤侵蝕模型的基礎(chǔ)上,提出近年來,人們對(duì)土壤水蝕形成過程及其模擬進(jìn)行了廣泛研究,并針對(duì)不同研究對(duì)象與目的,建立了土壤水蝕的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型、物理過程模型和分布式模型。在對(duì)國(guó)內(nèi)外一些主要的土壤水蝕模型進(jìn)行評(píng)述的基礎(chǔ)上,討論土壤侵蝕模型研究與GIS技術(shù)和B

2、P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)結(jié)合土壤水蝕模型的開發(fā)和應(yīng)用情況,提出了土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究亟待解決的一些問題和我國(guó)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究的設(shè)想。文中概述了土壤侵蝕模型的發(fā)展歷程,分析了土壤侵蝕模型研究存在的問題,指出了未來的研究方向。關(guān)鍵詞土壤侵蝕模型研究進(jìn)展發(fā)展方向土壤侵蝕是指土壤或成土母質(zhì)在外力(水、風(fēng)作用下被破壞剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程。土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融或重力等外營(yíng)力作用下,被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程。廣泛應(yīng)用的“水土流失”一詞是指在水力作用下,土壤表層及其母質(zhì)被剝蝕、沖刷搬運(yùn)而流失的過程。土壤侵蝕是人們普遍關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一;土壤侵蝕預(yù)報(bào)是有效監(jiān)測(cè)水土流失和評(píng)估水

3、保措施效益的手段;侵蝕模型則是進(jìn)行土壤流失監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的重要工具。土壤侵蝕是導(dǎo)致土地資源退化乃致徹底破壞的主要原因,作為可持續(xù)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié),土壤侵蝕已成為惡化生態(tài)環(huán)境、制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素1。土壤侵蝕預(yù)報(bào)是有效監(jiān)測(cè)土壤侵蝕和評(píng)估水保措施效益的手段。土壤侵蝕模型則是進(jìn)行土壤流失監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的重要工具。土壤侵蝕模型的研究是土壤侵蝕學(xué)科的前沿領(lǐng)域和土壤侵蝕過程定量研究的有效手段。一個(gè)多世紀(jì)以來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者為土壤侵蝕模型的建立做了大量的工作。特別是近幾十年來,隨著遙感(RS和地理信息系統(tǒng)(GIS等相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展和土壤侵蝕機(jī)理研究的不斷積累,土壤侵蝕模型研究和模擬預(yù)報(bào)技術(shù)越來越受到人們的重視。但是

4、,到目前為止,有關(guān)土壤侵蝕的一些理論問題尚未能很好地解決,對(duì)侵蝕產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍不完全清楚,因此及時(shí)了解國(guó)際土壤侵蝕研究動(dòng)態(tài),并結(jié)合我國(guó)實(shí)際創(chuàng)造性地開展該領(lǐng)域的研究工作,具有重要意義。1、國(guó)內(nèi)土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯繝顩r根據(jù)建模研究對(duì)象的不同,土壤侵蝕模型又有坡面土壤侵蝕模型和流域土壤侵蝕模型之分;從土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的研究對(duì)象看,土壤侵蝕模型近些年來已經(jīng)從坡面土壤侵蝕模型向流域侵蝕產(chǎn)沙模型發(fā)展;由于坡面模型沒有考慮相鄰坡面、小區(qū)之間,坡面與溝道之間的徑流泥沙作用過程,將它外推到流域時(shí)有很大的局限性;流域是自然界中完整的降雨K侵蝕K產(chǎn)沙系統(tǒng),因而流域模型更符合實(shí)際情況;小區(qū)試驗(yàn)研究和坡面土壤侵蝕模型

5、研究和發(fā)展是流域侵蝕產(chǎn)沙模型的基礎(chǔ)。流域土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型又可分為集總式模型和分布式模型兩種。集總模型反映流域的總體平均或者平均行為。分布式模型則將流域劃分為若干網(wǎng)絡(luò)“通過對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的賦值來反映影響土壤侵蝕的各種因素在流域內(nèi)的差異”然后根據(jù)一系列反映侵蝕過程的運(yùn)算程序計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格的產(chǎn)流產(chǎn)沙“最后進(jìn)行合理歸并”從而達(dá)到比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)整個(gè)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的目的,分布式模型比集總式模型更能準(zhǔn)確地自然小流域的侵蝕狀況。我國(guó)學(xué)者在土壤侵蝕模型研究的各個(gè)層面上進(jìn)行了大量工作取得了很多成果。其中區(qū)域尺度研究的應(yīng)用更為廣泛。在小流域土壤侵蝕模型的研究方面,以對(duì)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)的統(tǒng)計(jì)模型中各因子的本地化研究較多。對(duì)基于過程

6、的物理模型系統(tǒng)研究較少,特別是適合我國(guó)國(guó)情的系統(tǒng)的過程模型更少。1.1中國(guó)土壤流失模型(Chinese Soil Loss Equation ,CS LE劉寶元等2以US LE為藍(lán)本,利用黃土丘陵溝壑區(qū)安塞、子洲、離石、延安等徑流小區(qū)的實(shí)測(cè)資料,建立了中國(guó)土壤流失預(yù)報(bào)方程:A = RK LSB ET。式中:A 為多年平均土壤流失量;R為降雨侵蝕力,計(jì)算公式為R = EI30 ;K為土壤可蝕性因子;S為坡度;L為坡長(zhǎng);B為水土保持生物措施因子;E為水土保持工程措施因子;T為水土保持耕作措施因子。該模型的主要優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)我國(guó)水土保持措施的實(shí)際情況,將US LE中的作物和水土保持措施變成生物(B、工程

7、(E和水土保持耕作措施(T因子,但是該模型與US LE類似,缺乏對(duì)物理過程的考慮,對(duì)陡坡地特有的淺溝侵蝕考慮不夠。1.2小流域宏觀產(chǎn)沙模型尹國(guó)康等認(rèn)為,氣象水文因素和包括人類活動(dòng)影響在內(nèi)的地表物理性質(zhì)因素,是控制土壤侵蝕的2個(gè)重要方面。因此,降雨和徑流、流域面積、流域地面溝壑密度、流域高差比、地面溝壑切割深度、流域植被與治理度、地面巖石抗蝕性等因素,是選擇指標(biāo)的主要對(duì)象,通過分析篩選和回歸計(jì)算3,提出小流域宏觀產(chǎn)沙模型:Msa/ Mwa = 31182 I0183式中:Msa為年產(chǎn)沙模數(shù);Mwa為年徑流模數(shù);I為流域地表綜合特性指標(biāo),I = R015h D012h Rp- 018Rs- 315

8、,式中Rh為流域高差比,Dh為地面崎嶇度,Rp為淤地壩等治理措施的有效面積與流域總面積之比,Rs為地面組成物質(zhì)的抗蝕性和滲透性。1.3未治理流域暴雨產(chǎn)沙預(yù)報(bào)模型江忠善1等根據(jù)陜北、晉西、隴東南黃土丘陵區(qū)溝道小流域?qū)崪y(cè)資料,建立了未治理流域的暴雨產(chǎn)沙預(yù)報(bào)模型:Ms = 0137M1115J KP式中:Ms為一次暴雨的流域產(chǎn)沙模數(shù);M為一次暴雨的洪量模數(shù);J為流域平均坡度; K為土壤可蝕性因子,以黃土中沙粒和粉粒占總量的比例表示;P為植被作用系數(shù)(作物被覆與裸露情況相對(duì)照的徑流小區(qū)侵蝕量比例。該模型能反映小流域動(dòng)力、地形、土壤、植被等因素對(duì)流域產(chǎn)沙的綜合影響,適用于黃土丘陵區(qū)沒有或者很少開展水土保

9、持工作的流域產(chǎn)沙計(jì)算;但由于沒有考慮水土保持因子,不能用于流域水土保持治理的減沙效益評(píng)價(jià)。2、國(guó)外土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯繝顩r2.1國(guó)際上水蝕預(yù)報(bào)模型的四個(gè)階段對(duì)土壤侵蝕模型國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量的研究4,國(guó)際上水蝕預(yù)報(bào)模型大體上經(jīng)過了四個(gè)階段:試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù),建立土壤侵蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)土壤侵蝕因子的概化,建立估算土壤流失統(tǒng)計(jì)模型;基于水蝕過程的研究成果,結(jié)合泥沙連續(xù)方程和數(shù)理方法,開發(fā)物理模型;基于物理模型的成果與GIS 結(jié)合,開發(fā)分布式水蝕預(yù)報(bào)模型;基于坡面和小流域水蝕預(yù)報(bào)模型的研究成果及遙感和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用,開發(fā)區(qū)域土壤侵蝕模型。2.2國(guó)內(nèi)外土壤侵蝕模型的發(fā)展過程國(guó)內(nèi)外土壤侵蝕模

10、型的發(fā)展過程5,可以大致劃分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、物理過程模型與分布式模型三個(gè)階段。這三個(gè)階段并沒有嚴(yán)格的時(shí)間上的區(qū)別。自從1877 年德國(guó)土壤學(xué)家Ewald Wollny 定量化研究土壤侵蝕開始,到20世紀(jì)60年代美國(guó)通用土壤流失方程U SL E (Universal Soil Loss Equation的建立,這一階段的研究基本上是經(jīng)驗(yàn)性的6。60年代以后,隨著侵蝕機(jī)理的發(fā)展12,逐步建立了一些有物理成因基礎(chǔ)、能模擬侵蝕物理過程的數(shù)學(xué)模型。但是,由于土壤侵蝕問題涉及面廣,侵蝕基本規(guī)律中有許多問題仍然不清楚,物理模型中仍然具有深刻的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的烙印,基本上都是將整個(gè)流域視為一個(gè)整體進(jìn)行研究的集總式模

11、型。90 年代以后,地理信息系統(tǒng)和遙感科學(xué)的發(fā)展及其在土壤侵蝕模型中的廣泛應(yīng)用,不僅可以將土壤侵蝕模型與GIS集成起來,方便預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)土壤侵蝕13。更為重要的是將土壤侵蝕模型由傳統(tǒng)的集總式發(fā)展到分布式高度。2.3土壤侵蝕的主要模型土壤侵蝕模型作為定量研究土壤侵蝕的有效工具,在深入研究土壤侵蝕過程和指導(dǎo)水土流失治理的實(shí)踐中發(fā)揮重要的作用7。因此,研究者在不同區(qū)域進(jìn)行了許多有益的探索,針對(duì)不同尺度建立一系列的土壤侵蝕模型,其中主要模型有USLE/RUSLE、CREAMS/ GLEAMS、WEPP/GeoWEPP、SEMWE、LISEM、AGNPS、ANSWERS、EUROSEM、CASC2D等。然而

12、由于土壤侵蝕過程的復(fù)雜性,在土壤侵蝕模型構(gòu)建過程中8,往往會(huì)存在很多問題。并且在已經(jīng)建立并應(yīng)用的模型中,也有許多需要進(jìn)一步完善的地方。對(duì)于目前土壤侵蝕模型總體上存在的問題進(jìn)行分析和明確,有助于推動(dòng)土壤侵蝕模型研究的深人;本文在國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,從模型的過程的模擬、時(shí)空變異、驗(yàn)證和不確定性幾方面系統(tǒng)總結(jié)了土壤侵蝕模型研究中的幾個(gè)問題9。3、土壤侵蝕模型發(fā)展的新動(dòng)態(tài)3.1基于GIS的土壤侵蝕模型1991 年,在荷蘭農(nóng)業(yè)部和地方政府的資助下,De Roo建立了LISEM(Limberg Soil Erosion Model模型10。LISEM模型較詳細(xì)地考慮了土壤侵蝕產(chǎn)沙的各個(gè)環(huán)節(jié),能較好地模

13、擬土壤侵蝕發(fā)生過程,并與GIS連接11。應(yīng)用GIS可以方便地進(jìn)行參數(shù)輸入,也可將模型的計(jì)算結(jié)果描述土壤侵蝕空間分布差異,同時(shí)用戶可用GIS模型中的數(shù)據(jù)分析工具14,根據(jù)所需目的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和查詢。這些優(yōu)點(diǎn)使得GIS與土壤侵蝕分布模型的結(jié)合,成為當(dāng)前侵蝕模型研究發(fā)展的一個(gè)重要方向。3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在土壤侵蝕模型中的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕預(yù)報(bào)中。尚金成等討論了多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)能以任意精度逼近非線性模型的能力,以及其自學(xué)習(xí)自適應(yīng)特性,對(duì)于水文系統(tǒng)的徑流預(yù)報(bào)進(jìn)行了探討15,提出了一種基于多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)徑流預(yù)報(bào)模型。張科利等通過實(shí)體模型的計(jì)算及結(jié)果

14、分析表明,作為一種方法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用來預(yù)報(bào)土壤流失是可行的。張小峰等應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本原理,以流域降水條件為基本因子,建立了流域產(chǎn)流產(chǎn)沙BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型,該模型能用于定量分析流域人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在土壤侵蝕中的應(yīng)用,為侵蝕產(chǎn)沙預(yù)報(bào)提供了一種新思路,但由于模型自身的特點(diǎn),很難考慮流域內(nèi)空間變化對(duì)產(chǎn)沙的影響。4、展望土壤侵蝕是復(fù)雜的人文和自然地理過程,既受自然因素影響,又受人類活動(dòng)的干擾,并且各種因素之間的交互影響錯(cuò)綜復(fù)雜,難以準(zhǔn)確把握。到目前為止,侵蝕產(chǎn)沙中的許多問題仍未能很好地解決,對(duì)侵蝕產(chǎn)沙基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不完全清楚,即使在物理成因模型中,仍存在大量依靠經(jīng)驗(yàn)手段

15、來加以確定的變量。所以,在物理成因模型方面,還需要進(jìn)一步注重侵蝕機(jī)理分析,尤其是以侵蝕因子為基礎(chǔ)的侵蝕預(yù)報(bào)要向侵蝕過程的量化研究和理論完善發(fā)展。從土壤侵蝕模型的研究現(xiàn)狀及存在問題來看,今后土壤侵蝕模型還應(yīng)在以下方面作重點(diǎn)研究。4.1土壤侵蝕模型的空間尺度轉(zhuǎn)換研究土壤侵蝕模型的研究主要在坡面到小流域尺度上展開,坡面是土壤侵蝕發(fā)生的策源地,影響侵蝕產(chǎn)沙和泥沙匯集的因素相對(duì)較為簡(jiǎn)單,對(duì)坡面侵蝕進(jìn)行模擬是流域模擬的基礎(chǔ)。小流域的土壤侵蝕自成一個(gè)完整的體系,土壤侵蝕不僅包括雨滴濺蝕、片蝕、細(xì)溝和淺溝侵蝕, 還包括重力侵蝕、潛蝕以及溝道侵蝕,但由于未參與河道過程,沒有包括侵蝕堆積和再侵蝕過程,與大中流域的

16、侵蝕產(chǎn)沙和輸移過程是不同的,不能簡(jiǎn)單地將坡面或小流域的研究成果直接在大中尺度流域應(yīng)用。因此不同尺度流域之間土壤侵蝕究竟有什么樣的內(nèi)在聯(lián)系,如何將坡面和小流域所獲得的研究成果應(yīng)用到大中流域,是土壤侵蝕模型研究迫切需要解決的問題。4.2新技術(shù)與土壤侵蝕模型結(jié)合的研究建立大中流域土壤侵蝕模型,提高模擬精度,必須解決模型輸入的空間分散性和不均勻性,并考慮不同單元的水沙形成及模擬參數(shù)的不同,而建立分布式模型是目前一條有效的途徑。3S技術(shù)在土壤侵蝕模型中的應(yīng)用為建立分布式土壤侵蝕模型提了有力的工具。在應(yīng)用中,RS和GPS向GIS提供或更新區(qū)域信息以及空間定位, GIS進(jìn)行相應(yīng)的空間分析,從而高效率高精度、

17、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行流域土壤侵蝕空間分析和過程模擬預(yù)測(cè),這樣使得與GIS結(jié)合的土壤侵蝕模型比傳統(tǒng)的土壤侵蝕模型具有更強(qiáng)大的生命力,成為當(dāng)前和今后土壤侵蝕模型研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1江忠善,宋文經(jīng).黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)小流域產(chǎn)沙量計(jì)算19802江忠善,王志強(qiáng),劉志.黃土丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕空間變化定量研究1996(023 江忠善, 王志強(qiáng), 劉志.應(yīng)用地理信息系統(tǒng)評(píng)價(jià)黃土丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕的研究J.水土保持研究, 1996, 3(2 : 84- 964 Zingg A W Degree and length of land slope as it affects soil loss in run off

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