基于eoq模型的三峽庫區(qū)坡坡面侵蝕預(yù)測(cè)研究

基于eoq模型的三峽庫區(qū)坡坡面侵蝕預(yù)測(cè)研究

由于中國(guó)人口眾多，耕地總面積有限，坡度大于20度的陡坡上的廣泛使用。黃秉維先生指出:“華南特殊氣候條件下坡地土壤貧瘠,植被破壞后,強(qiáng)烈的土壤侵蝕又進(jìn)一步使土壤惡化,而侵蝕產(chǎn)生的土石湮沒農(nóng)田、淤積水庫、阻塞河流和港口、影響航行、加劇水災(zāi),為害甚大。不適當(dāng)?shù)亩钙碌乩貌坏匀簧a(chǎn)潛力日益衰落,甚至山區(qū)與丘陵區(qū)中面積有限的平原亦將蒙受不同程度的影響?！彼瑫r(shí)指出:“只有適當(dāng)利用坡地,治貧才會(huì)有廣闊的門路,這是大多數(shù)山區(qū)丘陵區(qū)不應(yīng)忽略的關(guān)鍵?！痹S多研究表明,如果合理應(yīng)用如修建石坎梯田,種植等高植物籬以及恢復(fù)地表植被等一些保護(hù)措施來控制土壤侵蝕,一些陡坡地仍然可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。三峽水庫的修建,就地后靠的移民安置政策必然導(dǎo)致大量坡地的開墾。因此,有效評(píng)估土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)測(cè)徑流和侵蝕速率及選擇合理的水土保持措施在該地區(qū)顯得非常必要。傳統(tǒng)的基于對(duì)降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地貌和土地利用的評(píng)分系統(tǒng)在土壤侵蝕的空間分布方面提供了很好的信息,但對(duì)次降雨土壤侵蝕速率則很難進(jìn)行高精度的有效評(píng)估;同樣,已有的預(yù)測(cè)方法無法給水土保持措施的設(shè)計(jì)及評(píng)估提供直接的有效信息;這些缺陷只能通過侵蝕模型預(yù)測(cè)和侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相結(jié)合來克服。三峽庫區(qū)每年大部分的土壤侵蝕往往產(chǎn)生在兩三場(chǎng)特大暴雨中,當(dāng)前國(guó)際上發(fā)展的許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如USLE和RUSLE,以及一些過程模型如GUEST、WEPP和ANSWERS,從這些模型建立的機(jī)理及考慮的侵蝕過程來看,對(duì)坡度大、次降雨侵蝕強(qiáng)度大的地區(qū)并不完全適用,對(duì)于三峽地區(qū)而言基于次降雨的模型更為理想。歐洲土壤侵蝕模型(EUROSEM)通過對(duì)土壤侵蝕過程的物理描述,并以分鐘為時(shí)段模擬次降雨條件下地塊或小流域侵蝕過程,并在許多國(guó)家被成功推廣應(yīng)用。本研究的主要目的是以人工模擬降雨資料為基礎(chǔ),評(píng)估EUROSEM模型在三峽庫區(qū)陡坡地中的侵蝕狀況模擬效果。1材料和方法1.1研究區(qū)環(huán)境和植物籬生長(zhǎng)情況研究區(qū)位于長(zhǎng)江上游支流吒溪河的二級(jí)支流王家橋小流域,距秭歸縣城舊址約14km,流域內(nèi)平均海拔200～300m,屬低山丘陵地貌;氣候?qū)僦衼啛釒夂?年均溫18.0℃,平均年降水量1013.1mm;母巖為侏羅系上統(tǒng)的蓬萊鎮(zhèn)組,以紫色砂巖和頁巖為主,夾少量泥巖;土壤為中性、石灰性紫色土。試驗(yàn)小區(qū)有4種處理:坡荒地、坡耕地、植物籬和施肥植物籬,本研究涉及6個(gè)小區(qū)(表1)。小區(qū)始建于1993年,坡向東南,為不同培肥措施對(duì)植物籬-農(nóng)作系統(tǒng)中碳和養(yǎng)分含量影響的實(shí)驗(yàn)地。植物籬品種均為香根草。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)坡度均為25°,水平投影長(zhǎng)度10m、寬2m,植物籬處理等高定植了三帶香根草(Vetiveriazizanioides,屬禾本科巖蘭草屬)植物籬,夏季植物籬定高剪裁并橫置籬前,坡面間距3m;每帶兩行,行距20cm,株距20cm,籬帶間種植黃豆(每年5月至次年10月)和冬小麥(每年11月至次年5月)。施肥植物籬面施尿素0.75kg、過磷酸鈣1.5kg,于6月播種時(shí)施作基肥,而坡耕地和植物籬小區(qū)無施肥處理。1.2降雨強(qiáng)度及降雨過程模型野外人工模擬降雨試驗(yàn)采用立式模擬降雨器,降雨器噴頭采用美國(guó)生產(chǎn)的SPRACO噴頭,水以一定的初速度從噴嘴落下。當(dāng)供水壓力為67kPa時(shí),用面粉球測(cè)定雨滴大小分布范圍在0.35～5.35mm,中數(shù)直徑為2.40mm。當(dāng)雨滴初速度大于3m/s、最初噴出方向于垂直方向最大偏角為60°時(shí),可計(jì)算得到大多數(shù)雨滴可達(dá)到其末速度。在1.2mm/min的雨強(qiáng)下2m×2.5m2的實(shí)驗(yàn)小區(qū)內(nèi)降雨總動(dòng)能為0.57j/m2.s,相當(dāng)于天然降雨的90%,降雨均勻度可達(dá)89.7%。不同降雨強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)水壓控制器得到。降雨試驗(yàn)過程中集水口產(chǎn)流后,每3分鐘取一次水沙樣,測(cè)一次徑流量,連續(xù)三次測(cè)得相近的徑流量,即認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定入滲,停止降雨。每次降雨后,測(cè)集水池中水位,并取水沙樣。然后將水沙樣過濾、風(fēng)干,再烘干(100～110°C,8小時(shí))、稱重。最后計(jì)算含沙量、徑流量和侵蝕量。EUROSEM模型屬于動(dòng)態(tài)分布式模型,可以在單獨(dú)地塊或小流域中預(yù)測(cè)水力侵蝕強(qiáng)度。該模型基于對(duì)土壤侵蝕過程的物理描述,并在1min的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行。它主要涉及植物對(duì)降雨的截留、到達(dá)地表的降雨總量和動(dòng)能、莖干流總量、由雨滴打擊和徑流沖刷引起的土壤分散量、泥沙沉積和徑流搬運(yùn)能力。模型需要降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)來計(jì)算雨強(qiáng)及降雨總量。在模型計(jì)算流程中,降雨首先被植物冠層截留,然后分為穿透雨、葉流和莖流,在分別計(jì)算它們的動(dòng)能后,再計(jì)算土壤濺蝕分離量,然后計(jì)算入滲,在減去地表填凹容量后,用動(dòng)能波方程模擬地表徑流線路,并對(duì)徑流和地表之間的土壤顆粒交換進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)模擬。模型正確地模擬了細(xì)溝流和細(xì)溝間流,并用產(chǎn)沙量(sedimentdischarge)來表示土壤流失,其定義是空間某點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生給定數(shù)量的泥沙所需要的徑流量和徑流含沙量。當(dāng)在流域尺度內(nèi)運(yùn)行時(shí),模型將流域分為有相應(yīng)邊坡的不同溝道單元,而邊坡則進(jìn)一步被分為土壤、土地利用和坡形特征相對(duì)一致的面或者單元。此外,EUROSEM模型可以和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行無縫鏈接。1.3模擬水文曲線時(shí),各參數(shù)值變化的模擬方法在文本研究中選擇處理小區(qū)各一個(gè),按照其水文特性和產(chǎn)沙特性確定需要修正的參數(shù)來修正EUROSEM模型。被修正參數(shù)有飽和導(dǎo)水率(FMIN),曼寧系數(shù)(MANN)和土壤聚合度(COH)。模擬水文曲線時(shí)通過不斷改變輸入?yún)?shù),并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。在修正過程中,輸入?yún)?shù)值被限制于Morgan等所確定的變化范圍內(nèi)。土壤孔隙度(POR)、土壤最大持水量(THMAX)、入滲滯后因子(RECS)、植物覆蓋最大截留量(DINT)、坡面糙率(RFR)、土壤中數(shù)直徑(D50)和雨滴沖擊土壤顆粒可分散性(EROD)則直接參考Morgan等的建議。初始土壤水含量(ROC,體積比)、冠層覆蓋百分比(COVER)和冠層平均高度(PLANTH)則通過直接測(cè)量獲得(見表2)。1.4觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證模型檢驗(yàn)采用通過模型修正獲得的參數(shù)文件,并通過各處理其余兩個(gè)小區(qū)(表1)中觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。模型模擬結(jié)果在下文中用圖表表示。觀測(cè)值和模擬值之間的相關(guān)性則用R2來評(píng)估。2研究結(jié)果2.1產(chǎn)沙速率與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖1為坡荒地的校正和檢驗(yàn)結(jié)果。在模型的校正中(模擬1),水文曲線模擬值與觀測(cè)值非常吻合,雖然模擬徑流時(shí)間過程以及徑流速率峰值略有偏差。模擬結(jié)果中徑流中泥沙含量在產(chǎn)流初始階段遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)值,該產(chǎn)沙峰值持續(xù)大約10分鐘,然后接近實(shí)測(cè)值,但模擬中大約在產(chǎn)流30～0分鐘時(shí)徑流中泥沙濃度出現(xiàn)第二個(gè)峰值,而實(shí)際測(cè)量中卻沒有。對(duì)于產(chǎn)沙速率,模型模擬結(jié)果在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)與實(shí)測(cè)值接近,但在10～20分鐘時(shí)模擬值要遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)值。出現(xiàn)偏差的原因可能是建立模型的原始條件與研究區(qū)的差異。按照一般理解在產(chǎn)流初期徑流泥沙含量往往很高,為此模擬中出現(xiàn)第一個(gè)與實(shí)測(cè)值相異的峰值,但這種情況一般出現(xiàn)在降雨間隔期比較長(zhǎng)、地表松散物累積較多的條件下,而在降雨量豐沛、頻率較高的三峽庫區(qū),產(chǎn)流初期難以出現(xiàn)高含沙水流;徑流含沙量形成第二個(gè)峰值,在實(shí)際降雨過程中并沒有出現(xiàn),原因可能是EUROSEM模型更強(qiáng)調(diào)細(xì)溝侵蝕過程,認(rèn)為在降雨30分鐘左右可能出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕。研究小區(qū)坡度在20°以上,可能超出模型建立時(shí)的基本條件或者模型本身對(duì)陡坡條件預(yù)測(cè)能力較差,在模型的驗(yàn)證中(模擬5、6),同樣,模擬產(chǎn)流速率、累積產(chǎn)流量在過程上與實(shí)測(cè)值非常吻合,但模擬累積產(chǎn)沙量要高于實(shí)測(cè)值,其主要原因是模擬初期(20分鐘以前)產(chǎn)沙速率過高,而后期則模擬值與實(shí)測(cè)值非常接近?？傮w而言,EUROSEM模型對(duì)坡荒地中水文過程的模擬更符合實(shí)測(cè)值,產(chǎn)沙過程預(yù)測(cè)則高于實(shí)測(cè),但模擬的趨勢(shì)與實(shí)測(cè)一致。2.2沙量模型測(cè)試結(jié)果考慮到由于耕作引起的土壤緊實(shí)度和土表糙率變化以及作物根系的發(fā)展,模擬中減少了曼寧系數(shù)和土壤聚合度以獲得最好的模擬效果(表2)。圖2表明雖然徑流含沙量模擬曲線中仍然有2個(gè)在實(shí)測(cè)值沒有出現(xiàn)的異常峰值,但修正后的模型對(duì)徑流和土壤流失模擬效果非常好(模擬2)。模型檢驗(yàn)以同一個(gè)小區(qū)的隨后兩年中所獲得的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),該小區(qū)1998年雨強(qiáng)和降雨總量分別高出1997年35%和84%(表1,模擬7),而土壤流失量則高出502%(圖2)。實(shí)際觀測(cè)中,兩年的模擬降雨試驗(yàn)中土壤前期條件非常相似。在模型修正中,徑流和土壤流失得到了很好的模擬效果,模型檢驗(yàn)時(shí)1998年的土壤流失量預(yù)測(cè)值偏低。2.3累積徑流及累積產(chǎn)沙量模型通過減少曼寧系數(shù),模型修正中植物籬小區(qū)的模擬效果非常理想(模擬3、表2、圖3)。如圖3所示,累積徑流及累積產(chǎn)沙量的模擬值與實(shí)測(cè)值非常吻合,但產(chǎn)流速率和產(chǎn)沙速率的模擬效果相對(duì)較差。模型檢驗(yàn)對(duì)徑流的模擬效果較好,但對(duì)累積土壤流失量則與實(shí)測(cè)值有偏差。2.4飽和導(dǎo)水率和曼寧系數(shù)對(duì)模型的影響植物籬能有效阻止養(yǎng)分流失,提高土壤肥力,從而促進(jìn)作物生長(zhǎng),增加作物生物量。在施肥植物籬小區(qū)的模型修正中,飽和導(dǎo)水率和曼寧系數(shù)相應(yīng)增加后,獲得了較好的模擬效果(表2)。與植物籬小區(qū)模擬相似,修正中累積徑流量的模擬獲得了極佳的效果(圖4模擬4),而對(duì)土壤流失量的模擬效果則較差。實(shí)測(cè)值中,土壤流失量非常低,說明施肥植物籬處理在本實(shí)驗(yàn)條件下基本控制了土壤侵蝕。3對(duì)產(chǎn)流模型模擬效果比對(duì)是產(chǎn)沙過程單EUROSEM模型在預(yù)測(cè)徑流總量上效果較好,預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差小于3mm,但嚴(yán)格來講模型對(duì)徑流的預(yù)測(cè)并不十分完美,在大多數(shù)情況下產(chǎn)流初始階段和結(jié)束階段的模擬產(chǎn)流速率往往與實(shí)測(cè)值相差較大。因此,為獲得更好的模擬效果,需要進(jìn)一步對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。在土壤流失量的模擬中模型效果較差,尤其在坡耕地的模擬中(圖2模擬8),明顯高于實(shí)測(cè)值。產(chǎn)沙速率預(yù)測(cè)精度差實(shí)際上是大多數(shù)侵蝕模型普遍存在的缺陷,Folly等也同樣發(fā)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)流模擬結(jié)果要優(yōu)于對(duì)產(chǎn)沙的模擬效果。Veihe等研究表明即使初始條件一致而且小區(qū)相互靠近,小區(qū)間的觀測(cè)徑流和土壤流失量仍然有顯著差異,這表明坡地侵蝕產(chǎn)沙具有極大的空間和時(shí)間差異,而Veihe等進(jìn)行的敏感性分析結(jié)果表明產(chǎn)沙過程中的變異系數(shù)要高于產(chǎn)流過程,尤其是在暴雨初期以及出現(xiàn)最大雨強(qiáng)時(shí)。Morgan等認(rèn)為在徑流得到較好的模擬效果之前,土壤侵蝕是不可能被精確模擬的,因此在本研究中,產(chǎn)流模擬效果優(yōu)于產(chǎn)沙模擬效果的部分原因是模型的修正主要是針對(duì)徑流過程,這也可能是土壤侵蝕量模擬效果較差的主要原因。總體而言,土壤流失總量的實(shí)測(cè)值和模擬值誤差仍在可接受的范圍內(nèi),除模擬8外,其他的模