植被-侵蚀动力学模型参数的确定及在黄土高原的应用.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-植被-侵蚀动力学模型参数的确定及在黄土高原的应用王费新，王兆印1，2*1，清华大学水利系，北京100084；2，国际泥沙研究培训中心，北京100044摘要：植被-侵蚀动力学是研究流域植被与侵蚀在人类活动影响下演变规律的一门新的边缘学科。由植被-侵蚀动力学模型可绘制植被-侵蚀状态图，以预测停止人为干扰后植被及侵蚀变化趋势，评价水土保持措施成效，提出小流域优化治理方略。植被-侵蚀动力学模型4个参数a、c、b、f是流域重要特征参数，其值的确定是进行植被-侵蚀动力学模拟及绘制植被-侵蚀状态图的前提和基础。它们依赖于流域气候、土壤和地形地貌。本文以黄土高原典型小流域为例，采用试算法确定了它们的取值，通过相关分析发现参数a与P、T，参数c、b、f与D50、S之间存在明显的相关关系，并得到了相关关系式。将其用于吕二沟小流域植被-侵蚀动力学模拟，结果与实际情况符合较好。绘制了各参数的取值分布图。最后以燕儿沟小流域为例，将以上相关关系式用于植被-侵蚀状态图的绘制，及小流域自然状况、植被-侵蚀状态及水土保持效果的评价。关键词：植被-侵蚀动力学；黄土高原；模型参数；小流域；相关性中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：1672-2175（2006）06-1366-06王兆印等1于2003年创建了一个新的边缘科学植被-侵蚀动力学，用于研究流域植被与侵蚀在人类活动影响下演变规律，建立了植被-侵蚀动力学模型，并成功应用于云南小江及其子流域植被发育及土壤侵蚀演变过程的模拟。此后，王兆印等2-5又将其推广到北京西山地区、甘肃定西安家沟及山西离石王家沟等小流域，模拟结果与小流域实测资料符合情况较好；并在此基础上开发了植被-侵蚀状态图这一评价工具，用于探讨植被和侵蚀在没有或停止人类干扰作用后的演变趋势，该工具能较客观地评价各典型小流域植被-侵蚀状况和水土保持成效；此外还初步探讨了植被-侵蚀动力学参数与流域自然特征的关系。植被-侵蚀动力学模型中的4个参数是植被-侵蚀动力学理论的重要组成部分。由这4个参数可以模拟和预测小流域在一定水土保持措施下植被发育和土壤侵蚀变化过程；可以做出植被-侵蚀状态图，用于分析小流域自然特性及植被-侵蚀现状，评价各种水土保持措施效果，提出优化治理方略，指导小流域展开综合治理工作4。这4个参数取值依赖于流域气候、土壤和地形地貌，是地区的重要特征值，与自然应力和人类活动无关4。由于问题的复杂性，目前它们主要采用试算法得到，限制了植被-侵蚀动力学在资料相对缺乏的小流域和地区的应用。本文拟以黄土高原为例，选取典型小流域，通过试算法确定这4个参数的取值，并通过相关性分析得到它们与流域气候、地形地貌及土壤特性之间的定量化关系式，完善植被-侵蚀动力学理论，并推广植被-侵蚀动力学模型和植被-侵蚀状态图在黄土高原及其它水土流失地区的应用。1植被-侵蚀动力学模型及植被-侵蚀状态图植被-侵蚀动力学模型由耦合的植被-侵蚀动力学方程组组成2，其形式如下：RRiEfVbEtEVtKcEaVtVdd)(dd0（1）其中V为植被覆盖度，E为侵蚀率，)(0tKi为发生在0t时刻的致死生态应力，RV代表人类活动对植被覆盖度的影响，RE为人类活动对侵蚀率的影响，a、c、b、f即为植被-侵蚀动力学模型的4个特性参数，其中，a代表植被涵养水分及繁殖作用下植被自我增长作用，c代表侵蚀对植被的破坏作用，b代表土壤侵蚀自身的促进作用，f代表植被对侵蚀的控制作用。利用植被-侵蚀动力学方程组可以做出植被-侵蚀状态图4。令方程组(1)中各生态应力项为零，得到齐次微分方程组：fVbEEcEaVV（2）其中：tVVd/d，tEEd/d。分别令方程组(2)中0V及0E，得到植被覆盖度变化率和侵蚀模数变化率为零的2条直线：VbfEVcaE，（3）在1,0V，,0E的坐标平面上绘制这2条直线及植被-侵蚀状态点，即可得到植被-侵蚀状态图。这2条直线将V-E平面划分成3个区，分别为王费新等：植被-侵蚀动力学模型参数的确定及在黄土高原的应用1367A、B、C区或者A、D、C区。不同区植被和侵蚀模数变化趋势各不相同：A区0V，0E，在没有人类干扰情况下，处于该区的小流域会自动向着侵蚀模数增大、植被覆盖度降低、生态环境恶化的方向发展，为不良状态区；C区与A区相反，0V，0E，处于该区的小流域自动向着侵蚀模数降低、植被完善、生态环境改善的方向发展，为良性状态区；B区0V，0E，植被和侵蚀模数都增长，为不稳定的过渡区，经过一定时期可能会进入A区或C区；D区0V，0E，植被和侵蚀模数都减小，亦为不稳定的过渡区图1为晋西离石王家沟小流域植被侵蚀状态图。图1中C区很小，表明该地区自然环境较恶劣，即使处于C区，在人类活动影响下极易进入不稳定的D区，需要加强管理和防护工作。0E的斜率远高于0V，说明该地区增加植被对于减小侵蚀作用较大，而控制侵蚀对于促进植被发育作用较小，因此这一地区的治理应该首先植树造林增加植被，使其进入D区，然后加速控制侵蚀，使其进入C区。图中虚线为王家沟小流域实际治理过程线，治理前(1955年)该流域位于A区，经过26年左右的治理，到1981年仍处于D区，仍需要继续治理，并加强管理，以防止发生人为破坏。2植被-侵蚀动力学模型在典型小流域的应用及植被-侵蚀动力学参数的取值黄土高原是黄河流域的主要产沙区，也是我国水土流失最为严重的地区。自20世纪50年代末以来，我国一直将这一地区作为黄河流域乃至我国水土流失的重点治理区，40余年来取得了十分显著的成效6。黄土高原水土流失治理依据水土流失的轻重程度以及地形、气候、土壤、植被等特点划分为不同类型区，并以小流域为单元展开。现收集了13个典型小流域相关资料7-10，包括了风沙区、黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区等各类型区，可以作为黄土高原水土流失各类型区的代表。各小流域所在市县位置见图2。各小流域名称及气候、地形地貌、土壤特性见表1。其中平均坡度是根据小流域地貌坡度组成经计算得到，即将每一坡度分级的中值乘以相应坡度分级面积占流域总面积比例，然后相加并取正切值0200040006000800010000120000.00.20.40.60.81.0植被覆盖度V侵蚀模数E/(tkm-2a-1)A00EVCD00EV00EV0E0V图1王家沟植被-侵蚀状态图(-治理前；-治理后).Fig.1Vegetation-erosionchartfortheWangjiagouWatershed(-beforereclamationproject；-afterreclamationproject).图2黄土高原中径变化及典型小流域所在县市分布图(改自文献7)Fig.2MedialdiametersvariationandthecitiesdistributionwhichtypicalsmallwatershedslocatedinonLoessPlateau.1368生态环境第15卷第6期（2006年11月）得到。黄土颗粒中径D50是利用文献7黄土高原新黄土颗粒组成分带及中径变化图(见图1)中读取。沙粒含量(>0.05mm)及粘粒含量(<0.001mm)由文献7不同地带黄土颗粒组成表中各小流域所在市县黄土粒径分布整理得到。通过收集和整理各小流域植被覆盖度、侵蚀模数及人类活动影响等相关资料，植被-侵蚀动力学参数a、c、b、f的取值可采用试算法确定（见表2）。由表2，我们发现黄土高原植被-侵蚀动力学参数有如下特点：参数a值较小，基本上在0.0010.0045之间，与黄土高原的气候条件相符；参数c变化范围较小，基本上在1×10-62×10-6之间；参数b值基本在0.010.033之间；参数f值则在300500之间变化。3植被-侵蚀动力学参数与流域气候、地形、土壤特性关系分析3.1分析方法首先尝试参数a、c、b、f与流域气候、地形及土壤特性之间的单参数相关关系。结果表明参数a与流域气温、降雨及无霜期之间有较强的相关性，参数b与土壤中径(D50)及沙粒粘粒含量比值有一定的相关性，参数f与粘粒含量、D50、沙粒粘粒含量比值有一定的相关性，而参数c与各参数之间相关性较差。但以上相关系数大都在0.7以下。进一步，考虑a、c、b、f与流域气候、地形地貌及土壤特性各参数组合的相关关系。结合实际情况，现选取气温T、降雨P、中径D50、平均坡度S四个参数，并只考虑参数a与P、T，参数c、b、f与D50及S之间的相关性。考虑采用两种曲线形式，第一种将组合参数的乘积作为新的参数，采用一元二次多项式模型；第二种采用二元正交多项式回归模型。3.2植被-侵蚀动力学参数与流域气候、地形、土壤特性关系经分析、计算和比较，我们得到了参数a与P、T，参数c、b、f与D50及S之间的相关关系式，见表3。由表3，参数a与流域年均气温T、年均降雨量P之间具有显著的相关关系，参数c、b、f与流域平均坡度S、土壤中径D50具有较明显的相关关系，其中，式(4)、(5)、(6)采用二元正交多项式模表1典型小流域及其气候、地形、土壤特性参数Table1Typicalwatershedsandtheircharacteristicparametersofclimate,topography,andsoil编号流域名称气候参数地形地貌参数土壤参数降雨量P/mm温度T/无霜期/d平均坡度S主沟道比降沟壑密度/(km·km-2)D50/mm沙粒含量(%)粘粒含量(%)1准格尔川掌沟4007.21380.1720.0043.90.04627.610.92河曲南曲沟462.96.81360.7083.740.04434.993河曲砖窑沟447.58.81400.6950.0296.240.04234.994米脂榆林沟451.68.51620.7800.0144.380.038325.55绥德王茂沟513101600.8360.0274.310.03632.166安塞纸坊沟549.18.81590.6800.0378.060.03418.210.67离石王家沟506.18.81800.4120.02770.03214.613.38定西安家沟427.46.31400.3980.1013.140.02218.515.99西吉黄家二岔402.25.81210.3230.0733.320.02924.314.510长武王东沟584.18.31710.4620.062.780.025.214.211淳化泥河沟600.69.481830.3680.042.130.0145.222.112乾县枣子沟59010.92100.2020.0591.510.0125.222.113天水吕二沟574.1111850.6610.043.820.0114.724.5表2黄土高原典型小流域植被-侵蚀动力学参数取值Table2Thefourvegetation-erosiondynamicsvaluesoftypicalwatersheds编号流域名称植被侵蚀动力学参数ac×106bf1准格尔川掌沟0.0011.90.0334502河曲南曲沟0.0011.30.034503河曲砖窑沟0.00151.30.0254504米脂榆林沟0.00151.40.0214705绥德王茂沟0.0021.50.0155106安塞纸坊沟0.00221.70.0145007离石王家沟0.0021.750.024708定西安家沟0.0011.70.0144809西吉黄家二岔0.00120.01548010长武王东沟0.021.80.01938011淳化泥河沟0.0031.50.01235012乾县枣子沟0.00451.10.011300王费新等：植被-侵蚀动力学模型参数的确定及在黄土高原的应用1369型，式(7)采用一元二次多项式模型，其相关系数要略小于前三式。3.3小流域植被-侵蚀动力学模型模拟实例为了检验以上关系式的适用性，现将其应用于吕二沟小流域植被-侵蚀动力学模型模拟。吕二沟小流域是渭河支流藉河右岸一条支流，属黄土丘陵沟壑区第三副区，测站控制面积12.01km2，流域内丘陵起伏，沟壑纵横。该流域于1953年被列为丘三区典型小流域开展综合治理11-12。吕二沟小流域气候、土壤及地形参数见表1。将这些参数代入式(4)(7)可得植被-侵蚀动力学4个参数值，见式(8)：将式(8)代入植被-侵蚀动力学模型，计算得到吕二沟小流域植被覆盖度及侵蚀模数变化过程(如图3)。由图3，采用以上参数值计算值与小流域实际情况符合较好，表明式(4)(7)具有较好的适用性，较准确地揭示了黄土高原小流域植被-侵蚀动力学参数a、c、b、f与流域气候、土壤及地形之间的相关关系，可以推广应用到黄土高原其它小流域。3.4植被-侵蚀动力学4个参数取值分布图由公式(4)(7)可以做出各参数在不同温度T、降雨量P或平均坡度S、土壤中径D50组合情况下取值分布图(见图4)，利用这些图表可以方便地查询各小流域各参数取值，并分析比较不同参数(P、T、S、D50)对植被-侵蚀动力学各参数取值的影响。4小流域应用由式(4)(7)计算得到植被-侵蚀动力学各参数取值，做出植被-侵蚀状态图，可用于小流域自然特性分析、植被-侵蚀状况及水土保持措施效益评价，并提出治理方略。下面以燕儿沟小流域为例，进行简要说明。燕儿沟小流域位于延安市南3km处，属黄土高原丘陵沟壑区第2副区，主沟长8.6km，流域面积46.88km2。流域内地形复杂，沟壑纵横。流域处于暖温带半湿润气候向半干旱气候过渡带，年平均气温9.8，多年平均降水量为558.4mm，主要集中在69月，且多以暴雨形式出现。流域内成土母质为黄土，由图2查得土壤中径D50=0.031mm；平均坡度为29.5º左右，取S=0.566。治理前(1997年)流域植被覆盖度仅为27.21%，侵蚀模数达6000t·km-2·a-1以上。经过集中整治，2003年燕儿沟小流域生态环境得到了明显改善，植被覆盖度超过70%，侵蚀模数下降到79t·km-2·a-113-14。将以上相关数据代入式(4)(7)，得到植被-侵蚀动力学各参数取值如式(9)：409；0144.0；00000131.0；004.0fbca（8）(a)0.00.10.20.30.40.50.6195019601970198019902000年份植被覆盖度V实测值计算值(b)020004000600080001000012000195019601970198019902000年份侵蚀模数E(tkm-2a-1)实测值计算值图3吕二沟小流域(a)植被覆盖度、(b)侵蚀率变化过程实测值与计算值对比.Fig.3Comparisonofthecalculatedvaluewiththemeasuredvalueof(a)vegetationcover；(b)erosionrateintheLvergouWatershed.表3小流域参数a、c、b、f与流域气温、降雨、中径、平均坡度参数相关关系Table3Thecorrelationexpressionsbetweenparametersa,c,b,fandtheparametersP,T,D50,S公式编号参数相关关系式相关系数R2式(4)a1370018502.305.72.87027.010226TPPTTPa0.967式(5)c234.06.126322.17.5316603.010505025026DSSDDSc0.906式(6)b01028.0981.00542.0226.01.290521.050502502DSSDDSb0.901式(7)f25525700)(61940050250SDSDf0.732515；018.0；00000181.0；003.0fbca（9）