基于eoq模型的三峡库区坡坡面侵蚀预测研究

基于eoq模型的三峡库区坡坡面侵蚀预测研究

由于中国人口众多，耕地总面积有限，坡度大于20度的陡坡上的广泛使用。黄秉维先生指出:“华南特殊气候条件下坡地土壤贫瘠,植被破坏后,强烈的土壤侵蚀又进一步使土壤恶化,而侵蚀产生的土石湮没农田、淤积水库、阻塞河流和港口、影响航行、加剧水灾,为害甚大。不适当的陡坡地利用不但自然生产潜力日益衰落,甚至山区与丘陵区中面积有限的平原亦将蒙受不同程度的影响。”他同时指出:“只有适当利用坡地,治贫才会有广阔的门路,这是大多数山区丘陵区不应忽略的关键。”许多研究表明,如果合理应用如修建石坎梯田,种植等高植物篱以及恢复地表植被等一些保护措施来控制土壤侵蚀,一些陡坡地仍然可以用于农业生产。三峡水库的修建,就地后靠的移民安置政策必然导致大量坡地的开垦。因此,有效评估土壤侵蚀风险、预测径流和侵蚀速率及选择合理的水土保持措施在该地区显得非常必要。传统的基于对降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地貌和土地利用的评分系统在土壤侵蚀的空间分布方面提供了很好的信息,但对次降雨土壤侵蚀速率则很难进行高精度的有效评估;同样,已有的预测方法无法给水土保持措施的设计及评估提供直接的有效信息;这些缺陷只能通过侵蚀模型预测和侵蚀风险评估相结合来克服。三峡库区每年大部分的土壤侵蚀往往产生在两三场特大暴雨中,当前国际上发展的许多经验模型,如USLE和RUSLE,以及一些过程模型如GUEST、WEPP和ANSWERS,从这些模型建立的机理及考虑的侵蚀过程来看,对坡度大、次降雨侵蚀强度大的地区并不完全适用,对于三峡地区而言基于次降雨的模型更为理想。欧洲土壤侵蚀模型(EUROSEM)通过对土壤侵蚀过程的物理描述,并以分钟为时段模拟次降雨条件下地块或小流域侵蚀过程,并在许多国家被成功推广应用。本研究的主要目的是以人工模拟降雨资料为基础,评估EUROSEM模型在三峡库区陡坡地中的侵蚀状况模拟效果。1材料和方法1.1研究区环境和植物篱生长情况研究区位于长江上游支流吒溪河的二级支流王家桥小流域,距秭归县城旧址约14km,流域内平均海拔200～300m,属低山丘陵地貌;气候属中亚热带气候,年均温18.0℃,平均年降水量1013.1mm;母岩为侏罗系上统的蓬莱镇组,以紫色砂岩和页岩为主,夹少量泥岩;土壤为中性、石灰性紫色土。试验小区有4种处理:坡荒地、坡耕地、植物篱和施肥植物篱,本研究涉及6个小区(表1)。小区始建于1993年,坡向东南,为不同培肥措施对植物篱-农作系统中碳和养分含量影响的实验地。植物篱品种均为香根草。每个标准径流小区坡度均为25°,水平投影长度10m、宽2m,植物篱处理等高定植了三带香根草(Vetiveriazizanioides,属禾本科岩兰草属)植物篱,夏季植物篱定高剪裁并横置篱前,坡面间距3m;每带两行,行距20cm,株距20cm,篱带间种植黄豆(每年5月至次年10月)和冬小麦(每年11月至次年5月)。施肥植物篱面施尿素0.75kg、过磷酸钙1.5kg,于6月播种时施作基肥,而坡耕地和植物篱小区无施肥处理。1.2降雨强度及降雨过程模型野外人工模拟降雨试验采用立式模拟降雨器,降雨器喷头采用美国生产的SPRACO喷头,水以一定的初速度从喷嘴落下。当供水压力为67kPa时,用面粉球测定雨滴大小分布范围在0.35～5.35mm,中数直径为2.40mm。当雨滴初速度大于3m/s、最初喷出方向于垂直方向最大偏角为60°时,可计算得到大多数雨滴可达到其末速度。在1.2mm/min的雨强下2m×2.5m2的实验小区内降雨总动能为0.57j/m2.s,相当于天然降雨的90%,降雨均匀度可达89.7%。不同降雨强度可以通过调节水压控制器得到。降雨试验过程中集水口产流后,每3分钟取一次水沙样,测一次径流量,连续三次测得相近的径流量,即认为达到稳定入渗,停止降雨。每次降雨后,测集水池中水位,并取水沙样。然后将水沙样过滤、风干,再烘干(100～110°C,8小时)、称重。最后计算含沙量、径流量和侵蚀量。EUROSEM模型属于动态分布式模型,可以在单独地块或小流域中预测水力侵蚀强度。该模型基于对土壤侵蚀过程的物理描述,并在1min的时间间隔内运行。它主要涉及植物对降雨的截留、到达地表的降雨总量和动能、茎干流总量、由雨滴打击和径流冲刷引起的土壤分散量、泥沙沉积和径流搬运能力。模型需要降雨观测数据来计算雨强及降雨总量。在模型计算流程中,降雨首先被植物冠层截留,然后分为穿透雨、叶流和茎流,在分别计算它们的动能后,再计算土壤溅蚀分离量,然后计算入渗,在减去地表填凹容量后,用动能波方程模拟地表径流线路,并对径流和地表之间的土壤颗粒交换进行连续动态模拟。模型正确地模拟了细沟流和细沟间流,并用产沙量(sedimentdischarge)来表示土壤流失,其定义是空间某点在某段时间内产生给定数量的泥沙所需要的径流量和径流含沙量。当在流域尺度内运行时,模型将流域分为有相应边坡的不同沟道单元,而边坡则进一步被分为土壤、土地利用和坡形特征相对一致的面或者单元。此外,EUROSEM模型可以和地理信息系统进行无缝链接。1.3模拟水文曲线时,各参数值变化的模拟方法在文本研究中选择处理小区各一个,按照其水文特性和产沙特性确定需要修正的参数来修正EUROSEM模型。被修正参数有饱和导水率(FMIN),曼宁系数(MANN)和土壤聚合度(COH)。模拟水文曲线时通过不断改变输入参数,并与实际观测结果进行比较。在修正过程中,输入参数值被限制于Morgan等所确定的变化范围内。土壤孔隙度(POR)、土壤最大持水量(THMAX)、入渗滞后因子(RECS)、植物覆盖最大截留量(DINT)、坡面糙率(RFR)、土壤中数直径(D50)和雨滴冲击土壤颗粒可分散性(EROD)则直接参考Morgan等的建议。初始土壤水含量(ROC,体积比)、冠层覆盖百分比(COVER)和冠层平均高度(PLANTH)则通过直接测量获得(见表2)。1.4观测结果验证模型检验采用通过模型修正获得的参数文件,并通过各处理其余两个小区(表1)中观测数据验证。模型模拟结果在下文中用图表表示。观测值和模拟值之间的相关性则用R2来评估。2研究结果2.1产沙速率与实测值对比图1为坡荒地的校正和检验结果。在模型的校正中(模拟1),水文曲线模拟值与观测值非常吻合,虽然模拟径流时间过程以及径流速率峰值略有偏差。模拟结果中径流中泥沙含量在产流初始阶段远远高于实测值,该产沙峰值持续大约10分钟,然后接近实测值,但模拟中大约在产流30～0分钟时径流中泥沙浓度出现第二个峰值,而实际测量中却没有。对于产沙速率,模型模拟结果在大多数时间内与实测值接近,但在10～20分钟时模拟值要远高于实测值。出现偏差的原因可能是建立模型的原始条件与研究区的差异。按照一般理解在产流初期径流泥沙含量往往很高,为此模拟中出现第一个与实测值相异的峰值,但这种情况一般出现在降雨间隔期比较长、地表松散物累积较多的条件下,而在降雨量丰沛、频率较高的三峡库区,产流初期难以出现高含沙水流;径流含沙量形成第二个峰值,在实际降雨过程中并没有出现,原因可能是EUROSEM模型更强调细沟侵蚀过程,认为在降雨30分钟左右可能出现细沟侵蚀。研究小区坡度在20°以上,可能超出模型建立时的基本条件或者模型本身对陡坡条件预测能力较差,在模型的验证中(模拟5、6),同样,模拟产流速率、累积产流量在过程上与实测值非常吻合,但模拟累积产沙量要高于实测值,其主要原因是模拟初期(20分钟以前)产沙速率过高,而后期则模拟值与实测值非常接近。总体而言,EUROSEM模型对坡荒地中水文过程的模拟更符合实测值,产沙过程预测则高于实测,但模拟的趋势与实测一致。2.2沙量模型测试结果考虑到由于耕作引起的土壤紧实度和土表糙率变化以及作物根系的发展,模拟中减少了曼宁系数和土壤聚合度以获得最好的模拟效果(表2)。图2表明虽然径流含沙量模拟曲线中仍然有2个在实测值没有出现的异常峰值,但修正后的模型对径流和土壤流失模拟效果非常好(模拟2)。模型检验以同一个小区的随后两年中所获得的数据作为基础,该小区1998年雨强和降雨总量分别高出1997年35%和84%(表1,模拟7),而土壤流失量则高出502%(图2)。实际观测中,两年的模拟降雨试验中土壤前期条件非常相似。在模型修正中,径流和土壤流失得到了很好的模拟效果,模型检验时1998年的土壤流失量预测值偏低。2.3累积径流及累积产沙量模型通过减少曼宁系数,模型修正中植物篱小区的模拟效果非常理想(模拟3、表2、图3)。如图3所示,累积径流及累积产沙量的模拟值与实测值非常吻合,但产流速率和产沙速率的模拟效果相对较差。模型检验对径流的模拟效果较好,但对累积土壤流失量则与实测值有偏差。2.4饱和导水率和曼宁系数对模型的影响植物篱能有效阻止养分流失,提高土壤肥力,从而促进作物生长,增加作物生物量。在施肥植物篱小区的模型修正中,饱和导水率和曼宁系数相应增加后,获得了较好的模拟效果(表2)。与植物篱小区模拟相似,修正中累积径流量的模拟获得了极佳的效果(图4模拟4),而对土壤流失量的模拟效果则较差。实测值中,土壤流失量非常低,说明施肥植物篱处理在本实验条件下基本控制了土壤侵蚀。3对产流模型模拟效果比对是产沙过程单EUROSEM模型在预测径流总量上效果较好,预测值与实测值的偏差小于3mm,但严格来讲模型对径流的预测并不十分完美,在大多数情况下产流初始阶段和结束阶段的模拟产流速率往往与实测值相差较大。因此,为获得更好的模拟效果,需要进一步对模型参数进行修正。在土壤流失量的模拟中模型效果较差,尤其在坡耕地的模拟中(图2模拟8),明显高于实测值。产沙速率预测精度差实际上是大多数侵蚀模型普遍存在的缺陷,Folly等也同样发现对产流模拟结果要优于对产沙的模拟效果。Veihe等研究表明即使初始条件一致而且小区相互靠近,小区间的观测径流和土壤流失量仍然有显著差异,这表明坡地侵蚀产沙具有极大的空间和时间差异,而Veihe等进行的敏感性分析结果表明产沙过程中的变异系数要高于产流过程,尤其是在暴雨初期以及出现最大雨强时。Morgan等认为在径流得到较好的模拟效果之前,土壤侵蚀是不可能被精确模拟的,因此在本研究中,产流模拟效果优于产沙模拟效果的部分原因是模型的修正主要是针对径流过程,这也可能是土壤侵蚀量模拟效果较差的主要原因。总体而言,土壤流失总量的实测值和模拟值误差仍在可接受的范围内,除模拟8外,其他的模