收稿日期:2005-3-16作者简介:焦凤红(1966-),女,内蒙古自治区赤峰市人,副教授,现从事水土保持及计算机教学研究工作。
分布式土壤侵蚀模型研究概述焦凤红 于显威(沈阳农业大学高等职业技术学院 110122)摘 要 分布式模型是近年在经验统计模型和物理过程模型的基础上发展起来的土壤侵蚀模型。
本文分析了几种分布式侵蚀模型的特征及物理过程,对其中的网格划分、网格单元侵蚀量的计算、流域出口侵蚀量的计算、模型参数的采用等主要技术环节进行了讨论,并展望了今后的研究方向。
关键词 土壤侵蚀;分布式;侵蚀模型[中图分类号]S15711 [文献标识码]C [文章编号]1002-2651(2005)02-0032-02 土壤侵蚀模型研究是世界土壤侵蚀学科的前沿领域,也是定量研究土壤侵蚀过程的有效手段。
根据国内外土壤侵蚀模型的研究发展过程,有人将其划分为经验统计模型、物理过程模型与分布式模型三个阶段。
这三个阶段并没有严格的时间划分。
分布式模型将流域按照一定的方法划分成一个个相对均质的网格,即每个网格单元中的土壤、植被覆盖均匀分布,在每个网格上进行参数输入,然后依据一定的数学表达式来计算每个网格单元的侵蚀量,并将计算结果推演到流域出口,得到流域土壤侵蚀总量。
本文结合前人的研究成果,总结了应用较为广泛的几种分布式模型,讨论了模型中的主要技术问题,并展望了今后的发展方向。
1 主要的分布式模型111 ANSWE RS 模型20世纪80年代初期Beasly 和Huggins 研发了ANSWE RS 模型,该模型把流域细分为均等的网格单元。
在网格单元内,假定土地利用、坡度、土壤特性、营养物质、作物和经营管理措施等因子均匀分布。
在土壤侵蚀研究中,此模型广泛应用于评价B MPs 对流域泥沙及水文过程的影响。
模型结构化程度较高,主要包括3大模块:径流和入渗、泥沙、蒸发散。
径流和入渗模块中,以Green-Ampt 入渗方程代替了原模型中的Holtan 方程进行计算;泥沙模块中,产沙计算采用了WEPP 模型中的土壤可蚀性指标以及单位水流动力理论和临界切应力原理,把Foster 和Meyer 方法引入Yalin 公式进行输沙过程计算,并以此建立了泥沙输移模块;蒸发散模块主要用于设定下次降雨开始时的土壤湿度初始条件,是连续模型得以运行的必要环节。
模型运行时,需把研究流域的空间属性数据(如坡度、坡长、坡向、地表植被状况、土壤等)栅格化,同时输入流域模拟时段内的气象资料,包括降雨强度、历时、气温、地温和地表辐射等。
ANSWE RS 模型可以计算径流传输条件下的土壤流失量,并与地理信息系统(GIS)相连接,建立了GIS 界面以利用遥感数据。
112 AGNPS 模型AGNPS 模型是美国农业部农业研究局与明尼苏达污染物防治局共同研发的计算机模拟模型,是一个基于方格框架组成的流域分布式事件模型。
按照栅格采集模型参数,由水文、侵蚀、沉积和化学传输4大模块组成,用于对N 、P 元素等土壤养分流失进行预测,并对农业地区的水质问题以重要性顺序为依据进行排列,同时对次暴雨径流和侵蚀产沙过程进行模拟。
流域的大小从几hm 2到大约200km 2,以014~26hm 2为单元对流域进行均等分室,流域内径流、污染物、泥沙沿各分室汇集于出水口。
113 TOPMODEL 模型TOPMODEL 模型(Topography based hydrological Model)是一个以地形为基础的半分布式小流域模型,第17卷第2期亚热带水土保持Vol 117 l 22005年6月Subtropical Soil And Water Conservation Jun 12005模拟了径流产生的变动产流面积概念,是数字高程模型(DEM)、水文模型与GIS的结合应用。
模型结构简单,优选参数少,充分利用了容易获取的地形资料,而且与所观测的物理水文过程密切相关。
该模型已被应用到各个研究方面,并不断发展改进,反映了降雨径流模拟的最新思想。
TOPMODEL以地形空间变化为主要结构,用地形信息(以地形指数ln(A/tan B)或土壤-地形指数ln(A/T0tan B)的形式)描述水流趋势及因重力径流沿坡向的运动。
2主要技术问题与讨论211网格的划分网格的划分是应用分布式模型的基本技术环节。
网格单元作为整体流域的结构和功能单元,划分时必须要考虑到它与地貌形态以及水流、风力、重力等外营力之间的响应关系。
目前,大多采用图像信息处理软件,将研究范围机械地划分为均等的网格,如AG-NPS、CREAMS、ANSWERS等模型均如此划分。
为提高模型的精度,有人曾尝试通过试算,确定某一范围内最佳的网格单元。
20世纪90年代初,美国农业部自然资源保护局与农业研究局开发了连续模拟模型)))AnnAGNPS模型(AnnualizedAGNPS),该模型没有沿袭AGNPS模型均等划分分室的方法,而是按流域水文特征将流域划分为一定的分室,即按集水区来划分单元,使模型更符合实际。
笔者认为,引入水文学中的斯特拉勒河流分级法,结合栅格GIS技术,以靠近河源的、顶端末梢不再分叉的河道或沟道(即1级/流域0)作为基本的网格单元,可以提高模型的预测精度,在技术上也可以更好地与其他学科如水文学、地貌学等整合。
212网格单元侵蚀量的计算一般采用通用土壤流失方程USLE(计算公式为: A=R#K#LS#C#P)、修正的通用土壤流失方程RUSLE (计算公式为:SL=EI#K#LS#C#P#SSF)或中国坡面土壤流失预报方程C SLE(计算公式为:Qsl=R@K@LS @B@E@T)计算网格单元的侵蚀量。
也有人采用地区性经验公式或者其他坡面侵蚀物理过程模型进行计算。
我国多采用通用土壤流失方程。
研究者认为RUSLE的参数物理意义明确,计算简单,实用性较强,它考虑了内在的土壤可侵蚀性因子随时间的变化,如计算K值时考虑了季节变化的作用、C因子被分为若干次因子等,因此估算的准确性较高。
但R USLE主要是针对平原地区和缓坡地形区,在我国地形多变的山区及黄土高原地区的应用受到了限制。
213流域出口侵蚀量的计算计算了单元土壤侵蚀量后,还要对径流携带的泥沙逐个按单元依次演算,直至流域出口。
其间有复杂的迁移和沉积过程。
有人认为流域出口侵蚀量可由稳态连续方程推导出的基本演算方程来计算,即: Q s(x)=Q s(0)+Q sl(x/Lr)-Q x0D(x)wdx式中:Qs(x))))河(渠)段下游泥沙输出量;Qs (0))))河(渠)段上游泥沙输入量;x)))泥沙汇入点到河(渠)段下游的距离;w)))河(渠)道宽;Qsl)))旁侧泥沙汇入量;Lr)))河(渠)段长度;D(x))))沉积率从本质上讲,这一方程与传统的沙量平衡方程并无二致,只是表达形式的有所不同。
流域产沙是一个复杂的动态过程,在实际应用与研究中,应该从地貌的塑造,尤其是从水流对沟道的塑造作用、沟道水流的水动力特性与输沙特性出发,努力探究其内在的物理机制,以提高模型的预报精度。
214模型采用的参数模型输入参数包括流域总体特征值和单元级参数。
流域总体特征值有流域面积A、流域长度L、单元面积、单元总数、降雨量Pw、降雨能量-强度值EI。
单元级参数在单元内都是相同的,包括单元编号CN、汇水进入的单元编号RC、径流曲线数值CN、USLE中的各个因子、河(渠)道指示CI(单元内是否有河(渠)道)、河(渠)道底坡比降CS(m/km)、河(渠)道边坡坡度CSS(%)、河(渠)道曼宁系数n、地面条件常数SCC (和土地利用有关的因子)、土壤质地T(砂石、粉砂、黏土、泥炭)、滞水因子IF(单元内有梯田或其他储水系统)、沟蚀水平GS(分室内冲沟侵蚀程度)等等。
模型采用的参数较多,应用时需要对影响侵蚀过程的自然因素和人为因子进行系统地观测和记录,这大大地限制了模型的应用。
笔者认为加强土壤侵蚀模型中参数区域性规律的研究,建立模型参数与气候、土壤、植被、地形特征等宏观区域参数间的关系,将有助于扩大土壤侵蚀模型的应用范围。
3研究展望分布式侵蚀模型的研究和开发是一个庞大的科学研究系统工程,涉及土壤侵蚀与水土保持学、水文学、水力学、泥沙运动学、土壤学、农学、GIS、计算机科学等多门学科,特别是GIS技术,对土壤侵蚀模型的应用提供了连续的时间和空间信息源。
计算机技术的应用也使模型的计算结果更直观、形象、准确。
结合目前的研究进展,考虑到分(下转第39页)第2期焦凤红,于显威:分布式土壤侵蚀模型研究概述路配套,为山区农业生产机械化、科学化提供了有利条件。
/三轮车0/四轮车0等农业机械春耕、秋收、拉粮、运粪、收秸杆都可机械化。
甚至有些地方大面积的机修梯田结束了过去牛耕马种、肩挑背驮的传统耕作方式。
513出现了规模化、商品化的生产势头一是农作物种植由小面积、多品种的零星种植变为有重点、大面积的规模种植,洋芋、小杂粮产业化发展;二是由自给型开始向商品化转型。
514促进了农业生产效益的提高机修梯田走少而精的路子(人均012hm2为宜),提高标准质量,加强水利配置,应用农业科技,在实现稳产高产上下功夫,由重数量转为重质量、重效益上,促进了农业产业结构的调整。
6机修施工经验611规划坚持/基本等高,兼顾等宽,大弯就势,小弯取直0。
612最优断面梯田土地利用率随田宽而提高,当田宽达到20m 以后,再增加田宽并不能提高土地利用率,因此,田面太宽只能增加修筑量,增大作业费用。
机修梯田最优断面即满足机械施工、机械耕作和灌溉条件的最小田宽和保证梯田稳定的最陡坎坡,以减少修筑量和地埂占地。
613运土距离机修梯田施工进度的快慢,关键在运距。
运距越远,进度越慢,相反,则越快。
因此,在保证机械施工和地埂安全的前提下,应尽量减小田宽,降低需功量。
要使需功量最小,运距就必须最小。
因此,只有选择合理的土方流向,避免土方迂回交叉,才能减少机工时,达到提高工效的目的。
(上接第33页)布式侵蚀模型涉及自然、社会及经济等多领域科学问题,以下几个方面还值得进一步考虑:311目前分布式土壤侵蚀模型研究在小流域开展较多,当将这些模型应用于大、中尺度流域时,因缺乏相关的降雨、径流、泥沙过程资料,模拟精度一般都不理想。
不同尺度流域之间土壤侵蚀量究竟有什么样的内在联系?小流域的研究成果可否推广到大中流域? 312随着经济的进一步发展,人类活动对全球生态系统的影响日益增大,如何进一步定量研究人类活动对土壤侵蚀的影响?如何更全面地在模型中加入人类活动这一因素?313我国人口众多,地形地貌复杂,气候多变,可否以我国为参照,建立开放性和可移植性较好的分布式土壤侵蚀模型?参考文献1张玉斌,郑粉莉1AGNPS模型及其应用1水土保持研究[J],2004111(4):124~1272牛志明,解明曙1ANSWER2000在小流域土壤侵蚀过程模拟中的应用研究1水土保持学报,2001,15(3):56~603符素华,张卫国,等1北京山区小流域土壤侵蚀模型1水土保持研究,2001,8(4):114~1204贾媛媛,等1国内坡面土壤侵蚀预报模型述评1水土保持研究,2004,11(4):109~1125汪东川,卢玉东1国外土壤侵蚀模型发展概述1中国水土保持科学,2004,2(2):35~406李清河,李昌哲,等1黄土区小流域土壤侵蚀模型系统解析1水土保持通报,2000,20(1):28~317黄诗峰,钟邵南,等1基于GIS的流域土壤侵蚀量估算指标模型方法1水土保持学报,2001,15(2):106~1098曹瑜,杨志峰,等1基于GIS黄土高原土壤侵蚀因子的厘定1水土保持学报,2003,17(2):93~969唐政洪,蔡强国,许峰1流域侵蚀产沙的尺度变异规律研究1水土保持科学,200412(1):56~6110郑粉莉,杨勤科,王占礼1水蚀预报模型研究1水土保持研究,2004,11(4):11~2411刘光1土壤侵蚀模型研究进展1水土保持研究,2003, 10(3):73~7612张光辉1土壤侵蚀模型研究现状与展望1水科学进展, 2002,13(3):389~39613郑粉莉,刘峰,等1土壤侵蚀预报模型研究进展1水土保持通报,2001,21(6):16~1814邱扬,傅伯杰1异质景观中水土流失的空间变异与尺度变异1生态学报,2004,24(2):330~33715蔡崇法,丁树文,等1应用USLE模型与地理信息系统IDRISI预测小流域土壤侵蚀量的研究1水土保持学报,2000, 14(2):19~2416唐正洪,等1侵蚀产沙模型研究进展和GIS应用1泥沙研究,2002,10(5)第2期杨敬青:会宁县机修梯田建设的经验与成效。