鄭小路，霍艾迪，朱興華，姜程

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.長安大學 地質工程與測繪學院， 陜西 西安 710054；3.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

在黃土高原地區(qū)，由于塬面經過長期侵蝕切割蠶食，溝壑面積比塬面面積己大很多。特別是在黃土高塬溝壑區(qū)，土壤侵蝕和溝頭溯源侵蝕尤為嚴重，已經嚴重威脅著居民的正常生活和財產安全。因此預測土壤侵蝕量在水土保持措施中顯得尤為重要，而土壤侵蝕模型則是預報土壤侵蝕必不可少的工具。20世紀80年代，國內學者對國外模型(如RUSLE方程、SWAT模型、WEPP模型)進行了大量的研究，對黃土高原侵蝕模型的發(fā)展做出了巨大貢獻。由于地域的限制，國外模型被應用到黃土高原時會存在較大的誤差，因此我國學者建立了針對黃土高原的土壤侵蝕模型，如中國土壤流失方程(CSLE)、數(shù)字流域黃河模型(DYRIM)[1]。但是現(xiàn)有的模型在解釋黃土高原土壤侵蝕過程方面的難題依然沒有解決。所以如何建立適合黃土高原的土壤侵蝕模型依舊是當今研究黃土高原水土流失過程中重要的一項任務，本文主要對黃土高原土壤侵蝕預報模型的分類和現(xiàn)狀進行了分析、總結和討論，為黃土高原土壤侵蝕模型和水土保持的發(fā)展提供了有益的參考。

1 黃土高原土壤侵蝕預報模型研究現(xiàn)狀

在2 300多年以前，我國已經開始了土壤侵蝕的研究。19世紀后期到20世紀40年代末，國內外專家對我國西北黃土高原土壤侵蝕開展一系列研究，建立水土保持實驗站[2]。為觀測水土流失的規(guī)律，傅煥光帶領我國的水土保持工作者采用徑流和小流域徑流測驗的方法。這種方法為以后研究黃土高原土壤侵蝕的規(guī)律奠定了很重要的基礎[3]。

我國對土壤侵蝕進行定量化研究是從20世紀40年代開始的[4]。美國在50年代建立了計算土壤流失量的經驗性土壤侵蝕模型——通用土壤流失方程USLE[5-6]。但是模型具有一定的局限性，并不完全符合我國的情況。我國學者結合中國土壤侵蝕特點進行一系列的修正研究，開始建立符合我國情況的土壤侵蝕模型[7]，黃土高原地區(qū)土壤侵蝕模型開始迅速發(fā)展。如牟金澤、孟慶枚[8]建立了符合黃土丘陵溝壑區(qū)小流域的流域侵蝕預報模型，蔡強國[9]考慮到黃土丘陵溝壑區(qū)復雜地貌特征和垂直分帶性的特點，將流域土壤侵蝕模型劃分為坡面、溝坡和溝道三個子模型。美國在20世紀90年代提出基于物理過程的土壤侵蝕模型WEPP模型。WEPP模型目前分為坡面版、流域版和網格版，坡面版是目前研究最為成功的。王建勛等[10-11]評價了WEPP模型在黃土地區(qū)的適用性，取得了良好的結果。并指出WEPP模型的模擬精度比USLE高。隨著“3S”技術發(fā)展，土壤侵蝕預報模型的研究取得了很大進展。Cochrane T A[12]將GIS與WEPP聯(lián)合進行水蝕預報。由于黃土高原地區(qū)坡度陡峭，破碎程度高，物理模型模擬的是細溝及細溝間的侵蝕，但是黃土高原的土壤侵蝕一部分是由斜坡底部的重力作用造成的侵蝕，至于如何將斜坡底部的重力作用以什么因子加入模型中，至今尚未由研究表明。因此如何優(yōu)化黃土高原物理模型仍然需要考慮很多方面。

由圖1可知，在黃土高原地區(qū)，坡面被降雨形成的徑流造成細溝及細溝間侵蝕，而在坡面底部，由于重力作用造成滑坡。重力侵蝕是黃土高原土壤侵蝕普遍見到的現(xiàn)象，因此模型在建立時應考慮斜坡底部的重力侵蝕問題。

圖1 重力侵蝕Fig.1 Gravity erosion

2 模型評價與選擇

2.1 經驗統(tǒng)計模型應用與評價

我國的經驗模型是在通用土壤流失方程USLE的基礎之上，結合黃土高原的實地情況和實測資料，對各侵蝕因子進行定量研究以此來計算土壤侵蝕量。

江忠善[13]建立了用修正系數(shù)方法處理淺溝侵蝕影響的計算侵蝕產沙量的公式：

(1)

該模型與以往模型相比，存在的優(yōu)點是考慮到了黃土丘陵區(qū)的地形特征，建立模型的過程中將淺溝侵蝕考慮在內。而且該模型通過GIS軟件建立土壤侵蝕空間數(shù)據(jù)庫，為實現(xiàn)未來土壤侵蝕模型與GIS軟件更好的相結合奠定基礎。但是模型在推廣時，依舊存在局限性。需要對參數(shù)進行修正才可能保證其精確度。

劉寶元等[14]利用黃土丘陵溝壑區(qū)的徑流小區(qū)的實測資料，以USLE為基礎，引入了耕作措施(T)、生物(B)和工程(E)因子，建立了中國土壤流失預報方程CSLE。模型忽略了陡坡地特有的淺溝侵蝕的影響，缺乏描述土壤侵蝕的物理過程，因此模型的推廣也受到一定的限制。

以上的經驗模型都屬于坡面侵蝕產沙模型。在流域產沙模型方面，我國研究學者同樣做了深入的研究，金爭平[15]分析了皇甫川小流域侵蝕產沙的影響因素，利用主導因子建立了不同條件下的泥沙預報方程。但是只能在皇甫川流域應用，對其他地區(qū)不適用。該模型缺乏對黃土高原近年來大規(guī)模土壤侵蝕防治工程措施的考慮，這也是模型較難實際推廣應用的原因。Zheng等[16]根據(jù)黃土高原12個小流域的產沙量建立了用于預測次洪產沙量的比例函數(shù)，對岔巴溝和王家溝子流域的產沙量模擬較為準確(R2>0.9)，但是預測較小洪水情況下的產沙量誤差較大。

從以上模型的論述中，得到經驗模型的預測值都是較為準確的。這是因為建立經驗模型時考慮到了各個影響因子，并對各影響因子進行了統(tǒng)計分析。但是所有的經驗模型在建立時都沒有將土壤侵蝕過程考慮進去，這也造成了經驗模型不能對土壤侵蝕做出理論性的解釋。

2.2 物理過程模型應用與評價

對比經驗模型，物理成因模型可以模擬土壤侵蝕的過程。因此可以對未來侵蝕發(fā)展趨勢進行預測，對各種水土保持措施的效果做出評價。物理成因模型變量輸入和參數(shù)校正的復雜性限制了模型在不同地區(qū)的適用性。黃土高原土壤侵蝕物理模型一部分是由國外模型改進后應用于黃土高原，有一部分模型則是國內學者專門為研究黃土高原水土流失而開發(fā)的。

Limburg Soil Erosion Model(LISEM)模型[17-18]用于模擬小流域次降雨土壤侵蝕過程。Rudi Hessel等[19]應用LISEM模型模擬了大南溝小流域產流產沙過程。提出對坡度進行修正、加入曼寧系數(shù)、在運移方程中將正切改為正弦等改進方法。研究表明，LISEM模型在模擬黃土高原小流域的土壤侵蝕是可以適用的。模型不能用于預測黃土丘陵區(qū)未來降雨造成的徑流和侵蝕量，但是可以模擬在同一次觀測降雨事件中不同土地利用方案的水土流失效應。

除了將國外模型改進用于黃土高原的水土流失數(shù)值模擬，也有很多學者專門為研究黃土高原土壤侵蝕開發(fā)新的模型。Wang G等[20]開發(fā)了DYRIM模型，可以模擬在流域尺度下的土壤侵蝕和泥沙輸移過程。Si W等[21]開發(fā)了黃土高原流域產沙物理模型。田鵬等[22]針對黃土高原土壤侵蝕與泥沙輸移，建立了Tian模型。Yang T等[23]提出的模型促進了對黃土高原丘陵溝壑區(qū)水土流失與泥沙輸移過程的認知。Tian模型、Yang模型預測精度較高，更適用于小流域。

對比以上模型，在模擬水量平衡方面，雖然LISEM、Si、Yang模型都可以做到，因此可以對氣候變化和土地利用變化的影響進行評估。但是LISEM模型在模擬土地利用變化方面要比氣候變化準確[17，24-25]。而Si模型在模擬氣候及土地利用變化對土壤侵蝕影響的空間分異性時誤差較大。在確定產沙來源區(qū)方面，DYRIM、Tian、Si、Yang模型比LISEM模型更適用，但DYRIM、Tian、Yang模型在確定產沙來源區(qū)方面的能力比Si模型高。Si模型、Yang模型在建立時考慮了溝道侵蝕[21，23]。Tian考慮了淤地壩的攔沙效應[22]。在模擬重力侵蝕過程方面只有DYRIM模型能夠做到[26-27]。

2.3 分布式模型應用與評價

分布式水文模型具有物理基礎，模型結構嚴謹，參數(shù)的物理意義明確；結合“3S”技術得到更為詳細的且符合實際情況的基礎數(shù)據(jù)；因為模型是建立在DEM的基礎上，可以反映出人類活動和下墊面因素對流域水文過程的影響。分布式水文模型在黃土高原地區(qū)的探索和研究也有較大的進展。

Watershed Erosion Prediction Project(WEPP)模型在模擬小流域單次降雨事件或者連續(xù)降雨過程的產沙量時較為適用[28-29]。地表徑流的模擬基于Chu S T[30]開發(fā)的Green-Ampt方程，徑流峰值估算根據(jù)運動波或回歸方程。WEPP模型模擬土壤侵蝕利用靜態(tài)泥沙連續(xù)方程[31]。對河道內的侵蝕、輸移和淤積過程的模擬是建立在泥沙連續(xù)性方程的靜態(tài)解基礎之上的。王建勛[10-11]、Yu X等[12]對WEPP坡面版在黃土區(qū)(橋子東溝、橋子西溝、呂二溝)適應性做出評價并得到良好結果，Nsc高于0.74。WEPP模型在模擬過程中，可以較好的反映出坡度和坡長對產沙量的影響，模擬流域中的沙源和沙匯的能力較高，可以較好的模擬細溝侵蝕和細溝間侵蝕的物理過程。模擬土壤流失量時，對于陡坡也同樣適用。但需要注意的是模型未考慮重力侵蝕。

SWAT用于模擬流域內徑流和產沙過程及其對土地利用變化的響應。Qiu等[32-34]分別在紙坊溝、安家溝、皇甫川進行數(shù)值模擬，得到較精確的預測值(校正R2>0.7，Nsc>0.6)，而驗證結果明顯低于校正結果。Shao H等[35]為SWAT模型建立了梯田模擬模塊，使模型能夠模擬梯田對侵蝕過程的影響。然而，模型需要的參數(shù)較多并且僅在緩坡地區(qū)適用。因此為提高侵蝕量的計算常常將CSLE中陡坡因子的計算方法應用在模型中。此外，SWAT與WEPP模型都加入了水庫的影響[36]。WATEM/SEDEM模型由Van Rompaey A J等[37]開發(fā)，用于泥沙輸移過程的模擬。但是模型在黃土高原驗證中預測值精度不高或模擬結果不穩(wěn)定[38]。此外，劉卓穎[39]建立了適合黃土高原地區(qū)氣候及水土保持特點的分布式水文模型，并且將淤地壩引入到模型中，實現(xiàn)對其攔水攔沙效益的模擬。但是這些模型在改進時受到地域的限制，不能廣泛的應用于黃土高原。表1是不同土壤侵蝕模型的類型、結構及其在黃土高原土壤侵蝕數(shù)值模擬方面的適用性比較。

表1 土壤侵蝕模型比較Table 1 Comparison of soil erosion models

3 黃土高原土壤侵蝕預報模型研究展望

3.1 存在的問題

目前黃土高原土壤侵蝕模型存在問題主要有四個方面：①數(shù)據(jù)質量需要提高。如坡度、坡長都是模型運行不可少的參數(shù)，不僅決定徑流及泥沙運移的驅動能量，而且決定了徑流方向，這在地形復雜的黃土高原尤為重要。模擬時所用的DEM分辨率最高為5 m[1]，但是黃土高原的某些細溝寬度小于5 m；②對水土流失過程需要更為精細的描述。黃土高原的水流特性與清水基本不一致，為高含沙水流；而且存在高密度的溝道與陡坡。而泥沙輸運公式不能反映出黃土高原這些特有的性質[40]，而且由于黃土高原各種水土保持措施，形成了很多特殊的地形，如大規(guī)模梯田、魚鱗坑、淤地壩[41]。現(xiàn)有的模型對這些因素鮮有考慮；③需要提高模型校正與驗證方法。通過比較預測值與實測值的差異來驗證模型的適用性，但是忽略了驗證模型內部的產輸沙及產匯流過程，而且對模型空間分布的驗證比較少。此外，應該注意的是，在模型中嵌入更多的過程會直接增加模型的復雜性[42]；④對土壤侵蝕機理和過程了解不清晰?，F(xiàn)有模型大多只是考慮了降雨與水力侵蝕的關系，但是在黃土高原滑坡發(fā)生時，邊坡底部的重力侵蝕造成邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象并沒有考慮在模型內。而且在坡腳侵蝕區(qū)，由于土壤流失造成地下水水位升高，導致滑動面上的有效正應力減小，抗剪強度降低。目前，我國對黃土水力侵蝕與黃土滑坡的互促機制問題依舊沒有解決，這就造成了在數(shù)值模型建立的時候對滑坡機制考慮的不夠全面，這可能是數(shù)值模型在模擬時不準確的主要原因。

3.2 展望

經過對黃土高原土壤侵蝕模型的對比與分析，模型的未來發(fā)展方向主要放在3個方面：數(shù)據(jù)質量的提高、開發(fā)新模塊與模型評估。①模型模擬的準確性是直接建立在基礎數(shù)據(jù)之上的。由于黃土高原地形復雜，數(shù)據(jù)精度的提高尤為重要。因此在數(shù)據(jù)方面的發(fā)展要集中于提高DEM的分辨率，對土地利用數(shù)據(jù)的時空變化記錄更為詳細，對實測土壤侵蝕量的統(tǒng)計更加準確，以提高模型驗證精度；②由于黃土高原各種水土保持措施形成的特殊的地貌沒有辦法在目前的模型中加以體現(xiàn)，因此要注重新模塊的開發(fā)。目前的模型大都只適用于小流域，未來應注重于將小流域向大流域的轉換，從小尺度到大尺度。對于上述提到的對水力侵蝕與黃土斜坡穩(wěn)定性的問題，可以按照野外測量的斜坡原型利用WEPP建立數(shù)值模型。首先模擬地下水位的升降變化對斜坡坡體穩(wěn)定性的影響，然后模擬流水作用對坡腳的侵蝕作用，同時設置浸潤，模擬流水作用對坡腳的浸潤作用，浸潤高度根據(jù)流水的水面高程和毛細水上升高度確定，通過設置不同的變化條件，進行斜坡穩(wěn)定性分析，研究水力侵蝕與斜坡失穩(wěn)之間的相關性；③在驗證模型時，只驗證了單個模型的適用性，忽略了對比不同模型在相同條件下的模擬精度，而且目前模型驗證的方法只是簡單對比預測值與實測值的差異，并不能體現(xiàn)出是否對土壤侵蝕過程進行了正確模擬，黃土高原土壤侵蝕復雜多樣，比如WEPP模型雖然精度得到驗證，但是不能模擬重力侵蝕，而在黃土高原這樣重力侵蝕普遍發(fā)生的地區(qū)模型的內部侵蝕過程更應該得到檢驗。因此未來需要集中于模型內部的侵蝕過程的驗證。且需要驗證模擬結果在空間分布上的適用性。