基于WEPP的螞蟻河流域土壤侵蝕狀況研究

周 歡，陳圣波， 程 雪

(吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026)

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基于WEPP的螞蟻河流域土壤侵蝕狀況研究

周 歡，陳圣波*， 程 雪

(吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026)

摘要[目的]探尋準(zhǔn)確、有效的方法研究螞蟻河流域土壤侵蝕狀況。[方法]利用WEPP模型對(duì)螞蟻河流域的侵蝕狀況進(jìn)行定量研究，得到近30年來(lái)螞蟻河流域的土壤侵蝕分布狀況，并結(jié)合模型參數(shù)進(jìn)行分析。[結(jié)果] 該流域土壤侵蝕較嚴(yán)重的區(qū)域位于東南部和北部，侵蝕量總體由中間向四周先逐漸降低后又升高。對(duì)所得到的侵蝕量進(jìn)行換算，結(jié)果顯示，該研究區(qū)的平均侵蝕模數(shù)范圍為0～1 020 t/(km2·a)，屬于微度和輕度侵蝕。[結(jié)論]WEPP模型的應(yīng)用為東北黑土區(qū)土壤侵蝕預(yù)報(bào)提供一種可行方案，也為水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞WEPP；土壤侵蝕；螞蟻河流域

土壤侵蝕可以導(dǎo)致土地退化、干旱、洪澇等災(zāi)害發(fā)生，引起生態(tài)環(huán)境惡化。近年來(lái)由于人類活動(dòng)的增加，土壤侵蝕日益加劇。因此，研究土壤侵蝕狀況，分析影響土壤侵蝕的因素，有利于了解不同地區(qū)土壤侵蝕的空間分布，為土壤侵蝕預(yù)報(bào)及治理提供依據(jù)。

針對(duì)土壤侵蝕問題，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者以不同的方式進(jìn)行了研究。范昊明等[1]從自然地理環(huán)境和人類活動(dòng)角度出發(fā)，分析影響東北黑土區(qū)土壤侵蝕的主要因素。由于該研究主要是定性研究，較不精確。湯立群等[2]按自然流域劃分子流域，將子流域概化分區(qū)，根據(jù)不同區(qū)域土壤侵蝕和產(chǎn)沙特點(diǎn)，應(yīng)用水文學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)基本原理建立了具有物理成因的概念性產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型。該模型在黃土丘陵區(qū)具有一定精度，在其他地區(qū)的適用性有待驗(yàn)證。1965年，Wischmeier等[3]提出通用土壤流失方程USLE(Universal soil loss equation)，該模型是美國(guó)研制的用于定量預(yù)報(bào)農(nóng)地或草地坡面多年平均土壤流失的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，主要研究由降雨引起的水動(dòng)力土壤侵蝕[4]。由于在應(yīng)用USLE時(shí)，必須對(duì)每一個(gè)因子的應(yīng)用范圍有清楚的了解，因此對(duì)于不同地區(qū)各個(gè)因子存在差異性，模型的推廣受到限制。WEPP (Water erosion prediction project) 模型是用來(lái)代替USLE的新一代侵蝕預(yù)報(bào)模型，它可以模擬和預(yù)測(cè)不同時(shí)間尺度、不同土地利用類型的徑流量和土壤侵蝕量，同時(shí)還具備模擬和預(yù)測(cè)土壤水分的滲入、蒸發(fā)、農(nóng)作物生長(zhǎng)的功能[5]。由于該模型是一個(gè)過(guò)程模型，所以可外推到更廣泛的區(qū)域，甚至是沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的區(qū)域[6]?；诖?，筆者以黑龍江省螞蟻河流域?yàn)槔?，?yīng)用WEPP模型模擬流域1982～2012年的總侵蝕量，得到螞蟻河流域的侵蝕狀況，分析出現(xiàn)該侵蝕量分布狀況的主要原因，以期為東北黑土區(qū)土壤的侵蝕預(yù)報(bào)提供一種可行方案，也為水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況螞蟻河流域位于黑龍江省，長(zhǎng)白山西坡，地理坐標(biāo)為127°～129° E，44°～45° N，流域面積為10 184.6 km2(圖1)。流域內(nèi)的螞蟻河是松花江右岸一級(jí)支流，發(fā)源于長(zhǎng)白山張廣才嶺地區(qū)，向西流至黑龍江省尚志市尚志縣，干流長(zhǎng)285 km。

圖1　研究區(qū)位置Fig.1　The position of study area

1.2數(shù)據(jù)收集運(yùn)行WEPP模型坡面版，分別需要?dú)夂驍?shù)據(jù)、作物管理數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和坡面數(shù)據(jù)，而每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的生成都需要多個(gè)參數(shù)來(lái)支持。因此，需要收集氣候、作物類型、土壤類型等參數(shù)。氣候數(shù)據(jù)采用從“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”上下載的尚志氣象站1982～2012年的每日最高溫、最低溫及降雨量數(shù)據(jù)；作物類型由“全球土地覆蓋數(shù)據(jù)GlobCover2009”影像確定；土壤參數(shù)主要通過(guò)“中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)”中尚志地區(qū)土壤信息得到；坡面數(shù)據(jù)通過(guò)30 m分辨率ASTER GDEM得到的螞蟻河流域的DEM經(jīng)處理得以確定。

1.3WEPP模型侵蝕量模擬

1.3.1WEPP模型坡面版基本原理。WEPP模型坡面版將坡面侵蝕分為細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝間侵蝕。細(xì)溝侵蝕是指雨滴擊濺和坡面水流對(duì)土壤進(jìn)行剝蝕和搬運(yùn)的過(guò)程；細(xì)溝間侵蝕是指在細(xì)溝內(nèi)土壤所發(fā)生剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程。WEPP模型用穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程來(lái)描述泥沙運(yùn)動(dòng)：

(1)

式中，x表示某點(diǎn)沿下坡方向的距離，單位為m；G表示輸沙量，單位為kg/(s·m)；Dr表示細(xì)溝侵蝕速率，單位為kg/(s·m2)；Di表示細(xì)溝間泥沙輸移到細(xì)溝的速率，單位為kg/(s·m2)。

若水流剪切力>臨界土壤剪切力，輸沙率<泥沙輸移能力時(shí)，細(xì)溝內(nèi)以搬運(yùn)為主：

(2)

Dc=Kr(τf-τc)

(3)

式中，Dc表示細(xì)溝水流的剝蝕能力，單位為kg/(s·m2)；Tc表示細(xì)溝間泥沙輸移能力，單位為kg/(s·m)；Kr表示細(xì)溝可蝕性參數(shù)，單位為s/m；τf為水流剪切壓力，單位為Pa；τc為臨界剪切力，單位為Pa。

若輸沙率大于泥沙輸移能力，則以沉積為主：

(4)

式中，Vf表示有效沉積速率，單位為m/s；q為單寬水流流量，單位為m2/s；β為雨滴擾動(dòng)系數(shù)[7]。

1.3.2WEPP模型運(yùn)用。由于WEPP模型主要適用于坡度較緩和坡長(zhǎng)較短坡面的模擬，因此，選取平均坡度<35°、平均坡長(zhǎng)≤30m的位置，運(yùn)行WEPP模型，得到螞蟻河流域不同坡面位置的侵蝕量，其流程如圖2所示。

2結(jié)果與分析

2.1侵蝕量模擬結(jié)果運(yùn)行WEPP模型，得到193個(gè)坡面單元的30a侵蝕量。在ArcGIS中，根據(jù)這些值進(jìn)行插值，得到整個(gè)流域的土壤侵蝕量總體分布圖(圖3)。由圖3可知，該流域土壤侵蝕較嚴(yán)重的區(qū)域位于東南部和北部，侵蝕量總體由中間向四周先逐漸降低后又升高。依據(jù)中華人民共和國(guó)水利部1997年頒布的東北黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)[8]，對(duì)所得到的侵蝕量進(jìn)行換算，結(jié)果顯示，該研究區(qū)的平均侵蝕模數(shù)范圍為0～1 020 t/(km2·a)，屬于微度和輕度侵蝕。

2.2自然因素對(duì)土壤侵蝕的影響分析螞蟻河流域的土壤侵蝕狀況，在氣候方面，螞蟻河流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。氣候差異明顯，春季風(fēng)大干旱，夏季溫暖濕潤(rùn)，秋季氣候涼爽，冬季干燥寒冷。氣溫、降水、季風(fēng)和霜凍等隨季節(jié)變化顯著，對(duì)流域內(nèi)的土壤侵蝕有一定影響。

表1東北黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table 1Classification standard of soil erosion intensity in black soil region of Northeast China

級(jí)別Grade平均侵蝕模數(shù)Averageerrosionmodulust/(km2·a)級(jí)別Grade平均侵蝕模數(shù)Averageerrosionmodulust/(km2·a)微度Microdegree<200強(qiáng)度Intensity5000～8000輕度Mild200～2500極強(qiáng)度Extremelyintensity8000～15000中度Moderate2500～5000劇烈Severe>15000

在植被方面，該流域的植被覆蓋度高達(dá)90%以上，由于植被覆蓋度直接影響著地面徑流和土壤侵蝕模數(shù)，植被覆蓋度越高，地表徑流量越少，土壤侵蝕模數(shù)越小[9]，因此該流域

圖3　螞蟻河流域土壤侵蝕分布情況Fig.3　Soil errosion of the Ant River basin

的土壤侵蝕量較少，侵蝕程度較輕。

土壤的機(jī)械組成及理化性質(zhì)都會(huì)不同程度的影響土壤侵蝕。螞蟻河流域土壤以砂粒為主，占60%～70%，上層土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)8.12%。但隨侵蝕年限的延長(zhǎng)，粗粒增多，土壤結(jié)構(gòu)粗?；?，腐殖質(zhì)含量降低，土壤理化性質(zhì)退化，抗侵蝕能力會(huì)逐漸降低。

在地形方面，侵蝕量受坡度和坡長(zhǎng)的影響，其中受坡度的影響更大。由于坡度影響水流速度、滲透量和徑流量，即影響地表侵蝕方式、強(qiáng)度和過(guò)程，在一定坡度范圍內(nèi)，土壤侵蝕量隨坡度的增大而增大[10]。因此，對(duì)比螞蟻河流域坡度與土壤侵蝕量可發(fā)現(xiàn)，侵蝕量較大的地區(qū)其對(duì)應(yīng)的坡度也比較陡，說(shuō)明在坡度較陡的地區(qū)水土流失比較嚴(yán)重。

2.3人為因素對(duì)土壤侵蝕的影響人為因素包括過(guò)度放牧、森林采伐等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)。螞蟻河流域主要包含黑龍江省延壽縣、尚志市局部和方正縣局部，受這些城鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)開墾和工業(yè)用地的影響，土壤質(zhì)量不斷下降，致使該流域的水土流失趨重[11-12]。

3結(jié)論

該研究利用WEPP模型計(jì)算出螞蟻河流域緩坡度、短坡長(zhǎng)坡面的侵蝕量，并通過(guò)ArcGIS插值得到了整個(gè)流域的侵蝕量分布狀況。從建立WEPP模型所應(yīng)用的數(shù)據(jù)出發(fā)，分析不同因素對(duì)土壤侵蝕的影響，為土壤侵蝕預(yù)報(bào)提供了一種可行方案，同時(shí)也為水土流失防治提供依據(jù)。

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Study on Soil Erosion Status of the Ant River Basin Based on WEPP model

ZHOU Huan,CHEN Sheng-bo*,CHENG Xue

(College of Geo Exploration Science and Technology,Jilin University,Changchun,Jilin 130026)

Abstract[Objective] The aim was to find an accurate and effective method for study soil erosion status in the Ant River basin.[Method] WEPP model was used for quantitative research on the erosion of the Ant River region to get soil erosion distribution results in the nearly 30 years and combined with the model parameters for analysis.[Result] The soil erosion serious area in the basin was located in the southeast and the north,and the total amount of erosion was gradually decreased and then increased from the central to the surrounding area.The obtained erosion amount was converted.The results showed that the average erosion modulus of study area was 0-1 020 t/(km2·a),which belongs to the micro degree and slight erosion.[Conclusion] The application of WEPP model provides a feasible scheme for the northeast black soil area to predict soil erosion and the basis for soil and water conservation.

Key wordsWEPP; Soil erosion; Ant River basin

作者簡(jiǎn)介周歡(1990- )，女,滿族，遼寧本溪人，碩士研究生，研究方向：遙感地質(zhì)。*通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，從事遙感地質(zhì)研究。

收稿日期2016-02-23

中圖分類號(hào)S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)10-074-02