WEPP模型在紫色土區(qū)域適用性研究

朱韻嶠

摘要利用紫色土區(qū)域某水保站1984—2017年7次典型降雨資料，應(yīng)用WEPP（water erosion prediction project）模型模擬了不同降雨條件下不同地面坡度的紫色土坡面徑流量和侵蝕量，提出了模型評(píng)價(jià)方法，將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證WEPP模型及其內(nèi)置參數(shù)在我國(guó)紫色土范圍內(nèi)模型預(yù)測(cè)的可行性及準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，WEPP模型對(duì)于紫色土區(qū)域水蝕模擬基本可行，產(chǎn)流量的預(yù)測(cè)比侵蝕量的預(yù)測(cè)更為合理，低坡度條件下的模擬結(jié)果優(yōu)于高坡度條件。對(duì)于侵蝕量的模擬不夠理想，高坡度條件下反而模擬較好。對(duì)于不同坡度下的侵蝕量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明坡度是影響土壤侵蝕的動(dòng)力因子，在一定的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量與坡度呈冪函數(shù)遞增關(guān)系。

關(guān)鍵詞土壤侵蝕量；產(chǎn)流量；坡度；降雨量；WEPP模型

中圖分類(lèi)號(hào)S157.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）23-0106-03

Research on the Applicability of WEPP Model in Purple Soil Area

ZHU Yunjiao

（College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098）

AbstractBased on the 7 typical rainfall data from 1984 to 2017 in a soil and water conservation station in the particular purple soil area ， the WEPP （water erosion prediction project） model was used to simulate the runoff and erosion amount of the purple soil slope under different rainfall conditions. The simulation method was compared with the measured values to verify the feasibility and accuracy of the WEPP model and its builtin parameters in the model of purple soil in China. The results showed that the WEPP model was basically feasible for the water erosion simulation in the purple soil area， and the prediction of the runoff was more reasonable than the prediction of the erosion amount， and the simulation result under the low slope condition was better than the high slope condition. The results showed that the slope was the dynamic factor that affected the soil erosion. In this slope range， the soil erosion and the slope were increasing with the increase of the slope.

Key wordsSoil erosion；Runoff；Slope；Rainfall；WEPP model

作者簡(jiǎn)介朱韻嶠（1996—），女，江蘇鹽城人，本科生，專(zhuān)業(yè)：農(nóng)業(yè)水利工程。

收稿日期2017-05-02

WEPP（water erosion prediction project）模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）為了克服通用土壤流失方程（USLE）的缺點(diǎn)而發(fā)布的一種基于連續(xù)事件的分布式參數(shù)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，是迄今為止最為復(fù)雜的描述與土壤侵蝕相關(guān)物理過(guò)程的計(jì)算機(jī)程序。自1985年開(kāi)發(fā)以來(lái)，WEPP模型歷經(jīng)多次修改，最新模型由2012年推出。模型參數(shù)包括氣候、坡度、土壤、作物管理4個(gè)參數(shù)模塊。在模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，先后采集了1 800個(gè)土壤樣本，收集了全美近30年的氣候資料。近年來(lái)，我國(guó)越來(lái)越多的學(xué)者利用WEPP模型對(duì)不同地區(qū)的土壤侵蝕進(jìn)行模擬。筆者利用WEPP模型對(duì)紫色土區(qū)域某水土保持試驗(yàn)站產(chǎn)流、侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)該模型在我國(guó)紫色土區(qū)域的適用性，并分析了坡度單因子對(duì)侵蝕量的影響。

1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)坡面位于四川某紫色土重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)的水土保持試驗(yàn)站。該研究采用5°、10°、15°、20°、25° 5個(gè)不同坡度的坡面，采用相同的耕作措施，通過(guò)量水池和三角堰進(jìn)行徑流和侵蝕的觀(guān)測(cè)。5個(gè)坡面相鄰，不考慮其他因素的干擾，可以認(rèn)為每次觀(guān)測(cè)前土壤級(jí)配、前期含水量、土壤容重、集雨面積等初始條件基本一致。水土保持試驗(yàn)站設(shè)有一個(gè)雨量站，進(jìn)行降雨量觀(guān)測(cè)。

1984年至今，觀(guān)測(cè)了該水土保持試驗(yàn)站近50場(chǎng)降雨（雨量較大，發(fā)生了侵蝕現(xiàn)象）的降雨量、不同坡面的徑流量、侵蝕量等。其中7場(chǎng)典型降雨情況見(jiàn)表1。每場(chǎng)降雨選自不同年份，同一坡面上不同年份之間的耕作措施可能不同，植被覆蓋度也不同。但是同一年份中，不同坡面的耕作措施和植被覆蓋度保持一致，土壤侵蝕量與坡度的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1，徑流量與坡度的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

2WEPP模型建立

2.1預(yù)測(cè)參數(shù)建立

坡面版WEPP模型的預(yù)測(cè)參數(shù)包括氣候參數(shù)、地形參數(shù)、土壤參數(shù)和土地管理參數(shù)。

2.1.1地形參數(shù)。地形參數(shù)由手動(dòng)直接輸入不同坡降百分比，在該研究中采用 8.74%（5°）、17.63%（10°）、26.79%（15°）、 36.40%（20°）、46.63%（25°）5組不同坡度。每個(gè)坡度都是寬7.00 m，長(zhǎng)9.52 m，土壤為紫色土。

2.1.2氣候參數(shù)?？婑Y遠(yuǎn)等[1]在四川省遂寧市的紫色土區(qū)域運(yùn)用WEPP模型對(duì)當(dāng)?shù)刈仙吝M(jìn)行單次降雨土壤侵蝕預(yù)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)利用CLIGEN氣候生成器或BackPoint DATA斷點(diǎn)生成器生成氣候參數(shù)，預(yù)測(cè)結(jié)果均可達(dá)到顯著水平。在模擬產(chǎn)流方面使用CLIGEN氣候生成器的預(yù)測(cè)結(jié)果不及BackPoint DATA斷點(diǎn)生成器好。何丙輝等[2]利用四川省遂寧水土保持站降水年平均資料和氣溫的月平均資料與全美各參證站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)CLIGEN氣候生成器模型進(jìn)行了適應(yīng)性評(píng)估。結(jié)果證明，選擇TEXAS州CENTEVILLE站點(diǎn)為參證站點(diǎn)比較接近四川遂寧紫色土區(qū)域的模擬結(jié)果。因此，筆者結(jié)合實(shí)際情況，利用站內(nèi)氣象觀(guān)測(cè)場(chǎng)中的降雨觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和參證站點(diǎn)美國(guó)得克薩斯州（TEXAS）森特維爾（CENTERVILLE）進(jìn)行剩余氣候數(shù)據(jù)的替代建立氣候參數(shù)。

2.1.3土壤參數(shù)。土壤數(shù)據(jù)利用紫色土實(shí)測(cè)值及模型提供的經(jīng)驗(yàn)公式生成土壤數(shù)據(jù)文件。

2.1.4

土地管理參數(shù)。土地管理參數(shù)利用WEPP模型自帶的多種參數(shù)，對(duì)FALLOW、GRASS、FARMLAND等多種情況進(jìn)行模擬，選擇擬合度較高的模式。

2.2模型評(píng)價(jià)方法

試驗(yàn)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中相對(duì)誤差（Er）、模型有效系數(shù)（ME）2個(gè)衡量指標(biāo)，對(duì)實(shí)際觀(guān)測(cè)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量值與 WEPP 模型中模型自動(dòng)生成2種方式下所獲取的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，分析模型的有效性[3]。

Er=Ypred-YobsYobs×100%

ME=1-∑（Yobs-Ypred）2∑（Yobs-Ymean）2

式中，Er為相對(duì)誤差，Yobs為實(shí)測(cè)值，Ypred為模擬值，Ymean為實(shí)測(cè)值的平均值，ME為模擬有效性系數(shù)。

ME=1.0，模擬值與實(shí)測(cè)值均相等

>0.5，模型的模擬擬合較好

=0，實(shí)測(cè)值的平均值和模型的模擬值對(duì)實(shí)測(cè)值具有相同的相關(guān)性

>0，表示實(shí)測(cè)值的平均值對(duì)實(shí)測(cè)值的相關(guān)性要高于模型的模擬值

3結(jié)果與分析

3.1模型評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3可知，WEPP 模型預(yù)測(cè)5°、10°、15°、20°、25°小區(qū)產(chǎn)流量的相對(duì)誤差分別在-24.92%～3221%、-12.99%～7.04%、-16.24%～14.93%、-15.63%～25.41%、-9.55%～33.43%，說(shuō)明隨著坡度的上升，產(chǎn)流量預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差逐漸增大，25°時(shí)徑流小區(qū)出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的情況。對(duì)于侵蝕量的預(yù)測(cè)，5°、10°、15°、20°、25°小區(qū)侵蝕量的相對(duì)誤差分別在-55.33%～-40.65%、-71.36%～59.35%、-72.67%～-27.78%、-31.96%～13.97%、-41.59%～94.72%，說(shuō)明5個(gè)不同坡度的徑流小區(qū)的預(yù)測(cè)值不好，在5°、10°、15°等低坡度條件下侵蝕量模擬值一般小于實(shí)測(cè)值，相對(duì)誤差為負(fù)。在較高坡度時(shí)，誤差呈現(xiàn)不確定性，其中在25°坡度，相對(duì)誤差可達(dá)70%以上，基本難以模擬出來(lái)。在相同參數(shù)組合的模擬下，產(chǎn)流量預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差值一般小于侵蝕量的相對(duì)誤差值，這說(shuō)明在我國(guó)紫色土區(qū)域，單次降雨侵蝕產(chǎn)流量的預(yù)測(cè)效果要優(yōu)于對(duì)產(chǎn)沙量的預(yù)測(cè)效果。這與代華龍等[4]、李振林等[5]的研究結(jié)果一致。

由表4可知，在5°、10°、15°低坡度條件下，產(chǎn)流量的模型有效性ME值均大于0.800，而侵蝕量的模型有效性ME值在0.023～0.299，表明紫色土低坡度條件下，WEPP模型對(duì)產(chǎn)流量的預(yù)測(cè)效果要優(yōu)于對(duì)侵蝕量的預(yù)測(cè)效果。在20°、25°高坡度條件下，WEPP模型預(yù)測(cè)結(jié)果與低坡度條件下相差較大，其侵蝕量的模型有效性ME值反而大于0.700，明顯高于產(chǎn)流量的模型有效性ME值。表明高坡度條件下WEPP模型對(duì)紫色土區(qū)域侵蝕量預(yù)測(cè)較好。在25°條件下，對(duì)產(chǎn)流量的模型有效性ME 值表現(xiàn)為負(fù)值，這說(shuō)明此時(shí)對(duì)實(shí)測(cè)值的相關(guān)性均高于模型的模擬值。

3.2坡度與侵蝕量的關(guān)系

對(duì)坡面水蝕來(lái)說(shuō)，地面坡度是地形因素中對(duì)坡面土壤侵蝕的發(fā)展起重要作用的因子。一般認(rèn)為，坡度的大小決定徑流的沖刷與搬運(yùn)能力。與此同時(shí)，地面坡度的大小影響降雨入滲量、地表徑流量、地表滯水能力和侵蝕泥沙的穩(wěn)定性，從而直接或間接地影響土壤侵蝕。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，坡度與土壤侵蝕量的關(guān)系多呈Y=aθb的關(guān)系（a、b為常數(shù)）[6]。土壤侵蝕量實(shí)測(cè)值冪函數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)測(cè)算，不同降雨量情況下坡度指數(shù)也基本在0.14～2.25，去掉2個(gè)極限值，指數(shù)在0.80～1.60，且相關(guān)系數(shù)也較大，除了降雨量70.7 mm，其他6組數(shù)據(jù)R2均大于0.900 0，說(shuō)明在一定的坡度范圍內(nèi)，該流域的土壤侵蝕量與坡度的關(guān)系滿(mǎn)足冪函數(shù)關(guān)系。

由表6可知，總體來(lái)說(shuō)，不同降雨條件下，隨著坡度的增大，土壤侵蝕量也隨之增加，但是坡度每增加相同的度數(shù)，土壤侵蝕量的增加幅度有所不同，在試驗(yàn)坡度（5°～25°）范圍內(nèi)，土壤侵蝕增加量整體趨勢(shì)隨坡度的變陡而增加。坡度越陡，一定坡長(zhǎng)上的坡面徑流量就越少。地面坡度越大，徑流的沖刷能力越強(qiáng)。坡度相同時(shí)，坡面越長(zhǎng)，匯集的流量越大，侵蝕力也越強(qiáng)。

4結(jié)論

WEPP模型對(duì)于紫色土區(qū)域土壤侵蝕模擬基本可行，對(duì)于產(chǎn)流量的預(yù)測(cè)比侵蝕量的預(yù)測(cè)更為合理，低坡度條件下的模擬結(jié)果優(yōu)于高坡度條件。對(duì)于侵蝕量的模擬不夠理想，高坡度條件下反而模擬較為準(zhǔn)確。對(duì)于不同坡度下侵蝕量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明坡度是影響土壤侵蝕的動(dòng)力因子，在一定的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量與坡度呈冪函數(shù)遞增關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1] 繆馳遠(yuǎn)，何丙輝，陳曉燕.水蝕模型USLE與WEPP在紫色土水蝕預(yù)測(cè)中的應(yīng)用對(duì)比研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（1）：13-16.

[2] 何丙輝，繆馳遠(yuǎn)，陳曉燕，等.CLIGEN氣候生成器模型在紫色土地區(qū)的適應(yīng)性研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（3）：183-187.

[3] 何建林.WEPP模型預(yù)測(cè)參數(shù)在紫色土區(qū)的研究[D].重慶：西南大學(xué)，2010.

[4] 代華龍，曹叔尤，劉興年，等.基于WEPP模型的紫色土坡面水蝕預(yù)報(bào)[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6（2）：60-65.

[5] 李振林，何丙輝，何建林，等.紫色土區(qū) WEPP 模型不同地類(lèi)下預(yù)測(cè)參數(shù)敏感性分析[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28（5）：654-660.

[6] 劉淑燕，秦富倉(cāng)，項(xiàng)元和，等.基于WEPP模型進(jìn)行坡度因子與侵蝕量關(guān)系研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（4）：97-101.