土壤侵蝕模型與水土保持管理

1.土壤侵蝕模型是水土保持管理的重要支撐工具

模型是對真實世界的定量表征,能夠預測未來或不同情景下的結果,為決策提供參考。 土壤侵蝕模型能夠發揮的作用主要包括:

1)預測多年平均降雨條件下不同土地利用和水土保持措施的土壤流失量,與容許土壤流失量比較,確定合適的土地利用方式和水土保持措施;

2)預測重現期降雨事件的土壤流失量,服務于水土保持措施設計,評估重大降雨事件發生的侵蝕及其影響;

3)預測次降雨事件或多年平均降雨條件下,不同土地利用、水土保持措施、肥料施用情況下徑流和泥沙輸移,及其導致的面源污染物輸移,服務于河流水沙調節和肥料施用管理等;

4)評價區域水土流失面積、強度和分布,為區域規劃服務;

5)通過對比水土流失防治工程或項目實施前后的土壤流失量、徑流泥沙輸移、及面源污染物輸移等,評估工程或項目帶來的保水保土、調節水沙和改善環境的水土保持效益。

任何土壤侵蝕模型研發都針對一定的目標,有適用條件或范圍,沒有萬能的模型;因此了解模型建立條件、適用的對象特點、對輸入變量或參數的要求等,是正確應用模型的前提。

在我國或世界范圍應用比較廣泛的有 USLE或其修訂版、CREAMS 和 SWAT,它們有各自的適用條件和目的。

水土保持

USLE 和 CREAMS 均為坡面模型,前者只預報坡面細溝與細溝間侵蝕,用于水土保持措施布設或評價水土保持措施布設后的保土效益,無法估算徑流、溝蝕或沉積等。 后者除能預報細溝與細溝間侵蝕外,還能預報徑流量,以及侵蝕泥沙和徑流導致的污染物輸移,可用于面源污染物總量估算,指導針對控制面源污染物的水土保持措施布設。

SWAT 是一個流域模型,包括了坡面產流產沙和溝道匯流匯沙過程,及其導致的污染物輸移。 通過定義和劃分水文單元及子流域,實現了尺度較大的大流域模擬;然而徑流和侵蝕的發生發展過程本質上是一個小尺度過程,需要高時空分辨率的高精度數據模擬這種過程,否則會導致模擬結果失真。

大尺度數據空間分辨率低與徑流侵蝕過程空間分辨率高之間的矛盾,是應用模型首先需要考慮的,也是目前應用上述模型經常出現的問題。

如美國應用 USLE、我國應用 CSLE 開展大尺度區域土壤侵蝕強度評價時,并非直接將模型因子在區域范圍內進行柵格運算,而是首先采用抽樣方法確定擬開展計算的小尺度空間范圍:美國選用一個坡面,我國選擇一個面積 0.2 ~ 3 km2的小流域。

在這樣的小尺度范圍內,除降雨與土壤外,地形和水土保持措施因子的空間分布比例尺均不低于 1頤 1萬,然后用模型以不低于 10 m 分辨率進行柵格計算。 再根據所有抽樣的小尺度空間范圍的計算結果,利用統計學原理估計區域總體特征。

如美國應用 USLE、我國應用 CSLE 開展大尺度區域土壤侵蝕強度評價時,并非直接將模型因子在區域范圍內進行柵格運算,而是首先采用抽樣方法確定擬開展計算的小尺度空間范圍:美國選用一個坡面,我國選擇一個面積 0.2 ~ 3 km2的小流域。

考慮到小流域是水土流失發生的基本空間表現單元,選擇小流域顯然比選擇坡面更有代表性。

如果在大尺度范圍內,即使采用 1:5 萬比例尺數據計算各個因子,也已經無法真實反映侵蝕發生因子小尺度特征,如將起伏的地形平滑,將不同土地利用、不同水土保持措施的地塊合并等。 如果侵蝕因子的誤差已經很大,再利用模型計算的結果誤差將會更大,且誤差呈非線性增加。目前直接將粗分辨率數據代入坡面模型在大尺度區域范圍內進行柵格計算的情況很多,這是對模型的錯誤應用。

2.長期高質量試驗與監測數據是建立土壤侵蝕模型的基礎

USLE 和 WEPP 的建立都基于大量觀測和試驗數據。 從 20 世紀 30 年代的徑流小區觀測,到 1965年發布 USLE,歷經 30 多年的觀測與研究,5 年內進行了 55 種土壤的人工降雨試驗,建立了土壤可蝕性因子計算公式。 1989—1995 年 WEPP 研發過程中,進行了 35 種農地土壤和 18 種草地的人工降雨試驗 。

目前的應用模型坡面侵蝕多采用 USLE及其后來的修訂版。

我國 20 世紀 20 年代就有了土壤侵蝕觀測,50年代建立了第一個土壤侵蝕預報模型,監測和模型研究均與國際同步,中間出現 60—70 年代的停滯,80 年代以后開始發展。 2004 年水利部實施了“全國水土保持監測網絡和信息系統項目冶,但目前未能形成目標明確的數據支撐。

進一步規范監測設施設備、方法和資料整編,確保監測目標明確,質量可靠,長期進行,將是未來我國土壤侵蝕模型發展的根本保證。

3.面向用戶或管理需求研發是成功推廣應用土壤侵蝕模型的前提

USLE 和 WEPP 都是為了解決水土保持實踐面臨的問題。 什么樣的水土保持措施能更好地保護土壤? 由此促生了 USLE。

模型以農業手冊指南形式發布,其中的作物覆蓋管理與水土保持措施均是針對各區域實際情況:考慮了不同作物組合的輪作方法、不同發育階段的覆蓋變化,種植過程中的耕作管理,如苗床準備、中耕(除草、松土、培土)、收獲方式等;水土保持措施代表了應用最為廣泛的梯田、等高耕作、免耕(留茬)、草田輪作或帶狀耕作等。

侵蝕理論的發展,尤其是細溝間侵蝕(濺蝕為主)和細溝侵蝕(水流沖刷為主)概念的提出,針對土壤侵蝕空間差異防治的需求, 促成了 WEPP 模型的開發。1985 年 WEPP 核心團隊第一次會議提出應首先編寫用戶手冊。

隨后分別在美國農業部(USDA)農業研究局(ARS)下屬的 4 個技術中心、內政部的土地管理法局(BLM)、農業部林業局(FS)等部門進行了用戶需求調研,最終的用戶手冊由 ARS、BLM 和 FS聯合簽署,不僅成為 WEPP 模型的開發指南,也為WEPP 模型開發與應用提供了資金和組織保障。

4.學科協同交叉和長期堅持是建立高水平可持續應用土壤侵蝕模型的保障

USLE 和 WEPP 不僅經歷了從概念模型到數學模型、再到計算機模型的過程,更是由多學科、不同單位的科學家在 ARS 組織協調下共同開發。

USLE首次 以 農 業 手 冊 282 號 發 布 之 前, Cook 、Zingg 、Simth 、Musgrave等眾多科學家對土壤侵蝕因子與土壤流失量的定量關系已進行了長期研究,形成了概念模型和部分定量模型。

USDA-ARS 在普渡大學成立的數據中心,使 Wischmeier 能夠利用眾多數據提出降雨侵蝕力指數 EI30  ,給出標準小區定義,并據此計算了 22 種代表性土壤的可蝕性因子值。 隨后的研究解決了美國東北地區融雪侵蝕降雨徑流侵蝕力的估算,通過多種土壤的人工降雨試驗,建立了基于土壤性質計算土壤可蝕性因子的公式(諾謨圖),提出不規則坡的地形因子計算方法等,以農業手冊 537 號發布 USLE 第二版 。

隨著計算機技術的發展和新的研究成果的取得,RUSLE 以農業手冊 703 號發布 ,并提供了計算機程序和相應的數據庫。 RUSLE 考慮了凍融作用導致的土壤可蝕性因子的季節變化,將 C 因子表述為前期土地利用、冠層覆蓋、地表覆蓋、地表糙度和土壤水分等 5 個次因子的乘積形式。 近年剛修訂的 RUSLE2,不僅大大增加了模型的復雜性,更是將模擬步長半月時段提高到日 。

文章來源： 中國水土保持科學的論文《土壤侵蝕模型在水土保持實踐中的應用》

作者：謝搖云,岳天雨