土壤侵蚀模型发展历程
土壤侵蚀模型研究近 80 年的过程中,模型的性质从经验发展到机理,模拟的空间尺度从坡面到小流域、大流域或区域,模拟的内容从侵蚀、沉积、产沙到污染物富集与迁移,模型的应用从水土保持措施选择与布设、侵蚀影响生产力、到水土保持效益和水土资源管理等。这种日新月异的发展,除源于土壤侵蚀理论的不断提高,很大程度上得益于计算机、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)等新技术的支撑。
1 美国经验模型 USLE 的建立与完善
经验模型是对大量试验观测数据统计分析基础上建立的一系列数学公式。 通用土壤流失方程USLE( Universal soil loss equation) 是基于大量天然降雨和人工降雨径流小区观测和试验资料建立的预报坡面多年平均土壤流失量的经验模型,从最早出现 USLE 的名称 ,到以手册正式发布,以及至今天,不仅进行了不断修订完善 ,还被广泛应用。
径流小区是土壤侵蚀研究的基本手段,最早由德国土壤学家 Wollny 在 1882 年采用,研究坡度、植物覆盖、土壤类型、坡向等对土壤侵蚀的影响 ,创立了土壤侵蚀研究独有的径流小区方法,他因此被称为“水土保持研究的先驱者冶 。
Cook1936 年总结提出影响土壤侵蚀的三组因子:土壤可蚀性、潜在侵蚀力和覆盖保护能力,详细描述了每一组因子包括的次一级因子,实质是土壤侵蚀经验模型的概念模型。
Zingg1940 年第一个用数学方程描述土壤流失量与坡度和坡长的指数回归方程。
Smith1941 年在方程中增加了作物因子 C 和水土保持措施因子 P。
Browning 等 1947年增加了土壤可蚀性和管理因子取值表。
Musgrave1947 年总结性提出美国玉米带坡面土壤侵蚀模型,增加了最大 30 min 降雨强度幂函数表示的降雨因子。
Smith 等1948 年首次提出基于“土壤流失比例冶的方程,将植被覆盖与管理因子 C 定义为某种特定黏土和轮作条件下、3% 坡度、水平投影坡长 27. 43 m(90 英尺)、顺坡上下耕作农地的年平均土壤流失量,其余坡度 S、坡长 L、土壤类型 K、水土保持措施 P 等都是无量纲因子, 通过实际情况下的土壤流失量与 C 值的比值获得。 土壤流失比率的提出,从统计学角度在一定程度上解决了变量之间交互作用的问题。 这种无量纲因子的乘积形式为USLE 所采用。
Meyer1984 年对上述发展过程进行了详细阐述。 1954 年美国农业部在 Purdue 大学成立了径流与土壤流失数据中心,是现在国家土壤侵蚀研究实验室的前身,负责收集、处理和分析全美观测资料。 对这些数据的整理和分析,促成 USLE 的诞生。
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几个重要进展包括:
1)Wischmeier 等1958 年利用 620 次降雨径流观测结果,通过分析单变量或多变量组合共 19个变量与土壤流失量的回归关系后,提出了降雨侵蚀力指数 EI30:一次降雨总动能(E) 与该次降雨最大 30 min 降雨强度 ( I30 ) 的乘积。 进一步计算了EI30季节分布、多年平均年总量、次降雨频率分布等对土壤流失量预报结果的影响,提出将该指标作为USLE 的降雨侵蚀力因子 R。
2 ) Wischmeier[28]1960 年利用各种作物小区观测结果,提出 C 因子分5 个阶段计算每阶段的土壤流失比率(某种作物管理和覆盖条件下的土壤流失量与同等条件裸地土壤流失量的比值),然后用各阶段 EI30占全年 EI30比例的加权平均得到,同时反映了作物覆盖、管理扰动和降雨季节变化对土壤侵蚀的共同影响。
3) Olson等1963 年提出计算土壤可蚀性因子的标准小区概念,并用裸地和作物小区观测结果确定了 22 种代表性土壤的 K 因子值。
1965 年美国农业部农业手册 282 号发布 USLE。
1978 年农业手册 537 号再次发布 USLE 将应用地区从落基山以东扩展至全国。
1997 年农业手册第 703 号发布 RUSLE(Revised universal soil loss equation),总结了 19 世纪 70—90 年代最新研究成果, 并发布了计算机模型。
USLE 模型的发展给我们如下启示:
一是径流小区监测对于模型的建立和完善起到了至关重要的作用;
二是土壤侵蚀影响因子多样,组合复杂,彼此间相互作用,只有选用相对独立的因子,才能正确建立和应用 USLE;
三是 USLE 中的参数需要根据当地观测结果进行率定。
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2 中国坡面经验模型的建立与发展
1922—1927 年,首次在山西沁源、宁武东寨,山东青岛林场建立了径流小区,观测不同森林植被和植被破坏对水土流失的影响。 美国水土保持局首任副局长罗德民( W. C. Lowdermilk) 曾 2 次来中国工作近 7 年,于 1944 年帮助建立了我国第一个水土保持试验站— — —黄河水利委员会天水水土保持试验站(原名天水水土保持试验区)。
新中国成立后,1951、1952 年分别建立了黄河水利委员会西峰和绥德水土保持科学试验站,与早期建站的天水站一起组成闻名全国的水土保持科学研究“三大支柱站冶 。
1953 年刘善建利用天水水土保持试验站 1945—1949 年的观测资料,建立了黄土高原农地土壤流失量经验方程式,是我国第一个土壤侵蚀预报模型。 只比 Zingg1940 年的模型晚十几年。 无论从土壤侵蚀监测到土壤侵蚀模型研究,我国几乎与国际同时起步,但经过 19 世纪 60—70 年代的停滞,监测和模型研究都明显滞后。
19 世纪 80 年代开始,我国学者将 USLE 引入我国,开始了大量土壤侵蚀影响因子的定量研究,对于模型发展起到了重要的推动作用 。
牟金泽等利用天水水土保持实验站资料,以 20 m 水平投影坡长和 5. 07坡度的休闲地为标准小区,计算了土壤可蚀性因子、坡长指数、坡度指数以及不同耕作制度和水土保持措施因子值。
江忠善等利用天水、西峰、绥德和子洲试验站径流小区观测资料,指出 EI30指标在黄土高原适用,提出以水平投影坡长 20 m 和坡度 10毅休耕裸地作为标准小区,以此为基础确定了坡长因子和坡度因子公式。
黄炎和等在闽东南利用安溪县试验站资料,提出以水平投影坡长 20 m 和坡度 10为标准小区,建立了坡长因子与坡度因子指数函数修订公式,给出大豆与印尼绿豆轮作的 C 因子值。
周伏建等研究福建省土壤流失方程,确定降雨侵蚀力指标为 EI60。
杨子生 研究云南省土壤流失方程,确定降雨侵蚀力指标应该采用 E60I30,提出以水平投影坡长 20 m 和坡度 5休耕裸地作为标准小区,确定了红壤、黄壤和紫色土的土壤可蚀性因子值,建立了坡长因子和坡度因子公式,给出了玉米、马铃薯、黄豆和玉米- 黄豆间作 4种种植制度下 4 个生育期的土壤流失比例及其 C因子值,以及主要水土保持措施 P 因子值。
王万忠等对已有土壤侵蚀因子的定量研究进行了综述,给出了各个因子的定量评估方法。 需要指出的,USLE 通过定义降雨侵蚀力指标、标准小区与土壤可蚀性因子,以及其他影响因子的土壤流失比率,解决了因子的相互作用问题,上述因子取值或估算方法,不仅取决于这些指标、标准小区规定、流失比率定义,还要根据当地条件自然与人为因素的组合作用确定,这是 Wischmeier 一直强调的。
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USLE 在我国的应用过程中,应注意以下几个问题:
一是 USLE 降雨侵蚀力指标为 EI30,如果有其他指标与土壤流失量的关系更好而被选择,应建立与 EI30 的转换关系,以实现结果可比。
二是 USLE采用美制单位导致降雨侵蚀力数值偏大,为缩小其除以 100,这在以后产生了单位误用情形,为此,Foster 等1981 年专门撰文将美制单位转换为国际单位制,应用时应特别注意。
三是标准小区是计算土壤可蚀性、坡度和坡长因子定义的计算标准,而非建设标准。 观测时须确保土壤裸露和、顺坡耕作方式管理、破除结皮等,无须按规定的坡度和坡长标准建立,否则会导致原始土壤剖面破坏,影响土壤可蚀性结果。 计算时按规定的坡度和坡长标准修订即可。
四是建立坡度和坡长因子公式时,应以标准小区规定的坡度(9% )和坡长(22.13 m)标准为准,而非任意确定坡度或坡长,否则导致结果不可比。
Liu 等根据这一建模思想,在对我国径流小区资料分析基础上, 建立了中国土壤流失方程(CSLE,Chinese soil loss equation)。 该方程全部采用我国各地区观测资料,对每个变量进行了系统研究,在以下方面不同于 USLE:
一是根据中国悠久农业历史形成的水土保持措施体系,在总结国内外分类基础上,提出水土保持措施的三分法分类 ,分别以植被覆盖与生物措施因子 B、工程措施因子 E和耕作措施因子 T 3 个变量,反映覆盖和水土保持措施对土壤侵蚀的影响,将 USLE 中 C 因子的作物管理、P 因子与耕作有关的部分独立为耕作措施。提出了我国主要耕作措施因子值,以及不同作物轮作制度的轮作因子计算方法与取值。
二是针对我国陡坡 (10 ~ 25) 农地情形,指出 USLE 和RUSLE 的坡度公式不适用陡坡情况,建立了陡坡坡
度因子公式。
三是论证了降雨侵蚀力 EI30指标在我国适用,给出次和日侵蚀性降雨标准分别为 12和 10 mm,考虑到降雨过程资料不易获得,建立了采用不同精度降水资料估算降雨侵蚀力的方法。
四是根据标准小区定义和裸地小区观测结果,计算了我国主要土壤可蚀性因子值。 2004 年水利部实施了“全国水土保持监测网络和信息系统项目冶 ,部分资料被采用计算土壤可蚀性因子值和耕作措施因子值。
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3 机理模型的建立与发展
早在 20 世纪 40 年代,Ellision1944 年发现的雨滴溅蚀过程,揭示了土壤侵蚀的动力学机理,机理模型以此为基础逐渐发展起来。
其中几个重要阶段有:
Meyer 等1969 年给出了雨滴和径流对土壤颗粒分离和泥沙输移的数学表达,
Foster 等1972 年建立了径流分离速率与泥沙含量和径流挟沙力之比的函数关系,
Meyer 等1975 年提出了细沟与细沟间侵蚀的概念,这些成为机理模型的基本方程。
1985 年美国农业部水土保持局组织开展新一代土壤侵蚀模型— — —水蚀预报项目 WEPP(Water erosion prediction project),旨在克服 USLE 估计短时间土壤流失量误差大,未考虑沉积,无法反映土壤流失量空间差异等缺陷,能用于水土保持和环境规划。 WEPP 模拟的主要过程包括入渗、径流、雨滴和径流分离作用、泥沙输移、沉积、植物生长和残茬分解等。
1995 年发布 DOS 操作系统的坡面和流域版,1999 年改为 Windows 界面。 为了利用 DEM自动生成流域边界、沟道和坡面,1996 年开始开发基于 GIS 的 WEPP 版本,2001 年发布 GeoWEPP,2004 年网络版 GeoWEPP 发布,可以通过互联网与农业部国家土壤侵蚀研究实验室服务器连接。Flanagan 等将 WEPP 开发的 30 多年历程分为 3个阶段:
1) 1985—1989 年完成模型雏形。
1987 年完成的用户手册由农业部( USDA, United States Department of Agriculture) 下属的农业研究局( ARS,Agriculture Research Service)、林业局 ( FS, Forest Service)、水土保持局(SCS,Soil Conservation Service),以及内政部(USDOI,United States Department of the Interior) 下 属 的 土 地 管 理 局 ( BLM, Bureau of LandManagement)联合签发,不仅成为以后模型开发的指南。 更确保了模型的推广应用。 期间在 55 个地点的 33 种农地土壤和 24 种草地土壤进行了人工模拟降雨试验,确定方程参数,进行模型验证。 1989 年完成计算机程序编写。
2) 1989—1995 年完善模型。
在继续进行模型测试、水文过程参数化、模型验证的同时,增加了新的模拟过程,如非均匀水文过程、灌溉、冬季过程、壤中流、植物生长、残茬分解、细沟水文过程与侵蚀、拦蓄沉积等,完成了模型技术手册编写,1995 年发布DOS 系统的坡面和小流域版。
3) 1995 年至今,WEPP 版本不断更新,包括改变操作系统,与地理信息系统(GIS)和互联网结合。
欧盟几乎与美国同步在 1986 年提出开展机理模型研究,于 1994 年推出欧洲土壤侵蚀模型EUROSEM[(European soil erosion model),1998 年发布了基于地理信息系统的新版本 。 EUROSEM是坡地或小流域尺度、模拟次降雨径流、细沟间和细沟侵蚀及沉积的分布式模型,考虑了地表覆盖对植被截留和降雨动能的影响,岩石覆盖对细沟间侵蚀、入渗和径流的影响。
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与此同时,
澳大利亚开发了坡面次降雨侵蚀模型 GUEST ( Griffith university erosion system template)。 1998 年引入 Hairsine 等提出的坡面水流侵蚀和雨滴溅蚀过程,使其继续发展和完善,主要包括雨滴分离、径流分离和泥沙沉积 3 个子过程,并考虑了降雨和径流的再分离过程。 由于限于裸地和坡度均匀情况,限制了模型的应用。 由于分布式过程模型需要考虑空间水流流路、进行空间运算等,需要与地理信息系统软件结合。
荷兰乌得勒支大学和阿姆斯特丹大学土壤物理所以荷兰南部 Limburg 黄土地区为对象,研发了自带 GIS 删格计算功能 PC鄄Raster 工具的土壤侵蚀模型 LISEM( Limburg soil erosion model)。 不仅实现了径流和侵蚀的空间计算,还能输入遥感数据,也可采用其他 GIS 软件,具有很强的灵活性。 该模型包括植被截留、地表径流、垂直和侧向壤中流、汇流、雨滴和径流分离和径流输沙等过程,还考虑了农用机械,砾石覆盖等的影响。 由于模型参数获取不易,运行难度和成本较高。
我国从 19 世纪 80 年代中期以后也开始了土壤侵蚀机理模型研究,王礼先等基于水动力学原理,建立了陡坡有林地和裸露地的侵蚀过程模型,考虑雨滴溅蚀、径流冲刷对土壤侵蚀的影响。 段建南等构建了干旱地区坡面过程模型,以日为步长,将土壤侵蚀过程分为水相和泥沙相,分别计算溅蚀分离和径流输移量,取二者的小值为侵蚀量。 史景汉等应用 Horton 下渗理论和河网汇流理论建立了小流域降雨径流概念模型,模拟超渗产流过程,用滞后演算法分单元计算汇流,用马斯京根分段连续演算法计算河道汇流,叠加得到流域出口断面径流过程,还包括输沙过程。 包为民等考虑北方超渗产流和冬季积雪融化机制,结合小流域坡面产沙、汇沙和沟道产沙、汇沙模型,提出了中大型流域水沙耦合模拟物理模型。 蔡强国等建立了适用于黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙过程模型,针对该地区地形和侵蚀产沙垂直分带规律,分为坡面、沟坡和沟道 3 个子模型,模拟次降雨径流和侵蚀产沙过程。
从国内外机理模型现状看,依然处于研究型阶段,尚未实现应用。 机理模型发展给我们的启示有:
一是应面向管理部门按用户需求设计,确保模型从设计、研发到应用都有目标和用户保障。 以用户需求报告作为模型研发指南,不仅能提高模型研发效率,更为应用提供可能。
二是应采用多学科、多部门、长时期交叉协作,联合攻关的组织方式,避免重复,发挥优势。
三是应通过大量人工模拟实验进行模型参数率定和结果验证,确保模型普适性。
四是不断与新的信息技术结合推出更新版本,确保模型的可持续性。
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4 应用模型的建立与发展
土壤侵蚀应用模型的开发主要源于土壤侵蚀导致土地生产力下降乃至破坏的当地影响,以及径流泥沙携带化学成分污染水体的异地影响。以下介绍几个主要模型。
1977 年的美国颁布资源保护法,要求农业部定期评价全国水土资源现状,EPIC( Erosion productivity impact calculator) 应运而生 ,目的是评价美国各农业产区土壤侵蚀对土壤生产力的影响。 1985年成功用于资源保护法的第二次评估:定量评价了全美 135 个土地资源区的土壤侵蚀影响。 EPIC 模拟气候、土壤、地形、作物管理等一致的地块或小型集水区,以日为步长,包括天气、水文、侵蚀、营养物、土壤温度、植物生长及其环境影响、耕作和经济收支等过程。
具有“里程碑冶意义、得到广泛应用的面源污染模型是CREAMS( Chemicals, runoff, and erosionfrom agricultural management systems),它首次对面源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了综合定量描述,也是模拟有相同气候、土壤、地形、作物管理等的地块,以日为步长,主要包括径流、侵蚀和污染物迁移。 污染物主要指氮、磷和农药。随后研发了地下水污染物迁移GLEAMS( Groundwater loadingeffects of agricultural management systems) 模型为扩充版,评价营养物和农药在根层内部或通过根层到达根层以下的迁移过程及其潜在影响 。为了评
估流域范围内的牲畜养殖和土壤侵蚀导致的面源污染,美国明尼苏达州率先开发了流域版面源污染模型AGNPS(Agricultural nonpointsource pollutionmodel),模拟面积 2 ~ 93 km2 (500 ~ 23 000 英亩)的流域,将其划分为若干个条件一致的格网,模拟次降雨形成的每个格网径流、泥沙和污染物向流域出口的输移,污染物包括氮、磷和化学耗氧量。 为了评价流域牲畜养殖导致的环境污染问题,在美国环境署“Livestock and the environment: A national pilot project (NPP)冶项目资助下,1996 年开始研发APEX(Agricultural policy / environmental eXtender),用于模拟不同自然条件、土地利用、牲畜养殖排污管理情景。 它集成了 EPIC 模拟内容,将模拟空间尺度拓展至面积超过 2 500 km2的流域。 模拟时,将流域划分若干相同土壤和管理条件的子区域,增加了不同条件子流域之间的污染物迁移过程模拟,牲畜养殖产生的液态和固态污染物排放情景与管理模拟,水土保持措施对肥料施用区域侵蚀产生的污染物拦截效应评价等,因此能进行流域土地管理与水质评估 。 Arnold 等1987 年 将 EPIC、 CREAMS、GLEAMS 模型集成,诞生了SWRRB 模型( Simulatorfor water resources in rural basins),模拟全美乡村流域土地管理对径流泥沙输移的影响,模拟空间尺度较 EPIC、CREAMS、GLEAMS 增大,可多至 10 个流域,但依然无法模拟面积更大的流域。 随后开发的径流 流 路ROTO( Routing outputs to outlet ) 与SWRRB 结合,可模拟几千平方公里的大流域,并最终发展为SWAT( Soil and water assessment tool)模型,不仅不断更新形成多个版本,而且在世界范围内得到广泛应用。
上述几个代表性应用模型的发展给我们如下启示:
一是应用模型研究紧紧围绕国家需求,主要面向水土资源保护和环境影响;
二是模型研发是在已有经验或机理模型基础上,与计算机技术的集成;
三是建立伊始,模拟对象单一、过程少、尺度小,随后不断总结经验和更新,向对象复杂、过程多、尺度大的方向发展,具有明显的继承性,并不断与最新计算机计算结合推出更新版本;
四是对成熟模型进行培训,扩展用户群。
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