概念性土壤侵蚀模型的建立及其应用

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概念性土壤侵蚀模型在保证描述流域基本过程的同时对数据要求较低,是参数体系比较复杂的物理成因侵蚀模型和流域过程描述不足的经验性侵蚀模型之间的一种中和,是模拟侵蚀和协助流域管理的有力工具。现有概念性模型中的侵蚀模块主要是直接引入土壤流失通用方程模型(USLE)系列或借鉴其基本框架建立,其中所需的各参数的确定主要依靠借鉴文献中的传统取值或律定而得,在不能保证文献中的参数取值适用于新研究区的情况下,这些模型在缺乏长序列的出口产沙资料的流域的应用中受到一定的限制。 本文中建立了一个无需长序列产沙量观测资料来律定侵蚀模拟参数的概念性土壤侵蚀模型。该模型的基本思想是在基于物理成因的空间分布式水文模型WetSpaExtension的基础上,结合研究流域内或其邻近相似流域内的实验小区上建立的流量.产沙量经验关系以计算产沙,从而建立起侵蚀模块。模型实现的主要过程为,首先通过水文模块WetSpaExtension计算流域内每个栅格单元的产流量;然后选择与各栅格单元土地利用类型相同或相似的实验小区上建立的流量一产沙量经验关系,和计算出的产流量相结合,同时建立一个呈空间分布的坡长坡度地形因子作为比率量,以考虑栅格单元内和实验小区上地形因子的差异造成的土壤侵蚀的差异,计算出栅格内的产沙量;最后,模型引入了简单的泥沙输移比将栅格单元内的产沙量汇总到流域出口,完成侵蚀模块的构建。 本文将建立好的模型在四川省嘉陵江流域内的鹤鸣观小流域及李子口流域进行了实例研究。将模型所需的在研究区内搜集到的流域数字高程模型、土地利用图、土壤图、降水量、潜在蒸发量以及实验小区实测水沙记录等数据输入到模型中,对研究区的产流量、产沙量及侵蚀率的空间分布分别进行了模拟及验证,并模拟评价了流域内所实施的水保措施的效应。模型中的水文模块WetSpaExtension在各流域出口的流量模拟上取得了令人满意的结果;侵蚀模块应用结果分别在建模区和推广区进行验证,在建模区鹤鸣观2号小流域内的产沙模拟结果中,用于评价模型的Nash-Sutcliffeefficiency指标为0.91,说明该模拟结果较好,模型在没有实验小区的鹤鸣观1号小流域和李子口流域的推广应用成功,模拟结果的Nash-Sutcliffeefficiency为0.88;模拟得到的次降雨侵蚀率的空间分布呈现出了与土地利用空间变化和地形空间变化相符合的分布格局;最后模型被用于对鹋呜观2号小流域内实施的水保措施进行评价,评价实验表明模型本身可作为对水土保持措施效应进行评价的有力工具。 本文中的研究结果表明,建立的概念性侵蚀模型无需长时间序列的实测产沙量记录对侵蚀模块参数进行律定,即能保证各参数取值对当地而言较为适用,得到合理的产沙量模拟结果,且在一定范围内具有推广性,对产沙量实测资料匮乏而又具有实验小区的流域或地区的侵蚀模拟具有很大的应用价值;模型中综合前人多方面研究成果所建立的栅格单元地形因子算法克服了常用的经验坡长坡度算法的局限性,使实验小区经验关系得以合理地推广到各栅格单元中,体现出地形空间分布格局对侵蚀空间分布格局的重要影响;另外模型在较少的资料需求下对研究区土地利用变化响应灵敏,可作为评估研究区内水土保持措施效果的有力工具。总而言之,本文中建立的概念性土壤侵蚀模型对于流域出口泥沙资料稀少的地区具有很高的应用价值,在流域水土保持效益评价方面有很大的潜力。
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