柵格水沙耦合模型在水保試驗區土壤侵蝕時空模擬中的應用研究

陳發先

（遼寧省水土保持局，遼寧 沈陽 110003）

柵格水沙耦合模型在水保試驗區土壤侵蝕時空模擬中的應用研究

陳發先

（遼寧省水土保持局，遼寧 沈陽 110003）

本文采用水沙耦合模型，以柵格（1km×1km）為計算單元，對遼寧某水保試驗區進行土壤侵蝕模數時空模擬，并結合試驗區實測水量和土壤侵蝕數據對模型精度進行評價，同時還對區域不同水土保持措施下的土壤侵蝕模數進行了評價。研究結果表明：柵格水沙耦合模型可用于區域土壤侵蝕模數的空間模擬，模擬水量和土壤侵蝕模數與實測值誤差小于25%；坡度為15°的水保工程措施可明顯減少區域土壤侵蝕模數，相比于其他措施區域土壤侵蝕量削減35.5%～98.4%。研究成果對于不同水保措施下的水保時空效果模擬提供模擬方法參考。

水沙耦合模型；柵格計算單元；土壤侵蝕時空模擬

區域水土流失保護規劃重在對區域土壤侵蝕空間分布進行準確評估，而在水保試驗區，不同水土保持措施下的區域土壤侵蝕量不同，為此需要對區域土壤侵蝕進行空間分布的模擬分析。有許多學者對區域的土壤侵蝕進行計算，并取得一定的研究成果［1-5］，但是不同水土保持措施下對區域土壤侵蝕的影響各異，需要結合不同水保措施下區域的下墊面數據對區域土壤侵蝕模數空間分布進行整體分析。MULSE土壤侵蝕模型將水量作為模型輸入，進行區域土壤侵蝕模擬，為水沙模型耦合提供途徑，并在一些區域土壤侵蝕模擬得到具體應用［6-10］。但是在水保試驗區土壤侵蝕時空模擬還未進行相關應用，特別是在遼寧地區，為此本文將產流模型與MULSE模型進行耦合，并加入坡面匯沙方程，并以柵格（1km×1km）為計算單元，實現區域水保試驗區土壤侵蝕時空分布全過程模擬。

1 柵格水土流失模型原理

本文將產流模型與MULSE模型進行耦合，并加入坡面匯沙方程，并以柵格（1km×1km）為計算單元，實現區域水保試驗區土壤侵蝕時空分布全過程模擬。耦合模型產流模型計算原理為：

假設水保區域不透水的面積比例參數IM=0，則區域產流面積方程為：

在方程（1）中f表示為柵格產水面積，km2；F表示為柵格的面積，km2；W′表示為柵格產流單點蓄水量，mm；WMM表示為W′的最大值，mm；B表示為區域蓄水容量分布曲線指數。

軟件部分主要包括光纖連接信息采集、智能光纖托盤與單元控制器的485數據傳輸、485數據到藍牙數據的轉換以及手機端APP設計等。本文重點對光纖連接信息采集進行介紹。

基于柵格水沙耦合模型，以柵格（1km×1km）為計算單元，計算不同水保工程措施（見表3）下的土壤侵蝕空間分布，見圖4。

由（1）式積分可得：

與W0值相應的縱坐標值A為：

作為整個線損管理平臺的基礎構成，數據庫管理模塊的應用，主要作用于向其他功能模塊傳送信息、資料、數據，或是儲存、備份、整理、分類由其他功能模塊所收集到的數據信息，再者就是將一些技術性數據傳送至高級應用軟件中。因此，在實際的構建數據庫管理系統時，不僅需要保證其擁有海量的內容空間、共享功能，同時也應帶有一定的開放性、安全性，一般可采用基于NT環境的SQLServer大型數據庫。

表1和表2為柵格水沙耦合模型在水量和土壤侵蝕量的精度評價結果，從各試驗場次評價結果可以看出，柵格水沙耦合模型在區域的土壤侵蝕模擬具有較好的精度，計算的水量和土壤侵蝕量和實測水量和土壤侵蝕量之間的誤差值均小于25%，柵格水沙耦合模型在水保試驗區的土壤侵蝕量和水量具有較好的適用性。圖2和圖3為水量過程和土壤侵蝕量過程評價結果，從圖中可以看出柵格水沙耦合模型計算值和觀測值相關性較好。

其中在方程（4）中如果P-E+A＜WMM，則：

對于應用型院校的教師來說，牢固掌握專業基礎知識是能夠進行教學工作的基本條件，也是作為一名專業教師的基本素質。一般來說，專業基礎知識是在教師正式步入教學崗位之前，在校學習階段就應具備的能力。按我國的人才培養模式和對教師崗位的要求，應用型本科院校一般要求教師具備博士學歷，所以絕大多數教師都具備過硬的專業基礎知識。同時，對于應用型本科院校，院校管理者對教師做出聘任、考核、獎勵、提升時，也都會對教師的專業知識進行考察。因此，絕大部分應用型高校教師均具備與其教學任務相匹配的專業基礎知識。

若P-E+A≥WMM，則：

其中在方程（6）中 W0表示為柵格計算單元土壤蓄水量初值，mm；WM表示為水保試驗區蓄水容量平均值，mm；R表示為總的產水量，mm。

新經濟背景下，社會對物流的要求已越來越高，這必然要求對我國快遞業物流市場4Ps營銷組合策略進行優化。新經濟背景下，快遞業物流市場營銷組合策略優化的方案是：以戰術4Ps營銷組合策略為基礎，將4Cs、4Rs融入戰術4Ps中，形成新經濟背景下新的4Ps營銷組合策略[1]。

泥沙蓄泄方程：

在上述方程中，WS表示的是泥沙蓄量，IS表示的是坡面時段的產沙速率，S表示的是坡面時段出沙速率，KS表示的是坡面匯沙的時間。

將公式（7）進行差分并代入（8）式，可得到坡面的匯沙公式：

對高速公路進行標準化的設置是一項較為復雜的系統性工程，因此在實施的過程中需要對各項內容進行具體的標準設定。

2.3 水保試驗區土壤侵蝕空間模擬成果

其中CSS為坡面匯沙系數，其計算公式為：

2 模型應用

2.1 水保試驗區概況

本文以遼寧西部某水保試驗區為研究區域，該區域主要的土壤質地為壤土和粘土，區域主要的土地利用方式為林地、草地以及耕地，區域坡度集中在15～30°。為觀測不同水保工程下對區域土壤侵蝕量的影響，區域內設置了降水量、水量以及土壤侵蝕觀測儀器，對區域降水量、水量以及土壤侵蝕量進行觀測，各觀測點位置見圖1。

圖1 水保試驗區觀測點位置圖

2.2 模型精度評價及適用性分析

結合水保試驗區域觀測的多場次降水量、水量以及區域土壤侵蝕量數據，對柵格水沙耦合模型土壤侵蝕模擬的精度進行分析并對模型的適用性進行評價，由于模型為水沙耦合模型，需要對模型計算的水量和土壤侵蝕量均進行評價和分析，模型計算水量和沙量的評價精度結果見表1和表2。并選取兩個場次進行了水量和沙量的過程比較圖，結果見圖2和圖3。

在進行完產流模型進行后，以柵格產水量作為MULSE模型的水量輸入，考慮文章篇幅，MULSE模型計算原理可詳見參考文獻［10］，本文在柵格產水產沙模型耦合的基礎上，加入區域坡面匯沙方程，流域坡面匯沙泥沙平衡方程：

表1 柵格水量精度評價

表2 柵格土壤侵蝕量精度評價

則柵格總的產水量R值的計算方程為：

將13個設計矩陣Aij(k)累加，即得各項指標的優先得分矩陣：再對得分矩陣Aij關于j，即按行累加：再求出Aij按行累加后的最大值、最小值，令∑Amax=max{∑A1，∑A2，…，∑A6}，∑Amin=min{∑A1，∑A2，…，∑A6}，則與∑Amax相對應的因子同其它因子相比重要程度最高，而與∑Amin相對應的因子的重要程度最低。取amax=1，amin=0.1，記

乳酸脫氫酶是一種糖酵解酶，在缺氧條件下能夠將丙酮酸轉化成乳酸，當機體受到外界某種應激，乳酸脫氫酶活力會升高[22]。如圖4所示，保活5、7、9和11 h后血清中乳酸脫氫酶含量都顯著高于未處理前的值（p＜0.05），分別上升 30.53%、32.33%、37.38%和58.40%，保活時間達到11 h時，乳酸脫氫酶含量驟增。清水中復蘇24 h后，保活5、7、9 h基本恢復麻醉前的水平。這與聶小寶等[19]人研究的低溫無水狀態下LDH的變化趨勢一致。

圖2 水量過程評價圖

圖3 土壤侵蝕量過程評價圖

圖4 不同水保措施下區域土壤侵蝕空間分布圖

對方程（1）進行積分求解得到方程：

思維地圖是David Hyerle博士在1988年設計的一種幫助學習的視覺語言工具。思維地圖包含多種圖示類型，分別是圓圈圖、氣泡圖、雙氣泡圖、樹形圖、括號圖、流程圖、復流程圖和橋型圖。不同類型的思維地圖有其適用范圍，其中圓圈圖適用于頭腦風暴；氣泡圖適用于對事物進行描述；雙氣泡圖適用于事物或知識點間的比較；樹形圖適用于對事物進行分組或分類；括號圖適用于分析事物整體與部分的關系；流程圖適用于列舉順序、過程、步驟等；復流程圖適用于展示和分析因果關系；樹形圖適用于進行類比推理。

表3為不同水保工程措施，基于柵格水沙耦合模型對不同水保工程措施下區域的土壤侵蝕進行空間分布模擬分析。圖4為不同水保工程措施下區域土壤侵蝕模數空間分布圖，從圖中可以看出區域土壤侵蝕空間分布較為不均勻，這主要和區域降水、下墊面以及水保措施有關。1#和2#水保工程措施下的土壤侵蝕模數總體分布上小于 3#和4#水保工程措施下的土壤侵蝕模數。

表3 不同水保措施方案

2.4 不同水保工程措施下的土壤侵蝕量對比

為定量對不同水保工程措施下的土壤侵蝕量進行分析，結合柵格水沙耦合模型對不同水保工程措施下區域總的土壤侵蝕量進行計算，并進行對比分析，計算結果見表4。

表4 不同水保工程措施下試驗區土壤浸蝕量對比

從表4可以看出，1#水保工程措施下其土壤侵蝕量最小，為6.2萬t，而在4#水保工程措施下其土壤侵蝕量最大，為12.3萬t，說明將坡度為20°的坡地改為草地，不利于區域土壤侵蝕量的減少，而將坡度為15°的坡地改為林地，將使得區域土壤侵蝕量明顯減少，相比于其他水保工程措施，水保試驗區在 1#水保工程措施下其土壤侵蝕量減少35.5%～98.4%，土壤侵蝕量削減程度明顯。

3 結論

本文建立柵格水沙耦合模型，以柵格（1km× 1km）為計算單元，對遼寧水土保持試驗區土壤侵蝕進行時空模擬，研究取得以下結論：

（1）構建的柵格水沙耦合模型適用于遼寧區域水保試驗區土壤侵蝕模擬，并可用于不同水保措施方案下的土壤侵蝕空間分布模擬；

（2）將坡度為15°的坡地改為林地的水保工程措施對試驗區土壤侵蝕量削減程度較為明顯，區域水保效果更好。

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S157

A

1672-2469（2017）02-0086-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.028

2016-12-06

陳發先（1985年—），男，工程師。