WEPP模型在紫色土區域適用性研究

朱韻嶠

摘要利用紫色土區域某水保站1984—2017年7次典型降雨資料，應用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，提出了模型評價方法，將模擬值與實測值進行比較，驗證WEPP模型及其內置參數在我國紫色土范圍內模型預測的可行性及準確性。結果表明，WEPP模型對于紫色土區域水蝕模擬基本可行，產流量的預測比侵蝕量的預測更為合理，低坡度條件下的模擬結果優于高坡度條件。對于侵蝕量的模擬不夠理想，高坡度條件下反而模擬較好。對于不同坡度下的侵蝕量進行相關分析，結果表明坡度是影響土壤侵蝕的動力因子，在一定的坡度范圍內，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量與坡度呈冪函數遞增關系。

關鍵詞土壤侵蝕量；產流量；坡度；降雨量；WEPP模型

中圖分類號S157.1文獻標識碼A文章編號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

作者簡介朱韻嶠（1996—），女，江蘇鹽城人，本科生，專業：農業水利工程。

收稿日期2017-05-02

WEPP（water erosion prediction project）模型是美國農業部（USDA）為了克服通用土壤流失方程（USLE）的缺點而發布的一種基于連續事件的分布式參數土壤侵蝕預報模型，是迄今為止最為復雜的描述與土壤侵蝕相關物理過程的計算機程序。自1985年開發以來，WEPP模型歷經多次修改，最新模型由2012年推出。模型參數包括氣候、坡度、土壤、作物管理4個參數模塊。在模型開發過程中，先后采集了1 800個土壤樣本，收集了全美近30年的氣候資料。近年來，我國越來越多的學者利用WEPP模型對不同地區的土壤侵蝕進行模擬。筆者利用WEPP模型對紫色土區域某水土保持試驗站產流、侵蝕數據進行模擬，評價該模型在我國紫色土區域的適用性，并分析了坡度單因子對侵蝕量的影響。

1試驗地概況

試驗坡面位于四川某紫色土重點監測區的水土保持試驗站。該研究采用5°、10°、15°、20°、25° 5個不同坡度的坡面，采用相同的耕作措施，通過量水池和三角堰進行徑流和侵蝕的觀測。5個坡面相鄰，不考慮其他因素的干擾，可以認為每次觀測前土壤級配、前期含水量、土壤容重、集雨面積等初始條件基本一致。水土保持試驗站設有一個雨量站，進行降雨量觀測。

1984年至今，觀測了該水土保持試驗站近50場降雨（雨量較大，發生了侵蝕現象）的降雨量、不同坡面的徑流量、侵蝕量等。其中7場典型降雨情況見表1。每場降雨選自不同年份，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測值見表1，徑流量與坡度的實測值見表2。

2WEPP模型建立

2.1預測參數建立

坡面版WEPP模型的預測參數包括氣候參數、地形參數、土壤參數和土地管理參數。

2.1.1地形參數。地形參數由手動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。每個坡度都是寬7.00 m，長9.52 m，土壤為紫色土。

2.1.2氣候參數。繆馳遠等[1]在四川省遂寧市的紫色土區域運用WEPP模型對當地紫色土進行單次降雨土壤侵蝕預測時，發現利用CLIGEN氣候生成器或BackPoint DATA斷點生成器生成氣候參數，預測結果均可達到顯著水平。在模擬產流方面使用CLIGEN氣候生成器的預測結果不及BackPoint DATA斷點生成器好。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據進行對比，對CLIGEN氣候生成器模型進行了適應性評估。結果證明，選擇TEXAS州CENTEVILLE站點為參證站點比較接近四川遂寧紫色土區域的模擬結果。因此，筆者結合實際情況，利用站內氣象觀測場中的降雨觀測數據和參證站點美國得克薩斯州（TEXAS）森特維爾（CENTERVILLE）進行剩余氣候數據的替代建立氣候參數。

2.1.3土壤參數。土壤數據利用紫色土實測值及模型提供的經驗公式生成土壤數據文件。

2.1.4

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

2.2模型評價方法

試驗利用統計學中相對誤差（Er）、模型有效系數（ME）2個衡量指標，對實際觀測的產流量和產沙量值與 WEPP 模型中模型自動生成2種方式下所獲取的預測值進行對比分析，分析模型的有效性[3]。

Er=Ypred-YobsYobs×100%

ME=1-∑（Yobs-Ypred）2∑（Yobs-Ymean）2

式中，Er為相對誤差，Yobs為實測值，Ypred為模擬值，Ymean為實測值的平均值，ME為模擬有效性系數。

ME=1.0，模擬值與實測值均相等

>0.5，模型的模擬擬合較好

=0，實測值的平均值和模型的模擬值對實測值具有相同的相關性

>0，表示實測值的平均值對實測值的相關性要高于模型的模擬值

3結果與分析

3.1模型評價結果

由表3可知，WEPP 模型預測5°、10°、15°、20°、25°小區產流量的相對誤差分別在-24.92%～3221%、-12.99%～7.04%、-16.24%～14.93%、-15.63%～25.41%、-9.55%～33.43%，說明隨著坡度的上升，產流量預測值的相對誤差逐漸增大，25°時徑流小區出現難以預測的情況。對于侵蝕量的預測，5°、10°、15°、20°、25°小區侵蝕量的相對誤差分別在-55.33%～-40.65%、-71.36%～59.35%、-72.67%～-27.78%、-31.96%～13.97%、-41.59%～94.72%，說明5個不同坡度的徑流小區的預測值不好，在5°、10°、15°等低坡度條件下侵蝕量模擬值一般小于實測值，相對誤差為負。在較高坡度時，誤差呈現不確定性，其中在25°坡度，相對誤差可達70%以上，基本難以模擬出來。在相同參數組合的模擬下，產流量預測值的相對誤差值一般小于侵蝕量的相對誤差值，這說明在我國紫色土區域，單次降雨侵蝕產流量的預測效果要優于對產沙量的預測效果。這與代華龍等[4]、李振林等[5]的研究結果一致。

由表4可知，在5°、10°、15°低坡度條件下，產流量的模型有效性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模型對產流量的預測效果要優于對侵蝕量的預測效果。在20°、25°高坡度條件下，WEPP模型預測結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，明顯高于產流量的模型有效性ME值。表明高坡度條件下WEPP模型對紫色土區域侵蝕量預測較好。在25°條件下，對產流量的模型有效性ME 值表現為負值，這說明此時對實測值的相關性均高于模型的模擬值。

3.2坡度與侵蝕量的關系

對坡面水蝕來說，地面坡度是地形因素中對坡面土壤侵蝕的發展起重要作用的因子。一般認為，坡度的大小決定徑流的沖刷與搬運能力。與此同時，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定性，從而直接或間接地影響土壤侵蝕。根據現有研究成果，坡度與土壤侵蝕量的關系多呈Y=aθb的關系（a、b為常數）[6]。土壤侵蝕量實測值冪函數擬合結果見表5。

根據測算，不同降雨量情況下坡度指數也基本在0.14～2.25，去掉2個極限值，指數在0.80～1.60，且相關系數也較大，除了降雨量70.7 mm，其他6組數據R2均大于0.900 0，說明在一定的坡度范圍內，該流域的土壤侵蝕量與坡度的關系滿足冪函數關系。

由表6可知，總體來說，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，土壤侵蝕量的增加幅度有所不同，在試驗坡度（5°～25°）范圍內，土壤侵蝕增加量整體趨勢隨坡度的變陡而增加。坡度越陡，一定坡長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。坡度相同時，坡面越長，匯集的流量越大，侵蝕力也越強。

4結論

WEPP模型對于紫色土區域土壤侵蝕模擬基本可行，對于產流量的預測比侵蝕量的預測更為合理，低坡度條件下的模擬結果優于高坡度條件。對于侵蝕量的模擬不夠理想，高坡度條件下反而模擬較為準確。對于不同坡度下侵蝕量進行相關分析，結果表明坡度是影響土壤侵蝕的動力因子，在一定的坡度范圍內，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量與坡度呈冪函數遞增關系。

參考文獻

[1] 繆馳遠，何丙輝，陳曉燕.水蝕模型USLE與WEPP在紫色土水蝕預測中的應用對比研究[J].農業工程學報，2005，21（1）：13-16.

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

[3] 何建林.WEPP模型預測參數在紫色土區的研究[D].重慶：西南大學，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報[J].中國水土保持科學，2008，6（2）：60-65.

[5] 李振林，何丙輝，何建林，等.紫色土區 WEPP 模型不同地類下預測參數敏感性分析[J].云南農業大學學報，2013，28（5）：654-660.

[6] 劉淑燕，秦富倉，項元和，等.基于WEPP模型進行坡度因子與侵蝕量關系研究[J].干旱區資源與環境，2006，20（4）：97-101.