WEPP模型的侵蚀模块理论基础

WEPP模型是描述土壤水蚀物理过程的美国新一代水蚀预报模型，其中的侵蚀模块对于定量刻画黄土高原坡面侵蚀过程和建立以物理过程为基础的侵蚀预报模型具有重要的借鉴价值。WEPP坡面侵蚀模型将地表径流分为细沟流和细沟问径流，建立了计算土壤侵蚀及沉积净值的稳态空间变化泥沙平衡连续方程，并进一步外延和推出了随着空间位置不同而变化的方程基本参量、侵蚀参量标准化形式以及泥沙平衡方程通用表达式，可以较好地反映坡面侵蚀产沙时空分布。     

黄土高原小流域分布式水蚀预报模型

本文基于黄土高原丘陵沟壑区小流域地形复杂、径流与侵蚀产沙具有明显垂直分带性的特点，以栅格DEM(Digital Elevation Model)为基础，提出由水文模块和侵蚀模块两部分组成的黄土高原小流域分布式水蚀预报模型。水文模块包括降雨、截留、微地形表面存储、入渗、地表径流和沟道流过程，采用运动波方程实现汇流演算；侵蚀模块考虑雨滴击溅分离、坡面薄层水流、细沟水流、浅沟水流和沟道流剥离与沉积等基本过程，运用泥沙物质平衡原理完成泥沙输移计算。应用模型对次降雨事件模拟的初步结果表明，模型对中度以上侵蚀性降雨事件的模拟精度在85％以上。     

坡面细沟侵蚀形态演变与量化研究评述

坡面细沟形态是一个降雨驱动下侵蚀产沙的微地形动态响应系统,这一地形因素体现着坡面侵蚀动力学各要素及其相互作用,是基于物理过程的水蚀预报模型的关键部分。要建立具有物理意义的坡面侵蚀产流产沙预报模型,就必须从地形角度对细沟形态及其演化过程进行深入研究。评述了近年来国内外在坡面细沟形态演变与量化领域的相关研究成果,从理论研究和观测方法两方面剖析了制约研究发展的因素,提出了推动该研究发展的对策,即:构建细沟形态量化参数评价标准,从建立"状态+时间"综合量化模式入手,以坡面细沟形态为切入点,研究一个连续降雨过程中细沟形态的发育过程与降雨侵蚀产沙过程的关系,定量揭示坡面侵蚀响应规律。     

基于地块间水沙运移的黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙模型

根据黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙规律，在晋西羊道沟小流域建立了坡面、沟坡和沟道侵蚀产沙子模型；在GIS的支持下计算出小流域地块间水沙汇流网络，并引入到小流域侵蚀产沙模型中，使小流域侵蚀产沙成为有机结合；模型对羊道沟22次侵蚀性降雨的侵蚀模数具有78．4％的预报精度，对羊道沟1956－1970的年侵蚀模数具有76．1％的预报精度；模型并通过了晋西汾河上游两个小流域的可移植性检验。     

坡面水蚀过程与地形演变关系试验研究

采用径流冲刷试验的方式对坡面水蚀过程进行研究,记录了在不同坡度和不同冲刷流量工况下坡面侵蚀量、侵蚀沟宽和溯源速度的变化。结合坡面侵蚀沟头溯源速度、断面侵蚀沟宽度等的变化曲线,分析了水蚀过程中坡面侵蚀量与地形形态变化的关系。结果表明:流量和坡度是水蚀过程的动力因素;溯源速度、沟壁的坍塌展宽及细沟的横向合并是导致坡面侵蚀量出现波动、峰值大小以及出现时间早晚的根本原因;坡面侵蚀方式与地形演变过程有着密切的关系。     

坡面流侵蚀的水动力学研究进展

径流分离土壤是降雨或融雪后坡面水流在特定水动力条件下的一种径流对土壤作用的必然结果,深入理解坡面水动力条件、流水力学特征及侵蚀动力过程是研究坡面水蚀机理的前提,同时也是侵蚀预报模型建立和防治土壤侵蚀的关键。从坡面流流速、分离能力以及挟沙能力等多方面进行系统概述,以期综合目前已有的各种国内外研究经验及研究成果,促进坡面流侵蚀研究的发展与成果应用。     

径流侵蚀功率理论在不同尺度坡面侵蚀产沙中的应用

基于次暴雨洪水过程中径流深、洪峰流量模数2个的重要水文特征参数,提出了用以描述坡面次暴雨水蚀动力的径流侵蚀功率的概念,并以岔巴沟流域团山沟不同空间尺度径流场历年实测次暴雨径流泥沙资料为基础,分析了径流侵蚀功率与坡面径流场次暴雨侵蚀模数之间的相关性,提出了适用于坡面次暴雨侵蚀产沙计算的基于径流侵蚀功率的坡面次暴雨水沙响应关系.研究结果表明:径流侵蚀功率与坡面次暴雨侵蚀模数之间存在极显著的幂函数相关关系,径流侵蚀功率可以较好地表征坡面次暴雨水力侵蚀动力.本研究成果可为黄土高原坡面次暴雨侵蚀产沙模型侵蚀动力因子的确定提供参考.     

基于物理过程的分布式流域水沙预报模型

将分布式水文模型与土壤侵蚀产沙模型相互嵌套,构建了一个分布式流域水沙预报模型。模型基于DEM,将流域离散为“坡面+ 沟道”系统,采用“+ 1 ”分级方法将沟道组织为河网,实现了流域水沙预报的并行计算。坡面单元划分为植被层、地表层、非饱和带和地下水层,模拟了降雨、截留、蒸散发、入渗、地表径流、壤中流和地下水、各种形式的侵蚀产沙及泥沙输移;沟道进行汇流演算以及泥沙输移。模型在李子溪流域对长系列降雨的模拟结果表明,模型的水文模块模拟精度良好,侵蚀产沙模块模拟效果基本令人满意。     

几种坡面土壤侵蚀测量方法的比较研究

坡面侵蚀产沙信息的获取对土壤侵蚀预报模型开发和相关参数获取至关重要。采用如下方法放水冲刷法和人工模拟降雨法,通过不同的放水流量、雨强,在5 m坡长坡面上利用REE示踪法;在4 m长坡面和3 m长沟坡组成的坡沟系统上,用地形测针板法和坡面侵蚀沟量算法;在8 m长坡面和5 m长沟坡组成的坡沟系统上,用地形测针板和HDS3000高精度扫描仪测量法等,对不同空间尺度、不同侵蚀测量方法的测定结果进行了对比分析。结果表明几种方法的测量精度高低依次为HDS3000扫描仪法＞REE示踪法＞地形测针板法＞侵蚀沟量测法;工作效率高低依次为HDS3000扫描仪法＞侵蚀沟量测法＞地形测针板法＞REE示踪法。在坡面侵蚀空间分布上几种方法都可实现,但精度各有不同,实际应用中应根据需求选用不同的测量方法。     

植被与地形对侵蚀产沙耦合影响研究评述

野外坡面内的植被与地形对侵蚀产沙影响,表现为共同改变某一坡面单元的上坡来水及其侵蚀动力,通常难以分离,呈现典型耦合作用特征。两者单独与侵蚀产沙的关系已较明确,但对侵蚀产沙的耦合影响则研究薄弱。在概述植被、地形各自对侵蚀产沙影响的基础上,从坡面和流域两个空间尺度,梳理了两者对侵蚀产沙耦合影响的相关成果,从理论认识、试验方法和监测技术三方面剖析了存在的主要问题,提出了三点推动该研究的具体对策,即:1引入反映多因素对侵蚀产沙耦合影响的预报模型参数;2搭建近自然坡面的植被镶嵌覆盖非均质试验小区;3开发侵蚀水动力参数高效量测技术等,以期为在侵蚀产沙过程机制与预报技术领域取得重大突破提供有益参考。     

黄土丘陵沟壑区坡长与地形复杂度关系研究

流域分布式土壤侵蚀学坡长作为流域和区域尺度水文模型和土壤侵蚀模型的最基本参数之一,对研究土壤侵蚀的形成和发展有重要影响。从黄土丘陵沟壑区的常用地形因子入手,详细探讨了坡长与地形之间的联系,在此基础上建立了地形要素交互作用的多维复合集成模型,并根据该模型定量计算出研究区各地形要素对坡长的贡献,进而揭示了地形对于水土流失的影响。研究表明:①复杂地形因子对于坡长的贡献率更高,更能揭示地形对于水土流失的影响;②7种复合地形因子,对于坡长的贡献正负不一;③地形因子对坡长的贡献率由高到低依次为坡谱信息熵、粗糙度、高程面积积分、起伏度、海拔标准差、平均坡度、剖面曲率、平面曲率、沟壑密度。     

黄土区坡面侵蚀时空分布与上坡来水作用的实验研究

本文采用多坡段模型，运用模拟降雨实验方法研究了坡面侵蚀时空分布特征和上坡来水来沙的侵蚀作用，结果表明：坡面各部位的侵蚀方式与雨强密切对应。定量分析得出径流量、产沙量与坡度呈对数关系，与坡长呈线性关系，与雨强呈幂函数关系，建立了产沙量与坡度、雨强及径流量的关系式。同时也建立了产沙量、产沙增量与上坡来水来沙的关系方程，上坡来水使梁峁坡和谷坡产沙量增大了20.2%～63.5%和42.9%～74.5%。     

广西桂东南区域崩岗关键影响因子及敏感性研究

崩岗是我国南方地区常见的自然灾害,但目前关于崩岗的研究大多是从定性上分析,鲜少有研究从定量上评估、预测其风险性。以桂东南区域作为研究区,利用RS与GIS技术,选取高程、坡度、坡向、土壤、地质、土地利用、植被覆盖度7个影响因子作为评价指标,以80%崩岗作为训练样本,采用Logistic模型计算出每个影响因子的权重并建立敏感性预测模型,利用ROC曲线进行模型拟合度评估,20%崩岗作为评价结果验证。结果表明:ROC曲线下的面积AUC值为0.718;地质是崩岗侵蚀的关键因子,其次为高程、坡向;研究区极度、高度、中度敏感面积分别占总面积的10.17%、19.30%、26.49%,敏感性评价结果与实际崩岗的分布趋势基本一致。研究结果表明Logistic模型可应用于区域崩岗的关键影响因子与敏感性评估中。     

土坝漫顶后冲沟网形成模拟

根据土坝漫顶后冲沟网形成的特点,建立了能够模拟土坝漫顶后冲沟网形成的元胞自动机模型。在元胞自动机模型中采用坡降模式模拟水流运动,采用冲刷率公式模拟坡面冲刷,确定了坡面径流和坡面冲刷规则。在计算中考虑了地形随机起伏变化和坡面抗冲性能差异2个影响因素,得出不同因素对冲沟网形成的影响。结果表明:单一考虑地形随机起伏变化形成的冲沟网较顺直,综合考虑2个方面影响的计算结果比较合理。     

岔巴沟淤地坝小流域重力侵蚀产沙量分析

以黄土高原典型流域中重力侵蚀产沙量为研究对象,选择岔巴沟流域中6个淤地坝小流域作为研究流域,以坝库中1978—2001年共22年泥沙淤积量作为流域总泥沙侵蚀量,采用中国土壤侵蚀流失模型(CSLE)并考虑沟蚀因素计算水力侵蚀量,将水力与重力侵蚀产沙量区分开来。研究结果表明:6个小流域中重力侵蚀产沙分别占流域总侵蚀产沙量的0%、51.0%、54.1%、59.0%、65.0%和67.0%;小流域中重力侵蚀产沙量与32°的沟坡面积具有显著的线性正相关关系,沟坡坡度是重力侵蚀的控制性因素,降低沟坡坡度能够显著地减少流域产沙量。     

基于三级汇流和产输沙结构的分布式侵蚀产沙模型

黄土丘陵沟壑区面临严重的土壤侵蚀问题,是黄土高原主要产沙区域,针对该区域的土壤侵蚀产沙模拟一直是黄河泥沙研究的热点。尽管如此,已有侵蚀产沙模型对坡面、沟壑侵蚀环节刻画并不完善,沟壑侵蚀过程的忽视限制了模型在沟壑区侵蚀产沙模拟的精度。为此,本文考虑了沟壑侵蚀的特殊性,从分布式水循环模型(the Water and Energy Transfer Processes in Large River Basins,简称WEP-L)的"坡面-河道"二级产汇流结构中单独分离出沟壑环节,提出了"坡面-沟壑-河道"的三级汇流和产输沙结构,从而构建了基于WEP-L的分布式侵蚀产沙物理模型(WEP-SED)。将WEP-SED应用于无定河流域白家川水文站控制区,模型得到的白家川1956—2010年月均输沙率过程与实测过程接近。结果表明,WEP-SED可有效应用于黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙模拟研究。此外,模拟的白家川沟壑环节多年平均侵蚀量约占该区域总侵蚀量的49%,且94%的沟壑侵蚀集中于7—9月。模拟结果充分说明该区域沟壑侵蚀的严重性,细化沟壑侵蚀过程对于提高该区域侵蚀产沙模拟精度具有重要意义。     

东北黑土区水土流失综合防治技术体系

东北黑土区水土流失主要来源于坡耕地,坡耕地的水土流失对土地资源的破坏非常严重,直接影响到农业生产的可持续发展.文章通过对坡耕地、侵蚀沟的治理来恢复草原生态,治理后的坡耕地可以保护黑土层不被侵蚀,有效的保持了土地的生产能力.