system: [SYSTEM]

user: 3. 研究方法 3.1. GeoWEPP模型 GeoWEPP是将WEPP与GIS结合，通过GeoWEPP模型界面加载地理信息，进入系统后可以访问地形图、土地利用图、土壤图、沟道信息、植被覆盖率等空间数据库，根据现有气象数据库模拟预测年限气候输入数字化数据，预测年径流量及产沙量，便于评价流域保护方法的可行性。GeoWEPP主要是以水文学、水动力学、随机气象生成等众多学科为理论基础开发的分析土壤侵蚀的物理过程的模型，汲取了分布式水文模型侵蚀过程空间变异性和连续模拟分析的优点，能够近似模拟下垫面条件，从空间和时间的变化上反映土壤侵蚀过程中径流、产沙、输沙、沉积的动态变化过程 [ 4 ]。目前开发的最新版本(ArcGIS10.X)只适用于小于40公顷的流域，而且每个坡面只有一个土地利用图和土壤类型。图2为GeoWEPP模型流域版示意图。 WEPP模型流域版是以坡面版为基础，将流域划分成坡面漫流元素(Overland Flow Element)即OFE，进行模拟运行。不同的OFE元素代表着不同的土壤条件和作物管理方式。将土壤侵蚀过程分解为剥离、搬运、沉积 [ 5 ]，在坡面与沟道中主要发生剥离；在沟道中主要是发生搬运；沉积可以发生在流域的任何地方 [ 6 ]。研究流域面积应小于40公顷，由沟道、坡面、拦蓄设施三部分组成，流域出口处一般有泥沙沉积，要求坡面小于10个，坡长小于100 cm。土壤侵蚀后泥沙从坡面向沟道搬运，最后通过沟道从流域出口流出。 GeoWEPP模型流域版的泥沙运动方程： d G d x = d L + d F (1) 其中：x——某点沿坡向下的距离(m)；G——输沙量(kg∙s −1 ∙m −1 )；L——从相邻坡面流入的泥沙量(kg∙s −1 ∙m −1 )；F——水流对沟道的侵蚀量或水流中泥沙的沉积量(kg∙s −1 ∙m −1 )。当沟道土壤临界剪力小于平均水流剪力，并且沟道泥沙流失量大于水流输沙量时，以搬运为主；当沟道泥沙流失量小于水流输沙量时，以沉积为主。 图2. GeoWEPP模型流域版示意图 3.2. 沟头填埋情景设计 应用ArcGIS的ArcToolBox提取杨家沟区域坡度和等高线。坡度是影响水土流失的一个重要数据。根据《土地利用现状调查技术规程》规定，坡度属于6˚~15˚的范围可能发生中度水土流失，必须采取植树造林，修建梯田等措施，坡度属于15˚~25˚可能发生重度水土流失，必须加强防治，坡度大于25˚要退耕还林等 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]。据此将杨家沟土地坡度分为五部分，从深绿色到深红色坡度逐渐增大，沟道两侧侵蚀量达到最大可达55.45˚，杨家沟土地需要采取相关固沟保塬措施。图3是杨家坡坡度图。 图3. 杨家沟坡度 图4是杨家沟等高线图，以10 m为等高间距。由图可得杨家沟整体走向北低南高，流水走向为由南向北，西东两侧等高线密集处相比中间部分更陡，有明显的沟头，南部更加平缓。最高处为1360 m，最低处为1170 m。沟道从北向南逐渐升高，沟道最宽可达330 m。 3.3. 沟头填埋的方法 沟头填埋是指将黄土高原地区的沟壑部分进行人为的大型机械填埋工作，将沟壑填埋成自然坡形或阶梯形。根据规范GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》建设规范要求，设计对其进行沟头填埋，运用十年一遇的降雨对其防御功能进行模拟。根据前文得到的杨家沟坡度、等高线信息，主要将坡度6˚~15˚的中度水土流失区域进行土地平整设计，15˚~35˚区域进行沟头填埋。具体设计为选取沟道总长60 m，15 m溯源沟头填埋，45 m从等高线1335 m到1356 m采用坡度0.46:1修整。运用ArcGIS处理等高线，以3 m作为等高线间距，提取研究区域内等高线信息。从1335 m开始，按照沟头填埋设计方法，对等高线进行编辑。将原本被侵蚀的坡道进行削坡处理，均改为均匀变化的坡度0.26:1，应用ArcGIS将等高线重新编辑设计，高程差为3 m，以11.5 m作为相邻等高线水平距离，使其地貌发生改变。沟道选择稳定性强、过流量大的梯形断面。进行沟头填埋后，应对坡面夯实，增强沟道冲刷能力。 沟头处理前等高线如图5(a)所示，沟头处理后等高线如图5(b)所示。 图4. 杨家沟等高线 图5. 沟头处理前后等高线。(a) 沟头处理前等高线；(b) 沟头处理后等高线 3.4. GeoWEPP初始模拟 在运行GeoWEPP模型前，需要将杨家沟流域的30 m分辨率的DEM转换为ASCII格式。基于流域DEM生成的流域沟道主要使用了两个参数：关键源区域(Critical Source Area， CSA)，生成流域沟道网路所需要的最小源区域，一般默认为5公顷；最小源沟道长度(Minimum Source Channel Length， MSCL)，一阶沟道与另外一个沟道汇合需要流经的最短距离，默认值为100 m，如果不满足这两个参数条件，则不会出现再流域通道中。 运用上述方式模拟沟头填埋过程，运行结果显示杨家沟流域共形成了3个坡面、2条沟道，界定土壤允许侵蚀值为0.01 t/(ha∙yr)，得到原始土壤侵蚀量分布图6。将土地侵蚀量按颜色由浅到深划分，侵蚀量为1~2 t/km 2 是土壤侵蚀量较轻的部分，由浅红色代表，侵蚀量大于3~4 t/km 2 是土壤侵蚀量较重的部分，由深红色代表。模拟结果为子汇流域面积为0.89 km 2 ，年径流量为570882 m 3 ，土壤侵蚀量为11.4 t，其中沟头处侵蚀量最重，侵蚀强度达到12.809 t/(km 2 ∙yr)，两侧相对较轻，东侧侵蚀量较西侧侵蚀量更轻。 图6. 原始土壤侵蚀量分布图 3.5. 误差分析 由于模型中数据种类繁多、结构复杂，为了使模拟结果更贴切真实数据，要对模型进行校正与误差分析。可将流域多年的年径流量和产沙量与模拟结果对比判断其可靠性。据研究表明，如果模拟值与实测多年平均值的相对误差R e 的绝对值不高于15%，则模拟的数值相对可靠性较好；如果相对误差大于15%，则模拟的数值偏差较大 [ 13 ]。 R e = S i − Q i Q i × 100 % (2) 其中： R e ——相对误差； S i ——模型模拟值； Q i ——实测多年平均值。相对误差 R e ——反应出实测数值与模拟数值间的差异程度。当 R e 大于0时，则模拟数据比实测数据大；当 R e 小于0时，则模拟数据比实测数据小；当 R e 接近0时，则模拟值与实测值越接近。 根据杨家沟流域数据显示其多年的年径流量为481198.56 m 3 ，平均产沙量为9.756 t。将实际数据与模拟数据进行对比，见表1。对比结果表明模拟数据均偏高，其中年径流量模拟值比实际值高了89683.44 m 3 ，误差达到18.6%，超过了可靠值；年产沙量模拟值比实测值高了1.644 t，误差达到16.85%，因此也超过了可靠值误差标准。所以此模型无论是年径流量还是年产沙量精确程度还不够。 Table 1 Comparison of measured and simulated value 名称 年径流量(m 3 ) 年产沙量(t) 实测值 481198.56 9.756 模拟值 570882 11.4 误差 89683.44 (18.6%) 1.644 (16.85%) 表1. 实测值与模拟值对比 由于实测数据量较少，本文数据还不够精确。第一，本研究模型中主要采用的DEM、土壤类型和土地利用为30 m分辨率，精度还不够；第二，植被覆盖、气候情况不能够完全按照实际自然情况，获取较为真实的数据有一定的困难；第三，模型参数大多数采取模型中自带数据，土壤饱和导水率、细沟侵蚀参数、细沟侵蚀参数和土壤临界剪切力等都未进行校准。由于这些原因导致最终数据精确度还不够，精度还有待提高，都是本文的不足。