WEPP模型在紫色土区域适用性研究

朱韵峤

摘要利用紫色土区域某水保站1984—2017年7次典型降雨资料，应用WEPP（water erosion prediction project）模型模拟了不同降雨条件下不同地面坡度的紫色土坡面径流量和侵蚀量，提出了模型评价方法，将模拟值与实测值进行比较，验证WEPP模型及其内置参数在我国紫色土范围内模型预测的可行性及准确性。结果表明，WEPP模型对于紫色土区域水蚀模拟基本可行，产流量的预测比侵蚀量的预测更为合理，低坡度条件下的模拟结果优于高坡度条件。对于侵蚀量的模拟不够理想，高坡度条件下反而模拟较好。对于不同坡度下的侵蚀量进行相关分析，结果表明坡度是影响土壤侵蚀的动力因子，在一定的坡度范围内，随着坡度的增加，土壤侵蚀量与坡度呈幂函数递增关系。

关键词土壤侵蚀量；产流量；坡度；降雨量；WEPP模型

中图分类号S157.1文献标识码A文章编号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

作者簡介朱韻峤（1996—），女，江苏盐城人，本科生，专业：农业水利工程。

收稿日期2017-05-02

WEPP（water erosion prediction project）模型是美国农业部（USDA）为了克服通用土壤流失方程（USLE）的缺点而发布的一种基于连续事件的分布式参数土壤侵蚀预报模型，是迄今为止最为复杂的描述与土壤侵蚀相关物理过程的计算机程序。自1985年开发以来，WEPP模型历经多次修改，最新模型由2012年推出。模型参数包括气候、坡度、土壤、作物管理4个参数模块。在模型开发过程中，先后采集了1 800个土壤样本，收集了全美近30年的气候资料。近年来，我国越来越多的学者利用WEPP模型对不同地区的土壤侵蚀进行模拟。笔者利用WEPP模型对紫色土区域某水土保持试验站产流、侵蚀数据进行模拟，评价该模型在我国紫色土区域的适用性，并分析了坡度单因子对侵蚀量的影响。

1试验地概况

试验坡面位于四川某紫色土重点监测区的水土保持试验站。该研究采用5°、10°、15°、20°、25° 5个不同坡度的坡面，采用相同的耕作措施，通过量水池和三角堰进行径流和侵蚀的观测。5个坡面相邻，不考虑其他因素的干扰，可以认为每次观测前土壤级配、前期含水量、土壤容重、集雨面积等初始条件基本一致。水土保持试验站设有一个雨量站，进行降雨量观测。

1984年至今，观测了该水土保持试验站近50场降雨（雨量较大，发生了侵蚀现象）的降雨量、不同坡面的径流量、侵蚀量等。其中7场典型降雨情况见表1。每场降雨选自不同年份，同一坡面上不同年份之间的耕作措施可能不同，植被覆盖度也不同。但是同一年份中，不同坡面的耕作措施和植被覆盖度保持一致，土壤侵蚀量与坡度的实测值见表1，径流量与坡度的实测值见表2。

2WEPP模型建立

2.1预测参数建立

坡面版WEPP模型的预测参数包括气候参数、地形参数、土壤参数和土地管理参数。

2.1.1地形参数。地形参数由手动直接输入不同坡降百分比，在该研究中采用 8.74%（5°）、17.63%（10°）、26.79%（15°）、 36.40%（20°）、46.63%（25°）5组不同坡度。每个坡度都是宽7.00 m，长9.52 m，土壤为紫色土。

2.1.2气候参数。缪驰远等[1]在四川省遂宁市的紫色土区域运用WEPP模型对当地紫色土进行单次降雨土壤侵蚀预测时，发现利用CLIGEN气候生成器或BackPoint DATA断点生成器生成气候参数，预测结果均可达到显著水平。在模拟产流方面使用CLIGEN气候生成器的预测结果不及BackPoint DATA断点生成器好。何丙辉等[2]利用四川省遂宁水土保持站降水年平均资料和气温的月平均资料与全美各参证站数据进行对比，对CLIGEN气候生成器模型进行了适应性评估。结果证明，选择TEXAS州CENTEVILLE站点为参证站点比较接近四川遂宁紫色土区域的模拟结果。因此，笔者结合实际情况，利用站内气象观测场中的降雨观测数据和参证站点美国得克萨斯州（TEXAS）森特维尔（CENTERVILLE）进行剩余气候数据的替代建立气候参数。

2.1.3土壤参数。土壤数据利用紫色土实测值及模型提供的经验公式生成土壤数据文件。

2.1.4

土地管理参数。土地管理参数利用WEPP模型自带的多种参数，对FALLOW、GRASS、FARMLAND等多种情况进行模拟，选择拟合度较高的模式。

2.2模型评价方法

试验利用统计学中相对误差（Er）、模型有效系数（ME）2个衡量指标，对实际观测的产流量和产沙量值与 WEPP 模型中模型自动生成2种方式下所获取的预测值进行對比分析，分析模型的有效性[3]。

Er=Ypred-YobsYobs×100%

ME=1-∑（Yobs-Ypred）2∑（Yobs-Ymean）2

式中，Er为相对误差，Yobs为实测值，Ypred为模拟值，Ymean为实测值的平均值，ME为模拟有效性系数。

ME=1.0，模拟值与实测值均相等

>0.5，模型的模拟拟合较好

=0，实测值的平均值和模型的模拟值对实测值具有相同的相关性

>0，表示实测值的平均值对实测值的相关性要高于模型的模拟值

3结果与分析

3.1模型评价结果

由表3可知，WEPP 模型预测5°、10°、15°、20°、25°小区产流量的相对误差分别在-24.92%～3221%、-12.99%～7.04%、-16.24%～14.93%、-15.63%～25.41%、-9.55%～33.43%，说明随着坡度的上升，产流量预测值的相对误差逐渐增大，25°时径流小区出现难以预测的情况。对于侵蚀量的预测，5°、10°、15°、20°、25°小区侵蚀量的相对误差分别在-55.33%～-40.65%、-71.36%～59.35%、-72.67%～-27.78%、-31.96%～13.97%、-41.59%～94.72%，说明5个不同坡度的径流小区的预测值不好，在5°、10°、15°等低坡度条件下侵蚀量模拟值一般小于实测值，相对误差为负。在较高坡度时，误差呈现不确定性，其中在25°坡度，相对误差可达70%以上，基本难以模拟出来。在相同参数组合的模拟下，产流量预测值的相对误差值一般小于侵蚀量的相对误差值，这说明在我国紫色土区域，单次降雨侵蚀产流量的预测效果要优于对产沙量的预测效果。这与代华龙等[4]、李振林等[5]的研究结果一致。

由表4可知，在5°、10°、15°低坡度条件下，产流量的模型有效性ME值均大于0.800，而侵蚀量的模型有效性ME值在0.023～0.299，表明紫色土低坡度条件下，WEPP模型对产流量的预测效果要优于对侵蚀量的预测效果。在20°、25°高坡度条件下，WEPP模型预测结果与低坡度条件下相差较大，其侵蚀量的模型有效性ME值反而大于0.700，明显高于产流量的模型有效性ME值。表明高坡度条件下WEPP模型对紫色土区域侵蚀量预测较好。在25°条件下，对产流量的模型有效性ME 值表现为负值，这说明此时对实测值的相关性均高于模型的模拟值。

3.2坡度与侵蚀量的关系

对坡面水蚀来说，地面坡度是地形因素中对坡面土壤侵蚀的发展起重要作用的因子。一般认为，坡度的大小决定径流的冲刷与搬运能力。与此同时，地面坡度的大小影响降雨入渗量、地表径流量、地表滞水能力和侵蚀泥沙的稳定性，从而直接或间接地影响土壤侵蚀。根据现有研究成果，坡度与土壤侵蚀量的关系多呈Y=aθb的关系（a、b为常数）[6]。土壤侵蚀量实测值幂函数拟合结果见表5。

根据测算，不同降雨量情况下坡度指数也基本在0.14～2.25，去掉2个极限值，指数在0.80～1.60，且相关系数也较大，除了降雨量70.7 mm，其他6组数据R2均大于0.900 0，说明在一定的坡度范围内，该流域的土壤侵蚀量与坡度的关系满足幂函数关系。

由表6可知，总体来说，不同降雨条件下，随着坡度的增大，土壤侵蚀量也随之增加，但是坡度每增加相同的度数，土壤侵蚀量的增加幅度有所不同，在试验坡度（5°～25°）范围内，土壤侵蚀增加量整体趋势随坡度的变陡而增加。坡度越陡，一定坡长上的坡面径流量就越少。地面坡度越大，径流的冲刷能力越强。坡度相同时，坡面越长，汇集的流量越大，侵蚀力也越强。

4结论

WEPP模型对于紫色土区域土壤侵蚀模拟基本可行，对于产流量的预测比侵蚀量的预测更为合理，低坡度条件下的模拟结果优于高坡度条件。对于侵蚀量的模拟不够理想，高坡度条件下反而模拟较为准确。对于不同坡度下侵蚀量进行相关分析，结果表明坡度是影响土壤侵蚀的动力因子，在一定的坡度范围内，随着坡度的增加，土壤侵蚀量与坡度呈幂函数递增关系。

参考文献

[1] 缪驰远，何丙辉，陈晓燕.水蚀模型USLE与WEPP在紫色土水蚀预测中的应用对比研究[J].农业工程学报，2005，21（1）：13-16.

[2] 何丙辉，缪驰远，陳晓燕，等.CLIGEN气候生成器模型在紫色土地区的适应性研究[J].水土保持学报，2007，21（3）：183-187.

[3] 何建林.WEPP模型预测参数在紫色土区的研究[D].重庆：西南大学，2010.

[4] 代华龙，曹叔尤，刘兴年，等.基于WEPP模型的紫色土坡面水蚀预报[J].中国水土保持科学，2008，6（2）：60-65.

[5] 李振林，何丙辉，何建林，等.紫色土区 WEPP 模型不同地类下预测参数敏感性分析[J].云南农业大学学报，2013，28（5）：654-660.

[6] 刘淑燕，秦富仓，项元和，等.基于WEPP模型进行坡度因子与侵蚀量关系研究[J].干旱区资源与环境，2006，20（4）：97-101.