基于WEPP模型的土地整理对长期土壤侵蚀的影响

针对典型丘陵区土地整理项目,利用坡面土壤侵蚀WEPP机理模型,模拟不同坡地梯田改造后土壤流失量和产沙量的长期变化,及土地利用和耕作措施的影响。结果表明,随着坡度增加,坡地的梯田整理对于减少土壤流失量的作用减弱,但对于减少总产沙量作用增加。土地利用方式影响土壤流失量和产沙量,由高到低为常规耕作的农田、草地和灌丛。对于耕作措施来说,小麦玉米轮作条件下,免耕措施与传统的耕作措施相比,可以明显降低土壤流失量和产沙量。土壤流失量受降雨的影响制约,休闲地日降雨量超过12mm时产生土壤流失,而农田日降雨量超过20mm时才产生土壤流失,降雨量越大,梯田减少土壤流失的效应越明显。长期模拟结果表明,土壤流失的年际变化受降雨量变化主导,土壤流失量变化趋势与降雨量变化一致。     

WEPP模型在东北黑土区的适用性评价--以坡度和水保措施为例

基于黑龙江省宾县试验站2008年气象观测数据和野外径流小区监测资料,利用WEPP模型估算东北黑土区次降雨径流量和土壤流失量,并通过与实测资料对比,评价WEPP模型的适用性.结果表明,在3°,5°,8°这3个坡度条件下,WEPP模型对次降雨径流量模拟的Nash-Sutcliffe有效性系数ME分别为0.47,0.03和-5.9,对次降雨土壤侵蚀量模拟的Nash-Sutcliffe有效性系数ME分别为0.58,0.72和0.60,说明WEPP模型对次降雨坡面径流量的模拟效果较差,而对次降雨坡面土壤侵蚀量模拟效果较好.WEPP模型对次降雨的径流量和土壤流失量的模拟显示,WEPP模型对坡度变化反应敏感.WEPP模型对大豆、稗草、苜蓿和苗期榆树次降雨径流量模拟有效性系数ME分别为0.81,0.71和0.83,0.94,对次降雨土壤流失量的模拟有效性系数ME分别为0.81,0.71和0.83,0.94,表明WEPP对大豆地和苜蓿地的模拟效果好于稗草和苗期榆树,且其好于不同坡度条件下裸地的模拟结果.WEPP模型可以模拟不同水保措施条件下的次降雨径流量和土壤侵蚀量,也可以模拟不同坡度条件下裸地的次降雨土壤侵蚀量,但是不适合模拟不同坡度条件下裸地的次降雨径流量.     

基于WEPP模型的紫色土坡面水蚀预报

应用水蚀预报项目（Water Erosion Prediction Project,WEPP）模型评价紫色土坡面水蚀强度,提出模型参数的估算方法,并利用四川省遂宁水土保持试验站长期径流小区观测资料,验证和检验模型预测的精度和敏感性;探讨该模型在川中丘陵紫色土地区应用的可能性及模型参数选择存在的问题。运用WEPP模型进行降雨侵蚀预测,并与实测值进行比较。结果表明,WEPP模型在大多数情况下预报值较合理,低坡度坡面上模拟预测值高于实际观测值,高坡度坡面上模拟预测值低于实际观测值,不仅在一定程度上模拟值与实测值接近,而且模型还可估算土壤侵蚀的时空分布及全坡面或坡面任意一点的净土壤流失量及随时间的变化。这对布置水土保持管理措施具有重要意义。     

地形因子对陕北坡耕枣树地产流产沙的影响及模拟研究

通过人工模拟降雨,研究不同地形(不同坡度和坡长)条件下枣树坡地产流产沙规律,并采用WEPP模型对径流和产沙进行模拟。结果表明,当降雨强度一定时,水流的含沙量随着坡长的增加而增大,随着坡度(16°,21°,26°)的增加,在21°时产流产沙过程始终保持最低,而产流时间则随着坡度的增加而提前;当降雨强度逐渐增大时,径流量与坡长呈线性关系,产流时间则随坡长的增加而推后,产沙量与坡长则呈指数关系。不同坡度条件下,降雨强度大于1.15mm/min时,产流和产沙量均明显增加。WEPP模型对产流量和产沙量模拟的有效性ME分别为0.796和0.585,说明模型模拟结果合理,且产流量的模拟精度要高于产沙量的模拟精度。     

土壤容重对草甸土坡面养分流失特征的影响

通过室内模拟降雨试验对不同土壤容重的草甸土坡面养分流失特征进行研究。结果表明:土壤容重是坡面草甸土养分流失的重要影响因子,土壤容重不同,降雨引起的坡面表土养分流失的程度不同。硝态氮主要随径流流失,占总流失量的55%～79%,70%～84%的有效磷和速效钾随泥沙流失。不同形态的养分在流失泥沙中有富集现象,但富集比各不相同。土壤容重在0.8～1.2g/cm3之间变化时,随土壤容重增加,土壤孔隙度减小,入渗能力减弱,土壤养分在降雨侵蚀力作用下流失量不断增加。但随容重的继续增大,土壤抗蚀性增大,产沙量减小,养分流失量也有减小的趋势。在降雨、坡度等一定的条件下,土壤最容易被侵蚀而发生养分流失的容重范围为1.2～13g/cm3。     

坡度对坡面土壤矿质氮素水蚀流失负荷的影响

坡度是影响坡面水土流失和土壤养分流失过程的重要因素。室内模拟降雨试验表明,当坡长一定时,不仅土壤侵蚀量存在一个“侵蚀临界坡度”,土壤矿质氮流失量随坡度变化也存在一个“养分流失临界坡度”。试验测定这2个临界坡度均在15°～20°之间。土壤矿质氮地表流失以随地表径流流失为主,约占总流失量的99%。坡面矿质氮总流失量的96%为硝态氮,硝态氮对径流中矿质氮总量的贡献率明显高于在侵蚀泥沙中的贡献率。采取一定的截流措施是控制坡面矿质氮流失的关键。     

横坡垄作对坡耕地产流产沙及氮磷养分流失过程影响研究

横坡垄作是一种常见的水土保持耕作措施,它通过增大坡面拦蓄和入渗能力,进而影响坡面土壤侵蚀过程。为揭示黄土坡耕地养分流失特征,通过人工模拟降雨试验,利用投影面积为4.5 m×1.5 m的径流小区,设计降雨强度（90 mm·h-1）、5个地表坡度（3o、5o、10o、15o、20o）以及横坡垄作和平整坡面两种坡面处理,探究横坡垄作对不同坡度坡耕地产流产沙特性及其携带的氮磷养分流失情况。结果表明：（1）坡面坡度小于20o时,横坡垄作能明显降低降雨过程中坡面的产流产沙量,产流量和产沙量最大分别可降低95%和99%;而当坡度增大至20o时,横坡垄作坡面发生断垄,横坡垄作对径流和泥沙的控制效应随之减弱,产流和产沙量会接近或大于平整坡面。（2）横坡垄作对养分流失浓度的影响较小,但对养分流失量具有明显影响。坡面坡度小于20o时,横坡垄作具有较好的控制坡面养分流失量的效果;当坡度增大至20o时,横坡垄作控制养分流失的作用减弱。径流中全氮的流失量始终大于全磷的流失量;除横坡垄作10o坡面外,泥沙中全磷的流失量均大于全氮的流失量。（3）坡面养分流失量主要由坡面径流量和泥沙量决定。径流养分流失率和产流速率、泥沙养分流失率和产沙速率满足线性正相关关系。横坡垄作对径流和泥沙中养分减少效益分别可以达到45%~100%、59%~100%。整体上而言,横坡垄作是控制坡面土壤侵蚀及减少养分流失的一种有效方法。     

不同下垫面太行山片麻岩坡面水土及养分流失规律研究

通过室内人工模拟降雨的方法,对太行山片麻岩不同下垫面(压实、耕作、施肥)泥沙侵蚀和水土流失特征进行了研究。结果表明:与压实坡面相比,耕作坡面产流时间延长了18%,施肥坡面产流时间缩短了15%;经过扰动的坡面水土流失严重,与压实坡面相比,耕作和施肥坡面径流量分别增加了49%和55%;压实坡面产沙量为127.85g,比耕作坡面产沙量增加了10%,而施肥坡面产沙量减少了30%。坡面土壤氮磷钾养分流失主要以泥沙结合态为主,其中磷钾最为明显,泥沙结合态流失量均占到总量的90%以上,氮素流失是以泥沙态氮和溶解态氮共存;养分流失量与产沙量的相关系数均达0.9以上。     

磁性示踪条件下坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征

在10°,15°,20°坡面上布设磁性示踪剂,通过模拟降雨(60mm/h)研究坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征。结果表明,随着坡度增大,坡面产流、产沙量递增;坡面坡度越大,达到稳定产流、产沙的时间点越靠后。10°坡面土壤磁化率降幅以上坡位最大,中坡位其次,下坡位最小;随着坡度增大,坡面土壤磁化率降幅以下坡位最大,中坡位其次,上坡位最小。坡面磁化率变化表明,10°坡面上坡位受到的土壤侵蚀最严重,在15°和20°坡面下坡位土壤侵蚀强度加大。     

红壤坡面降雨入渗及产流产沙特征试验研究

采用室内模拟降雨研究了不同降雨强度和坡度对红壤坡面降雨入渗、产流产沙的影响.结果表明:产流时间随降雨强度和坡度的增大而提前.对于入渗率较低的红壤坡面,径流强度主要受坡面承雨强度的影响,径流强度随雨强增大而增大,随坡度增大而减小.坡面入渗率随降雨强度的增大表现为先增大后减小.降雨强度增大能够增加水分入渗,但这种促进作用仅在一定的降雨强度范围内起作用.坡面入渗率随坡度增大表现为先增大后减小.20°左右存在一个坡面入渗率变化的临界坡度.坡面细沟侵蚀发展状况对稳定坡面入渗率有比较大的影响.径流率和入渗率与降雨历时的关系分别可以用幂函数和对数函数描述.在75,100 mm/h降雨强度下,产沙量随坡度的增大而增大,而50 mm/h降雨强度下,产沙量在20°时达到最大值而后出现下降,在20°附近存在一个侵蚀产沙量变化的临界坡度.     

基于WEPP模型的多级梯田暴雨侵蚀模拟初步研究

针对2013年6—9月份安塞县马家沟多级梯田遭受暴雨侵蚀严重等问题,运用新一代水蚀预报模型WEPP模型对马家沟多级梯田在暴雨条件下的侵蚀情况进行模拟,并将WEPP模型模拟的结果与实测资料进行了对比。结果表明:WEPP 模型能够较好地模拟黄土丘陵区多级梯田在暴雨条件下的径流量以及土壤侵蚀量,随着梯田级数的增加,WEPP模型对径流量与侵蚀量的模拟精度逐渐降低。由于受该区地下水的影响,模拟径流量总体小于采用径流系数法算得的径流量,由于梯田田埂的防蚀作用,模拟土壤侵蚀量总体大于实测侵蚀量。研究为黄土丘陵区梯田防蚀以及梯田修筑提供科学依据及有效方法,为黄土丘陵区多级梯田的暴雨侵蚀预测提供了合理化建议。     

WEPP模型坡面版在黄土丘陵沟壑区的适用性评价--以坡长因子为例

利用安塞试验站1985—1992年的气象观测数据和野外坡长径流小区径流量和土壤侵蚀量监测资料,评价了WEPP模型在黄土丘陵沟壑区不同坡长条件下的适用性。结果表明,在10,20,30和40m这4个坡长条件下,WEPP模型对次降雨、年平均和多年平均径流量的模拟结果略差;而WEPP模型对次降雨和年平均土壤侵蚀量模拟结果较好,无论是模拟值在不同坡长之间的差值,还是模拟值随坡长变化趋势均与实测值接近。WEPP模型对次降雨和年平均径流量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME分别为0.915和0.879;对次降雨和年平均土壤侵蚀量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME分别为0.853和0.758。WEPP对多年平均径流量和侵蚀量的模拟效果可满足要求。I30对WEPP模型模拟次降雨径流量有重要影响,当I30大于0.92mm/min,模型模拟误差较大。WEPP模型对次降雨土壤侵蚀量的模拟与PI30密切相关,当PI30大于129mm2/min时,模型模拟误差较大。∑PI30对WEPP模型模拟年平均径流量和侵蚀量有重要影响,当∑PI30大于150mm2/min时,模拟精度明显下降,且∑PI30对径流模拟的影响明显大于对土壤侵蚀模拟的影响。     

基于作物需水与降雨径流调控的隔坡梯田结构优化

 针对黄土高原丘陵沟壑区坡地作物普遍存在的干旱缺水与水土流失问题,基于作物需水过程和降雨径流调控理念,利用WEPP模型对不同梯田模式下春玉米生育期的降雨、径流、入渗、蒸发、土壤水进行作物生育期需水耗水过程计算。结果表明:研究条件下,单一模式隔坡梯田不能完全解决春玉米需水与天然来水在时间上的错位问题,且一般情况下需要1∶6～1∶8平坡比收集降雨径流,土地资源浪费严重;结合水窖,不但能大量节约土地资源、满足作物需水,且隔坡梯田作物年产量、作物水分利用效率和降水利用效率较无隔坡条件均增加50%以上,基本实现作物增产和减少水土流失的双重目标;得出的典型模式隔坡梯田平坡比取值参考表可供黄土丘陵沟壑区隔坡梯田设计规划参考。在黄土高原丘陵沟壑区,隔坡梯田与水窖蓄水配合,不但可满足作物生长过程需水,而且又可防止水土流失,是适宜推广的坡地降雨径流调控方式,这对坡地水土资源高效利用具有实际指导意义。     

基于土壤水分动态的梯田苹果园水窖配置

针对如何合理配置水窖以解决黄土高原梯田种植苹果存在的水资源短缺问题,利用WEPP模型,在对0～200 cm土壤储水量动态变化模拟验证的基础上,以满足梯田苹果在不同典型代表年的生育期需水为目标,对水窖进行优化配置。结果表明:在更新土壤及作物管理数据库后,WEPP模型可实现对梯田苹果园0～200 cm土壤储水量的动态模拟;利用土壤水分动态变化选择典型年来进行水窖优化配置,更能满足苹果的需水要求;黄土丘陵沟壑区适宜的水窖配置干旱年为1 150 m3/hm2,平水年为180 m3/hm2,湿润年为50 m3/hm2。该研究为高效利用该区有限水资源提供了一种基于土壤水分动态变化来满足苹果生长需水的水窖优化配置方法。     

基于WEPP模型的水土保持措施因子与侵蚀量关系研究

水土保持措施能够有效减少水土流失,是土壤侵蚀过程中的一个重要影响因子。以北京市延庆县水土保持科技示范园的径流小区观测数据为基础,利用WEPP模型模拟了坡面不同水土保持措施下的侵蚀量,结果表明:(1)植被盖度与侵蚀量呈负相关关系,植被盖度越高侵蚀量越少,当盖度50%时侵蚀量会显著减少,且植被有效盖度的阈值为70%;(2)梯田的土壤侵蚀过程主要发生在田坎处,水平田面几乎没有水土流失,侵蚀量与田坎高成正比,与田面宽成反比。在北方土石山区,水平梯田田坎高度不宜超过2.5 m,田面宽不宜小于5 m;(3)粮—草间作能有效减少土壤侵蚀量,且草带所占比例越大减蚀效益越好。在水土保持为主的坡耕地上适合推广粮:草比为2:4的间作配置模式。研究结果对于北方土石山区的土壤侵蚀研究以及水土保持措施的配置具有一定参考意义。     

降雨类型对北方土石山区坡面土壤侵蚀的影响

该文基于北京市房山区蒲洼径流小区2013-2015年观测的105场自然降雨,采用实测水文数据与WEPP模型模拟降雨侵蚀过程相结合的方法,对比了北方土石山区不同雨型下的坡面土壤侵蚀差异。结果表明:1)自然降雨中,单场降雨的侵蚀能力表现为B型雨(低频率、短历时、中雨量、大雨强)A型雨(中频率、长历时、大雨量、中雨强)C型雨(高频率、中历时、小雨量、小雨强),其中,侵蚀性降雨中A型雨降雨频率最高、对研究区土壤侵蚀的累计贡献率最大;而C型雨几乎不会引发土壤侵蚀。2)诱发北方土石山区棕壤坡面土壤侵蚀的临界雨量为8 mm、临界雨强为9.5 mm/h。3)利用WEPP模型通过设置最大30 min雨强I30出现的不同时间将3类雨型进一步划分为4个子雨型,结果表明同一雨强出现的降雨时序差异会影响土壤侵蚀的发生程度,且子雨型下土壤侵蚀量整体表现为递增型峰值型递减型均值型,其中A型雨4个子雨型下侵蚀量差异最显著。研究结果可为北方土石山区棕壤坡面土壤侵蚀预报模型的建立及土壤侵蚀防治提供参考依据。     

Prediction of surface runoff and soil loss in southeastern Norway using the WEPP Hillslope model

Yearly and daily surface runoff and soil loss simulated by the WEPP Hillslope model v. 2002.7 were compared with measurements from two different soil erosion plot sites in southeastern Norway. The soil at Bjørnebekk (Bj) was a levelled silty clay loam (2% organic matter) and the soil at Syverud (Sy) was a loam (5% organic matter). The plots at Bj were 21 m long and 8 m wide, while the plots at Sy were 30 m long and 7 m wide. Slope at both sites was 13%. Four management systems for grain production were used: autumn ploughing (AP), winter crop rotation (WCR), autumn harrowing (AH) and spring ploughing (SP). Hydraulic conductivity and soil erosion parameters were determined using WEPP-recommended equations based on measured soil parameters. In general, the WEPP Hillslope model simulated fewer runoff events than measured for all management systems during 1990–1998. Runoff events in winter were seldom predicted and small events (<5 mm) were mostly missed. To use the WEPP Hillslope model on Norwegian soils, where major soil loss events from arable land occur during late autumn, winter and early spring, improvements in winter hydrology calculations are needed. In particular calculations of soil frost development and infiltration into frozen soil need to be improved. The WEPP-recommended soil erosion parameter equations were unsuitable for these two Norwegian soils, especially for levelled soil.     

WEPP细沟剥蚀率模型正确性的理论分析与实验验证

基于物理过程基础上的WEPP土壤水蚀预报模型将坡面侵蚀分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀,建立了独立的细沟间模型和细沟模型.其中细沟侵蚀产沙方程从概念上可以预报细沟侵蚀过程,但没经实验或理论验证.该文经过理论分析表明,WEPP模型中的剥蚀率是水流含沙量的线性函数,并由给定的试验条件计算得到了函数中的参数.将理论分析结果和已有的实验结果进行了比较,验证了WEPP中的侵蚀产沙模型.同时将已得到的确定细沟剥蚀率的微分方程代入细沟侵蚀产沙方程并求解,从理论上得到了含沙量随沟长变化的函数关系.将理论分析结果和由实验所得的结果进行了对比,进一步验证了WEPP中的侵蚀产沙模型.该文从细沟剥蚀率和产沙量两方面对WEPP模型中细沟侵蚀产沙模型进行了验证.     

Soil erosion modelling of burned and mulched soils following a Mediterranean forest wildfire

Soil erosion modelling applied to burned forests in different global regions can be unreliable because of a lack of verification data. Here, we evaluated the following three erosion models: (1) Water Erosion Prediction Project (WEPP), (2) Morgan-Morgan-Finney (MMF) and (3) Universal Soil Loss Equation-Modified (USLE-M). Using field plots that were either untreated or mulched with straw, this study involved observations of soil loss at the event scale at a burned pine forest in Central Eastern Spain. The erosion predictions of the three models were analysed for goodness-of-fit. Optimization of the MMF model with a new procedure to estimate the C-factor resulted in a satisfactory erosion prediction capacity in burned plots with or without the mulching treatment. The WEPP model underestimated erosion in the unburned areas and largely overestimated the soil loss in burned areas. The accuracy of soil loss estimation by the USLE-M model was also poor. Calibration of the curve numbers and C-factors did not improve the USLE-M model estimation. Therefore, we conclude that an optimized MMF model was the most accurate way to estimate soil loss and recommend this approach for in Mediterranean burned forests with or without postfire mulching. This study gives land managers insight about the choice of the most suitable model for erosion predictions in burned forests.