基于WEPP模型的降雨径流调控数值模拟研究

【摘要】： 干旱缺水与水土流失并存是制约黄土高原经济与社会发展的主要限制性因子,而坡面降雨径流又是导致水土流失的主要原动力,通过科学调控坡面降雨径流、截断或减弱侵蚀动力,高效利用水土资源是实现控制黄土高原水土流失和缓解干旱缺水的重要途径。本文基于调控降雨径流高效利用水土资源的理念,通过对WEPP模型验证及计算修正,结合实体降雨径流比尺模型,对黄土高原坡面和小流域降雨径流调控进行模拟研究,得到如下结论: (1)土壤参数敏感性分析。杨凌降雨径流调控试验观测站资料分析表明,在WEPP模型中,土壤反照率、初始饱和导水率、土壤临界剪切力、细沟土壤可蚀性、细沟间土壤可蚀性的变化对径流量不敏感,有效水力传导系数对径流量敏感,且为负相关。土壤反照率、初始饱和导水率、细沟间土壤可蚀性的变化对产沙量不敏感,而土壤临界剪切力、细沟土壤可蚀性和有效水力传导系数对产沙量相当敏感;同时产沙量与细沟土壤可蚀性正相关,与土壤临界剪切力和有效水力传导系数负相关。根据杨凌区的实际情况和径流量、土壤侵蚀量观测资料,最终将对裸地的有效水力传导系数、土壤临界剪切力和细沟土壤可蚀性分别率定为33.8mm/h,4.9Pa和0.028s/m;对布置各种调控措施地面的有效水力传导系数、土壤临界剪切力和细沟土壤可蚀性分别率定为11.2mm/h,0.49Pa和1.833s/m。 (2)数据库的建立。根据WEPP模型的基本原理,基于杨凌岭后降雨径流调控试验站2003-2004年的降雨资料和小区的布设情况,以及有效水力传导系数、土壤临界剪切力和细沟土壤可蚀性三个重要土壤参数的率定结果,分别建立了WEPP模型运行所必须的杨凌地区气候、土壤、坡度和作物管理四个数据库。模型参数的获取方式包括试验观测资料及其公式计算等。有些参数还必须利用原有WEPP模型自带的默认值。 (3)WEPP模型在降雨径流调控中的应用。利用WEPP模型坡面版分别对10°和20°24个国际标准小区观测较全面的裸地和布置调控措施的产流、产沙进行了验证和分析,结果表明:WEPP模型对裸地的预测要优于对布置调控措施地的预测;对产流的预测优于对产沙的预测;对小坡度预测优于对大坡度预测,对调控措施简单的预测要好于对措施复杂的预测。在实际计算中,通过对WEEP模型修正,是能够反映实际降雨径流调控情况的。文中初步给出不同坡度不同调控措施条件下WEEP模型的计算修正关系式,可以作为黄土高原南部不同坡面降雨径流调控措施优化的参考。 (4)不同调控措施产流产沙对坡度、雨强及降雨量的响应。分析不同坡度、不同雨强和不同降雨量对不同措施的水沙影响,结果表明,同一调控措施的径流泥沙量随坡度、雨强、降雨量增大而增大,但调控特点不同。给出了不同调控措施、不同坡度、不同雨量及不同雨强关系图,便于降雨径流调控规划设计查询。 (5) WEPP模型对小流域的模拟计算。利用WEPP模型流域版对延安燕儿沟小流域的侵蚀产沙进行简单模拟计算,其结果表明:由于坡面、沟道及断面概化粗糙,产沙计算与实际差别较大,但对其进行修正是可以达到预期的。建议今后采取分段概化计算对其应用进行深入研究。