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WEPP模型预测参数在紫色土区的研究

何建林  
【摘要】: 土壤侵蚀,是导致土地资源退化和损失的主要原因,是限制当今人类生存与发展的全球性环境灾害。土壤侵蚀预报模型用于了解土壤侵蚀过程与强度,是进行土壤侵蚀动态监测预报的核心工具和难点问题,体现着土壤侵蚀定量化研究的成果。WEPP模型是迄今为止较为复杂的基于连续事件的分布式参数土壤侵蚀模型,其需要考虑气候、地形、土壤和管理四大方面的影响因素,具有外延性好、反映侵蚀分布好、模拟侵蚀物质输移过程好的优点。已有对WEPP模型在紫色土区的研究主要是部分预测参数及其在休闲地上的研究,因此本论文利用四川盆地中部丘陵区遂宁水土保持试验站2006~2008年四个标准径流小区(10°农耕地小区、10°果园地小区、15°农耕地小区和15°林地小区)的29次单次降雨侵蚀实际观测资料,通过相对误差、模型有效性系数(ME)、Pearson相关系数、敏感度值(S)、变化倍数等指标,对WEPP(坡面版)模型预测参数在紫色土丘陵区的建立、验证和敏感性进行研究。 本研究共分三个部分,第一部分是WEPP模型预测参数的建立,采用单一直线坡建立坡度为17.63%(10°)或26.79%(15°),坡长水平投影为20m,坡侧面宽度为5m的地形参数;选择CLIGEN Generated的方式,利用遂宁站内气象观测场1985~2008年降雨和气温观测数据及美国得克萨斯州(TEXAS)森特维尔(CENTERVILLE)参证站点数据建立气象参数;直接选取WEPP模型中自带的措施文件建立管理参数;在土样采集、土壤理化性质测定的基础上,采用计算输入或模型生成的方式建立土壤参数。 第二部分是不同预测参数的验证,通过相对误差、模型有效性系数、Pearson相关系数等指标,以29次实测单次降雨侵蚀产流量和产沙量数据与不同预测参数组合下WEPP模型模拟预测得到的对应数据进行比较,研究表明:(1)计算输入好于模型生成的土壤参数建立方式,且产流量预测效果好于产沙量的预测。手工计算对产流量的相对误差为±5%、±10%、-5%~-50%和-30%~-100%:模型有效性系数ME为0.982、0.990、0.789、-2.645和Pearson相关系数为0.994、0.996、0.970、0.365,按其排序为10°果园地小区10°农耕地小区15°农耕地小区15°林地小区。当用产沙量进行验证时,10°和15°农耕地小区的手工计算方式模拟相对误差(-60%~-100%%和-80%~-100%)略好于模型计算方式(-75%~-100%%和-85%~-100%),10°果园地小区和15°林地小区的相对误差一样(-65%~-100%%和-100%):10°和15°农耕地小区手工计算方式模拟的ME值为-0.555和-1.035;手工计算方式模拟的Pearson相关系数排序为10°果园地小区(0.866)15°农耕地小区(0.612)10°农耕地小区(0.378)。(2)对10°和15°农耕地小区的“玉米+红苕+小麦”种植模式所选取模型自带的“Com,soybean,wheat, alfalfa(4yrs)-consv till.rot、Corn, soybean, wheat, alfalfa(4yrs)-conv till.rot和Corn, soybean,wheat, alfalfa(4yrs)-no till.rot"三种措施文件得到相同的产流量或产沙量,其对应的ME值为0.982或-0.555和0.789或-1.035,Pearson相关系数为0.994或0.866和0.970或0.612;对10。果园地小区选用“30%Cover after fire. rot"措施文件时,其预测产流量和产沙量的ME值为0.990和-0.758,Pearson相关系数为0.996和0.866;对15°林地小区的五种模型自动措施文件都不理想,但"Tree-5 yr old forest.rot"的ME值(-2.645)略好于其他四个措施文件(-3.540)。 第三部分是不同预测参数的敏感性分析,通过相对误差、变化倍数和敏感度值等指标,以10°或15°农耕地小区和10°果园地小区中具有代表性的2008年8月24日单次降雨侵蚀的产流量或产沙量为基准值,15°林地小区选用2007年6月28日,进行单参数在±20%、±40%、±60%、±80%、+100%范围内变化的敏感性分析,结果表明:(1)坡度对产流量敏感,且为正相关,按S值排序为15。林地小区(3.993)10°农耕地小区(0.133)10°果园地小区(0.132)15°农耕地小区(0.063);10°或15°农耕地小区对产沙量不敏感(S值为0.000),仅10。果园小区对产沙量中度敏感(S值为0.531),且为正相关。(2)降雨量、降雨历时、最大雨强和TP(%)的四个指标对10°农耕地小区、10°果园地小区、15°农耕地小区的产流量和产沙量达中度或高度敏感,除降雨历时为开口向上先减小再增大的二次曲线外,其他三个指标均为正相关,其变化程度为降雨量最大雨强最大历时TP(%);降雨量对产流量和产沙量的敏感度值排序为15°农耕地小区(2.262和2.394)10°农耕地小区(2.201和2.255)10°果园地小区(2.193和1.704);在15°林地小区中最大雨强(S值为0.027)和TP(S值为0.000)对的产流量不敏感,但降雨量(S值为2.604)和降雨历时(S值为2.283)高度敏感,且除基准值外,无法模拟到产流量预测值。(3)土壤反照率、细沟侵蚀值、临界剪切力在10°农耕地小区、10°果园地小区、15°农耕地小区对产流量或产沙量都不敏感(S值均为0.000);细沟间侵蚀值对四个小区的产流量都不敏感(S值都为0.000);15°林地小区的土壤反照率和细沟侵蚀值对产流量也不敏感(S值为0.000),而临界剪切力却高度敏感(S值为1.152);初始饱和度和有效水力传导率对产流量和产沙量都高度敏感,初始饱和度对产流量正相关,有效水力传导率对产流量或产沙量都是负相关;细沟间侵蚀值对产沙量正相关,其S值大小为10°农耕地小区(1.281)10°果园地小区(0.444)15°农耕地小区(0.385)。


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