基于水蚀模型WEPP和GIS的高原小流域侵蚀模拟——以延安地区向阳沟小流域为例

基于水蚀模型WEPP和GIS的高原小流域侵蚀模拟——以延安地区向阳沟小流域为例 基于水蚀模型WEPP和GIS的高原小流域侵蚀模拟——以延安地区向阳沟小流域为 例 第16卷第4期 2005年12月 水资源与水工程JournalofWaterResources&WaterEngineeringVo1.16No.4 Dec..2005 基于水蚀模型WEPP和GIS的高原小流域侵蚀模拟 以延安地区向阳沟小流域为例 莫放,贾忠华,罗纨,李怀恩 陕西西安710048;2.西安理工大学水资源研究所,(1.西安理工大学环境科学研究所, 陕西西安710048) 摘要:根据延安地区向阳沟小流域的资料,利用水蚀模型WEPP结合GIS对该地区的水土侵蚀状况 进行模拟.研究首先利用ArcGIS软件由数字高程模型DEM中提取诸如:流域的划分,水流网络等与流 域特征相关的数据作为坡面资料;同时应用GIS矢量化向阳沟流域治理措施图作为土地管理资料;然后 利用BPCDG程序整理气象资料.最后将上述成果整理后输入WEPP进行模拟.模型的模拟结果表明 WEPP能够较为合理的模拟向阳沟小流域的水土侵蚀的发生,同时对应用不同的管理措施降低侵蚀量 和径流量给出了定量评价.本研究表明GIS这种先进工具的介入可以很好地为WEPP这种机理模型提 供数据,并且使得模拟结果的展示具体,直观,生动. 关键词;侵蚀;水蚀模型WEPP;地理信息系统GIS;黄土高原小流域 中图分类号;S157文献标识码:A文章编号:1672—643X(2005)04—0041-05 Simulationofwatererosionby —— TakingXiangyanggou iointlyapplication0fWEPPandGISU一一一 catchmentinYan'anasanexample MOFang,JIAZhong—hua,LUOWan,LIHuM—en (1.InstituteofEnvironmentalScience,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China; 2.InstituteofWaterResources,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048.China) Abstract:BasedonthedataofXiangyangoucatchment,thispapersimulatesthewatererosionofthis areawithWEPPandGIS.First,withspatialanalystofArcGIS,thehydrologicanalysisisconducted basedontheDEM(digitalelevationmode1).ArcGIScollectsthedataaboutthecharacteristicofto— pography,suchasflowdirectionandstreamnetworks.AlsobyusingArcGIS,apapermapshowing themanagementmeasuresofXiangyanggouisconvertedtoadigitalform.andfedWEPPastheman— agementlayer.ThenthemeteorologicdataareprocessedbyBPCDG,andthesoildataarecollected fromhistoricalsurveydata.Finally.simulationsareperformedbyWEPPwiththeinputdatamen— tionedabove.Bycomparingwithmonitoringdata,thesimulatedamountsofsoillossandrunoffofXi— angyanggouindictatesthatthesimulationofWEPPisreasonable.andprovessomemanagementcan reducetheseverenessoferosion.Meanwhile,GIScanprovidedatatoWEPPeffectively,andil lustrate bettertheresultsfromthesimulationmode1. Keywords:erosion;WEPP;GIS;watershedOfloessplateau 水土侵蚀模型是预测水土流失,指导水保措施, 优化水土资源合理利用的有效工具?.近年来国内 外研究人员致力于应用以侵蚀基本过程出发的机理 模型预测水土侵蚀的发生.由于机理模型从最基本 的侵蚀过程人手,充分考虑到气象,水文,土壤,植被 和地形等自然因素对起始发生的影响,这些年来这 类模型得到了长足的发展.但同样由于自然条件的 复杂多变,机理模型应用在较大规模范围的模拟时, 收稿日期:2004—1I-30 基金项目:陕西省教委重点实验室重点项目(220253);留学回国人员科研基金资助 (220336) 作者简介;莫放(1978一),女(汉族),陕西西安人,硕士,助教,现从事水环境及农业水 土保持方面的研究. 水资源与水工程 参数的获取,修正及整合方面存在一定的困难,并且 同时研究人员也已经认识到包括土壤,土地利用,地 形和温度等等描述研究地的时空变量影响着模型基 于过程的模拟,所有这些因素限制着模型的应用与 发展.地理信息系统(GIS)的出现为解决此类问题 提供了一个较为理想的方法.发挥GIS在分布式参 数采集,管理,修正和整合等方面的优势,能够为分 布式参数模型提供一个理想的数据准备及后期处理 结果显示工作. 1国内外研究现状 国外目前的有些研究已将一些机理模型与GIS 技术联合运用,并取得了一些成果.Savabi等用 WEPP(坡面版)和GRASS,GIS对美国印第安那 州的一个小流域的水文特征进行了研究,证明GIS 技术可以作为为WEPP这样复杂的水文模型提供 参数的有力工具.SWAT的作者Srinivasan[3和 Arnold[43将GRASS,GIS作为与SWAT输入和输 出的接口,在美国一个面积为114km.的小流域 (SecoCreek,Texas,US)检验了模型水文部分的正 确性.同时,Rosenthal等[5在进一步的研究中证明 GRASS—G1S与SWAT的联合应用可以通用于其 它河流系统进行流量预测.利用WEPP和Are/ View—GIS,Cochrance和FlanaganL6对美国密西 西比一个小流域的水土流失作了评价,并与传统模 型的使用进行了比较,他们发现在不影响精度的情 况下,GIS的引人大大提高了模型的利用水平. Vieux等运用了同样技术在美国俄克拉荷马州 Canadian县进行了地下水源被污染的危险性研究, 证明GIS技术的引人使得地下水模型获得空间数 据更为方便,同时在GPS技术的参与下各相关的政 府部门之间可以实现信息互动,便于决策. 我国在进入2O世纪8O年代后对GIS技术在理 论研究,软件开发,系统建立等方面才有了一定的发 展.例如:上海市的环境管理部门在8O年代末建立 了黄浦江流域水环境GIS,该系统具有动态监测显 示,水污染控制模拟及取水口环境管理功能,并能对 水质进行快速的预测分析和预报.90年代至今我 国在水土流失模拟等方面主要是通过GIS技术与 一 些简单模型结合对研究地进行模拟和评估.例如: 吴礼福[1明在GIS技术的支持下,DTM上最小的沟 谷单元为侵蚀基本单元对黄土高原土壤侵蚀进行建 模;马超飞等[1依据USIE模型结合GIS和遥感技 术对岷江上游进行侵蚀强度分级,坡耕地的提取后 统计分析坡耕地和侵蚀强度之间的关系对该地区的 退耕还林还草提出了初步得意见;刘海涛等[1.应用 WebGIS和通用土壤侵蚀公式(USIE)结合建立了 网络土壤侵蚀模型,将USIE公式的各个因子进行 分级,用户可以通过直接在界面上的编辑框填写数 据进行侵蚀量运算模拟;邹亚荣等[1胡在选取水土流 失因子的基础上利用土壤侵蚀公式计算值为不同因 子打分后,应用ARC/INFO的主成分分析法确定 不同因子的权重选取主成分,对江西省进行生态风 险评价.这些研究均发挥了GIS所具有的良好的空 间信息处理能力,使得模型运算简单,结果明了易 懂.本研究采用流域版本的WEPP2O02针对延安地 区向阳沟小流域进行侵蚀的模拟预测. 2wEPP模型 水蚀模型WEPP(WaterErosionPrediction Project)是美国四家政府部门(农业部农业研究所, 土壤保持局,林业部和内政部)联合普渡大学共同开 发而成的模型,其目的是取代已应用了3O多年的 USIE(通用土壤公式),解决USIE无法计算侵蚀 量的时空分布这一问题.WEPP是迄今为止较为复 杂的基于连续事件的分布式参数水土侵蚀模型.自 WEPP1989年首度推出以来,按其研究尺度已发展 了坡面版,流域版和网格版三个版本.坡面版 WEPP模型针对田间尺度的侵蚀研究,研究时应用 相同的气候条件,土壤类型,管理方式对单一坡面进 行模拟分析,最终得出研究地的侵蚀产量和径流产 量.流域版WEPP模型是在坡面版WEPP基础上 发展而来的,流域版按照一定的规则将一个流域划 分后,划分过的地块通过沟渠相联接,模型按照计算 侵蚀由高地块到低地块的原则对侵蚀的发生进行模 拟.网格版的WEPP是基于GIS平台开发的,研究 对象是一个栅格(GIS的一种基本数据格式),但由 于这个版本对WEPP和GIS的耦合程度 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 很高, 因此直到目前尚不成熟.流域版WEPP主要考虑的 因素包括气象,土壤,坡度和作物/管理四大方面,涉 及到人渗理论,水文,土壤物理,作物科学,水力学和 侵蚀力学等多方面的理论. 3研究区域概况 研究地位于延安城南12km处的万花乡向阳 沟小流域,该流域地处东经109.1845", 109.2615",北纬36.323O",36.35O0".海拔1052 , 13021"12,相对高差2501-12,属陕北黄土高原梁峁 第4期莫放,等:基于水蚀漠型WEPP和GIS的高原小流域侵蚀模拟43 丘陵沟壑区,延河三级支沟,面积3.65km.主沟长 2.9km,干沟比降6,流域平均比降8.1.土壤 以黄绵土为主,少量红胶土.由于受到地质,地貌,人 类活动,气候等多种因素影响,流域水土流失严重, 流失面积3.65km,占流域面积100%.该流域侵 蚀方式主要以水蚀为主,重力侵蚀次之. 4研究方法及步骤 4.1气象数据 WEPP模型在应用过程中需要一定录人形式 的数据,用户可以应用气候发生器(CIIGEN)对 WEPP自带的数据库内美国境内近7000个气象站 的逐月统计气象数据座位元数据进行处理,生成研 究地区的特定格式的气象信息文件.对于国内显然 无法按照上述方法完成WEPP气象信息的录人,因 此有必要应用ZelekeGete等三人针对在美国以外 的地区开发的BPCDG(BreakpointClimateData Generator)L】程序. 研究地气象数据采用位于东经109.21,北纬 36.38的陕西省延安市枣园乡上砭沟测站的1996 年度的数据.在编辑完成SB1996p1.CSV(降雨资 料),SB1996cs.CSV(温度,风资料),SB1996c1.dat (露点温度,太阳辐射,风速风向取值表), SB1996st.dat(气象站信息).其中SB代表上砭沟测 站,1996代表观测年份1996年.运行BPCDG程序 (MS—D0S下),按照提示要求依次输人气象站代 码SB,模拟年份1996后生成WEPP可以运用的气 象文件SBI996.C【1. 4.2坡面数据 4.2.1DEM数据在本研究中坡面数据的提取 是依靠ArcGIS软件按一定规则处理数字高程模型 DEM获得.研究中应用DEM比例尺为1:10000, 栅格大小为5m×5m,即为25m,其数据形式采用 ESRIGRID,横纵坐标的分辨率均为5m. 4.2.2坡面数据提取方法ArcGIS的开发工具 ArcObject中的水文分析库提供了一种描绘地表物 理特性的方法,它以数字高程模型作为数据来源在 对排水系统进行分析后定量描绘该系统.ArcGIS中 水文分析是以Jensen与Dominique(1988)年提出的 算法为依据进行计算Ll引.为了避免局部地区不合理 水流方向的生成,首先要对原始的DEM进行坑洼 填平工作;然后根据水文分析库中提供的FlowDi— rection方法完成无坑洼DEM的流向网格生成;再 应用FlowAeeumulation计算流向累积网格;结合 流向网格和流向累积网格,根据排水区域阈值设定 完成水流网格的提取和子流域的划分.图1是向阳 沟地区的子流域划分和水流网络提取结果图. 图1子流域划分及水网提取结果示意图 4.2.3坡面划分由于在WEPP中对流域的概化 是将每个子流域以坡面与渠道结合的形式表示,因 此对上文已经划分好的子流域要进行坡面划分.子 流域内边界的确定应用ArcGIS水文分析部分提供 的互动工具.用户可以通过该工具用鼠标假定流域 内某点发生降雨,工具会模拟生成水流流动的路径, 借此用户可以判断坡面的边界.在如图2所示的坡 面完成后,需要对坡面面积及沟渠的有关参数进行 提取,这些参数包括坡面的面积,坡长,坡宽和坡度, 沟渠的长度,宽度和坡度等在ArcGIS中FieldCal— culator可用于计算划分坡面的坡面面积和渠道长 度;对于沟渠和坡面的坡度用户都是通过ArcGIS 中Slope命令处理DEM后,再应用ZonalAnalyst 获取一个坡面或一条沟渠的平均坡度. 图2坡面提取示意图 4.3管理数据及土壤资料 4.3.1管理数据向阳沟地区采取的土地管理方 式主要通过ArcGIS将向阳沟流域治理措施图矢量 水资源与水工程 化后取得.主要方法是将向阳沟流域治理措施图用 扫描仪以图形文件JPEG形式存入计算机.用户通 过ArcGIS将该文件作为底图,通过软件中的图形 编辑工具Editor描绘不同管理方式,并以图层的方 式加以存储并完成矢量化,结果见图3.土地利用方 式以属性信息的形式添加到对应的地块,然后使用 区域统计方法将子流域划分图层作为统计范围,管 理图作为要统计的数值,得到各个坡面的管理方式. 在WEPP土地管理方式界面中,编辑了坡耕地,荒 地,林地,人工草等几种主要的管理方式,其中该地 区农作物参照《陕西省作物需水量及分区灌溉模 式》[】]一书中提及的陕北农作物布局确定为主要以 种植冬小麦和玉米为主.模拟中假设该地区冬小麦 1O月种植,次年6月份收获,并在收获后耕地两次; 玉米以春玉米为主,五月初耕种,1O月中旬收获. 图3流域管理方式示意图 4.3.2土壤资料向阳沟地区土壤以黄绵土为主, 伴有少量红胶土.黄绵土一般表土有机质<O.59,6, 阳离子交换能量<1Omeq/100g,土壤养分含量不 高.在WEPP中进行模拟时坡面全部采用黄绵土. 按照《土壤学北方本》[1中介绍的黄绵土质地组成 编辑所需土壤文件.对于延安地区的黄绵土质地组 成基本上是砂粒(0.5,0.05mm)占24.5,粉砂 粒(0.05,0.002mm)占66.5%,粘粒(<0.002 mm)占9.0%. 5研究结果分析 5.1WEPP概化流域图 本研究中采用地理信息系统(ArcGIS软件)将 数字高程模型(DEM)作为基本的地形数据处理后 将向阳沟地区划分为17个子流域,一条主渠道,若 干条支渠作为水流网络.经GIS提取的向阳沟流域 共计363.11hm(渠道面积占2.92hm),与获取的 原始资料364.6hm;同时提取出的主渠道长3.O2 km,与原始资料获取的2.9km基本吻合.由于提取 出的水流网络与向阳沟流域治理措施图中的河流水 系基本吻合,可认为应用DEM划分的流域结果较 为合理.经过坡面概化后17个子流域采用43个坡 面代表如图4所示.用户在WEPP下编辑了43个 坡面文件来对不同坡面进行模拟.同时,水流网络涉 及到17条流径,其中有8条流径组成了主渠道. 图4WEPP模拟采用的坡面分区表 5.2运行结果分析及讨论 WEPP运行后模拟出治理前的侵蚀模数为 6304t/kin,径流模数为37121m./kin.与多年平 均侵蚀模数9000t/kin,径流模数32000m./kin 比较认为模拟结果基本合理.同时将WEPP的运行 结果以属性数据的形式录入GIS,结果如图5显示, 可以清楚地看到通过GIS能够更好地表达侵蚀量 和径流量产生的空间分布. 向阳沟地区降水在时间上很不均匀,全年降雨 集中在7月和8月,这也是侵蚀发生的主要时问段. 模拟年份1996年的两次降雨,其雨量占全年雨量的 20.6%,而产生的径流量占到全年的8O%,侵蚀量 占全年6O.通过对模型模拟的侵蚀结果进行分析 表明,向阳沟地区是水土侵蚀高发区.地形因素对水 土侵蚀的发生影响很大,通过GIS统计得知该地区 大于25.小于35.的土地占到了31.1%,大于35.的 土地占到了27.3%.研究在假设其他条件相同的基 础上对不同管理方式对侵蚀量和径流量的变化进行 分析.不同管理方式对产流,侵蚀的影响按照大小顺 序排列如下,产流:裸地>荒坡>坡耕地>人工草地 >林地;侵蚀产量:裸地>坡耕地>人工草地>荒坡 >林地.林地保水和保土的效果最为理想,因此在向 阳沟地区应该大力提倡退耕还林还草. 第4期莫放,等:基于水蚀模型WEPP和GIS的高原小流域侵蚀模拟45 6结论 硒:尊: 图5模拟径流(左)和侵蚀结果示意图 应用GIS可以有效地为WEPP模型采集,管 理,修正和整合大量来源不同的数据,并且能够良好 地表达侵蚀和径流的空间分布.应用GIS根据 DEM提取研究地的流域特征信息为WEPP模型提 这种方法较原先实地测 供了最为重要的坡面数据, 量,借鉴多年统计资料等方法无疑更为便捷,可靠. 特殊的地理环境为向阳沟地区水土侵蚀的发生提供 了重要条件,不同管理方式对水土侵蚀的发生影响 重大. 参考文献: [1]张光辉.土壤侵蚀模型研究现状与展望[J].水科学进 展,2002,13(3):389—396. 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