流域产沙模型研究进展

太原科技

２００８年第９期

ＴＡＩＹＵＡＮＳＣＩ－ＴＥＣＨ

收稿日期：２００８－０７－０９；修回日期：２００８－０８－０８

作者简介：张天菊（１９５７－），女，山西壶关人。１９８４年７月毕

业太原工学院，高级实验师。

流域产沙模型研究与产汇流模型相比，进行定量研究的起步相对较晚。从１９世纪晚期开始的流域侵蚀和产沙机理的研究，仅限于对表面现象的观察和定性描述。进入２０世纪２０年代后，有不少学者开始对侵蚀产沙进行定量研究，并力图对侵蚀做出预报，直到２０世纪６０年代，其研究基本上仍是经验性的，各国学者建立了各种各样的经验关系。

２０世纪６０年代以后，由于相邻学科的发展，测验

方法的改进以及计算机技术的兴起，侵蚀和产沙机理研究得到了发展，逐步建立起一些有物理成因基础、能模拟侵蚀与产沙物理过程的数学模型。进入

２０世纪８０年代以后，随着科学技术的迅猛发展和

计算机技术的日益完善，侵蚀和产沙机理研究得到了更快的发展，这一时期有大量研究成果问世。在进入２０世纪９０年代后，由于遥感（ＲＳ）技术和地理信息系统（ＧＩＳ）技术的发展和广泛应用，为人们进一步认识自然提供了有力的工具，模型的研究开始由集中式向分布式过渡。

近几十年来，出现了许多计算流域产沙的模型，这些模型可分为三大类：一类是基于观测资料的因子分析模型；一类是以侵蚀产沙机制分析为基础的物理过程模型；还有一类是随机模型。

１因子分析模型

土壤侵蚀因子的变化直接影响着产沙量，这些

因子涉及降雨、土壤、地形等方面。多年来，众多学者对土壤侵蚀因子进行了大量的研究，较早建立的侵蚀产沙模型大多是因子模型，其基本特征是：根据某一地区实测水文资料和某一个或几个主要影响因子，利用回归分析法，建立侵蚀和产沙量与这

几个主要影响因子之间的关系，而后根据选定因素的资料估算侵蚀产沙量。因子模型是研究最早且研究最多的产沙模型。

最早建立起来的因子模型是Ｚｉｎｇｇ（１９４０）利用林区资料建立的坡长、坡度与坡面土壤流失量之间的估算关系。Ｓｍｉｔｈ（１９４１）和Ｂｒｏｗｎｉｎｇ（１９４７）提出了一些单因子关系式，Ｍｕｓｇｒａｖｅ（１９４７）提出包括土壤可蚀性因子、覆盖因子、坡长、坡度因子和最大３０ｍｉｎ降雨量的计算公式。虽然这些分析相对简单，但为后来的研究工作指明了方向，奠定了基础。这一时期，在侵蚀预报方面最有影响的是美国的Ｗｉｓｃｈｍｅｉｅｒ和Ｓｍｉｔｈ提出的估算流域平均产沙量的数学模型－通用土壤流失方程（ＵＳＬＥ），此方程以降雨因子、坡度、坡长因子、土壤可蚀性因子、作物管理因子和土壤保持措施因子的乘积来估算，它是用来估算多年年平均土壤流失量的。为了估算暴雨产沙量，Ｗｉｌｌｉａｍｓ（１９７５）提出了以径流因子代替降雨因子加以修正的通用土壤流失方程（ＭＵＳＬＥ）。Ｊｏｈｓｏｎ（１９４５）提出泥沙单位线（ＵＳＧ），

Ｗｉｌｌｉａｍｓ（１９７５）提出瞬时泥沙单位线（ＩＵＳＧ）。

２０世纪４０年代初，我国开始对坡面侵蚀进行

定量观测。刘善建（１９５３）以侵蚀区小区资料首次提出了计算年度坡面侵蚀量公式。２０世纪６０年代，张存福建立了黄河中游地区坡耕地土壤流失预报方程，同时引入了植被度影响。孟庆枚（１９８３）在国内首次全面考虑了黄土丘陵沟壑区的各种影响侵蚀产沙的因素，建立了一个预报次降雨的土壤流失方程。江忠善等（１９９０）在研究了降雨特征与水土流失的关系后，得出一次降雨侵蚀模数与最大３０ｍｉｎ雨强及降雨量的关系。同期还有周建国建立的次降雨坡面土壤流失的预报方程；吴礼福（１９９６）等根据观测资料建立的坡面侵蚀量的回归方程。张经济（１９９８）以年降雨量、植被覆盖、治理程度及河网

流域产沙模型研究进展

文章编号：１００６－４８７７（２００８）０９－００３７－０２

张天菊

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西

太原

０３００２４）

摘

要：流域产沙模型是研究土壤侵蚀和水土流失的主要方法，是解决流域生态和环境问题的有效途

径。对产沙模型的分类及研究进展进行了较为全面和系统的阐述，指出分布式流域产沙模型是该领域未来的发展方向。

关键词：产沙模型；土壤侵蚀；影响因子中图分类号：Ｓ１５７

文献标志码：Ａ

研究与探讨

密度４个因子建立的输沙模型［１］。

进入２０世纪９０年代后，我国在这方面研究的另一个特点是对ＵＳＬＥ进行改进，使它能很好地适应中国的地形特点，以及各地对自己所处地区的土壤可蚀因子的研究。主要成果有张宪奎（１９９２）对黑龙江省土壤流失方程的研究［２］；周伏建（１９９５）对福建省土壤流失方程的应用研究［３］；张仁忠（１９９２）对长江上游中小流域产沙模型的研究［４］；陈法扬（１９９２）将ＵＳＬＥ应用在东小良水土保持试验站等［５］。

２物理过程模型

物理过程模型，是从产沙、水流汇流及泥沙输移的物理概念出发，利用各种数学方法总结出的土壤侵蚀过程与影响因子之间的关系。再用严格的数值解法计算水沙运动过程，模型的物理基础较强，外延精度高，有利于地区移用和向设计条件延伸，可以模拟侵蚀产沙的时空变化，并可通过参数反映人类活动影响后的水沙变化。

Ｎｅｇｅｖ（１９６７）首次提出了一个具有物理基础的产沙模型；Ｍｅｙｅｒ和Ｗｉｓｃｈｍｅｉｅｒ（１９６９）提出了侵蚀与输移量的过程模型；Ｆｏｓｔｅｒ和Ｍｅｙｅｒ（１９７５）提出的物理过程模型用质量输移连续方程来描述泥沙的顺坡运动；Ｒｕｈ－Ｍｉｎｇｌｉ（１９７７）提出的ＣＳＵ模型可以模拟流域表面水文过程、产沙过程和小流域上的水沙运动和时空变化，是一个物理成因较强的分散性模拟模型；Ｂｅａｓｌｅｙ，Ｄ．Ｂ．ｅｔａｌ（１９８０）提出了著名的ＡＮＳＷＥＲＳ模型。

ＷＥＰＰ是迄今为止最为复杂的描述土壤侵蚀的模型，它比现有侵蚀模型有明显的优越性：一是能估算土壤侵蚀的时空分布，二是作为一个过程模型可以在更广泛的条件下应用。

２０世纪８０年代以来，我国也开展了侵蚀与产沙物理过程模型的研究，其中著名的模型有河海大学汤立群（１９８９）提出的产流产沙动力学模型（ＨＵＭ－１）［６］；清华大学谢树楠（１９９２）研制的用于黄土丘陵沟壑地区的次暴雨模型（ＴＨＵ）［７］；蔡强国等针对黄土丘陵沟壑地区小流域的复杂地形和侵蚀产沙提出的垂直分带规律，并于１９８９年建立了坡面子模型，模拟并计算了坡面与细沟水流的输移泥沙能力［８］；１９９５年，蔡强国根据沟坡不同部位的不同侵蚀过程和特性，建立了沟坡子模型；此后，又提出了沟道子模型。

３随机模型

随机模型是利用以往的资料和降雨—径流—产沙过程的随机特性建立起来的。由于缺乏长期的观测资料，使得此类模型的发展受到限制，但近年来也有一些进展。随机模型也是外国学者研究较多的一种模型，其中最有代表性的研究者是Ｆｏｇｅｌ（１９７６）从次洪产沙的ＭＵＬＳＥ模型出发，得到了次洪产沙量；Ｊｕｌｉｅｎ（１９８９）从次暴雨土壤流失量出发，提出了坡面产沙的随机模型，得到多次暴雨土壤流失方程。

随机模型在我国的研究尚处于起步阶段，仅有荣丰涛、曲小红利用随机模型对河流逐月入库输沙率的时间序列进行了人工生成。

４结束语

综上所述，土壤侵蚀和产沙不仅影响因子多，而且其侵蚀产沙过程错综复杂，不同侵蚀带的侵蚀特征各不相同，即使在同一侵蚀带，微地貌的差异及不同的人类活动也将对侵蚀造成不同的影响。因此，随着计算机技术与地理信息系统（ＧＩＳ）技术的发展，分布式流域产沙模型研究成为当今土壤侵蚀和水土流失领域研究的重点与发展方向。

参考文献：

［１］王贵平．晋西黄土丘陵区沟壑区坡面径流预报模型研究［Ｊ］．中国水土保持，１９９２（３）：１６－２０．

［２］张宪奎．黑龙江省土壤流失方程的研究［Ｊ］．水土保持通报，１９９２（１２）：１－９．

［３］周伏建，陈明华．福建省土壤流失预报研究［Ｊ］．水土保持学报，１９９５（９）：２５－３０．

［４］张仁忠．长江上游中小流域产沙模型及侵蚀力分布［Ｊ］．水利学报，１９９２（１）：５１－５６．

［５］陈法扬．ＵＳＬＥ在小良水土保持试验站的应用［Ｊ］．水保通报，１９９２（１２）：２３－４１．

［６］汤立群，陈国祥．黄土丘陵区小流域产沙数学模型［Ｊ］．河海大学学报，１９９０（１８）：３３－３４．

［７］汤立群．物理成因产沙模型研究中亟待解决的几个问题［Ｊ］．泥沙研究，１９９９（５）：２２－２８．

［８］蔡强国．黄土高原小流域侵蚀产沙过程与模拟［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８８．

（责任编辑王雯）

（英文部分下转第４０页）