植被-侵蚀动力学模型参数的应用与确定

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：植被—侵蚀动力学模型首先应用于中国西部的黄土高原和云南小江流域。图7-13 、给出了植被侵蚀动力学方程组的计算曲线与实测植被覆盖度和侵蚀率滑动平均值的变化过程之对比。根据野外调查和收集的资料，经过多次试算初步确定了这个地区的植被—侵蚀动力学参数:该地区很少出现旱灾，最主要的生态应力是人类活动。

植被—侵蚀动力学模型首先应用于中国西部的黄土高原和云南小江流域。黄土高原上的安家沟流域面积9.06km2，沟深30～50m，沟壑密度3.14km/km2，海拔高1900～2250m，地势西低东高。该地区年降雨量427mm，60%集中在7～9月3个月，年蒸发量为1526mm，年均气温只有6.3℃。流域内土壤发育于黄土母质上的灰钙土型轻壤土，大部分为淡灰土及暗灰钙土，局部地方有垆土，沟坡及沟底为盐渍土。治理前侵蚀率高约1万t/ (km2·a)，植被覆盖度仅5.7%。根据文献 (叶振欧，1986;张富等，1986)，安家沟流域综合治理1956～1987年间大体可分成3个阶段:第一阶段为20世纪50年代中期至60年代初期，兴修梯田植树种草并在50年代末修建了4座淤地坝。第二阶段为20世纪60～70年代，期间经历了3年自然灾害和文化大革命，治理工作中断十多年，林草被破坏，这期间学大寨修了一些梯田，但是治理没有得到全面巩固和提高。第三阶段为20世纪70年代末和80年代，在原来治理的基础上开展了小流域综合治理试验研究，大量植树造林并在20世纪70年代末又兴建了3座淤地坝，取得了明显的效果。流域中，土地利用结构变化以耕地、林地和荒地的变化最大，而果园及其他用地变化不大并且所占比例较小。耕地的变化主要是总面积减小及坡地改梯田，而林地、草地的变化则是植树造林种草的结果。利用收集到的资料将每年植树造林面积除以流域总面积作为Vτ值，而Eτ值包括两部分:即坡地改梯田和拦沙淤地坝减少侵蚀(都是负值)，坡地改梯田对侵蚀率的减少率用当年单位面积改梯田比率乘以侵蚀率得到，而淤地坝对侵蚀率的减少率用淤地坝累积淤积过程取微商再除以总面积得到。

根据该流域1956～1987年的土地利用和土壤侵蚀资料，经过多次试算确定了流域植被—侵蚀动力学参数:

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由于作用于植被和侵蚀率的人为应力不是常数且不能用简单函数拟合，不能利用理论解式(7-17)、式(7-18)而采用式(7-16)和差分法做数值解。对以上每个参数都要进行多次试算，与实测结果比较后再作调整，直至计算结果与实测值最佳吻合。由于植被盖度V 是定义在[0，1]之间的变量，而侵蚀速度E 定义区间是 [0，∞]，如果算得V＜0则令V=0;V＞1则令V=1;E＜0则令E=0。图7-13 (a)、(b)给出了植被侵蚀动力学方程组的计算曲线与实测植被覆盖度和侵蚀率滑动平均值的变化过程之对比。二者符合得较好，说明植被和侵蚀率的演变过程完全可以用动力学式(7-16)来描述。

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图7-13

(a)安家沟流域植被覆盖度与植被侵蚀动力学计算曲线的对比;(b)安家沟流域实测侵蚀率滑动平均值的变化过程与植被—侵蚀动力学方程组计算曲线的对比

小江是金沙江的支流，位于云南高原的东北缘，处于亚热带，年均气温20℃。小江中下游为东川市，面积1881km2，年降雨量688mm，上游超过1000mm。该区山体破碎，泥石流发育，在90km 长河段里有107条泥石流沟。流域内覆盖着大量的泥石流沉积物，厚度达到30～100m。降雨造成的地表土壤侵蚀十分严重，侵蚀率达1.3万t/ (km2·a)，植被发育与侵蚀密切相关。历史上小江流域曾经发育十分繁荣的植被，由于该区富产铜矿，自从清朝以来因炼铜植被不断受到破坏。20世纪50年代植被覆盖度还有25%，1958年大炼钢铁期间砍伐林木炼铜又使覆盖度减少了5%，由于植被减少侵蚀增加导致植被的不断减少。自20世纪70年代后期开始大量植树造林，治理强度增加，植被减少的情况缓和并且在20世纪90年代有所改善。但在同时，由于经济发展的要求，开发矿产和道路建设以及城镇化使得侵蚀率上升。根据野外调查和收集的资料，经过多次试算初步确定了这个地区的植被—侵蚀动力学参数:

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该地区很少出现旱灾，最主要的生态应力是人类活动。从20世纪50年代～70年代，除了1958年大量砍伐减少了5%的森林覆盖以外，人类活动对植被和侵蚀的影响较小。采用1950～1957年的V 和E 的平均值作为1954年的初始条件。从1979年起，人类绿化荒山，同时以每年增加60 t/ (km2·a2)的速度加速侵蚀，并且强度逐年增强。函数Vτ(t)和Eτ(t)为

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其中t是从1954年计起时间，t-t0是从1979年计起的时间，m1和m2由式(7-14)给出，c1和c2由初始条件确定。图7-14 给出了理论解的曲线与实测结果的对比。

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图7-14

(a)小江流域植被覆盖度与植被—侵蚀动力学方程组计算曲线的对比;(b)小江流域实测侵蚀率滑动平均值的变化过程与植被—侵蚀动力学方程组计算曲线的对比

图7-15中理论解与实测结果符合较好。因为通过试算得到的参数值式(7-22)是由流域实测资料率定得到的，适用于小江整个流域。参数a、c、b、f 决定于流域的气候、土壤条件和地形，不因起始条件和人为应力的变化而不同。因此，这些参数应该可以应用于此流域中的子流域。黑水河是小江支流大白河的一条支流，长3.9km，流域面积9.94km2，平均坡度11°。由于地处小江断裂带，山体破碎，水土流失十分严重，经常发生滑坡泥石流。1978年开始重点治理，其时覆盖度仅7.6%，侵蚀率高达7243t/ (km2·a)。采用植树造林和建造一系列谷防拦挡坝控制侵蚀，平均每年植树造林率达4%，平均每年减少侵蚀率650 t/ (km2·a)。经过20年努力，覆盖度增加到70%，而侵蚀率减少到200t/ (km2·a)。采用植被—侵蚀动力学方程组来模拟这一过程时，由于黑水河是小江的子流域，所有的参数都直接采用小江流域的参数值式(7-22)。由理论解式(7-17)、式(7-18)直接积分就可得出人工干扰条件下的覆盖度与侵蚀率的变化过程，其中Vτ=0.04a-1，Eτ= -650t/ (km2·a2)。一直算到2000年，并将实测结果与之对比，如图7-15所示。

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图7-15　直接将小江流域植被—侵蚀动力学参数用于黑水河流域得出的植被覆盖度

(a)和侵蚀率;(b)演变过程理论解与实测结果的对比

植被-侵蚀动力学模型参数的应用与确定

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