基于CAESAR模型的土壤侵蚀研究
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摘要
土壤侵蚀是全球性的环境问题,也是我国的头号环境问题。土壤侵蚀引起的江河堵塞、洪水泛滥、土壤退化以及养分流失等严重威胁全球环境和社会可持续发展。目前,应用土壤侵蚀模型来研究水土侵蚀是该领域的重要发展方向,但目前国内外关于流域尺度的土壤侵蚀模型研究还较少。CAESAR模型是英国Hull大学Tom Coulthard教授开发的基于自动元胞机算法的、用于研究河道和流域地形演化的物理过程模型,在国外已有成功的应用。本文针对我国南方山地的特点,以安徽巢湖流域的龙河口水库流域为例,探讨了适用于该区域条件的模型构造方法,在此基础上定量分析了降雨、地形和植被对流域土壤侵蚀的影响和临界条件,并结合情景分析,探讨了未来降水增加和极端降雨事件下土壤侵蚀的特征。研究主要结果如下:
基于数字地面高程模型(DEM)的研究表明,安徽巢湖上游的龙河口水库流域坡度介于0-63°之间。在80 mm的时降水和50%植被覆盖条件下,基于CAESAR模型计算得到该流域的土壤侵蚀临界坡度为25°。在该流域,大于该坡度的区域占11%,因此,该流域的土壤侵蚀严重的区域占有相当面积。
选取该流域平均坡度18°的条件进行的模拟表明,随着植被覆盖度的增大,土壤侵蚀量减少。当植被覆盖达到35-65%的时候,随着植被覆盖度的增加,土壤侵蚀迅速减少,当植被覆盖大于65%时,土壤侵蚀量减少的趋势明显减缓。这表明在该流域70%的植被覆盖度可以起到良好的水土保持效果。
降雨是影响土壤侵蚀的关键因素。模型模拟结果表明,在研究区域,雨量和雨强对土壤侵蚀的影响直接和植被覆盖状况相关,在中等(55%)和低(30%)植被覆盖条件下,降雨产生的土壤侵蚀量与雨量和雨强相关性明显,而在高的植被覆盖条件下,土壤侵蚀量随雨量和雨强的增加而增加的趋势减缓。
同时,在未来全球气候变化和本地区降雨可能增加的情景下,该区的土壤侵蚀将面临严峻的形势。结合中国气象局和中科院联合发布的未来20年的气温和降雨变化报告,构建了未来降水比2000年平均降水量(1230.5mm)增加3%和夏季降水更为集中的情景下,该区土壤侵蚀的可能后果。研究结果表明,在未来降雨量增加,并且降雨更加集中的情况下,该区的土壤侵蚀更加严重,土壤侵蚀模数达到4727t/km~2/a,一旦有极端天气事件如暴雨或大雨的出现,土壤侵蚀会达到强烈侵蚀级别:20%植被盖度侵蚀模数为6554.47 t/km~2/a,55%植被盖度侵蚀模数为4904.60 t/km~2/a,90%植被盖度侵蚀模数为3550.06 t/km~2/a。植被覆盖度的增加可以从一定程度上抵消降雨增加和降雨集中带来的潜在危害。从水土保持意义上讲,可以在自然条件和经济条件允许的前提下,增加植被覆盖,预防水土侵蚀,另外,一定的工程建设如淤地坝建设、塘库建设等也可以在一定程度上减小雨量增加带来的土壤侵蚀的危害。
Soil erosion is an environment problem in the whole world,and one of the most serious environment problems in China.Soil erosion can cause siltation of fiver, floods,soil degradation,nutrient loss and many other problems,which will significantly influence the global environment and social sustainable development.At present,soil erosion models have draw great attentions,but the models capable of simulating soil erosion at a catchment scale are relatively lacking.CAESAR, developed by Tom Coulthard of the Hull University,is an automaton model which can simulate the evolution of fiver channel and watershed terrain.So far it has been successfully used overseas,but without applications in China yet.In this paper, take the Longhekou reservoir catchment,Anhui Province as an example,the environmental settings specific for the hill lands in southern China are discussed for running the models first.Then the relationship between slope,vegetation coverage, rainfall and soil erosion are explored in a quantitative way,and some threshold values for the above factors are obtained.Using scenario analysis,soil erosion under a future rainfall increase and increased seasonality are modeled.The main conclusions are:
According to the digital elevation model(DEM)analysis,slope in the studied catchment varies between 0-63°.Under the condition of 80mm rainfall and 50% vegetation coverage,the critical slope in the studied area is about 25°The areas with slope greater than 25°occupy 11%of the total catchment.
Under the condition of slope with 18°,which is the average slope of the catchment,the model results show decreased soil erosion amount with increasing of vegetation coverage.Soil erosion declines dramatically when the vegetation coverage reaches 35-65%and show little decrease when the vegetation coverage exceeds 70%. It suggests that a 65%vegetation coverage can keep the soil in good conversation state.
Rainfall is the key factor to soil erosion.In the studied area,the effects of rainfall amount and intensity are directly related with vegetation coverage.If the vegetation coverage is middle(55%)or low(30%),significant correlations are found between rainfall amount,rainfall intensity and soil erosion amount.But if the vegetation coverage is high(70-90%),the correlations between them are not very significant.
Longhekou reservoir is located at the rainy center of Dabieshan mountain, annual precipitation is high and mainly concentrated in summer,in the past,many floods have happened.Under the trend of global warming and increased precipitation,soil erosion will be more severe in the study area.The scenario analysis shows that soil erosion will reach to the grade of 'serious erosion' 4727t/km~2/a if the rainfall is 3%larger than the present mean value(less than 4050 t/km~2/a)and more concentrated in the summer season.If there are extreme weather events,the soil erosion grade will be 'intensive erosion' that is:if the vegetation Cover is 20%,the erosion modulus will be 6554.47 t/km~2/a;if the vegetation Cover is 55%,the erosion modulus will be 4904.60 t/km~2/a,when the erosion modulus reaches to 90%,the erosion modulus will be 3550.06 t/km~2/a.The vegetation can relieve the soil erosion caused by the increased rainfall.So vegetation coverage can be increased to protect the soil from erosion.Many other measures,such as warping dam,ponds and reservoirs,can be used to decrease the soil erosion damage caused by increased rainfall.
基于数字地面高程模型(DEM)的研究表明,安徽巢湖上游的龙河口水库流域坡度介于0-63°之间。在80 mm的时降水和50%植被覆盖条件下,基于CAESAR模型计算得到该流域的土壤侵蚀临界坡度为25°。在该流域,大于该坡度的区域占11%,因此,该流域的土壤侵蚀严重的区域占有相当面积。
选取该流域平均坡度18°的条件进行的模拟表明,随着植被覆盖度的增大,土壤侵蚀量减少。当植被覆盖达到35-65%的时候,随着植被覆盖度的增加,土壤侵蚀迅速减少,当植被覆盖大于65%时,土壤侵蚀量减少的趋势明显减缓。这表明在该流域70%的植被覆盖度可以起到良好的水土保持效果。
降雨是影响土壤侵蚀的关键因素。模型模拟结果表明,在研究区域,雨量和雨强对土壤侵蚀的影响直接和植被覆盖状况相关,在中等(55%)和低(30%)植被覆盖条件下,降雨产生的土壤侵蚀量与雨量和雨强相关性明显,而在高的植被覆盖条件下,土壤侵蚀量随雨量和雨强的增加而增加的趋势减缓。
同时,在未来全球气候变化和本地区降雨可能增加的情景下,该区的土壤侵蚀将面临严峻的形势。结合中国气象局和中科院联合发布的未来20年的气温和降雨变化报告,构建了未来降水比2000年平均降水量(1230.5mm)增加3%和夏季降水更为集中的情景下,该区土壤侵蚀的可能后果。研究结果表明,在未来降雨量增加,并且降雨更加集中的情况下,该区的土壤侵蚀更加严重,土壤侵蚀模数达到4727t/km~2/a,一旦有极端天气事件如暴雨或大雨的出现,土壤侵蚀会达到强烈侵蚀级别:20%植被盖度侵蚀模数为6554.47 t/km~2/a,55%植被盖度侵蚀模数为4904.60 t/km~2/a,90%植被盖度侵蚀模数为3550.06 t/km~2/a。植被覆盖度的增加可以从一定程度上抵消降雨增加和降雨集中带来的潜在危害。从水土保持意义上讲,可以在自然条件和经济条件允许的前提下,增加植被覆盖,预防水土侵蚀,另外,一定的工程建设如淤地坝建设、塘库建设等也可以在一定程度上减小雨量增加带来的土壤侵蚀的危害。
Soil erosion is an environment problem in the whole world,and one of the most serious environment problems in China.Soil erosion can cause siltation of fiver, floods,soil degradation,nutrient loss and many other problems,which will significantly influence the global environment and social sustainable development.At present,soil erosion models have draw great attentions,but the models capable of simulating soil erosion at a catchment scale are relatively lacking.CAESAR, developed by Tom Coulthard of the Hull University,is an automaton model which can simulate the evolution of fiver channel and watershed terrain.So far it has been successfully used overseas,but without applications in China yet.In this paper, take the Longhekou reservoir catchment,Anhui Province as an example,the environmental settings specific for the hill lands in southern China are discussed for running the models first.Then the relationship between slope,vegetation coverage, rainfall and soil erosion are explored in a quantitative way,and some threshold values for the above factors are obtained.Using scenario analysis,soil erosion under a future rainfall increase and increased seasonality are modeled.The main conclusions are:
According to the digital elevation model(DEM)analysis,slope in the studied catchment varies between 0-63°.Under the condition of 80mm rainfall and 50% vegetation coverage,the critical slope in the studied area is about 25°The areas with slope greater than 25°occupy 11%of the total catchment.
Under the condition of slope with 18°,which is the average slope of the catchment,the model results show decreased soil erosion amount with increasing of vegetation coverage.Soil erosion declines dramatically when the vegetation coverage reaches 35-65%and show little decrease when the vegetation coverage exceeds 70%. It suggests that a 65%vegetation coverage can keep the soil in good conversation state.
Rainfall is the key factor to soil erosion.In the studied area,the effects of rainfall amount and intensity are directly related with vegetation coverage.If the vegetation coverage is middle(55%)or low(30%),significant correlations are found between rainfall amount,rainfall intensity and soil erosion amount.But if the vegetation coverage is high(70-90%),the correlations between them are not very significant.
Longhekou reservoir is located at the rainy center of Dabieshan mountain, annual precipitation is high and mainly concentrated in summer,in the past,many floods have happened.Under the trend of global warming and increased precipitation,soil erosion will be more severe in the study area.The scenario analysis shows that soil erosion will reach to the grade of 'serious erosion' 4727t/km~2/a if the rainfall is 3%larger than the present mean value(less than 4050 t/km~2/a)and more concentrated in the summer season.If there are extreme weather events,the soil erosion grade will be 'intensive erosion' that is:if the vegetation Cover is 20%,the erosion modulus will be 6554.47 t/km~2/a;if the vegetation Cover is 55%,the erosion modulus will be 4904.60 t/km~2/a,when the erosion modulus reaches to 90%,the erosion modulus will be 3550.06 t/km~2/a.The vegetation can relieve the soil erosion caused by the increased rainfall.So vegetation coverage can be increased to protect the soil from erosion.Many other measures,such as warping dam,ponds and reservoirs,can be used to decrease the soil erosion damage caused by increased rainfall.
引文
安徽省舒城县土壤志.舒城县农业局.1986.
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