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刘晓燕:关于构建黄土高原产沙模型的思考

作者:刘晓燕  来源:黄河网  点击数:2453   www.88807.com:2006-2-16  

   构建一个像美国的水土流失通用方程一样的黄土高原暴雨产沙模型一直是人们十分关注的研究课题,为此,几十年来,我们也像欧美人一样布置了若干径流小区,开展坡面产流、产沙观测。利用这些资料,建立了许多产沙量与水土流失因子之间的关系式,但至今仍没有一个大家公认的产沙模型。
    我认为,导致这个状况的主要原因有三点:

    1、黄土高原的水土流失不仅包括坡面侵蚀,还包括沟道侵蚀,而且在多沙粗沙区沟道产沙量甚至远大于坡面产沙量,这远不像欧美国家只有坡面侵蚀,而且主要为缓坡。但在黄土高原多沙粗沙区,我们也像欧美人一样只设置了坡面观测小区,率定出的公式当然不能较好地反映整个小流域的情况。据说近年已经有人注意到沟道产沙的观测问题,但由于沟道产沙机制与坡面不同,沟道产沙量受坡面产流、产沙情况影响很大,而人工降雨又很难覆盖包括沟和坡在内的大面积,因此,目前难以拿出精度令人满意的、包括水土流失各类型区的、系列的观测资料。

    2、模型服务对象或开发目标不明确。归纳各生产单位(模型用户)的要求,可以分三大类:

   (1)从小流域水土流失治理措施布置角度,我们希望模型能够回答某个小流域在多年平均降雨情况下能产生多少泥沙量?这些泥沙分别来自小流域的什么位置?沟道和坡面各占多少?沟头和其它位置各占多少?其服务对象是具体小流域的水保措施布置。

   (2)从澳门匍京直营集团效益评估角度,我们希望模型能够回答在一定区域内现状入黄泥沙量较以前的变化程度?各子区域的变化程度?人类活动对入黄泥沙量变化的贡献占多少?要能够预测某个区域在不同治理措施配置方案和多年平均降雨情况下,与配置前相比,未来一个时期能够产生多少沙量?其服务对象是评估以往水保投资的效益,优选未来水保措施的规模和配置。

   (3)从水沙调控体系运行角度,我们希望模型能够算出不同次暴雨情况下的支流入黄泥沙量。

模型的服务对象不同,涉及的空间区域不同,其建模思路不一定相同,如有些水土流失因素在有的时候需要突出,有时就可以概化甚至淡化处理。你不能期望一个模型能够解决以上所有的问题,也没有必要非用一个模型解决所有问题。但众多的模型开发者往往是在自己设计开发目标,结果可能把一些简单的问题复杂化,把复杂的问题又过于简单化。

    3、同黄河河道水沙数模一样,水土流失模型开发也一直沿用“个体户”的组织模式,这与国外在数模开发上通用的“团队攻关”模式完全相反。这种状况是我国数模研究的通病。结果导致研究资料不能共享,研究成果不能及时被别人采纳,开发的模型只能自己用。

    一、小流域产沙模型

    小流域的产沙量显然是坡面产沙和沟道产沙的总和。

    现有模型的研究思路是:分别建立坡面产沙模型和沟道产沙模型,求出二者的数量,相加即为小流域产沙量。各模型的主要区别之一在于坡面产沙模型是用水动力学方程还是用集总式经验方程,但总体上看坡面产沙模型比较成熟。再一个区别是沟道产沙量的计算方法,这实际上正是当前存在的最大难题,因为沟道产沙(特别是重力侵蚀)的机理不清楚,观测资料又很少,而且这个问题今后也看不出可以解决的曙光。

    针对以上情况,设想用以下思路建模:

    第一步:优选现有坡面产沙模型,并进行完善改进,计算小流域的坡面总产沙量。

坡面产沙模型已经有很多,也比较成熟,眼下需要的是对其进行深入解剖和梳理,从中优选可用的模型。多沙粗沙区面积并不太大,类型区也不太复杂,所以可以针对每个类型区选定一个模型。即使是优选出的模型仍然需要吸收被淘汰模型的某些优点,使之进一步完善。因此,这个过程是“先优选+再开发”。

    第二步:优选现有小流域总产沙量计算模型,并进行完善改进,用于计算小流域的总产沙量。

黄土高原现有的水土流失观测站不仅设置了坡面观测,且大都在同流域的出口观测流域的总输沙量。目前,可以计算小流域产沙量的模型也很多,可以用坡面产沙模型的思路进行优选和再开发。

    第三步:以上二者相减即为沟道产沙量。至此,我们已经知道了小流域的总产沙量、沟道与坡面产沙的比例。

    第四步:在多沙粗沙区取一定数量的小流域,在小流域主沟的不同位置设产沙量观测点,可以归纳统计出沟头和沟口等区段产沙的比例。

    用以上思路建模的优点是快捷、充分吸收现有模型的优点。

    前文提到,由于缺乏沟道产沙观测资料,直接建立沟道产沙模型是当前最困难的环节,因此也有专家提出:现在就着手选择一些典型区,设点观测沟道产沙的规律,包括沟道产沙的组成、沟道产沙与坡面水沙的关系、沟道产沙与暴雨的关系等,可能需要10年甚至更长时间的努力,最终建立沟道产沙的模型。此工作也是很必要的,其观测资料必然会进一步提高如上模型的精度,这与本文提出的建模思路并不矛盾。

    二、支流(区域)产沙模型

    建立以支流为单元的产沙模型可以有多种方法,每种方法可能给出的产品也不一样。

    方法一:利用多年观测资料,分析各典型水保措施和不同措施组合在其不同质量情况下的减沙作用变化过程;号召基层对研究区域内的各典型措施的数量和质量、以及措施配置情况进行统计并上报;继而就可以提出研究区域内水保措施的总减沙量,支流把口水文站实测输沙量与该数量之差,即为气候变化的影响量。这实际上就是多年来水保法研究黄河水沙变化的基本思路,该方法理论上可以评价和预测某个区域在不同治理措施配置规划方案和多年平均降雨情况下,与配置前相比,能够减少多少入黄泥沙量。但实际运用存在的问题是:目前,我们尚没有比较有说服力的典型水保措施和不同水保措施组合的减沙系数及其变化过程观测资料,研究者采用的减沙系数仍是大家争议的问题;如何保证较大区域上获得可信的措施数量和质量的准确统计资料则更是该方法的致命问题。

    方法二:直接以支流为单元建立暴雨与输沙量的关系式或关系曲线。理论上,必须是在同样的下垫面上每年降不同的雨,才具备建立这样关系的条件。但由于老天不配合,在一个支流范围内搞人工降雨又不可能,因此人们做了若干假设:假设一个支流流域内部的下垫面情况(包括植被、地质和地形情况)基本相同,即同样的暴雨落在支流的任何区域都会产同样的沙量;假设在资料使用时段内支流流域下垫面情况基本不变;假设已经发生的每场暴雨的降水过程是相似的。那么,我们可以统计各支流上历年的降雨(暴雨)资料、支流把口水文站的年输沙资料和在暴雨相应的时段内的输沙量资料,进而建立场次暴雨~支流相应时段输沙量的关系。只要建立的关系式合理,我们就实现了区域澳门匍京直营集团效益评估和预测、场次暴雨产沙预报等目标,实际上研究者们目前已经点绘了一系列典型支流的暴雨产沙关系曲线。但问题是,以上三个假设一般情况下是不成立的。因此这个方法目前只适于当支流内下垫面情况差别不大、支流面积不大、支流多年来人类活动对其下垫面的改变不大等情况下的产沙预报或评估。

    方法三:可以直接用支流入黄把口水文站和支流不同河段水文站的逐年实测资料,进行合理统计,就可以得出各支流入黄泥沙量、各支流内的不同区域输沙量的变化程度和变化轨迹。这个方法提供的产品是输沙量的变化量和变化过程,可以回答区域现状入黄泥沙量与以前比的变化程度、黄土高原各个子区域的变化程度。只要有实测资料,完全可以在极短的时间内拿出成果。

    不幸的是,目前人们最关注的多沙粗沙区各支流流域内的水文站很少,而多沙粗沙区的支流面积一般比较大,要想进一步回答某支流输沙量变化是来自支流的哪个具体子区域,目前尚有困难。因此,有专家建议抓紧在区域合理加密水文测站。加密水文站无疑是十分必要的,这对解决该区域水文预报也十分重要。但即使新的水文站即刻投运,也不可能弥补相应站点以前的来水来沙情况,因此,仍不可能回答今后5年或10年与2005年以前比的输沙量变化。

    以上是目前人们主要采纳的方法,各有优点,均能在一定程度说明一些问题,但都存在一些致命问题。

    分析以上情况,结合对黄土高原水土流失规律的认识,作者也提出一个解决问题的思路,供大家评点。

    让我们再次回到问题的出发点:人们对模型输出产品的期望值是什么?黄河不同断面的水沙量在不同年代的实际变化程度是不需要研究的,只要对水文站观测资料进行统计即可得出;第一,这些年大家一直努力解决的问题是识别人类活动对黄河水沙实际变化量的贡献大小;第二,从人类活动影响评价角度,模型考虑的降雨条件并非具体的一场暴雨,而是针对多年平均降雨情况;第三,人类活动影响评价不需要每年都做,考虑到下垫面的变化速度,一般是10年左右(至少5年左右)做一次水沙变化评价;第四,人们期望的黄土高原水土流失通用方程不一定是一个方程式,也可以是方程组,问题的关键在于是否能够解决问题。以上四句话对模型的开发者非常重要,它涉及到模型的开发思想和目标定位。

    众所周知,任何区域的水土流失都包括两个环节:一是产沙,二是输沙。那么,支流的总输沙量显然等于支流流域面上的总产沙量减去泥沙在输移过程中被淤地坝或水库等拦沙工程拦截的泥沙量。也就是说,只要可以计算出产沙量和拦沙工程的拦沙量,就可以求出入黄总输沙量。

    1、关于产沙量计算方法的设想

    影响流域产沙量的主要因素是植被、地形(如坡度、坡长和沟壑密度等)、地质(指土壤的物理化学特性)、降雨等,其中前三者是下垫面信息,降雨属气候信息,这四个因素的任意一个处于有利或不利情况都可能导致水土流失的缓和或加速;在相同降雨情况下,影响产沙量的主要因素是植被、地形和地质因素;人类改变不了降雨和地质因子,但可以改变植被和微地形,进而影响区域的产沙量,这就是澳门匍京直营集团的基本原理。这段话是多年研究水土流失规律得出的重要结论和共识。

    现实中常看到这样的现象:地域相距甚远且地貌完全不同的两个地区,在相同降雨情况下可以产生同样的沙量,或其侵蚀模数相同(侵蚀模数是指多年平均降雨条件下单位面积的产沙量)。为什么会有这样的现象?其原因只有一个:这两个区域抵抗侵蚀的能力r完全相同!它们的抗侵蚀能力来自哪儿?前面提到的基本规律已经告诉我们:其抗侵蚀能力r来自植被、地形和地质作用的总和;三个自变量可以是任意组合,但只要组合后的r相同,则它们在相同降雨条件下就可以产生相同的泥沙量。至此提出一个新因子—下垫面抗侵蚀能力r,其表达式是:

                                 r=f(植被,地质,地形)

植被、地形和地质是可以在遥感图上直接提取的因子,也可以用传统测绘方法取得。计算出的r显然是个无量纲因子。

    检验r表达式是否合理的标准只有一个:在同样的r和同样降雨情况下,产生的泥沙量是否一样。一般情况下,由于各地下垫面情况不同,其r值是不同的;随着人类活动和气候的影响,下垫面情况也在逐年变化,因此即使同一地区,其r值也在变化,所以才有人们常说的“同样的降雨产生不了同样水沙”的现象。

    有了以上表达式,似乎就可以计算出黄土高原任意区域在任意年代的抗侵蚀能力r,从而可以看出人类活动对下垫面抗侵蚀能力的影响程度和影响过程,这样的影响显然将导致产沙量的变化。但实际上用以上表达式计算出的产沙量并不完全是人类活动的影响。

    植被覆盖度的变化既有人类活动因素,也有降雨因素。可能的甄别方法是在邻近区域找自然修复植被和人工植被情况对比r值,从而甄别出人类活动的影响;地形因素的变化当然也是人类活动和降雨冲刷共同塑造的结果,不过,在人们关注的几十年时段内,降雨的塑造作用比较微弱,在绝大部分地区应该可以忽略不计;人类活动改变不了地质情况。这样,我们基本明晰了人类活动对产沙量的影响。

    产沙量计算环节面临的最大困难是:如何建立r表达式?作者提出以下设想供大家评议:在植被、地形和地质因子中,地质因子对不同水土流失类型区可以认为是常数。关于不同植被覆盖度在相同降雨、相同地质、相同地形情况下的产沙量,人们之前已经做过很多研究,并有了很多较好的表达式,目前需要做的是对它们进行甄别和优选。用什么因子表达地形是最大的问题,目前表达地形的参数有坡度、坡长、沟壑面积、单位投影面积内的地表面积等,也都有了一些单因子与产沙量之间的关系式,今后应该通过比较各地形因子对产沙量变化的敏感程度,通过补充观测和研究,提出一个或两个能够综合表达地形情况、且反映水土流失特点的地形因子表达式。有了植被、地形、地质等单因素分别与产沙量的关系式后,可以将其表达式作为基本雏形直接转入抗侵蚀能力r表达式,但需要冠以修正系数。修正系数的率定靠多年观测的小流域水土流失资料。目前,黄土高原已经取得了长达几十年的观测资料。要充分利用这些资料,用“相同降雨情况下相同r值的产沙量相同”作为判断标准,用无限逼近的方式,最终率定出合理的修正系数。

    有了各地在不同时段的抗侵蚀能力r值,还需要建立对应每个r值的降雨和产沙量之间的关系。为建立这样的关系图,需要把现有观测小区或观测小流域在不同年代的r值都计算出来,并利用相应地区的实测降雨和产沙资料。一旦有个这样的关系图,任何一定地方,只要能够求出其r值,就可以测算出它在不同降雨情况下的产沙量。

    2、拦沙工程的拦沙量计算方法设想

    泥沙产生后,能不能输送到黄河,关键在于泥沙输移的沿途是不是有拦沙库(包括淤地坝、水库、拦泥库等)阻挡、拦沙库的位置和剩余库容大小等。只要在支流上所有拦沙工程情况详细地标识在gis上,就可以计算出拦沙量。这个环节最大的问题是工作量。

    从以上分析看出,如果以上建模思路可行,则模型就能够回答人类活动对入黄泥沙量的影响程度,评价未来不同水保措施配置方案的预期减沙效果,并且也可以进行不同暴雨强度的支流产沙量预报。方法最大的优点是:一是可以绕过“水保措施统计资料不可信”问题,不过在率定r表达式和关系图时可能仍需要典型调查资料;二是可以客观反映下垫面抵抗暴雨侵蚀的能力变化,与当年是否降雨没有关系。

    为使模型投入应用,需要建立黄土高原各地抗侵蚀能力r值的历史数据库,特别是人们最关注的多沙粗沙区r数据库,作为今后工作的参照系。进行典型支流暴雨产沙预报时,必须注意下垫面数据的更新。进行某时段水保效益评估时,需要大量的数据提取工作。整个模型应构建在gis上,才可根据降雨位置选择相应区域实时计算输沙量。这些应都属于工作量层次的问题。

    三、开发产沙模型的方式

    无论是小流域产沙模型,还是支流产沙模型,必须摒弃以往的个体开发模式,改目前的“为自己开发模型”为“为生产单位和研究单位开发模型”。要建立一个包括不同学科人员的攻关团队,对团队人员进行合理的分工和有机协作,构建专门的观测站点对模型所需要的信息进行有针对性的观测。要通过长期的艰苦努力,并借鉴国外同类模型的开发思想和具体技术问题的处理方式,打造黄土高原水土流失通用方程。

(本文作者为黄委国科局局长)

(责任编辑:liubin)  
 
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