谁想了解WEPP模型

WEPP中的侵蚀力模型
WEPP模型认为土壤侵蚀过程由降水和径流过程共同决定。
WEPP模型中，降水过程可以由气候模拟器给出，土壤水分状况可由土壤水文过程模型模拟，其他土壤水分参数可由土壤GIS数据库提供。在上述边际条件已知的情况下，WEPP模型可以通过Green-Ampt方程计算坡面产流情况。
降雨随时间变化的过程一般是一个具有峰值的偏态曲线，入渗速率则随时间的延长而减小。一般情况下，降雨之初降雨强度小于入渗强度，坡面不会出现积水；当雨强达到入渗速度后，地表出现积水；积水达到坡面蓄存水量的极限值后才开始产流。降雨、产流和坡面蓄存水量遵守下列数量关系：

如果y<0，那么r=0；如果y≥0，r(t)=p(t)-f(t)。式中r(t)为t时刻的净雨(产流)强度（mm/min），p(t)为t时刻的降雨强度（mm/min），f(t)为t时刻的土壤水分入渗速度（mm/min），W为坡面蓄存水量(mm)。
坡面汇流过程一般采用圣．维南（Saint-Venant）方程计算，圣．维南（Saint-Venant）方程组包括连续方程和水力学方程。其中连续方程为：
dQ/dt+dA/dx=R
式中，Q为水流流量，A为水流横断面积，t为产流时间，x为横断面位置，R为单位时间汇入水流的净雨量。水力学方程可以简写为谢才—曼宁公式的形式
20世纪60年代后期Woolhjiser和Ligget(1967)将运动波模型引入坡面水流研究。运动波模型是从一维圣维南方程简化而来，假设水流坡面坡降io和阻力坡降if相等，并借助谢才(Chezy)阻力公式得到流量和水深的关系。Woolhjiser和Ligget的研究结果表明在运动波波数K>10时，运动波模型可以很好地描述坡面水流运动。而实际坡面流的运动波数一般远大于10(沈冰等，1996)。因此，运动波近似是一种较好的数学描述方式。运动波近似理论在大多数情况下可以很好地描述坡面流运动过程，且计算简单[3]。
坡面土壤侵蚀可以划分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀，由此建立了WEPP模型的侵蚀预报理论的力学框架。WEPP模型假定细沟在坡面上按一定批频率（一般是1条/m）重复出现，细沟不仅是土壤侵蚀发生的重要场所，也是坡面（细沟和细沟间）径流和泥沙输移的通道，因此建立了坡面土壤侵蚀的连续方程。WEPP模型认为：
dG/dx=Df+Di
其中：dG/dx为预报坡面x(距坡顶距离)处的土壤侵蚀速率（侵蚀模数），Df为该处细沟侵蚀速率，Di为该处细沟间侵蚀速率。
Di=KiadjIeσirSDRRRFnozzte(Rs/w)
WEPP模型认为细沟间侵蚀主要由降雨决定，Kiadj为校正的土壤细沟间抗蚀性，Ie指有效（可蚀性）降雨量，σir指可蚀性降水的产流率，SDRRR系细沟间侵蚀的泥沙输移比，Fnozzte是和灌溉有关的校正系数，Rs/w为细沟间宽度与细沟宽度之比。
Df=Kr(τf-τc)(1-G/Tc)
WEPP模型认为细沟侵蚀主要由细沟径流决定，Kr为土壤细沟抗蚀性指标，即单位径流侵蚀的土壤量；τf 为细沟径流剪切力（侵蚀力），τc为发生细沟侵蚀时的临界剪切力（径流侵蚀力）；1-G/Tc为土壤输移比，G为径流携沙量，Tc为径流携沙能力（最大携沙量），如果G≥Tc，则不发生侵蚀。在WEPP模型中，径流侵蚀力可以近似的用τf=gRS表示。式中R=A/χ，如果细沟较宽而水流较浅，则 R=D，其中D为水深，S为斜面坡度。
（续）WEPP模型中的土壤可蚀性因子

土壤可蚀性是WEPP模型的必要参数，WEPP对输入的土壤可蚀性参数非常敏感。土壤可蚀性进步划分为细沟间可蚀性(Ki)、细沟可蚀性(Kc)和临界剪切力(τc)。土壤可蚀性需要通过人工降雨或冲刷试验率定。目前，将土壤分为沙土(沙粒体积分数>30％)和黏土(沙粒体积分数<30％)两组，可以用比较简单的公式分别计算农田土壤的Ki、Kc和τc。
农田土壤(沙粒含量≥30%)
Ki=2728000+19210000vfs
Kr=0.00197+0.030vfs+0.03863e-184Fom
&#61556;tc=2.67+6.5clay-5.8vfs
农田土壤(沙粒含量<30%)
Ki=6054000-5513000lay
Kr=0.0069+0.134e-20clay
&#61556;tc=3.5
Vfs指土壤中极细沙含量，%；clay指土壤粘粒含量，%；Fom指土壤有机质含量，%。
山地土壤
Ki=1810000-1910000sand-6327000Fom-846000&#61553;fc
Kr=0.0017+0.0024clay-0.0088Fom-0.00088&#61554;d-0.00048root10
&#61556;c=3.23-5.6sand-24.4Fom+0.9&#61554;d
clay指土壤粘粒含量，%；sand指土壤中沙粒含量，%；Fom指土壤有机质含量，%；&#61554;d指土壤干密度，gcm-3；Root10指0—10cm土层中根系总重量(kgm-3)；&#61553;fc指田间持水量(m/m)
诸多因素对沟间可蚀性产生影响，农田基础细沟间可蚀性应该与各影响因子相乘，如冠层、植被覆盖度、根系、以及土壤的密封与板结。调整后的农田细沟问可蚀性为：
Kiadj=Ki*Figc*Fiz*Fiag*Fihg*Fim*Fip*Fid
式中Figc为冠层调节因子，Figc=l-2.941b/h(1-e-0.34h)，h为冠层覆盖高度(m)，b为冠层覆盖度；Fiz为植被覆盖调节因子，Fiz=e-2.5R，R为细沟间覆盖度(0~1)；Fiag为农田0-0.15m深土层中死根系影响因子，Fiag=e-0.56wg，wg为0~0.15m深的土层中死根系量，kg/m3；Fihg为农田中0~0.15m深土层中活根系影响因子，Fihg=e-056wh， wh为0~0.15m深的土层中活根系量，kg／m3；(在该模型中，没有指出掩埋的残余物对细沟间可蚀性的影响)；Fim为密封和板结影响因子，Fim=Kiy/K+(1-Kiy/K)eρt，Kiy为压实土壤的细沟间可蚀性因子，Kiy=103X(3042-3166φs-8816wc-
2477φw)，wc为表土中有机质质量分数，φw为0．033MtPa下的土壤体积含水量，ρ为土壤密度，t为自整个土壤被扰乱起的累计天数；Fip为细沟间坡度调节因子，Fip=1.05-0.85e4sinβ，β为细沟间坡度，若β低于OFE平均坡度，则β用OFE坡度角替代；Fid为冻融对细沟间可蚀性影响因子，Fid=fe-ln(fψ/33)，f为冻融循环因子，f=1+5.86X10-2n-2.7X10-3n2，n为土壤冻融循环次数，当n>10时，取f=1.31，ψ为表层土壤的许可受压强度，kPa。
对于黏土：kr=6．9X10-3+0.136e-20φc，τc=3.5；式中，当φc<0．10时，取φc=0．10。
WEPP运算中，需要将细沟可蚀性乘以一系列调节因子，如残留物、根系、土壤密封与板结以及土壤的冻融等，最终调整系数Fr=Frc*Frag*Frh*gFrm*Frd。其中：Frc为掩埋残留物影响因子，Frc=e-0.4m，m为0~0.15m深土壤中掩埋的残留物数量，kg/m3；Frag为农田0~0.15m深土层中死根系影响因子，Frag=e-2..2wg，wg为0~0.15m深的土层中死根系量，kg/m3；Fihg为农田0~0.15m深土层中活根系影响因子，Frhg=e-3.5wh，wh为0~0.15m深的土层中活根系量，kg／m3；Frm为密封和板结影响因子，Frm=Kry/Kr+(1-Kry/Kr)eρt，Kry为压实细沟的可蚀性因子，Kry=3.5*10-4+1.4*10-3φw+6.8*10-4φsi+4.9*10-3Mcf ，φsi为土壤中粉沙体积含量；Frd为冻融影响因子，F=2.0×0.933ψ，当土壤含水量达到田间持水量时，就不会对细沟可蚀性进一步调节，除非表土再次出现冻融。
WEPP运算中，需要将临界剪切力乘以一系列调节因子，最终调整系数Fτ=Fτr*Fτm*Fτy*Fτd。Fτr为随机粗糙度影响因子，Fτr=1.0+8.0×(r-0.006)，r为表土的随机粗糙度，rnm；Fτm为密封与板结影响因子；Fτy为压实土壤影响因子；Fτd为冻融对土壤临界剪切力影响因子，Fτd=0.875+0.0543lnψ，当土壤含水量小于田间持水量时，该项调节不起作用，除非土壤再次出现冻融。

WEPP模型的结构
土壤侵蚀预测模型（方程）可以建立影响土壤侵蚀的各因素与最重要的土壤侵蚀指标—土壤侵蚀强度之间的数量关系，在土壤侵蚀调查与水土保持规划治理中有着重要的作用。自美国20世纪60年代Wischmeier提出著名的通用土壤流失方程（USLE）以来，土壤侵蚀预测模型研究日新月异，特别是20世纪80年代以来，随着科学技术的发展，土壤侵蚀模型与计算机和信息技术融合，土壤侵蚀预测工具从传统的图表发展到计算机软件。目前土壤侵蚀预测模型的研究已经由统计模型发展到具有一定物理意义的过程模型，由坡面模型发展到流域模型，由集总式模型发展到分布式模型，由只能预测年侵蚀量发展到可以预测不同降雨、不同时段的侵蚀量以及土壤侵蚀的连续过程，除传统的USLE以外，RUSLE、WEPP、AGNPS、EUROSEM、LISM等新的土壤侵蚀模型不断出现。
WEPP(Water Erosion Prediction Project)是美国农业部农业研究局主持开发的一个土壤侵蚀模型，是迄今为止较为成熟和先进的土壤侵蚀过程模型之一。WEPP已经引入我国，在东北及南方丘陵地区有过应用。WEPP模型不仅给我们进行土壤侵蚀监测和水土保持治理提供了新的技术工具，其建模思路也给我们进行土壤侵蚀科学研究提供了很多借鉴。
WEPP模型将坡面土壤侵蚀过程分解为降雨、入渗、产流、剥蚀、输移等不同的阶段(子过程)，并用不同的子模型加以模拟，同时WEPP模型还可以模拟生成气候、土壤、植被等其他影响土壤侵蚀的环境因素，从而建立预报土壤侵蚀发生、发展的整体框架。
WEPP模型采用模块化结构，包括9个模块（子模型），即：气候、土壤、植物生长、残留物分解、冬季过程、灌溉、水文过程、地表径流、侵蚀。不同模块间通过数据关系相互连接。
1气候
WEPP模型需要的气候数据主要有日降雨量、日最高和最低气温、日太阳辐射量，利用上述数据可以模拟土壤水分过程、径流及侵蚀过程、植物生长与残留物分解过程等。
气候数据可由用户直接输入或由GEN模型生成。GEN模型利用北美气象台网1000多个站的气候资料，通过按距离倒数的平方和加权平均的办法可以生产美国任何一点的气候资料，并可以通过统计学和随机函数的方法，模拟某一时段一系列的气象数据。
2土壤
WEPP模型具有美国土壤GIS数据库，利用该数据库的资料可以计算美国不同地区土壤抗蚀性、水分运动特性指标、土壤生产力指标，上述指标主要用于侵蚀、水文、植物生长等过程的模拟中。
3植物生长
植物生长模块主要依靠气候和土壤模块输入的数据，模拟植物生长过程，输出指标主要有植物覆盖度、产量和残留量等。该模型以ERHYM-Ⅱ和SPUR模型为基础，可以估计植被、地表残留物、覆盖残留物、茬与叶面指数、活根及死根、活生物量和作物产量数据等。
4残留物分解
残留物分解模型主要通过气候、植物生长、土壤水文等模型提供的信息，模拟残留物分解过程以及对土壤和下垫面性质的影响。
5冬季过程
冬季过程包括土壤冻融、降雨和融雪。主要受气候、残留物、植被影响。冬季过程可以影响土壤抗蚀性，早春土壤水分和植物生长过程。
6灌溉
WEPP可模拟喷灌和地面灌溉两种灌溉方式，喷灌可看作是一场标准雨强的降雨，地面灌溉相当于径流。灌溉不仅直接产生径流冲刷，而且影响土壤水文过程、土壤抗蚀性和植物生长。
7水文过程
WEPP模型中的水文过程包括入渗、产流、地表蒸发、植物蒸腾、土壤水浸透、植被、残茬截持水量、土壤表层暗管排水等。入渗过程采用修正后的Green-Ampt方程进行计算，产流采用运动波理论公式进行计算。水量平衡计算采用修正后的SWRRB水量平衡方程，蒸发蒸腾量的计算采用Ritchie1972年提出的模型，如果风速已知采用彭曼公式（1966），如果风速未知采用-泰勒公式（1972），
8地表径流
该模块主要计算地表径流过程的水力学机制，其中包括土壤糙率、残茬覆盖和活地被物对于流速、水流切应力阻及径流挟沙力的影响。
9侵蚀
侵蚀模块是WEPP模型的核心。WEPP模型采用处于稳定状态下的泥沙连续方程，可以计算坡向纵断面和流域泥秒冲刷及沉积的净值。模型把土壤冲刷看作雨强与流速的共同作用过程，把泥沙输移看作坡面度地表糙率共同作用的过程。