第1章绪论
1.1水土流失与模型模拟
1.1.1水土流失的基本概念
水土流失（water and soil loss）、土壤侵蚀（soil erosion）是水土保持学科的常用概念。水土流失和土壤侵蚀是一种自然现象，人们常将“水土流失”与“土壤侵蚀”两词等同起来使用。《中国水利百科全书（第一卷）》、《中国大百科全书（水利卷）》、《水土保持学（第2版）》（王礼先和朱金兆，2005）对“水土流失”的定义是“在水力、重力、风力等外营力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括土地表层侵蚀和水土损失，亦称水土损失”。
Plummer等（2003）给出土壤侵蚀一般定义为，当运动中的水、冰、空气使土壤发生松动和移动时，就产生了土壤侵蚀。《中国水土保持》中对土壤侵蚀的定义是指土壤在内外力（如水力、风力、重力、人为活动等）的作用下，被分散、剥离、搬运和沉积的过程（唐克丽等，2004）。
“土壤侵蚀”作为一个科学术语在国际上是通用的，一般认为它属土壤学的二级学科。我国普遍采用“水土流失”，与土壤侵蚀有所区别，侧重反映土壤侵蚀危害的一面。土壤侵蚀与水土流失在本质上是相同的，土壤侵蚀必然导致土壤和水分（主要指土壤水分，水蚀区还包括径流）的同时流失，即水土流失；反之，土壤流失（以及相应的水分流失）了，也就意味着发生土壤侵蚀。
与“土壤侵蚀”相比较，在应用“水土流失”概念时，水不仅是作为引起土壤侵蚀和二者流失的营力，同时也是农业生产的资源要素。因此，从农业生产角度而言，水土流失不仅会造成土壤及其养分的流失，也将造成土壤水分和水资源的流失。
1.1.2水土流失的危害
土壤侵蚀在自然界力量的作用下，改变着地球陆地表层的形态，在地球的表面形成江河湖泊和平原，为人类的生产活动创造条件。但是人类生产活动的加剧，加速了土壤侵蚀的进程，导致了更严重的水土流失。当人类活动引起的水土流失超过自然界的承载能力时，就会给人类生产和生活带来许多危害。
（1） 冲毁耕地，降低肥力，威胁粮食安全
水土流失导致耕地表层土壤不断流失，而土壤的形成速度很慢，每12～40年形成1 mm厚的土层（Hudson，1995）。耕作土壤至少需要200 mm厚的土层，需要2400～8000年才能形成。因此，土地资源一旦损失将永远失去。新中国成立到20世纪90年代末，全国因水土流失而毁坏掉的耕地有5000多万亩，平均每年100万亩。坡耕地水土流失严重的地区，每年流失的表土厚达1cm以上，土壤流失的速度比土壤形成的速度快120～400倍。经测算，按现在的流失速度，50年后东北黑土区1400万亩耕地的黑土层将流失掉，粮食产量将降低40%。
由于水土流失，耕作层中有机质得不到有效积累，土壤肥力下降，裸露坡地一经暴雨冲刷，就会使含腐殖质多的表层土壤流失，造成土壤肥力下降。此外，水土流失对土壤的物理、化学性质及农业生态环境也会有一系列的不利影响，它破坏土壤结构，造成耕地表层结皮，抑制了微生物活动，影响作物生长发育和有效供水，降低了作物产量和质量。
（2） 淤积河床，堵塞河道，威胁防洪安全
由于上游流域水土流失，汇入河道的泥沙量增大，当挟带泥沙的河水流经中下游河床、水库、河道，流速降低时，泥沙就逐渐沉降淤泥，使得水库淤浅而减小容量，河道阻塞而缩短通航里程，严重影响水利工程和航运事业。严重的水土流失使大量泥沙下泄河道和渠道，导致水库被迫报废，成了大型淤地坝。淤积下游江河湖库，降低水利设施调蓄功能和天然河道泄流能力，影响水利设施效益的发挥，加剧了洪涝灾害。例如，黄土高原地区严重的水土流失使黄河多年平均输沙量达16亿t，约有4亿t沉积在下游河床内，造成河床逐年抬高，成为举世闻名的“地上悬河”，直接威胁着下游两岸人民生命财产的安全。根据实测资料统计分析，1950～1999年下游河道共淤积泥沙92亿t，与20世纪50年代相比，河床普遍抬高2～4 m。治黄以来，虽曾四次全面加厚加高下游堤防，仍然不能从根本上解决“越淤越高、越高越险”的状况，使黄河防洪问题成为中华民族的“心腹之患”。1996年8月黄河花园口站洪峰流量仅7600 m3/s，其水位比1958年的22 300 m3/s流量的水位还高0.91 m，淹没下游滩地344万亩，造成107万人严重受灾。
（3） 污染水源，恶化环境，制约社会经济发展
当前，中国一个突出的环境问题是江、河湖（水库）水质的严重污染。水土流失则是水质污染的一个重要原因。泥沙是河湖水库水体的头号污染源，同时泥沙是许多化学污染物在环境中运移的主要载体。溶解或悬浮在水中及更多吸附在泥沙上的化学污染物随着水土流失进入河流、湖泊，导致水体严重污染。
水土流失导致土地贫瘠，当地群众为了生存，不得不更大量地开垦坡地，造成地表植被更大程度地破坏。50年来，长江流域内12个省（自治区、直辖市）的林地面积年均下降0.6%～0.8%，大大降低了防风固沙、蓄水保土能力。严重的水土流失使生态环境更趋恶化，干旱等自然灾害的发生、发展加剧。
水土流失导致生态环境和农业生产条件日益恶化，形成了“越穷越垦、越垦越穷”的恶性循环，使生态环境不断恶化，加剧了贫困，制约了社会经济的可持续发展。在国家“八七”扶贫计划中，黄土高原地区贫困县有126个，贫困人口2300万人。目前仍有贫困人口近1000万人，是我国贫困人口集中分布的地区之一。水土流失已成为当地老百姓实现脱贫致富和建设社会主义新农村的一个主要障碍。
1.1.3水土流失模型模拟的必要性与重要性
水土流失模型模拟是对地表土壤侵蚀和泥沙输移、水的流失等现象进行概化和用数学语言近似表达，用计算机作为工具加以实现。水土流失数学模型可以模拟水土流失过程、预测水土流失量、评估水土保持措施效益，可为提出预防和治理水土流失、合理利用水土资源、建设良好生态环境的战略方案与技术途径提供科学依据，对保障国家生态安全、粮食安全和经济可持续发展，推动水土保持科技创新和学科发展具有极其深远的意义。
我国水土流失模型的研究和开发已经走过了近60年的发展历程，特别是近20年来，成功地研制和开发了一批适合中国具体情况的坡面和流域水土流失模型。但由于水土流失过程本身的复杂性、影响因素间的相互作用，以及进行理论分析、实际观测和室内试验存在诸多困难，水土流失模型研究滞后于生产实践的需要。因此，迫切需要开发研制我国的水土流失模型。这是因为：①水土保持规划、决策需要。水土流失模型的研究与开发，将为水土保持规划和土地利用规划提供强有力的技术支持，同时也为国家生态环境建设和水土保持宏观决策的制定提供有力的支持。②水土保持执法要求。土壤侵蚀定量评价必将促进水土保持执法的科学化、准确化和动态化，用法律手段加速和促进水土保持事业发展。③水土保持科学研究要求：水土流失模型的研究，必将极大地促进土壤侵蚀和水土保持学科的发展，并培养大批土壤侵蚀与水土保持学科的高级研究人才和管理人才，促进我国水土保持科学事业的发展。
1.2水土流失模型的分类
水土流失模型是研究水土流失的尺度变异特征及其形成机制的有效技术工具。国内外开发了许多实用的水土流失模型。这些水土流失模型根据模型结构和建模方法，主要归纳为经验模型和物理模型两大类（唐克丽，2004；雷廷武等，2009）。传统水土流失模型多为经验模型，20世纪80年代开始开发基于土壤侵蚀过程的物理模型（Boardman and FavisMortlock，1998；Braud et al.，1999）。
经验模型从分析影响水土流失的基本因素出发，建立坡面或流域水土流失量与主要影响因子之间的经验关系式，依据实际观测资料，采用数理统计分析的方法获取模型参数，从而预报坡面或流域水土流失量（刘宝元等，2001）。最著名的水土流失经验模型有美国开发的USLE模型（Wischmeier and Smith，1960；Wischmeier，1976）和RUSLE模型（Renard et al.，1997）。经验公式结构形式简单、计算方便，在率定公式使用资料趋于或类似的地区，可以用于预报；但当将模型移植到其他地区使用时需要重新率定，否则模型的预报精度难以确定，模型的实用性也会受到影响。这类水土流失模型可以是坡面模型或小流域侵蚀产沙模型，也可以是区域水土流失模型。这类模型通常不关注水土流失随时间变化的过程，是一种“黑箱”或“灰箱”模型。模型形式是包括了水土流失主要因子的多元回归方程式。目前，黄土高原地区已有很多流域经验模型，这些模型要求输入的参数不同，模型构建时流域特征也有很大差别。该部分主要从模型参数输入、模型构建时的流域特征及流域尺度方面进行（牟金泽和熊贵枢，1980；范瑞瑜，1985；孙立达等，1988；尹国康和陈钦峦，1989；王孟楼和张仁，1990；金争平，1991；曹文洪等，1993；谢树楠等，1993；蔡强国和陆兆熊，1996；江忠善等，1996；汤立群，1996；蔡强国等，2004；穆兴民等，2004；郑明国，2007）。经验模型是建立在对观测资料的统计分析基础上，缺乏对不同因素对水土流失影响机理的定量分析，将模型应用到地质、地貌的不同地区时表现出较大差异性，因而无法建立较为普遍适用的模型。
物理模型试图对水土流失相关的物理过程用数学模型进行表达，并用数学方程描述侵蚀产沙的重要物理过程，采用数值解析法计算水土流失相关过程。这种模型具有明确的物理基础，具有较好的普适性，有利于用于不同条件的地区。这种模型可以模拟侵蚀产沙的时空变化过程，有利于了解各因素的作用，以及相关过程在时间和空间上的变化规律。物理过程模型的优点是模型参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求解，可以更准确地描述水土流失过程，具有很强的适应性，对于侵蚀类型相似的研究区具有普遍适用性。由于建模过程中考虑到了每个影响因子间的相互制约关系并在模型约束条件中加以限制，一旦模型中的某一影响因子发生变化，输出会随之发生变化，因而能较好地实现土壤侵蚀量在时空上的动态模拟。但也存在一些问题，如它们多是从物理概念出发进行推理，所得结果缺少实际检验，且有些参数仍然采用经验值，使其结果并非是完全建立在物理过程基础之上，而且所需资料过于详细，计算过程过于复杂，许多参数仍然需要通过率定才能确定，目前许多工作还只限于研究阶段，离大范围的推广应用尚有一定距离。物理模型多强调水土流失的物理过程，往往忽视了空间变异和尺度变异。实际上，模型输入参数的空间变异性和尺度变异性，会显著增大模型输出的不确定性，从而影响模型的精度，尤其对需要大量输入参数的物理过程模型而言，不仅参数确定和模型校正使工作量剧增，而且很多研究表明其模拟和预报效果未必优于相应的经验模型（Zheng et al.，2008）。所以，许多水文学家质疑物理模型的实用价值，尤其当应用于模型构建区之外时（Desmet and Govers，1996）。实际上，物理模型的很多问题，在很大程度上归因于关键输入参数的时空变异和尺度变异性。如果不考虑景观要素的空间变异性和土壤侵蚀的尺度变异性，所有水土流失模型，都存在高估小事件和低估大事件的致命弱点（Nearing，1998）。因此，加强降雨、地貌、土壤和土地利用等关键参数的空间变异性描述和水土流失的尺度变异性分析成为物理模型改进的重要途径之一（Renschler，2003）。
20世纪80年代以后，对土壤侵蚀过程的研究取得了长足进展（Nearing et al.，1997）。而且随着侵蚀动力学过程的不断深入，越来越多的学者从动力学角度出发，建立了基于物理过程的动力学模型（CostaCabral and Burges，1994；Dawes et al.，1997；De Jong et al.，1999）。物理过程模型运用大量土壤侵蚀过程研究的结果，并且使用普遍物理规律（如质量守恒定律、牛顿第二运动定律及热力学第一定律），注重土壤侵蚀机理的研究（De Roo et al.，1996a/b；Lei et al.，1998）。自20世纪80年代初到21世纪初，众多基于土壤侵蚀过程的物理模型相继问世，其中以美国的WEPP（Water Erosion P
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