3.2.1 GeoWEPP模型简介
Geo WEPP模型以地理信息系统软件Arc View及其空间分析扩展模块(Spatial Analyst)为平台,将WEPP模型结合地形、土地利用及土壤空间属性等数据,从而对流域侵蚀进行模拟预测。模型存取数据库,组织WEPP模型,为WEPP创造包括气候文件在内的所有必要的输入文件。
3.2.1.1 模型结构
1.Geo WEPP的输入
GeoWEPP的输入文件主要有坡面数据文件、作物管理文件、气象数据文件、土壤属性文件、流域沟道系统和汇水区数据文件。模型中对每一种文件的格式和内容进行了特定的规定,均各有不同。不同类型文件的生成方式或来源也不尽相同,如气象数据文件通过CLIGEN即可生成;坡面数据文件则需要通过模型提供的界面生成或者直接采用人工输入的方式;土壤属性文件除了可以通过模型界面生成外,还能够通过文本编辑器等方法生成;而作物与管理数据文件所涉及的数据量最多也最为复杂,其参数类型也较多,但同土壤属性文件一样,也可以在模型界面或者文本编辑器中生成。
2.GeoWEPP的界面
Geo WEPP通过计算机运行,用户可以根据自己的需要选择运行程序的界面。通过界面交互,可以对数据进行生成和修改等操作都,还可在界面上进行模拟、快速浏览输出结果等。
3.Geo WEPP的输出
Geo WEPP可以计算获取整个流域的径流、泥沙以及侵蚀信息。不管是整个流域还是针对流域的每一个单元,在输出模块中均可生成泥沙移比、泥沙沉积量、不同地表状况指标和泥沙颗粒粒径分布。Geo WEPP包含了坡面版WEPP,因此也可以生成某一坡面的侵蚀情况,可以观察坡面侵蚀的空间分布特征。
3.2.1.2 模型的功能模块
GeoWEPP主要包括三个组成部分,即Arc View、TOPAZ和TOPWEPP。其中基本过程为先使用Arc View建立流域DEM、土地利用和土壤属性图,在输入GeoWEPP之后,再利用TOPAZ模块分析处理DEM数据,绘制流域汇流网格图,再将土地利用、土壤图和DEM三者使用空间叠加分析功能,则产生流域汇流的最基本单元-集水区(Subcatchments)。进而在TOPWEPP下输入各集水区的土壤和植被参数,即可运行,输入模型结果。
3.2.1.3 模型的基本原理
GeoWEPP的侵蚀模块以稳态连续方程为基础,计算沿坡面的细沟侵蚀和细沟间侵蚀产生的土壤侵蚀。
式中 x——沿下坡方向的距离,m;
G——输移率,kg/(s·m);
D i——由细沟间径流侵蚀率,kg/(s·m2);
D f——细沟间侵蚀率,kg/(s·m2)。
当水力剪切力大于临界土壤剪切力,并且侵蚀率小于剥离物运移能力时,坡面侵蚀速率只用计算细沟的净土剥离。
式中 D c——细沟水流的分离能力,kg/(s·m2);
T c——细沟流的输移能力,kg/(s·m2)。
当细沟水流水力剪切力大于土壤临界剪切力时,剥离negligible直流按式(3-63)计算:
式中 K r——细沟侵蚀度,s/m;
τj——作用在土壤颗粒上的水流剪切力,Pa;
τc——细沟土壤剥离临界剪切力,Pa。
当细沟内含沙量G大于细沟径流输沙能力T c时,细沟以侵蚀沉积为主,侵蚀率为负值,方程式为
式中 V f——沉积物的有效下降速率,m/s;
q——单位宽度流量,m2/s;
β——雨滴击溅扰动系数,通常降雨时取0.5。