王奇花，高玉鳳，田 沉，李夢(mèng)瑤，付興濤

（1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030013）

1 研究背景

晉西梁峁交錯(cuò)、溝壑縱橫、呈現(xiàn)支離破碎的地貌景觀，加之溝坡陡峭、土壤特殊（離石黃土以粉砂為主，質(zhì)地疏松，遇水易溶解、崩塌）、植被稀疏、夏季多短歷時(shí)大強(qiáng)度暴雨，極易形成地表徑流并造成嚴(yán)重的水土流失。以往晉西的研究主要采用小流域徑流場(chǎng)、徑流小區(qū)實(shí)測(cè)等方法且多集中于侵蝕程度的時(shí)段性變化、溝坡侵蝕方式演化及水土保持措施的效益分析等方面[1-2]，就土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面研究相對(duì)較少，而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)流產(chǎn)沙率，從而選擇合理的水土保持措施對(duì)該區(qū)水土流失治理尤為重要。

土壤侵蝕模型作為預(yù)報(bào)水土流失、指導(dǎo)水土保持措施配置的有效工具[3]，是土壤侵蝕學(xué)科的前沿領(lǐng)域和土壤侵蝕過(guò)程定量研究的有效手段。國(guó)外許多土壤侵蝕模型被運(yùn)用于黃土高原土壤侵蝕過(guò)程研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者也在總結(jié)國(guó)外土壤侵蝕模型研究成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了有針對(duì)性的土壤侵蝕模型。總體來(lái)看，CSLE、Zheng 等經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型[4-5]模擬精度雖高，但不能對(duì)侵蝕過(guò)程做出理論性解釋?zhuān)晃锢沓梢蚰Ｐ虳YRIM[6]可以進(jìn)行氣候變化與土地情景分析，但輸入數(shù)據(jù)復(fù)雜；Yang等[7-8]考慮了溝道侵蝕，卻分別存在不考慮河道淤積和預(yù)測(cè)精度不高且模擬結(jié)果不穩(wěn)定的問(wèn)題；WEPP和EUROSEM模型能夠較好地長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)徑流泥沙量[9-10]，但Centeri等[11]通過(guò)將WEPP、EUROSEM和MEDRUSH模型模擬結(jié)果與人工模擬降雨試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3個(gè)模型的有效性均隨土壤基本性質(zhì)的變化而變化，且統(tǒng)計(jì)分析表明EUROSEM較WEPP與MEDRUSH模型在估計(jì)土壤流失方面較為突出。

EUROSEM和WEPP模型均是在坡面徑流小區(qū)觀測(cè)資料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要用于模擬和預(yù)測(cè)坡面和小流域的水土流失。已有研究顯示W(wǎng)EPP模型在晉西地區(qū)具有較好的適用性[12]，這類(lèi)連續(xù)模擬模型需要一年中大量有關(guān)氣候和土地使用條件變化的輸入數(shù)據(jù)，而黃土高原地區(qū)水土流失主要是由少數(shù)幾次大雨或暴雨所引起的[13]，雖然該模型也可以針對(duì)次降雨事件，但只能模擬次降雨的總土壤流失量?；谑录膭?dòng)態(tài)分布式土壤侵蝕模型——EUROSEM模型，則是將單次降雨初始條件指定為數(shù)據(jù)輸入，以分鐘為基礎(chǔ)對(duì)水沙峰值的排放量大小和出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)[10]，這與該區(qū)的降雨特征和需求相契合。國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用EUROSEM模型進(jìn)行了諸多模擬研究，如王宏等[14]應(yīng)用該模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)陡坡地侵蝕狀況進(jìn)行了模擬，指出其在預(yù)測(cè)產(chǎn)流量上效果較好，而在產(chǎn)沙量的模擬中效果相對(duì)較差；Folly等[15]與Mati等[16]分別在荷蘭和肯尼亞的流域上分析此模型的適用性，結(jié)果均表明其能夠較好地模擬不同環(huán)境和降雨特征下的產(chǎn)流率峰值和總產(chǎn)流量；該模型在尼日利亞裸土表面進(jìn)行的降雨模擬試驗(yàn)也得到了良好的模擬結(jié)果[17]。該模型在產(chǎn)流時(shí)間和產(chǎn)沙率的模擬方面存在一定不足，這主要是由于其對(duì)徑流含沙量的估計(jì)不足[18]，但在大多數(shù)情況下，降雨事件期間的侵蝕產(chǎn)沙總量是可以充分預(yù)測(cè)的。

本文將該模型引用到晉西有較好代表性的王家溝流域[19]，為該地區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論依據(jù)。鑒于此，本文將野外人工模擬降雨試驗(yàn)與模型模擬方法相結(jié)合，分析晉西黃綿土坡面徑流侵蝕過(guò)程及其與影響因素的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)對(duì)比分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，探討該模型在本地區(qū)的模擬效果，并評(píng)價(jià)其在不同雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)條件下對(duì)次降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙的預(yù)報(bào)能力，為本地區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及水土流失治理提供理論與應(yīng)用依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況試驗(yàn)于2019年7—9月在山西省呂梁市離石區(qū)王家溝流域野外徑流小區(qū)開(kāi)展。地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°11′，北緯37°31′，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫8.9℃。流域最大年降雨量711.50 mm，最小年降雨量240.20 mm，多年平均降雨量490.30 mm，年內(nèi)降雨分布不均，7—9月份雨量占全年的62.3%。試驗(yàn)區(qū)土壤母質(zhì)為新生界第四系中更新統(tǒng)離石黃土上或晚更新統(tǒng)馬蘭黃土與中更新統(tǒng)離石黃土的混合土，是典型的砂質(zhì)壤土，其土壤顆粒組成為砂粒84.05%、粉砂粒14.20%、黏粒1.75%，有機(jī)質(zhì)含量約13.42 g/kg，pH值8.15，總孔隙度49.05%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)王家溝暴雨資料，流域內(nèi)高強(qiáng)度、短歷時(shí)暴雨多發(fā)生于7—9月，暴雨強(qiáng)度主要集中于60～90 mm/h，是造成該區(qū)強(qiáng)烈土壤侵蝕的主要原因；另外，山西省水文局降雨監(jiān)測(cè)資料顯示，該研究區(qū)汛期最大降雨強(qiáng)度可達(dá)90.30 mm/h，因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為60、90、120 mm/h。試驗(yàn)徑流小區(qū)坡度為20°，寬度為2 m，坡長(zhǎng)分別為2、3、4 m，表面均無(wú)植被覆蓋。降雨器噴頭距離地面高度10 m 左右，根據(jù)付興濤[20]對(duì)降雨均勻性的測(cè)定及雨強(qiáng)標(biāo)定，得出本試驗(yàn)所用人工模擬降雨器的降雨均勻系數(shù)在85%以上，雨滴分布及終速等指標(biāo)均符合試驗(yàn)要求，可以開(kāi)展試驗(yàn)。在每個(gè)徑流小區(qū)進(jìn)行3場(chǎng)不同強(qiáng)度的降雨試驗(yàn)，共降雨9場(chǎng)次。

每場(chǎng)降雨試驗(yàn)開(kāi)始前，測(cè)定坡面土壤體積含水率約為25%。降雨開(kāi)始后，用秒表記錄下產(chǎn)流時(shí)刻。開(kāi)始產(chǎn)流后，每隔2 min 用采樣桶采集一次泥沙樣；自產(chǎn)流開(kāi)始持續(xù)降雨30 min，共采集15個(gè)徑流泥沙樣。降雨結(jié)束后測(cè)量采集的渾水體積以得到徑流量，并將采樣桶靜置，直至泥沙全部沉淀，倒去上部清水，將泥沙烘干（105℃條件下烘24 h）稱(chēng)重得到產(chǎn)沙量。

圖1 野外人工模擬降雨試驗(yàn)

2.3 EUROSEM模型EUROSEM模型是一個(gè)基于過(guò)程的單一事件模型，通過(guò)對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的物理描述，以分鐘為時(shí)間單位模擬次降雨條件下地塊或小流域侵蝕過(guò)程[10]。它主要涉及植被對(duì)降雨的截留、下滲、雨滴濺蝕、徑流侵蝕、徑流搬運(yùn)和泥沙沉積。該模型由模塊化結(jié)構(gòu)組成，可以和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫鏈接，它將自身鏈接到KINEROS模型的水沙運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中來(lái)模擬侵蝕，水沙通過(guò)一系列相互連接的均勻斜坡面和溝道要素在地表運(yùn)動(dòng)，其中要素特征可參數(shù)化。在模型運(yùn)算中，通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)描述地形及降雨特征。

試驗(yàn)在晉西黃綿土坡面進(jìn)行，故只考慮坡面要素，從3個(gè)坡長(zhǎng)的徑流小區(qū)中各選擇一個(gè)來(lái)設(shè)定EUROSEM模型的參數(shù)。土壤比重（RHOS）通過(guò)比重瓶法測(cè)定，并結(jié)合環(huán)刀取土計(jì)算土壤孔隙度（POR），初始土壤含水率（THI）通過(guò)烘干稱(chēng)重獲得，而雨滴沖擊土壤顆?？煞稚⑿裕‥ROD）、土壤聚合度（COH）、坡面糙率（RFR）、入滲滯后因子（RECS）則參考Morgan等[10]給出的參考值，飽和導(dǎo)水率（FEIN）、毛細(xì)管張力（G）、曼寧系數(shù)（MANN）通過(guò)不斷改變輸入?yún)?shù)數(shù)值并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比而確定（見(jiàn)表1）。

2.4 數(shù)據(jù)分析計(jì)算與模擬精度評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)采用Excel 處理相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制產(chǎn)流產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化曲線；采用SPSS 對(duì)雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)與產(chǎn)流產(chǎn)沙總量進(jìn)行相關(guān)性分析；采用Nash模型效率系數(shù)ME[21]和相對(duì)誤差RE評(píng)價(jià)模型模擬精度。模型效率系數(shù)ME越高，說(shuō)明實(shí)測(cè)值與模擬值擬合效果越好；而相對(duì)誤差RE越小，說(shuō)明實(shí)測(cè)值與模擬值擬合度越高，模型適用性越好。

表1 EUROSEM模型主要參數(shù)值

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)流分析坡度為20°，不同雨強(qiáng)和坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng)總體上呈增大趨勢(shì)，在開(kāi)始產(chǎn)流后的5 min內(nèi)增速很快，達(dá)到產(chǎn)流率峰值的77%～94%，后逐漸變緩并基本趨于穩(wěn)定，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有相似的變化趨勢(shì)（圖2）。分析原因，降雨初期土壤入滲強(qiáng)度大于降雨強(qiáng)度，降雨全部下滲，不產(chǎn)生地表徑流。隨著降雨的持續(xù)，土壤含水率不斷增大，表土孔隙也在雨滴的擊濺作用下發(fā)生改變，土壤入滲能力迅速減小至低于降雨強(qiáng)度，坡面開(kāi)始產(chǎn)流，且產(chǎn)流率迅速增大。在產(chǎn)流開(kāi)始約5 min后，由于土壤含水率及表土孔隙變化減小，土壤入滲率基本趨于穩(wěn)定，產(chǎn)流率也相應(yīng)趨于穩(wěn)定；此外，隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡面單位時(shí)間所承受的雨量增大，雨滴動(dòng)能也增大，土壤入滲率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間縮短，所以一定坡長(zhǎng)條件下降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流率越大且達(dá)到峰值所需時(shí)間越短，孫佳美等[22]也指出降雨強(qiáng)度越大，達(dá)到產(chǎn)流穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越短。

進(jìn)一步分析次降雨產(chǎn)流量隨坡長(zhǎng)和雨強(qiáng)的變化可知，產(chǎn)流量隨坡長(zhǎng)和降雨強(qiáng)度的增大而增大。在降雨強(qiáng)度為60 mm/h時(shí)，坡長(zhǎng)從2 m延長(zhǎng)至4 m，產(chǎn)流量增量為0.106 m3，而在降雨強(qiáng)度為90和120 mm/h時(shí)，其增量分別為前者的1.281和1.401倍，表明坡長(zhǎng)對(duì)坡面產(chǎn)流量的影響隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大。而降雨強(qiáng)度一定時(shí)，產(chǎn)流量隨坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)不呈比例增加，坡長(zhǎng)從2 m延長(zhǎng)至3 m，3 m延長(zhǎng)至4 m。產(chǎn)流量增量在降雨強(qiáng)度為60 mm/h 時(shí)為0.046、0.060 m3；90 mm/h 時(shí)為0.073、0.062 m3；120 mm/h 時(shí)為0.086、0.063 m3，說(shuō)明降雨強(qiáng)度越大，坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)流量增量的影響越顯著。分析其原因，隨著坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)，承雨面積增大，單位時(shí)間內(nèi)坡面承雨量增加，坡面下部徑流流速加快，徑流下滲機(jī)會(huì)減少，隨著降雨的進(jìn)行觀察到坡面下部細(xì)溝的出現(xiàn)，導(dǎo)致坡面徑流在短時(shí)間內(nèi)匯集于細(xì)溝內(nèi)，流出出口斷面。而隨著坡長(zhǎng)延長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度增大，使得降雨擊濺表土的機(jī)會(huì)增加，濺蝕力增強(qiáng)，表土孔隙改變，表土結(jié)皮經(jīng)歷周期性發(fā)展[23]，而結(jié)皮的形成能在很大程度上降低土壤入滲率[24]，增大坡面產(chǎn)流量，且雨滴動(dòng)能越大，結(jié)皮硬度越大[25]。

圖2 產(chǎn)流過(guò)程模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

相關(guān)性分析表明（表2），產(chǎn)流量與降雨強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.948，而坡長(zhǎng)與其相關(guān)系數(shù)僅為0.279，說(shuō)明在降雨強(qiáng)度、坡長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)流量共同影響下，降雨強(qiáng)度與產(chǎn)流量的相關(guān)性較坡長(zhǎng)大。在分別剔除坡長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度變量的影響時(shí)，降雨強(qiáng)度和坡長(zhǎng)與產(chǎn)流量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)分別為0.987 和0.878，說(shuō)明兩個(gè)變量共同作用時(shí)彼此制約了對(duì)產(chǎn)流量的影響，降雨強(qiáng)度很大程度上掩蓋了坡長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)流量的影響程度。該結(jié)論與付興濤等[26]通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究黃土陡坡產(chǎn)流量隨坡長(zhǎng)的變化過(guò)程得出的結(jié)論吻合。

3.2 產(chǎn)沙分析分析不同雨強(qiáng)和坡長(zhǎng)條件下實(shí)測(cè)坡面產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化可知（圖3），產(chǎn)流初期產(chǎn)沙率迅速增加，并在10 min內(nèi)達(dá)到第一次峰值，之后隨著產(chǎn)流歷時(shí)延長(zhǎng)在某一數(shù)值附近波動(dòng)變化，而模型模擬結(jié)果則顯示產(chǎn)沙率在波動(dòng)增長(zhǎng)后呈穩(wěn)定趨勢(shì)?？赡苡捎诋a(chǎn)流初期雨滴直接打擊土壤表面，分散剝離表層松散物質(zhì)，使其隨徑流流出坡面出口處，而隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)流量增加，增強(qiáng)了其對(duì)坡面的沖刷能力，使得產(chǎn)沙率急劇增大。但隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)流量和徑流挾沙能力逐漸達(dá)到穩(wěn)定，且薄層水流厚度的增加和坡面結(jié)皮的形成也有效緩解了雨滴的濺蝕及徑流對(duì)表土顆粒的沖刷，因此產(chǎn)沙率逐漸趨于穩(wěn)定。然而，細(xì)溝的產(chǎn)生會(huì)引起產(chǎn)沙率的急劇增大，并表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性[27]。此外，在整個(gè)徑流過(guò)程中，水流的能量分配是不斷變化的，溝床泥沙和被搬運(yùn)泥沙在水流作用下不斷發(fā)生交換，從而使得侵蝕和沉積過(guò)程交替進(jìn)行[28]，因此產(chǎn)沙率并不表現(xiàn)出平滑趨勢(shì)而是在某一數(shù)值附近波動(dòng)，這一數(shù)值受降雨強(qiáng)度、坡長(zhǎng)等因素影響。

坡長(zhǎng)和雨強(qiáng)是影響坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的重要因素[29-30]，實(shí)測(cè)坡面產(chǎn)沙量顯示，產(chǎn)沙量隨坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)和降雨強(qiáng)度的增加急劇增加，王占禮等[31]研究黃土裸坡土壤侵蝕過(guò)程指出，坡度為20°時(shí)不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)沙總量與坡長(zhǎng)具有顯著的冪函數(shù)關(guān)系。在60、90及120 mm/h這3種降雨強(qiáng)度下，隨著坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)，產(chǎn)沙量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但其增量存在減小情況，坡長(zhǎng)從2 m延長(zhǎng)至3 m，產(chǎn)沙量分別增加了0.226、1.512、2.788 kg；而從3 m 延長(zhǎng)至4 m 時(shí)，則增加了0.250、1.510、2.040 kg，說(shuō)明雨強(qiáng)大于60 mm/h時(shí)，坡長(zhǎng)由2 m延長(zhǎng)至3 m產(chǎn)沙量明顯增大，而由3m延長(zhǎng)至4m時(shí)增量有所減小。分析其原因，隨著坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)，侵蝕面積增大，可供濺蝕的物質(zhì)增多，且徑流所具有的重力勢(shì)能也增大，轉(zhuǎn)換成的動(dòng)能相應(yīng)增大，即侵蝕動(dòng)力增大。此外，細(xì)溝的形成和發(fā)展直接影響著坡面產(chǎn)沙過(guò)程[32]，而隨坡長(zhǎng)延長(zhǎng)，細(xì)溝侵蝕加劇[33]，所以坡面產(chǎn)沙量必然隨坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)而增大。但隨著坡長(zhǎng)延長(zhǎng)，徑流含沙量增加，水體能量主要消耗于泥沙的搬運(yùn)，徑流參與侵蝕的能力減小，所以產(chǎn)沙量增量會(huì)減小。隨坡長(zhǎng)延長(zhǎng)產(chǎn)流量也表現(xiàn)出這一規(guī)律，結(jié)合晉西黃土坡面室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)論[20]，推斷4 m坡長(zhǎng)為該研究區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量增量減小的臨界坡長(zhǎng)。初步建議，以4 m為間隔布設(shè)水土保持措施，以減緩坡面水土流失。當(dāng)降雨強(qiáng)度為60 mm/h，坡長(zhǎng)由2 m延長(zhǎng)至4 m時(shí)，坡面產(chǎn)沙量增量為0.476 kg；當(dāng)降雨強(qiáng)度為90和120 mm/h時(shí)，坡面產(chǎn)沙量分別增長(zhǎng)到了60 mm/h時(shí)的6.348和10.122倍。除了雨滴能量這一因素外，降雨強(qiáng)度越大，坡面產(chǎn)流量越大，挾沙能力越強(qiáng)，而且降雨強(qiáng)度的增大使得徑流紊動(dòng)性增強(qiáng)[34]，侵蝕能力相應(yīng)增大。各種因素相疊加，導(dǎo)致了坡面產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度的增大顯著增加。

表2 產(chǎn)流產(chǎn)沙總量與雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)的相關(guān)性分析

圖3 產(chǎn)沙過(guò)程模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

相關(guān)性分析表明（表2），產(chǎn)沙量與降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.747，與坡長(zhǎng)之間的相關(guān)系數(shù)為0.558，而在分別剔除坡長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度變量的影響時(shí)，降雨強(qiáng)度和坡長(zhǎng)與產(chǎn)沙量之間的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.900 和0.838。說(shuō)明降雨強(qiáng)度、坡長(zhǎng)在對(duì)產(chǎn)沙量共同作用時(shí)，降雨強(qiáng)度與產(chǎn)沙量的相關(guān)性較坡長(zhǎng)大，而此時(shí)兩者對(duì)彼此都有一定的制約，當(dāng)排除一個(gè)變量的影響，研究另一個(gè)變量對(duì)產(chǎn)沙量的作用時(shí)，二者均對(duì)其有很大的影響。

3.3 EUROSEM模型的適用性評(píng)價(jià)圖2、圖3顯示EUROSEM模型可對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程進(jìn)行較為細(xì)致的模擬，且對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的模擬效果較產(chǎn)沙好，而良好的模擬產(chǎn)流過(guò)程是模擬侵蝕產(chǎn)沙的基礎(chǔ)[10]。在產(chǎn)流過(guò)程模擬中，產(chǎn)流率峰值出現(xiàn)時(shí)間與實(shí)測(cè)值稍有偏差，且坡長(zhǎng)為2 m、3 m時(shí)，實(shí)測(cè)值整體在模型模擬值附近波動(dòng)變化。而在4 m時(shí)實(shí)測(cè)值幾乎均小于模型模擬值，但產(chǎn)流率達(dá)到峰值時(shí)其相對(duì)誤差RE在不同雨強(qiáng)條件下分別為3.50%、2.70%和9.85%。在產(chǎn)沙過(guò)程模擬中，產(chǎn)沙率雖然都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但產(chǎn)沙率峰值首次出現(xiàn)時(shí)間卻較實(shí)測(cè)值提前了約5 min，其主要原因可能是在模型中細(xì)溝侵蝕由預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行模擬，而在實(shí)際產(chǎn)流過(guò)程中，細(xì)溝存在發(fā)育過(guò)程，該階段使得模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了時(shí)間差。由于與模型建立的試驗(yàn)土質(zhì)不同，實(shí)測(cè)產(chǎn)沙率峰值出現(xiàn)的時(shí)間間隔也要長(zhǎng)于模擬值?？傮w而言，雨強(qiáng)一定的條件下，產(chǎn)流產(chǎn)沙率實(shí)測(cè)值與模擬值間的差值隨著坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)而增大。

圖4 模擬值與實(shí)測(cè)值關(guān)系

在產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程模擬的基礎(chǔ)上，整體來(lái)看，EUROSEM模型模擬效果較好，在晉西黃土高原典型坡面上的應(yīng)用比較成功。圖4進(jìn)一步表明，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的模擬值與實(shí)測(cè)值呈顯著線性關(guān)系（R2均約為0.984）。相比而言，該模型對(duì)產(chǎn)流量的模擬效果較產(chǎn)沙量好，其效率系數(shù)ME高達(dá)0.978，模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差RE范圍為-12.95%～9.04%，從產(chǎn)沙量的模擬效果來(lái)看，雖然ME為0.974，但其RE范圍為-14.72%～24.13%，以實(shí)際產(chǎn)沙量的20%為許可誤差，RE合格率為89%。另外，對(duì)比不同坡長(zhǎng)下實(shí)測(cè)值與模擬值（圖5）可知，模型模擬值與相應(yīng)實(shí)測(cè)值間差值總體上隨坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)和雨強(qiáng)的增大而增大，這可能是因?yàn)槟Ｐ蜔o(wú)法應(yīng)對(duì)降雨期間不斷變化的水文條件和土壤特性[15]，而且坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，坡面侵蝕程度在不同坡段差異越大，降雨不僅引起土壤濺蝕，還能在土壤表面形成結(jié)皮[35]。4 m坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流產(chǎn)沙總量模擬值幾乎均大于實(shí)測(cè)值，造成高估的原因可能是4 m為該研究區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量增量減小的臨界坡長(zhǎng)，而模擬初期產(chǎn)流產(chǎn)沙率過(guò)高，后期模擬值幾乎仍略高于實(shí)測(cè)值（在雨強(qiáng)為90 mm/h時(shí)，產(chǎn)沙率后期波動(dòng)較大，導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)沙總量大于模擬值）。

圖5 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由于坡面糙率、導(dǎo)水率、細(xì)溝形態(tài)等特征在不同場(chǎng)次降雨間可能發(fā)生變化，而在模型模擬過(guò)程中直接輸入修正后的參數(shù)，導(dǎo)致模型參數(shù)輸入的精確性方面可能有所欠缺。但總體而言，效率系數(shù)ME與相對(duì)誤差RE均表明模型在模擬研究區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙總量上效果良好，為精確模擬徑流侵蝕產(chǎn)沙提供了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

基于野外人工模擬降雨試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用EUROSEM模型對(duì)晉西黃綿土坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)比分析實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果，得出如下結(jié)論：（1）雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)與產(chǎn)流產(chǎn)沙總量均為正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)二者共同作用于產(chǎn)流產(chǎn)沙量時(shí)，雨強(qiáng)較坡長(zhǎng)對(duì)其影響大（雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)-產(chǎn)流量的相關(guān)系數(shù)分別為0.948、0.279，雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)-產(chǎn)沙量的相關(guān)系數(shù)分別為0.747、0.558），而偏相關(guān)分析顯示二者單獨(dú)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙總量均有很大的影響（雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)-產(chǎn)流量的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.987、0.878，雨強(qiáng)、坡長(zhǎng)-產(chǎn)沙量的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.900、0.838）。（2）雨強(qiáng)大于60 mm/h，坡長(zhǎng)由3 m延長(zhǎng)至4 m時(shí)，產(chǎn)流產(chǎn)沙實(shí)測(cè)增量較2 m延長(zhǎng)至3 m減小，且降雨強(qiáng)度越大，減幅越大。因此，初步建議在該區(qū)以4 m為間隔布設(shè)水土保持措施，以減緩水土流失。在4 m坡長(zhǎng)條件下，產(chǎn)流產(chǎn)沙總量模擬值幾乎均大于實(shí)測(cè)值。（3）產(chǎn)流率隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后趨于穩(wěn)定，EUROSEM模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有相似的變化趨勢(shì)，且兩者峰值出現(xiàn)時(shí)間稍有偏差；實(shí)測(cè)產(chǎn)沙率在產(chǎn)流初期迅速增加，后在某一數(shù)值附近波動(dòng)變化，雨強(qiáng)越大、坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，波動(dòng)越明顯，而模型模擬結(jié)果則在波動(dòng)增長(zhǎng)后呈平穩(wěn)趨勢(shì)，且產(chǎn)沙率峰值首次出現(xiàn)時(shí)間較實(shí)測(cè)值提前了約5 min。（4）EUROSEM模型對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的模擬效果良好，相對(duì)誤差RE在許可范圍之內(nèi)，反映模型總體預(yù)測(cè)效果的模型效率系數(shù)ME=0.978，0.974。

總體而言，EUROSEM模型能較好的預(yù)測(cè)晉西次降雨坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙情況，說(shuō)明該模型在晉西黃綿土坡面上有較好的適用性。但本次試驗(yàn)在裸坡面上進(jìn)行，僅考慮坡長(zhǎng)、雨強(qiáng)的影響，并未考慮模型中的溝道組分，也未涉及植被等的影響，今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，增強(qiáng)模型在該區(qū)的適用性。