摘要：剖析了HUM-1、THU和CSU三個(gè)國內(nèi)外有代表性的物理成因產(chǎn)沙模型的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和存在的問題，分析了物理成因產(chǎn)沙模型應(yīng)該考慮和解決的主要水沙物理過程，指出該類模型當(dāng)前急需解決的六個(gè)問題和基本思路。

關(guān)鍵詞：物理成因產(chǎn)沙模型 模型結(jié)構(gòu) 泥沙輸移 參數(shù)區(qū)域規(guī)律 水土保持

1 引言

流域侵蝕產(chǎn)沙模型是對(duì)流域內(nèi)土壤侵蝕和泥沙輸移現(xiàn)象的概化和近似表達(dá)，包括統(tǒng)計(jì)模型和物理成因模型兩大類。前者基于大量的實(shí)測(cè)氣象、水文、泥沙觀測(cè)資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到。又可分單位線法、經(jīng)驗(yàn)方程和隨機(jī)模型等，其中，以經(jīng)驗(yàn)方程形式多樣，研究和應(yīng)用最多；后者以流域上實(shí)際發(fā)生的水沙物理過程為基礎(chǔ)，用一個(gè)或多個(gè)數(shù)學(xué)方程加以描述并用一定的數(shù)值方法加以求解，參數(shù)具有物理意義。又可分為集中性模型和分散性模型。 經(jīng)驗(yàn)性模型是根據(jù)實(shí)際資料應(yīng)用統(tǒng)計(jì)相關(guān)的方法建立起來的，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，在制定公式使用的資料范圍內(nèi)有足夠的精度，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但它們?nèi)狈Τ浞值奈锢砘A(chǔ)，外延效果差，在作地區(qū)移用和向設(shè)計(jì)條件延伸時(shí)精度難以控制，不能反映侵蝕產(chǎn)沙的時(shí)空變化過程和人類活動(dòng)影響后所發(fā)生的變化。物理過程模擬模型試圖對(duì)流域內(nèi)發(fā)生的侵蝕產(chǎn)沙過程進(jìn)行概化和近似，并用數(shù)學(xué)方程描述流域上侵蝕產(chǎn)沙的主要物理過程，再用比較嚴(yán)格的數(shù)值解法計(jì)算水沙運(yùn)動(dòng)過程。模型的物理基聰強(qiáng)，外延精度高，有利于地區(qū)移用和向設(shè)計(jì)條件延伸，可以模擬侵蝕產(chǎn)沙的時(shí)空變化，并可通過參數(shù)反映人類活動(dòng)影響后水沙的變化。 鑒于此，物理成因產(chǎn)沙模型的研究與應(yīng)用為大家所重視，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者都在探索研制當(dāng)中，近20年來發(fā)展很快，代表性的模型有美國的CSU、ANSWERS、FESHM、ARM和中國的HUM-1、THU等模型。本文著重剖析了HUM-1、THU和CSU三個(gè)典型的分散性物理成因模型，通過分析比較，指出當(dāng)前物理成因模型研究中亟待解決的若干問題。

2 典型模型的剖析

根據(jù)反映模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)不同，物理成因模型又分為集中性模型和分散性模型。如美國的Stanford、ARM等模型都可歸結(jié)為用許多模型參數(shù)來處理每一個(gè)單元上有意義的那一部分面積，考慮的因素較多，較全面，參數(shù)多，成因性更強(qiáng)。而CSU、HUM-1、THU和ANSWERS等模型是分散性的，它們把流域劃分成許多較小的均勻元素，在每一個(gè)均勻子流域上都有反映影響水文和侵蝕過程諸如土壤、植被、土地管理等特征的參數(shù)，它可以分過程考慮，既有物理成因，概念明確，又有適用性，對(duì)于大而復(fù)雜的流域，其應(yīng)用顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，是物理成因模型研究的發(fā)展趨勢(shì)。 2.1 HUM-1模型[１] HUM-1是河海大學(xué)1號(hào)模型的英文縮寫，于80年代中期由陳國祥和湯立群提出，以后經(jīng)在不同尺度的流域上應(yīng)用，并不斷加以補(bǔ)充與完善，逐漸發(fā)展成為一個(gè)物理過程清晰，成因性強(qiáng)的小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙動(dòng)力學(xué)模型。 2.1.1 模型結(jié)構(gòu) 由水文模型和泥沙模型兩部分組成。水文模型包括產(chǎn)匯流計(jì)算；泥沙模型包括產(chǎn)輸沙計(jì)算。 水文模型把各單元分成透水面積（1-IM）和不透水面積IM，在不透水面積上降雨扣除蒸發(fā)后無其它損失，得徑流R2；在透水面積上，通過模擬蒸發(fā)和下滲等降雨損失，計(jì)算產(chǎn)流R1，兩者相加即為總徑流量R。用運(yùn)動(dòng)波方程分別描述各單元的坡面和溝道匯流過程，采用四點(diǎn)隱式有限差分格式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可得單元和總出口斷面的水文過程。 泥沙模型用坡面土壤侵蝕率公式計(jì)算坡面上的面蝕（包括細(xì)溝侵蝕）量和溝蝕（包括重力侵蝕）量，用溝槽侵蝕率公式計(jì)算溝道侵蝕量，兩者之和便得單元流域總的土壤侵蝕量。然后，將各單元流域的土壤侵蝕量演算到出口斷面得流域產(chǎn)沙量。 2.1.2 水文模型基本方程 (1) 產(chǎn)流計(jì)算 用Horton下滲公式計(jì)算超滲產(chǎn)流量，考慮下滲能力在各單元透水面積上分布的不均勻性，采用隨機(jī)分布的B次方拋物線加以概化，則可按（1）式計(jì)算產(chǎn)流

(1)

式中 I為雨強(qiáng)；A是單元面積上點(diǎn)的最大下滲能力；為時(shí)段平均下滲率；R為時(shí)段產(chǎn)流量。

(2) 坡面及溝道匯流計(jì)算 黃土地區(qū)坡面很陡，洪水波的傳播速度快，沿程坦化小，具有運(yùn)動(dòng)波的傳播特征。黃土地區(qū)小流域的溝道比降較大，溝道水流過程仍可用運(yùn)動(dòng)波方程組來描述，這樣，坡面及溝道水流運(yùn)動(dòng)都用運(yùn)動(dòng)波形式的圣維南方程組來描述。動(dòng)量方程與連續(xù)方程聯(lián)立求解，采用Preissmann四點(diǎn)隱式差分格式，可推求出水流運(yùn)動(dòng)差分方程

(2)

式中θ為權(quán)重系數(shù)，在[0.6，1]取值；K為系數(shù)；α為指數(shù)。對(duì)坡面流Q為單寬流量，R(x，t)為凈雨過程；對(duì)于溝道斷面水流，Q為流量，R(x，t)為旁側(cè)來流。 根據(jù)（2）式可推求出任意時(shí)空不均勻降雨的坡面單寬流量過程和溝道任意點(diǎn)的流量過程。 2.1.3 泥沙模型基本方程 該模型將單元流域概化為“一本打開的書”，“書面”的交線代表單元流域的溝道，左右兩面對(duì)稱，每面上由不同坡度的梁峁坡和溝谷坡組成。從上游至下游，梁峁坡、溝谷坡及溝道的土壤侵蝕率Er、Eg、Ec可由下列各式表示

（3）

（4）

（5）

式中 Ar、Ag、Bc為系數(shù)；br、bg分別為梁峁坡和溝谷坡寬度；γm、γs分別為渾水容重和泥沙密實(shí)干容重；g為重力加速度；τ0、V分別為各區(qū)坡面或溝道水流的切應(yīng)力和平均速度；為斜坡上泥沙起動(dòng)切應(yīng)力。

由此可得到單元流域土壤侵蝕率ET為

ET=2(Er+Eg)+Ec

（6）

2.1.4 全流域產(chǎn)沙量 坡面及溝道的侵蝕物質(zhì)必須輸移到出口斷面才能成為流域的產(chǎn)沙量，侵蝕物質(zhì)的輸送受到水流條件、泥沙條件、溝道邊界條件和流域尺度等多種因素的制約，尤其以流域尺度的影響反映最直觀。一般來講，在不考慮其它因素條件下，流域越小，泥沙輸移比就越大。模型研究的流域尺度均屬小流域，假定泥沙輸移比為1.0，完全能夠滿足計(jì)算精度要求，并且可使計(jì)算大大簡化。這樣，流域出口斷面的產(chǎn)沙量可由各單元土壤侵蝕量錯(cuò)開若干個(gè)傳播時(shí)段疊加求得。 2.2 THU模型[2] THU于90年代初由清華大學(xué)謝樹楠等研制，主要應(yīng)用于黃土丘陵溝壑區(qū)的暴雨產(chǎn)沙模擬。 2.2.1 模型結(jié)構(gòu) 由產(chǎn)流模型與產(chǎn)沙模型組成。產(chǎn)流模型用徑流系數(shù)法，考慮降雨量、降雨強(qiáng)度和前期影響雨量對(duì)它的作用，通過回歸分析確定徑流系數(shù)；產(chǎn)沙模型假定坡面流為一維流動(dòng)，壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)分布，流動(dòng)中的動(dòng)量系數(shù)為常量，不考慮泥沙的粘性，溝道泥沙輸移比為1，根據(jù)水流連續(xù)方程、動(dòng)量方程、泥沙連續(xù)方程和挾沙力公式，結(jié)合水文、氣象、土壤和地質(zhì)地貌學(xué)的基本原理，導(dǎo)得流域侵蝕產(chǎn)沙量計(jì)算公式。 2.2.2 產(chǎn)流計(jì)算公式 次暴雨過程中，單位面積單位時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的徑流深R用下式計(jì)算

R=f·P

(7)

式中 P為時(shí)段降雨量；f為徑流系數(shù)，與降雨量P、降雨強(qiáng)度I和前期影響雨量Pa有關(guān)

{

f=0.002693P0.3814I0.9023

I>10mm/h

(8)

f=0.0006017P0.9051I1.44Pa0.1442

I<10mm/h

2.2.3 產(chǎn)沙計(jì)算公式 坡面產(chǎn)沙由（9）計(jì)算

(9)

溝道產(chǎn)沙由（10）計(jì)算

(10)

時(shí)段產(chǎn)沙量為

Wsi=Wsgi+Wsbi

（11）

單元面積次暴雨總產(chǎn)沙量為

（12）

以上各式中 Wsi為時(shí)段暴雨產(chǎn)沙量；Ws為次暴雨總產(chǎn)沙量；CA為地表裸露率；CE為侵蝕因子；D50為土壤中值粒徑；L為單元坡面長度；S0為單元坡面比降；Sob為坡面平均比降Sog為溝道平均比降；SBb為某一土壤類型坡面所占比例；SBg為某一土壤類型溝道所占比例；Δti為計(jì)算時(shí)段長；A為單元面積。 2.2.4 全流域產(chǎn)沙量 THU模型根據(jù)研究流域的地理地貌特別是地質(zhì)特性，按自然水系將其分為若干個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)又分成多個(gè)單元，假定泥沙輸移比為1，則全流域產(chǎn)沙量只要把所有單元產(chǎn)沙量累加即可。 2.3 CSU模型[3] CSU模型全稱叫柯羅拉多州立大學(xué)模型，于70年代末由Ruh-Ming Li等人提出。該模型可以模擬流域表面水文過程、產(chǎn)沙過程和小流域上的水沙運(yùn)動(dòng)和時(shí)空變化，是一個(gè)物理成因較強(qiáng)的分散性模擬模型。 2.3.1 模型結(jié)構(gòu) 模型分成坡面漫流部分和河道系統(tǒng)部分。坡面漫流部分可以模擬截留、蒸發(fā)、填洼、下滲等損失及雨滴濺蝕和面流沖刷等過程，并將坡面水沙演算到最近河槽；河槽系統(tǒng)部分模擬坡面水沙在河槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，確定槽泥沙的沖淤。 2.3.2 產(chǎn)流計(jì)算 時(shí)段平均下滲率用（13）式表示

（13）

ΔF=-[(2F-KΔt)]/ 2+{[(2F-KΔt)2+δKΔt(δ+F)]/1/ 2}/2

（14）

式中 Δt為時(shí)段長；ΔF為下滲改變量；F為下滲量；K為水力傳導(dǎo)度；δ為勢(shì)頭參數(shù)。 產(chǎn)流量計(jì)算如下

(15)

2.3.3 匯流計(jì)算 坡面及溝道匯流均用一維運(yùn)動(dòng)波方程組來描述

(16)

式中 Q為流量；A為斷面面積；ql為超滲雨或旁側(cè)來流；S0為坡面或溝道坡度；f為阻力系數(shù)；R為水力半徑；g為重力加速度。 方程組（16）采用有限差分方法聯(lián)立求解，即可求得坡面或溝道內(nèi)任意位置的流量過程及其它水力要素。 2.3.4 產(chǎn)沙計(jì)算 流域產(chǎn)沙量計(jì)算遵循以下產(chǎn)沙模式：假定雨滴濺蝕量為Za，供沙量為Sa，Sa=Za，水流挾沙能力為GT，徑流沖刷量為D，則

{

WT = GT

GT≤Sa

（17）

WT = Sa+D

GT＞Sa

Za=DrΔt

(18)

(19)

D = - Df(ΔZP+Za)

(20)

GT = B(gb+gs)

(21)

Gb =a(τo-τc)b

(22)

gs =(gb/11.6)[AZ-1/(1-A)Z ]{[(V/u*)+2.5)]I1+2.5I2}

(23)

式中 Dr為雨滴濺蝕率；Δt為時(shí)段；I為雨強(qiáng)；a5、b5分別為系數(shù)和指數(shù)；Zw是水層厚度與松散土層厚度之和；Zm為3倍的雨滴中值粒徑；Cg為地面植被覆蓋度；Cc為樹冠覆蓋度；ΔZ p是時(shí)段內(nèi)徑流沖刷量；Df為與土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；B為坡面或溝道寬度；gb為推移質(zhì)挾沙能力；gs為懸移質(zhì)挾沙能力；a、b分別為系數(shù)和指數(shù)；A為無量綱系數(shù)；Z為懸浮指數(shù)；V為坡面或溝槽平均流速；u*為摩阻流速；I1、I2為Einstein積分。 2.3.5 全流域產(chǎn)沙量 CSU模型按自然水系劃分流域，每個(gè)子流域被概化成具有一個(gè)坡面的對(duì)稱的“open book”，各子流域產(chǎn)沙量按（17）式計(jì)算，所有子流域產(chǎn)沙量疊加得全流域產(chǎn)沙量。 2.4 模型評(píng)價(jià) 通過對(duì)上述各模型結(jié)構(gòu)及計(jì)算方法的介紹，可以看出各模型有以下特點(diǎn)：（1）模型都考慮分單元并對(duì)各單元進(jìn)行概化；（2）考慮降雨分布的不均勻性，各單元都有其代表性的雨量過程；（3）產(chǎn)流計(jì)算方法相近，模擬效果均較滿意；（4）HUM-1和CSU模型考慮了坡面及溝道匯流計(jì)算，所得結(jié)果為時(shí)空變化過程。THU模型未考慮匯流計(jì)算，所得結(jié)果為時(shí)間變化過程；（5）CSU模型單獨(dú)模擬降雨濺蝕過程，HUM-1模型將雨滴濺蝕考慮在梁峁坡土壤侵蝕計(jì)算中，THU模型將之列于流域總侵蝕量計(jì)算中；（6）HUM-1、CSU模型都考慮了坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙和溝道侵蝕產(chǎn)沙計(jì)算，THU模型將之都考慮在總量計(jì)算中；（7）三個(gè)模型在實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，都較好地應(yīng)用于產(chǎn)流產(chǎn)沙量預(yù)報(bào)計(jì)算。其中，HUM-1、THU模型進(jìn)一步用來計(jì)算水土保持減水減沙效益，分析水沙變化之原因。 同時(shí)，各模型存在的主要問題有：（1）成因性越強(qiáng)的模型，對(duì)基本資料的要求也越高，如HUM-1、CSU模型要求有連續(xù)記錄的降雨過程資料，THU模型要求有詳細(xì)的地形地貌資料，而現(xiàn)有的水文資料和下墊面資料均較粗，給模型的應(yīng)用帶來困難；（2）有些重要的侵蝕產(chǎn)沙過程還沒有單獨(dú)描述，獨(dú)立模擬，如HUM-1模型將雨滴濺蝕過程隱含于梁峁坡坡面侵蝕之中，重力侵蝕隱含于溝谷坡坡面侵蝕之中，CSU模型沒有專門描述并模擬重力侵蝕過程，THU模型從整體上描述侵蝕產(chǎn)沙過程，不區(qū)分各種侵蝕過程，因此，模型的微結(jié)構(gòu)還不盡合理；（3）三個(gè)模型都沒有很好地考慮溝道內(nèi)泥沙的沉積與再輸移問題。其中，HUM-1和THU模型都直接假定泥沙輸移比為1，以簡化計(jì)算。這種簡化計(jì)算帶來的誤差基本上靠參數(shù)的擬合來彌補(bǔ)；（4）模型在各種侵蝕產(chǎn)沙過程沒有合理描述前提下之所以都有較好的模擬結(jié)果，主要是因?yàn)楫a(chǎn)沙模型各方程都帶有若干系數(shù)，而這些系數(shù)又是通過流域?qū)崪y(cè)產(chǎn)沙量資料率定的，這在研究方法和技術(shù)途徑上都是允許的，但帶來的問題是不同地區(qū)不同的研究對(duì)象，其參數(shù)可能是不一樣的，這就給模型的移用帶來不便；（5）各模型的應(yīng)用面積均還很小，除THU模型已用于3240km2的皇甫川流域外，HUM-1模型最大的應(yīng)用面積為41.2km2，而CSU模型只有1.27km2，如何推廣應(yīng)用于較大流域的水沙預(yù)測(cè)，仍然有許多問題值得探討；（6）HUM-1、THU模型都能用來還原計(jì)算人類活動(dòng)影響的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，進(jìn)而計(jì)算出水土保持總的減水減沙效益，這是比較宏觀的分析結(jié)果。但在小流域規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要了解各項(xiàng)水土保持措施的減水減沙效果，現(xiàn)有的模型似乎都不能進(jìn)行水保效益的分離評(píng)估。此外，進(jìn)一步提高模型的計(jì)算精度，克服累計(jì)誤差也是值得探討與改進(jìn)的問題。

3 亟待解決的幾個(gè)問題

鑒于以上分析，歸納起來物理成因模型研究中有6個(gè)方面的問題需要深入分析研究，進(jìn)一步加以完善：(1)建模所需資料的獲取問題；（2）重力侵蝕過程的模擬；（3）溝道泥沙輸移計(jì)算模式；（4）參數(shù)區(qū)域規(guī)律；（5）模型的推廣應(yīng)用；（6）水土保持措施效益的分離評(píng)估。以下就這6個(gè)方面問題分別進(jìn)行討論。 3.1 建模所需水沙資料的獲取 由于種種原因，現(xiàn)有的流域水文泥沙基本資料都比較粗，給模型參數(shù)的率定和應(yīng)用帶來困難。解決的方法之一是對(duì)模型結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，使之適用于現(xiàn)狀資料的產(chǎn)流產(chǎn)沙計(jì)算；另一辦法是將現(xiàn)狀資料進(jìn)行加工處理，重新形成水文泥沙資料，使之適應(yīng)于現(xiàn)有的模型，但有一定難度。 3.2 重力侵蝕產(chǎn)沙的模擬 黃土地區(qū)的坡面尤其是溝谷坡，重力侵蝕發(fā)生頻繁，目前還缺乏有效的解決方法。主要原因是很少有描述重力侵蝕發(fā)生過程與數(shù)量的觀測(cè)資料，缺乏描述重力侵蝕的基本條件，因而不能把過程分離出來進(jìn)行定量描述。改進(jìn)的方法應(yīng)加強(qiáng)資料的觀測(cè)。傳統(tǒng)的方法可以用打樁法進(jìn)行分析研究，也可用高速攝影法或同位素測(cè)定法加以研究，甚至可利用衛(wèi)星或航片資料進(jìn)行分析，獲得第一手的重力侵蝕過程資料，再探索用數(shù)學(xué)描述的可能性。重力侵蝕的數(shù)學(xué)表達(dá)應(yīng)將水動(dòng)力學(xué)、土壤學(xué)、土力學(xué)等基本理論與方法結(jié)合起來加以研究。同時(shí)也可借鑒滑坡、泥石流方面的研究成果。 3.3 河道泥沙輸移計(jì)算 河道泥沙輸移計(jì)算的關(guān)鍵是確定泥沙輸移比。目前國內(nèi)開發(fā)的各類模型包括物理成因模型，都假定泥沙輸移比為1，使問題處理得到簡化。但從理論上講，任何一個(gè)流域的泥沙輸移比不可能為1，它受到多種因素的影響，如降雨徑流條件，土壤類型及泥沙特性，地形地貌，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和流域尺度等。對(duì)于特定的黃河中游地區(qū)，只有那些支毛溝的泥沙輸移比才接近于1，面積越大，泥沙輸移比就越小。具體表現(xiàn)為來自坡面的侵蝕泥沙進(jìn)入溝道后存在淤積與再輸移現(xiàn)象。 所謂泥沙輸移比Drr是指流域某一斷面實(shí)測(cè)輸沙量Wr與斷面以上流域侵蝕產(chǎn)沙總量T之比，可用下式表示

Drr=Wr/T

(24)

文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，確定某一個(gè)區(qū)域的泥沙輸移比有三個(gè)前提條件：（1）泥沙的粒徑。河道中泥沙的最大粒級(jí)與最小粒級(jí)要相差百萬倍，輸移不同粒級(jí)的泥沙需要不同的環(huán)境條件，小粒徑的物質(zhì)可以在一般徑流條件下運(yùn)動(dòng)，大粒徑的物質(zhì)一般水流條件就搬運(yùn)不了；（2）時(shí)間系列。對(duì)于一個(gè)確定的流域，泥沙的輸移能力從長系列看是穩(wěn)定的，但短時(shí)間又是不穩(wěn)定的。主要原因是輸移泥沙的動(dòng)力條件為徑流，而決定徑流的直接因素是降雨。降雨在年內(nèi)分配是不均勻的，年際間也存在較大的差異，具有周期性。因此，泥沙輸移過程也隨水流動(dòng)力條件具有周期性，只有在一個(gè)穩(wěn)定的較長系列內(nèi)分析泥沙輸移比，才能得出符合實(shí)際的Drr值，經(jīng)常用一年甚至多年；（3）空間范圍。指的是流域的大小，流域越大其環(huán)境條件越復(fù)雜。一般情況下，中小流域的空間內(nèi)環(huán)境因素相似性較大，而大流域環(huán)境因素相似性要差。從這一點(diǎn)上講，國內(nèi)外都得出了基本結(jié)論，即泥沙輸移比與流域面積成反比。 解決這個(gè)問題的途徑，一是根據(jù)溝道水流泥沙的動(dòng)力條件，建立溝道泥沙輸送函數(shù)，將來自坡面上的泥沙演算到流域出口，得出流域侵蝕產(chǎn)沙量，這是一種簡單實(shí)用的處理方法。二是也可將一維水流泥沙沖淤數(shù)學(xué)模型引進(jìn)到流域產(chǎn)沙模型，將來自坡面的水流泥沙作為一維數(shù)模的旁側(cè)分散來流來沙，根據(jù)溝道邊界條件、地形條件、初始條件和河床物質(zhì)組成用有限差分求解，把水流泥沙運(yùn)動(dòng)過程演算到出口斷面即得流域侵蝕產(chǎn)沙量。 3.4 參數(shù)的區(qū)域規(guī)律 當(dāng)前，模型應(yīng)用的流域還不夠多，類型單一，若應(yīng)用于同一類型區(qū)，模擬結(jié)果都能達(dá)到較高的精度，但移用于不同類型區(qū)時(shí)，參數(shù)都要重新率定，因此，存在著參數(shù)區(qū)域規(guī)律問題。要解決這個(gè)問題，須做大量耐心細(xì)致的研究工作，將模型在不同類型區(qū)的各種不同流域上對(duì)水沙進(jìn)行模擬，并對(duì)參數(shù)分布進(jìn)行分析研究，找出其規(guī)律性，這樣，當(dāng)模型要用來解決實(shí)際問題時(shí)，可立即得到參數(shù)值，不需要再進(jìn)行參數(shù)率定，提高使用效率，擴(kuò)大適用面。 3.5 模型的推廣應(yīng)用 成因模型大多是在小流域上建立起來的。由于該類模型對(duì)基本資料的要求相對(duì)較高，而小流域又易獲得所需資料。因此，目前普遍應(yīng)用于小于100km2的流域，效果比較好。對(duì)于中等或大流域，由于缺乏降雨、徑流、泥沙過程資料，控制密度又較疏，應(yīng)用還不夠理想，必須在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，使其適合于現(xiàn)狀動(dòng)力條件下的中大流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量的計(jì)算。另一方面，實(shí)用型的物理成因產(chǎn)沙模型大多是分散性的，如本文所述各模型，它們的最大特點(diǎn)是除分過程分別描述水沙過程外，流域按自然水系劃分單元，因此，從理論上講，單元流域可劃分到任意小，實(shí)用起見，單元流域通常劃分到能獲得水沙資料的那一級(jí)支流，各單元通過“搭積木”的方法進(jìn)行演算，便可得任意大小流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，也就是說，物理成因模型的分散性結(jié)構(gòu)為推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 3.6 水土保持措施減水減沙效益分離評(píng)估 水保效益的評(píng)價(jià)方法主要有水文法和水保法。近年來作者用模型法評(píng)價(jià)水保效益取得了較好的效果，但仍屬總量評(píng)價(jià)[5]，沒有對(duì)每種措施加以分離評(píng)估，這也是水保效益評(píng)價(jià)的難點(diǎn)。 筆者近期通過國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的研究，試圖找到用模型對(duì)水土保持措施減水減沙效益加以分離評(píng)估的方法，其主要思想是通過參數(shù)的變化來反映人類活動(dòng)影響下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，從而分別計(jì)算各項(xiàng)措施的效益，模型參數(shù)可通過坡面小區(qū)或微小流域加以率定。此問題解決后，可直接指導(dǎo)小流域的水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)，為流域治理提供決策依據(jù)。

4 結(jié)論

分散性物理成因產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型是當(dāng)前流域泥沙模擬研究的發(fā)展趨勢(shì)，具有過程明確，參數(shù)少，概念清晰，使用方便，適應(yīng)面廣的特點(diǎn)。本文列舉的三個(gè)分散性模型都得到了較好的應(yīng)用，具有實(shí)用價(jià)值和較廣闊的推廣前景。但在基本資料的獲取、模型微結(jié)構(gòu)、泥沙輸移計(jì)算、參數(shù)區(qū)域規(guī)律、模型推廣應(yīng)用、水土保持效益的分離評(píng)估等方面還需要加以改進(jìn)完善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 湯立群，陳國祥。小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙動(dòng)力學(xué)模型。水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，A輯，Vol.12，No.2，1997.

[2] 陳國祥，謝樹楠，湯立群。黃土高原地區(qū)流域侵蝕產(chǎn)沙模型研究。黃河水利出版社，1996.

[3] Ruh-Ming Li， Water and Sediment Routing from Watersheds ，Published by John Wilely & Sons ， Inc. 1979.

[4] 唐克麗，熊貴樞，等。黃河流域的侵蝕與徑流泥沙變化。中國科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[5] 湯立群，陳國祥。物理概念模型在水保效益評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。水利學(xué)報(bào)，1998，(9).