基于SCS-CN模型的紫色土坡地径流预测

地表径流是引起坡面土壤侵蚀的主要动力,对降雨径流进行有效的预测,是紫色土坡地水土保持的基础。SCS-CN模型中的径流曲线数CN和初损系数λ作为主要输入参数对径流模拟精度有重要影响,但在应用于紫色土坡耕地模拟时,却很少进行坡度的调整,而坡度是影响降雨产流的重要因子。该文利用紫色土不同坡度的径流小区,选取2013年的5场降雨产流的实测数据,旨在分析紫色土坡耕地降雨产流量与地表坡度的关系,对现有的基于坡度修正的SCS-CN模型进行适用性评价,并在考虑降雨量影响的基础上对初损系数进行修正。结果表明,次降雨下径流量随坡度的增大而增大,并出现径流影响的临界坡度;经坡度修正后的模型在小降雨事件下的模拟精度较好,但强降雨条件下预测值比实测值均偏大,初损系数λ=0.2适用于紫色土坡地小降雨产流模拟,在强降雨条件下,λ值越大,模型模拟效果越好,当λ=0.3时,修正的模型在紫色土坡地径流模拟效果最理想,此时,模拟值与实测值的平均相对误差为7.42%,模型效率系数达到0.99。而基于坡度调整后的CN值对应坡度6.5°~25°依次为78.23、78.45、78.77、79.11、79.47。该研究结果可为紫色土丘陵区降雨径流预测及水土保持提供参考。     

基于可变源区理论的SCS模型改进及其应用

准确预测小流域的径流量是进行侵蚀预报和水土流失治理的关键。SCS-CN是预测无径流观测资料地区降雨产流的常见模型之一。针对传统SCS-CN模型不能准确识别饱和产流源区问题,基于可变源区理论对SCS-CN模型进行了改进,并以三峡地区王家桥小流域50场降雨径流数据为例,对基于可变源区的SCS方法（CN-VSA）、初损率λ=0.2和改进的λ=0.05的SCS-CN方法进行了对比。结果表明:SCS-CN_0.2方法不适合该流域,CN-VSA和SCS-CN_0.05方法均能较好模拟结果,CN-VSA方法决定系数为0.802,效率系数是0.651,SCS-CN_0.05方法分别是0.763,0.766,但是SCS-CN_0.05方法不能准确定位饱和产流源区。在流域综合治理的水文效应评估中,饱和产流源区准确定位十分重要,改进的CN-VSA方法能定位产流源区,在实践中有着重要意义。     

密云水库上游流域径流曲线模型的参数修订

为探讨同时率定CN值和初损率2个参数得到的模拟结果是否比单独率定一个参数更为理想,且在不同土地利用类型下SCS-CN模型是否均适用,选取了密云水库上游石匣小流域为研究区域,根据石匣小流域坡面试验小区2006—2010年实测降雨-径流数据和SCS-CN模型的计算公式,在0.05~0.40范围内,等间隔选取8个不同的初损率值,并利用算术平均值法反推各初损率值条件下对应的CN值,以纳什效率系数为SCS-CN模型的适用性评价参数,确定裸地、耕地、草地和林地4种不同土地利用类型下模拟效果最佳的CN值与初损率,最后对4种不同土地利用类型下的SCS-CN模型进行了适用性评价。结果表明:(1)4种不同土地利用类型条件下,当初损率为0.05时纳什效率系数值最高,分别为裸地(0.75)、耕地(0.48)、草地(-1.11)、林地(-0.24);(2)在石匣小流域内利用SCS-CN模型对该研究区域的径流值进行预测时,裸地条件下的CN1值为86,耕地条件下的CN1值为74,草地条件下的CN1值为58,林地条件下的CN1值为63,4种不同土地利用类型的初损率取值均为0.05;(3)通过同时率定2个参数可以使得SCS-CN模型的模拟效果得到一定的提高;(4)在石匣小流域内,SCS-CN模型在裸地和耕地条件下可以较好地模拟地表径流,但草地和林地条件下其模拟结果不理想。     

基于前期雨量和降雨历时的SCS-CN模型改进

径流曲线法（Soil Conservation Service Curve Number，SCS-CN）对前期产流条件（Antecedent Moisture Condition，AMC）的概化，导致径流预测出现相应的突然跳跃，同时还忽略了降雨历时作为重要组成部分对地表径流的影响，影响了模型径流预测的精度。密云水库是北京市地表饮用水的重要来源，对其上游流域进行降雨径流预测有着重要的生态意义和经济意义。该研究将SCS-CN模型与前期雨量和降雨历时结合，采用API（Antecedent-Precipitation Index，前期降雨指数）模拟土壤前期水分条件，并且提出了一种考虑次降雨事件中土壤前期雨量和土壤入渗量的静态渗透方程，对SCS-CN模型进行了改进。其中，潜在最大蓄水等于前期土壤水分和土壤潜在蓄水量的和，最大静态渗透速度是流域土壤水分达到蓄满时的静态渗透速度，静态渗透系数是与土壤结构、土地利用等相关的无量纲。利用2006-2010年及2014-2020年石匣流域径流小区的200次降雨径流事件监测结果，对新改进的模型与原SCS-CN模型以及两种改进的SCS-CN模型进行了校准、验证和性能比较。结果表明，4种径流模型中，该研究改进的模型表现最好，纳什效率系数为0.77，决定系数为0.79，均方根误差为3.21 mm，相比于SCS-CN模型纳什效率系数、决定系数和均方根误差分别提高了319%、97.5%和107.5%。参数敏感性分析表明，潜在最大蓄水和静态渗透系数是最敏感的两个参数，最大静态渗透速度的参数敏感性一般，初损率的参数敏感性最差。该研究改进模型在密云水库上游潮白河流域降雨径流模拟中具有一定的适用性，可为其他地区产流计算提供参考依据。     

不同坡度黄土微地形条件下SCS-CN模型参数研究

基于自然降雨数据研究径流曲线数（SCS-CN）模型参数难以排除坡度的干扰,从而影响模型计算径流量的精度。为了准确探究黄土微地形条件下不同坡度（5°,15°,25°）对模型的初损率（λ）和径流曲线系数（CN）的影响及其变化规律,从而为后续SCS-CN模型参数研究提供科学依据和优化径流预测模型。通过开展人工降雨试验（90 mm/h雨强、人工掏挖耕作）,探究黄土微地形不同坡度下SCS-CN模型的λ值和CN值。结果表明5°坡度下,λ=0.2,CN=75.58时模拟效果最佳;15°坡度下,λ=0.15,CN=77.28时模拟效果最佳;25°坡度下,λ=0.1,CN=72.91时模型的模拟效果最佳。λ=0.2这一标准参数值不能满足不同坡度条件下的径流模拟,且随着坡度增加呈现显著的递减趋势。     

模拟降雨条件下黄土区SCS模型的参数率定

开展径流模拟的相关研究,是进行土壤侵蚀预报和水土流失防治的重要基础。SCS模型是较为常用的一种径流计算模型。模型中的两个参数初损率λ和径流曲线数CN对于模型准确计算地表径流有重要意义。通过对杨青川流域22场不同土地利用类型人工模拟降雨资料,应用穷举法对该地区运用SCS模型时初损率和径流曲线数进行了率定。结果表明:(1)在黄土区,运用标准SCS模型模拟人工降雨条件下的径流深有较大误差,且模拟值均偏小1.1~3mm。(2)初损率λ和径流曲线数CN都是模型的敏感性参数,且λ值敏感性更高。(3)运用穷举法的方式进行了各参数的率定后,得到在草地类型,SCS模型最适宜的初损率为0.13,径流曲线数为65;裸地类型最适宜的初损率为0.03,径流曲线数为83。优化后的模型能更好地模拟径流深,均方根误差、相对误差均显著减小,纳什系数有显著增大,能为该地区关于地表径流的模拟计算提供理论参考,具有重要意义。     

梯田对黄土区降雨径流过程的影响及SCS-CN模型应用与改进

梯田改变了流域下垫面,对降雨径流过程势必产生影响,径流曲线模型（Soil Conservation Service Curve Number,SCS-CN）在中国黄土区,特别是梯田分布广泛流域的适用性仍存争议。为此,该研究以位于甘肃天水的罗玉沟流域为研究对象,利用梯田修建前后2个时段（1985-1990年、2000-2010年）的降雨径流实测资料,分析梯田修建对降雨-径流过程的影响,验证SCS-CN模型的适用性,进一步考虑梯田修建的影响针对不同降雨类型分别提出了基于降雨量和平均雨强的模型改进方法。结果表明：1）梯田修建对流域径流过程的影响与降雨强度关系密切。当雨强较小时,梯田显著削减流域洪峰和径流总量,削减幅度均在55%以上;而当降雨量和雨强较大时,梯田削减洪峰和径流总量效果并不显著。总体上,梯田修建后流域平均降雨径流系数显著减小至0.06,减小幅度约54%。2）基于最小二乘法优化与考虑前期土壤含水率修正的SCS-CN模型并不适用于梯田分布广泛流域的径流预报。引入降雨量和平均雨强改进后的模型模拟效果显著提高,此时流域暴雨量级以下和以上降雨事件的初损率分别为0.29和0.02。该研究基于降雨因子改进的模型在梯田分布广泛流域具有一定的适用性,可为流域产流计算及水土保持规划提供参考依据。     

径流曲线法在黄土区小流域地表径流预测中的初步应用

径流曲线法是目前国际上预测无径流观测资料地区降水地表产流的主要模型,由于气候、水文及下垫面的差异,在黄土高原地区的应用受到限制。利用黄土高原地区3个小流域的303场降雨径流资料,针对黄土高原降雨地表径流特点优化模型中的初损率λ,并提出降雨强度修正函数,将降雨强度因子引入径流曲线法。优化后的模型效率E达到0．812,实测径流深与预测径流深的线性回归决定系数R2达到0．822。改进后的SCS．CN模型可用于黄土区小流域降雨地表产流预报,对黄土高原无资料地区侵蚀产流预报、指导水土保持工程配置和设计具有重要的理论和工程实践意义。     

滇池西岸山地区域SCS-CN模型优化

[目的] 模拟计算滇池西岸山洪产流量,为该区面山截洪设施的修建,减少山洪灾害和保护滇池水环境提供科学决策的依据。[方法] 基于SCS-CN产流模型,选取昆明滇池西岸山地区域2019,2020年的33场实测降雨径流数据,通过坡度结合前期影响雨量对CN值进行分级优化设定。采用穷举法对λ进行优化取值。再以2021年的19场实测降雨径流数据验证优化SCS-CN模型的模拟精度及其参数适用性。[结果] ①采用坡度及前期影响雨量分级优化得到的CN值仅适用于降雨量＜30 mm的中小型降雨;对于降雨量≥30 mm的强降雨,需根据场次降雨前5 d的降雨总量采用线性内插法对标准SCS-CN模型中AMC等级进行修改,再确定对应的坡度CN修正值。②适合滇池西岸山地区域中小型降雨和强降雨的最佳初损系数λ值分别为0.15,0.2。③经验证,中小型降雨和强降雨下的NSE值分别为0.852 2,0.797 8,模型合格率分别为93.33%和75%。[结论] 优化的SCS-CN模型用于滇池西岸山地区域＜30 mm的中小型降雨和≥30 mm的强降雨情况下的产流计算是可行的,可为该区地表径流预测及SCS-CN模型的进一步优化提供科学依据和理论参考。     

黄土丘陵区第三副区人工牧草SCS-CN值率定研究

径流曲线数法(SCS-CN模型)是估算地表径流的常用方法,可以快速评估不同地表覆盖对降水径流关系的影响。为探讨径流曲线数法在黄土高原地区人工牧草措施下的适用性,提高植被恢复对黄土高原水资源影响的理解,为黄土高原人工牧草地表径流估算提供理论参考,选取黄河水利委员会天水水土保持科学试验站罗玉沟试验场7个径流小区中73场降雨径流事件资料,采用步长法对黄土高原人工牧草标准SCS-CN模型的径流曲线数(CN)和初损率(λ)进行优化率定。结果表明:(1)人工牧草最优λ值为0.15,而对照农田为0.18;(2)不同种类牧草CN值差异不显著,约为79,对照农田CN值为81,表明美国土壤保持局推荐的CN值对黄土高原人工牧草径流计算具有适用性,但λ值需根据实际情况进行优化率定;(3)根据前期土壤湿度情况修正S值,模拟效果较为理想,修正后的SCS-CN模型适用于黄土高原半干旱人工牧草地区。     

基于改进径流曲线数模型的北京密云坡地径流估算

密云区是北京重要的地表饮用水源地,准确模拟地表径流量,对于分析泥沙和污染物的运移十分重要。近年来,学者们运用径流曲线数(soil conservation service curve number,SCS-CN)模型计算本区地表径流量,但预报精度不理想;未考虑降雨过程和雨强对于产流过程的影响,可能是造成预报误差的重要原因。该文利用密云石匣小流域5个坡面径流小区共201场降雨产流资料,提出次产流径流曲线数计算方法,以改进SCS-CN模型并分析改进后模型模拟效果。结果表明,次产流径流曲线数与多年平均径流曲线数的比值和最大30 min降雨量与次雨量的比值之间呈显著幂函数递增关系,据此提出计算次产流径流曲线数的幂函数方程,以改进SCS-CN模型。当曲线数为0.02时,改进后模型模拟效果最好,效率系数为0.693,明显高于未改进的SCS-CN模型。改进后模型对裸地和耕地的产流模拟效果较好,但对林地的产流模拟效果不理想。今后需在深入分析产流机理的基础上,进一步提出与土壤特性有关的模型参数优化方法。     

动态参数SCS-RF模型在黄土丘陵区小流域产流模拟中的应用

降雨特征对产流过程有重要影响,而SCS(Soil Conservation Service)模型作为产流模拟的工具并未考虑该影响。SCS模型参数的选取直接影响产流过程的模拟精度,而目前在黄土丘陵沟壑区鲜有在率定该模型参数时考虑降雨特征的相关研究。该研究基于王家沟流域及其子流域汛期共计307场降雨-径流数据,通过RF(RandomForest)算法,将降雨特征作为决策树的分裂属性,以此确定模型参数径流曲线数(Curve Number,CN)和初损率,提出动态参数SCS-RF模型,并与未进行参数改进的SCS模型进行对比。结果表明:SCS-RF模型与SCS模型验证集均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为1.06和6.64,纳什效率系数NSE(Nash-SutcliffeEfficiency)分别为0.84和-8.65,且SCS-RF模型在各流域模拟效果均达到良好级别,SCS-RF模型模拟效果明显优于SCS模型。SCS-RF模型在率定参数时考虑了降雨特征对产流的影响,简化了参数率定过程的同时具有良好的地区适用性。流域不同治理措施使得参数分布取值存在明显差异,流域经过水土流失治理后初损率取值均小于标准值0.2。各流域CN与降雨量呈明显的负相关关系,参数与降雨特征(降雨量、30 min降雨强度)的数据分布均有相对明显的集中区域。     

小流域土壤侵蚀动态过程模拟模型

建立流域土壤水蚀预报模型将为小流域综合治理、土地利用规划等宏观决策提供依据,为小流域水土保持效果有效评价提供参考。通过对小流域侵蚀动态过程的分析,在水流连续方程、动量守恒方程及泥沙质量守恒方程基础上,对坡面－沟道及各沟道间土壤侵蚀时空关系进行合理耦合,建立了流域系统土壤侵蚀动态模拟过程模型;采用有限元方法对土壤侵蚀模拟模型进行数值离散,建立了小流域系统数值离散模型;在确定流域时空离散方法基础上,采用VC++语言编制流域水蚀模拟程序;在室内人工模拟降雨条件下,对模型小流域50 mm/h降雨强度,5 min降雨历时情况下土壤侵蚀情况进行模拟,在得到流域内典型点处径流流量、径流含沙量及各沟道流速动态过程的同时,将流域内各沟道出口处模拟结果与测量结果比较,径流流量、径流含沙量、流速模拟精度均高于80%。研究结果表明小流域土壤侵蚀模拟模型的建立是可靠的,模型的数值离散方法及编制的计算程序是完全可行的。这一模型的建立将为小流域土壤侵蚀动态过程的模拟预报及实现由小流域向中大流域的侵蚀动态模拟预报提供一定的理论基础。     

递推关系概化前期产流条件改进SCS模型

降雨径流的精准模拟和预测是开展水资源管理和水土环境质量评价的重要依据之一,但现有SCS模型不能有效表征前期降雨蓄存和消耗对产流的影响,进而限制了其径流预测精度。该文基于潜在初损和有效降雨影响系数形成日有效影响雨量的递推关系,将前期产流条件概化成前期日降雨量对降雨初损的影响函数,从而构建了改进SCS模型。其中潜在初损量明确了产流前流域的最大降雨蓄存潜力和日降雨量的有效影响阈值,而前期有效降雨影响系数则表示了在蒸发蒸腾或渗漏过程作用下前期有效日降雨量的动态消耗。在小区、田间、流域3种排水面积下的模型应用结果表明,改进SCS模型能更准确地预报产流的变化,验证期的确定系数R2和纳什系数NSE比SCS原模型分别提高了27.0%~30.9%和1.0%~78.3%。前期有效降雨影响系数的稳定性较好,两模型的曲线数的拟合值比较一致。该改进SCS模型为更准确预测蒸发蒸腾或渗漏较为剧烈地区的径流提供参考。     

西南岩溶山区水资源可持续利用评价指标选取及权重确定

降雨径流是引起土壤侵蚀的主要动力,因此准确预测不同下垫面条件下的径流量是进行土壤侵蚀预报和水土流失治理的关键.SCS-CN方法是目前国际上预测无径流观测资料地区降水产流的主要模型.利用黄土高原地区6个试验小区的153场径流试验资料,选取3种具有代表性的土地利用方式:谷子、苜蓿和高粱,对SCS-CN方法在黄土高原的适应性进行了初步检验,优化出了适应黄土高原地区3种土地利用方式的模型参数.结果表明,优化后的模型参数对降雨径流的预测精度明显优于标准SCS-CN法;优化后的λ值为0.01,优化的谷子、苜蓿和高粱地CN2 值分别是74,74,72.     

基于支持向量机回归的次降雨小流域侵蚀产沙预报研究——以晋西王家沟为例

基于次降雨小流域侵蚀产沙过程的复杂性、非线性，利用支持向量机回归和主成分分析方法，确定了影响次降雨小流域侵蚀产沙量的关键因子，包括浑水径流深、洪峰最大流量、降雨量和30min最大降雨强度。建立了向量机回归支持下的次降雨小流域侵蚀产沙预测模型。利用60次侵蚀产沙实测资料，对模型预报精度进行了分析，结果表明，基于支持向量回归的次降雨流域侵蚀产沙预报模型具有较好的预测精度，预测精度平均为在86％。该研究为揭示次降雨小流域土壤侵蚀规律提供了新的途径和方法。     

SCS-CN模型在巢湖流域地表产流估算中的应用

降雨径流是引起土壤侵蚀的主要动力,因此预测不同降雨及下垫面条件下的径流量是土壤侵蚀预报和水土流失治理的关键。应用美国原水土保持局开发的流域水文模型SCS-CN模型对巢湖流域降雨—径流过程进行模拟。在ArcGIS 9.2软件支持下,估算2002—2006年巢湖流域地表年径流量并分析了不同土地覆被类型的产流状况。结果表明,巢湖流域地表降雨径流年际变化较大,径流量变化范围为591.323～1 557.136mm。不同土地覆被类型产流能力依次为:城镇用地>水田>未利用地>旱地>农村居民点>草地>林地>灌木林。     

黄土高原小流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型研究

建立具有广泛适用性的流域尺度侵蚀产沙预报模型是土壤侵蚀和水土保持研究的前沿领域。本文以黄土高原丘陵沟壑区第一副区岔巴沟流域为例,建立了流域侵蚀产沙人工神经网络模型,并运用缺省因子检验法分析各因子对流域侵蚀产沙的敏感程度;建立了基于敏感因子与分形信息维数的流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型,并加以验证。研究表明,人工神经网络模型具有较高的精度,能够很好地定量描述流域水沙耦合关系;径流侵蚀功率和径流深对流域次降雨侵蚀产沙的敏感程度与流域地貌形态的复杂程度有关;以分形信息维数为界限,分段引入径流侵蚀功率和径流深,当Di0.8308时,采用径流侵蚀功率预测精度要高于采用径流深的预测精度,当Di0.8140时,采用径流深预测精度要高于采用径流侵蚀功率的预测精度。该侵蚀产沙分段预报模型的建立和方法的提出具有一定的合理性和可靠性,对其他侵蚀产沙模型有一定的借鉴之处。     

小流域非点源污染模拟与生态修复影响评价

[目的]基于各流域场次降雨径流过程和非点源污染负荷模拟分析,评价小流域生态建设对密云水库流域水文过程和污染防控效果影响,为水源地保护、流域山水林田湖一体化修复和生态环境建设提供科学依据。[方法]以北京市重要饮用水源地密云水库上游蛇鱼川小流域为研究对象,利用EcoHAT-LCM模型和传统大尺度非点源污染模型相结合的模式进行模拟分析,并设置情景,分析评价小流域生态建设效果。[结果]随着场次雨量的增加,吸附态N,P负荷占污染负荷总量的比重在逐渐增加,溶解态N,P负荷占污染负荷总量的比重在逐渐减少。小流域内居民点具有小城镇级别的垃圾处理率和垃圾入网率时,农村生活N,P污染负荷可以削减28%;减少经济林的现有施肥量,农业生产活动的N,P污染负荷能够削减43.9%和48.9%。[结论]研究区域不同频次暴雨对吸附态N,P负荷的影响大于对溶解态N,P负荷的影响。生态修复措施对N,P污染负荷削减作用显著。     

红壤区小流域次降雨产流产沙因素分析及模型构建

[目的]探索南方红壤区小流域降雨因子对产流产沙的影响及定量关系,为治理区域水土流失、优化水土资源利用提供参考。[方法]基于南方红壤区广东省五华县乌陂河和福建省长汀县朱溪河小流域3a自然降雨观测资料,采用回归及通径分析等因子分析法研究次降雨对径流泥沙的影响,构建次降雨径流泥沙计算模型。[结果](1)回归和通径分析结果基本一致:次降雨量、历时、最大30min雨强以及次降雨量与历时交互作用是次降雨径流的关键影响因子;次降雨量、雨强、最大30min雨强、降雨侵蚀力以及次降雨量与雨强交互作用是次降雨产沙模数关键影响因子。(2)多元线性回归模型可较为准确和定量地反映2个小流域次降雨各因子与径流泥沙动态变化关系。(3)利用Excel函数随机选取乌陂河流域25组数据和朱溪河流域23组数据验证模型,结果显示计算径流泥沙数据与实测数据的相关性非常显著(p0.05),其中乌陂河产沙模数模型的相关性最为紧密,相关系数为0.950。[结论]多元线性回归模型是乌陂河和朱溪河流域主要降雨因子对径流泥沙定量影响的最佳模型。显著性检验结果表明,该模型达到了极显著水平。