径流曲线法在东北半干旱区几种土地利用方式径流估算中的应用与改正

探讨径流曲线法(SCS—CN法)在不同土地利用方式中的适用性,为该方法评价水保措施提供一定参考。选择东北半干旱区径流小区监测资料,采用同时率定径流曲线数(CN)与初损率(λ)的方法,分析SCS—CN法在评价水保措施与耕作方式的可行性。结果表明:(1)干旱情况下(AMC1),最优λ值为0.05时,不同土地利用方式模拟不理想;利用改正潜在蓄水能力(S)方法得到的裸地、等高沟垄和顺坡垄作结果较为理想,对应CN1值分别为87.54,68.49和60.46,最优λ值为0.40。(2)水平槽、地埂植物带和水平梯田结果不理想,当实测径流量>10mm时,计算值过大,利用径流系数比改正后,模拟精度有较大提高,是适合水保措施的改正方法。(3)正常(AMC2)与湿润(AMC3)情况下数据量有限,保持最优λ值不变,改正S值,模拟效果较为理想,是适合干旱地区的估算方法。     

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。     

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。     

SCS模型在贵州省毕节市石桥小流域坡面产流模拟中的应用

[目的]研究喀斯特地区径流形成规律,得到适合研究区的SCS(space cooperation system)模型参数取值。[方法]利用野外径流小区观测获得的径流数据与降雨资料,对研究区的降雨进行雨型分类,并利用SCS模型进行坡面产流模拟。[结果](1)根据降雨随历时的分配可将研究区的降雨雨型分为4类,即前期型(Ⅰ类)、中期型(Ⅱ类)、后期型(Ⅲ类)以及均匀型(Ⅳ类)。(2)基于SCS模型对研究区坡面径流进行模拟时,初损系数λ取值多为0.01,0.05,远小于λ=0.2的取值。(3)随着坡长的增加,前期型降雨、中间型降雨和后期型降雨的CN(curve number)值变幅较小,均匀型降雨的CN值呈现增加的趋势。随着坡度的增加,前期型降雨和中期型降雨的CN值呈现减少的趋势,后期型降雨和均匀型降雨的CN值增幅不大。[结论]基于SCS模型得到的模拟径流量与实测径流量之间的相关系数和模型效率系数都较高,具有较好的模拟效果。     

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。     

垄沟集雨对紫花苜蓿草地土壤水分、容重和孔隙度的影响

在旱作条件下, 将垄沟集雨措施应用于紫花苜蓿种植, 研究沟垄宽比和覆膜方式对2年龄紫花苜蓿草地土壤水分状况、土壤容重及孔隙度的影响。结果表明: 全越冬期, 膜垄和土垄处理0~120 cm土壤水分平均散失量分别低于CK(平作)28.43 mm和13.61 mm。膜垄处理整个集雨期的蓄墒增加率为59.03%~99.27%, 产流效率为53.43%~91.72%; 2009年集雨前期(4月上旬~6月上旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率分别为1.92%~2.74%和1.71%~2.55%, 2009年集雨中后期(6月中旬~9月下旬)土垄处理的蓄墒增加率、产流效率较集雨前期显著升高, 分别为8.85%~36.77%和8.01%~35.82%; 膜垄和土垄处理的蓄墒增加率、产流效率均随垄面宽度增加而显著增加, 且膜垄的蓄墒增加率、产流效率显著高于土垄处理。垄沟集雨种植能够显著降低0~40 cm土壤层容重, 且0~20 cm土壤层容重降幅表现为膜垄大于土垄。垄沟集雨种植也能够显著增加0~40 cm土壤层孔隙度, 且0~20 cm土壤层孔隙度增幅表现为膜垄大于土垄。     

生物炭覆盖垄沟集雨种植对集雨垄径流、土壤水热和红豆草产量的影响

为探索半干旱黄土高原区垄沟集雨种植的可持续性,寻求垄沟集雨种植红豆草的适宜生物炭覆盖类型和最佳垄宽,采用随机区组大田试验,以传统平作为对照,研究不同集雨垄覆盖材料[土壤结皮(土垄)、玉米秸秆炭土壤结皮(玉米秸秆垄)和牛粪炭土壤结皮(牛粪炭垄)]和不同垄宽(30 cm、45 cm和60 cm,沟宽均为60cm)对径流系数、土壤水热、红豆草干草产量和水分利用效率的影响。结果表明:土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的平均径流系数分别为29.7%、26.2%和25.1%。垄沟集雨种植增加根系层土壤含水量和垄上表层土壤温度,缓和沟中表层土壤温度极值,尤其生物炭覆盖垄沟集雨种植。与传统平作相比,土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的土壤含水量分别增加25.1mm、24.7mm和19.4mm,垄上表层土壤温度分别增加1.4℃、2.0℃和2.0℃。同一覆盖材料下,集雨垄径流系数、土壤贮水量和表层土壤温度均随垄宽增加而增加。与传统平作相比,土垄显著降低实际干草产量,玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄显著增加实际干草产量,垄宽30cm、45cm和60 cm土垄的干草产量分别减少6.5%、12.1%和13.8%,玉米秸秆炭垄的干草产量分别增加19.7%、24.4%和22.5%,牛粪炭垄的干草产量分别增加8.0%、8.9%和6.8%。玉米秸秆炭和牛粪炭覆盖种植显著提高水分利用效率。与传统平作相比,玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的水分利用效率分别提高6.8～9.7 kg·hm~(-2)·mm~(-1)和4.4～4.8kg·hm~(-2)·mm~(-1)。玉米秸秆炭垄的实际干草产量和水分利用效率显著高于牛粪炭垄;同一覆盖材料下,不同垄宽对实际干草产量和水分利用效率的影响不显著。线性回归分析表明,当玉米秸秆炭垄宽49 cm (沟宽为60cm)与牛粪炭垄宽为41 cm (沟宽为60 cm)时,红豆草的实际干草产量均达到最大值。因此,在半干旱地区,生物炭覆盖垄沟集雨种植红豆草具有较好的增产效益,尤其秸秆生物炭覆盖种植。     

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。     

SCS模型在红壤土坡地降雨径流量估算中的应用

由于地区间的CN参数差异很大,导致运用SCS模型计算降雨径流时不同使用主体的主观性太强。为了获得适合红壤地区的CN参数,利用江西省德安县燕家沟流域观测小区2001-2003年的降雨径流资料反算CN。然后通过SPSS软件对降雨量与CN参数进行回归模拟,得到不同小区的CN模拟函数。最后利用2004年的降雨径流数据对模拟结果进行检验,得到了可信度较高的结果,同时说明了SCS模型估算红壤土流域径流量的可行性。     

旱作农田沟垄微型集雨结合覆盖玉米种植试验研究

田间沟垄微型集雨结合覆盖技术有效地利用了膜垄的集水和沟覆盖的蓄水保墒功能,改变了降雨的时空分布,使降雨集中富集在种植沟中,显著地提高了降水的利用效率,特别是小雨的利用率。研究结果表明:土垄的平均集水效率为7% ,而垄上覆膜后集水效率为87% ,膜垄能产生径流的最小降雨量为0 8mm。田间沟垄微型集雨结合覆盖技术能提高土壤贮水量,增加玉米的产量。垄上覆膜结合沟覆盖处理玉米产量比平地增加2 339～5 2 97kg/hm2 (44 %～14 3% ) ,水分利用效率基本都在2kg/m3 以上。     

流域土地利用变化对径流的影响

美国农业部开发的SCS水文模型可以定量反映土地利用/土地覆被变化对径流的影响,是应用较广的模型之一。在GIS支持下,以1965年西双版纳地形图及1988、2003年两期Landsat TM/ETM卫星影像获取的土地利用数据及实地土壤调查资料确定模型参数(CN值),通过分析CN值的变化来反映土地利用变化对径流的影响。研究结果表明,从1965~2003年,土地利用变化使流域径流系数增大,其中旱地、水田、有林地和草地的变化对流域径流的影响较大;人类活动逐渐向水文土壤条件较差的区域扩张,这种土地利用变化趋势使流域CN值增大,下垫面产流能力增强;人类活动干扰程度大的土地利用类型面积增加,这些土地利用方式对流域径流的影响越来越大。流域水田和水域面积减少,对流域径流的调节能力下降,势必影响到流域的水文循环。     

An improved method that incorporates the estimated runoff for peak discharge prediction on the Chinese Loess Plateau

An accurate prediction of peak discharge in watersheds is critical not only for water resource management, but also for understanding the complex relationships of hydrological processes. In this study, a modified peak discharge formula based on the Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems (CREAMS) model was developed by introducing rainfall intensity and soil moisture factors. The reliability of the proposed method was tested with data from 1464 storm events in 41 watersheds and was applied to 256 storm events in five remaining typical watersheds using the optimized parameters. The results indicate that the proposed method is highly accurate in terms of model efficiency, as determined by Nash–Sutcliffe efficiencies (NSEs) of 88.60%, 74.04%, and 90.12% during the calibration, validation, and application cases, respectively. Furthermore, it performed better than the original and modified CREAMS methods. Subsequently, using the parameters derived from the initial 41 watersheds and the runoff estimated using the modified Soil Conservation Service curve number (SCS–CN) method, the proposed method was used to predict the peak discharge from the last five typical watersheds. Large NSE (63.88–80.83%) and low root mean square error (RMSE) values (0.31–35.93 m³s^-1) were obtained for the five watersheds. Overall, the proposed peak discharge model, combined with the modified SCS-CN method, may accurately predict event-based peak discharge and runoff for general applications under various hydrological and geomorphic conditions in the Loess Plateau region.     

人工生物土壤结皮特性及其集雨潜力的研究

为探讨在太行山半干旱区利用人工土壤生物结皮进行集雨的潜力和可行性,以自然生长的生物土壤结皮为种子,通过培育建立人工土壤生物结皮和生物结皮集雨,对人工土壤生物结皮建成后土壤物理性状、渗透率的变化及人工生物结皮集雨面的集流效率进行了研究。结果表明,人工土壤生物结皮与自然生长的生物结皮一样,可显著改变土壤的颗粒组成,使0~1 cm表层土壤的小颗粒物质含量增加、大颗粒物质减少,但对0~5 cm的土壤容重影响不显著。对土壤入渗速率的测定结果表明,人工培育的土壤生物结皮具有降低入渗速率的作用,与自然土壤相比,生物结皮的土壤初始入渗速率和稳定入渗速率分别下降59.1%和44.4%,达到稳定入渗的加水量也减少50.0%。人工营建的生物结皮集雨面的平均集雨效率达60.86%,与自然土面相比,提高23.0%。对集雨面效益分析表明,生物结皮集雨面不仅具有较高的集雨效果,且使用年限较长,并具有明显的减少地表径流沉积物含量,提高土壤抗蚀性的作用。综上结果可以看出,人工土壤生物结皮是一种极具潜力的绿色环保型集雨材料。     

SWAT模型在黄土丘陵区燕沟流域的应用研究

SWAT是基于物理机制的分布式水文模型,能够准确地模拟及预测不同下垫面的径流量。应用SWAT模型对黄土丘陵区燕沟流域2002—2008年逐月径流量进行了模拟。结果表明,模拟率定期和验证期的Nash—Sutticliffe效率系数分别为0.76和0.81,相关系数r2分别为0.79和0.80。模型模拟精度高于评价标准(模拟效率Ens>0.5,r2>0.6),说明SWAT模型适用于黄土丘陵区小流域,模拟效果很好,可以用来监测预报黄土丘陵区的汛情,具有很强的实用性。     

人工集水面降雨径流观测实验研究

野外降雨径流观测实验研究表明 :土质集水面 (自然黄土坡面、清除杂草自然黄土坡面和夯实集水面 )的降雨产流方式为超渗产流 ,受降雨强度的影响大 ,径流的产生主要是由几次高强度的暴雨引起。此类集水面的年平均集水效率在 7.4%～ 35 .5 %之间 ,因此 ,增大集水区面积是保证土质集水面收集到更多雨水的基本途径。油毡、沥青和混凝土处理集水面的产流过程受降雨量和降雨强度的影响小 ,年平均集水效率在 5 0 %～ 80 %之间 ,但投资成本较高 ,其雨水利用方向是和设施农业相结合 ,修建固定集水面 ,发展高投入高产出农业。塑料膜集水面一次性投入低且平均集水效率较高 ,但寿命较短 ,建议利用简单临时性的移动塑料集水面收集雨水以供大田作物缺水期补灌。     

SCS模型在干热河谷区坡面产流模拟中的应用

 为探索干热河谷泥石流多发地区的降雨产流机制,选择地处云南省东北部干热河谷区的蒋家沟流域,利用径流小区野外双环下渗试验的结果,确定径流小区中各土壤水文类型,根据蒋家沟实际情况,用前期影响雨量代替前5d降雨总量来确定各径流场中土壤的前期湿润程度,然后利用实际观测的5次降雨—径流资料,运用SCS模型对5个不同土地利用类型的径流小区进行降雨产流模拟,通过校正初损Ia和CN参数,得到模拟结果。结果表明,与实测资料相对比,各次降雨中模拟的径流量与实测值的误差平均值分别为4.32%,5.30%,9.59%,7.99%,5.26%,可信度较高,说明SCS模型可以应用于干热河谷区坡面降雨产流的估算,研究成果可为该地区降雨—径流模型提供参考。