面向地表过程模拟的降雨径流模型开发与应用

降雨径流是流域地表过程的主要驱动力,是众多地表模型的基础。该文在充分考虑流域气象及下垫面等要素空间异质性的基础上,提出了一个面向地表过程模拟的、基于DEM的分布式次降雨径流模型。模型将流域离散为栅格计算单元,并按水流特性将栅格划分为坡面单元和河网单元;模型考虑了降雨、植被截流和入渗等产流过程,利用运动波分级汇流的方式进行汇流演算。模型在江西躁口水流域进行了检验和应用。结果表明：该模型模拟的流量过程精度较高;模拟的径流深度及径流搬运力的空间分布符合水文规律。模型结构简洁、参数较少,具有较好的实用价值;为土壤侵蚀及非点源污染等以流路为基础的复杂地表过程研究奠定了基础。     

降雨空间分布不均匀性对流域径流和泥沙模拟影响研究

对降雨空间分布变化的不完全理解，以及缺乏足够的数据来描述降雨的空间分布．阻碍了分布式水文模型的发展。以黄河下游洛河卢氏水文站以上流域为研究区．在GIS技术支持下．采用目前分布式水文模型中应用广泛的Thiessen多边形法确定降雨空间分布，选取分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessnlent Tools)研究降雨空间分布不均匀性对流域径流和泥沙模拟的影响。结果表明雨量站密度、雨量站分布和降雨空间分布变化均对模拟结果产生了较大影响．这在一定程度上限制了分布式水文模型的应用和参数识别。此外，Thiessen多边形法对面雨量的估算结果是令人满意的，但对降雨空间分布的描述能力较差。     

流域尺度根区蓄水能力估算及其对气象要素敏感性分析

根区蓄水能力(SR)在水文模拟、土壤水分运移以及植被生长发育等方面具有十分重要的作用。为对其进行流域尺度的估算,选取太子河上游南甸(峪)流域作为研究区,利用水量累积曲线法(mass curve technique,MCT)估算SR,基于流域出口水文站月径流深,对耦合了融雪模块的概念性水文模型FLEX进行参数率定,获取土壤蓄水能力Su Max,并与MCT的估算结果进行交叉验证。在此基础上设定不同气候情景,分析SR对降雨、融雪、蒸散发的敏感性。结果表明:1)改进的FLEX水文模型可用于模拟研究区径流,获得代表研究区土壤蓄水量多年平均水平的参数Su Max值为27 mm;2)水量累积曲线法得到的多年SR值服从耿贝尔(Gumbel)分布,且FLEX模型获得的根区蓄水能力检验了水量累积曲线法的估算结果;3)SR随蒸散发、降雨和融雪变化的曲线斜率分别为1.37、0.73和0.37,说明SR对蒸散发、降雨和融雪的敏感程度依次减弱,随着蒸散量增加、降雨量减少的幅度增大,敏感程度增强,融雪的增大或减少对SR的影响相近。研究结果为流域尺度根区缺水状况估算及维持植被系统生长发育提供一定依据。     

概念性土壤侵蚀模型的建立及在紫色土小流域的应用

概念性土壤侵蚀模型在描述流域基本过程的同时对参数要求较低,现有概念性模型中计算产沙所需参数主要靠律定或借鉴经验值。该文介绍了1个无需流域出口产沙量长序列观测资料来律定且能适用于研究流域的概念性土壤侵蚀模型。模型中引入了分布式水文模型WetSpa Extension作为水文模块,结合流域内试验小区上建立的流量—产沙量经验关系计算侵蚀量,再结合泥沙输移比构建起产沙模块。通过在紫色土地区小流域的应用表明,模型能够得到较合理的流域出口产流量、产沙量以及侵蚀率的空间分布等模拟结果,在没有试验小区的邻近流域地区也具有推广性,且能作为评价水保措施效益的有力工具。该概念性模型对于流域出口泥沙资料稀少的地区具有很高的应用价值和协助流域管理的 潜力。     

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。     

汾河上游流域分布式水文模型的构建

根据汾河上游流域的水文特性,采用以坡度、坡向为主要因素,按照集水区自然分水线划分子流域的流域离散方法,将SCS产、汇流模型与马斯京根法结合用于计算该地区的径流过程,建立了适于该地区,基于流域尺度的次降雨-径流分布式水文模型.选用该地区的典型流域--岚河流域与分布式模型耦合,进行模拟.经实测资料与模拟结果的分析比较,结果表明,该模型具有一定的精度,径流量合格率及汇流合格率分别达到70%和80%,且计算流量过程与实测流量过程吻合较好,所建模型基本适用于该地区的降雨一径流计算.     

SCS模型在泥石流多发区降雨—径流模拟中的应用——以云南省蒋家沟流域为例

基于云南省蒋家沟流域的DEM,根据流域地貌,利用地理信息系统软件划分流域子单元,在此基础上利用蒋家沟土地利用类型、土壤类型等地理信息数据和流域水文、气象资料,根据SCS模型CN值标准表,提出适合各子流域产流计算的CN值,绘制出了蒋家沟流域次降雨的CN值分布图,进而应用SCS产流模型和等流时线法对云南省蒋家沟流域的降雨一径流过程进行了模拟.模拟结果表明,与有限的实测资料相比较,模型的模拟精度在90%以上,模拟结果较为满意,说明基于CN值的SCS模型可以应用于蒋家沟流域,同时模拟的径流过程可以弥补实测资料的不足,为蒋家沟流域分布式水文模型的建立提供理论依据和研究方法.     

基于DEM和SCS模型的四川盆地丘陵区局地径流研究

人类活动对产流的影响是水文科学研究的热点,如何采取有效的方法利用表面径流成为解决水资源危机的关键问题。以重庆市忠县拔山镇3个村为研究区,基于土地利用、土壤、降雨等信息,应用SCS模型对四川盆地丘陵区局地径流进行计算和分析。研究区径流空间分布与下垫面土地利用类型和土壤类型密切相关,下垫面单一的水域和裸地所形成的径流量大,而有作物的水田和旱地所形成的径流量较小;研究区径流年内分配相对集中,主要产生在4月至10月,占全年的90%以上,但整体上看,径流与降雨呈现一致性趋势;研究区年际径流量分布不均,呈现丰、枯水年交替变化的现象,年径流变差系数Cv值较小。研究结果还表明:SCS模型所需参数较少,并考虑了径流与土壤特性和土地利用情况的关系,是一种简洁且实用的径流计算方法;利用GIS软件,可使局地径流数据图像化,这使径流等水文过程更加简明和直观。因此,利用GIS等软件分析研究各个集水区径流的时空变化等规律,可为研究各个集水区内农业水资源布局等提供方法和参考,实用性和可操作性强。     

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。     

分布式流域产流数学模型的研究

基于流域下垫面各个因子空间分布不均匀的特点 ,开发出一个参数分布式流域产流模型 ,将流域划分为一系列网格单元 ,采用连续方程计算每一网格单元的反映。模型可与地理信息系统连结 ,以获取网格单元的地理信息 ,可视化地显示和分析各单元格的基本情况以及对降雨径流的关系。采用此模型对陕西镇巴县的黑草河小流域进行了模拟 ,模拟结果与实际的洪水过程符合良好。     

Three geomorphological rainfall–runoff models based on the linear reservoir concept

Three geomorphological models, based on linear reservoirs cascade, are developed; two of the models are unit hydrograph (UH) models and one contains a non-linear routing approach. In the first UH model, each sub-basin is represented as a cascade of equal linear reservoirs (Nash's model) which directly discharges to the watershed outlet through a linear channel. In the second UH model each sub-basin is represented as a linear reservoir arranged in a sequence based on the drainage network. For both unit hydrograph models, parameters are explicitly derived, which make the models simple and applicable for real world problems. In the third model, output hydrographs of the sub-basins are calculated by the Nash model but with consideration of geomorphological properties of the sub-basins. Then, the obtained hydrographs are routed through the main channel using a non-linear kinematic wave model. Combination of the kinematic wave routing model (a non-linear routing model) and the Nash model (a linear lumped model) makes this third model more appropriate for runoff modeling.Two important properties of these three models are that they consider the effect of watershed geomorphology and include only one parameter which can be estimated using observed rainfall–runoff data. GIS tools are used for determining the watershed geomorphological parameters. The results of these models are compared with the Nash's black box and the geomorphological SCS models for the Amameh watershed, Iran. Although the results show that the proposed models yield good efficiency in rainfall–runoff modeling, the semi-distributed routing ability in the second and third models produces better results.     

黄土高原小流域水土保持林空间配置对场降雨径流影响的模拟

合理的水土保持林空间配置是黄土高原植被恢复和水土保持功能持续提高的关键。在对HEC-HMS分布式水文模型参数进行率定的基础上,探讨该模型在黄土高原小流域中的适用性,模拟水土保持林覆被率以及水土保持林空间配置对场降雨径流的影响。结果表明：HEC-HMS分布式水文模型在黄土高原小流域中的应用效果良好,径流系数、洪峰流量均随森林植被覆盖率的增加而减少,随着水土保持林覆被率的提高,流域对高强度暴雨的调控能力将得到极大的提高;当水土保持林位于流域的上游、中游时,场降雨的径流量、洪峰流量均降低,水文调节效果较好。因此,在干旱的黄土高原应该适度造林,在小流域中配置水土保持林时,应该配置在上中游。     

四川紫色土地区典型小流域分布式产汇流模型研究

针对日益加剧的四川紫色土地区水土流失情况，为定量分析紫色土地区小流域水土流失程度，选取四川省南部县鹤鸣观小流域为研究区，在蓄满产流模型的基础上，构建了适合紫色土地区小流域分布式产汇流模型。该模型以地块为计算单元，在每个地块上输入参数，然后依据流域产汇流机制计算每个地块的产汇流量，并用递归算法将计算结果推算到流域出口，得到流域径流总量。该模型能评价流域下垫面各因子空间分布不均匀性和人类活动的影响，模拟每个地块次降雨产汇流过程。在鹤鸣观小流域进行了模型的检验与应用，模拟过程与实测结果符合较好。该研究为四川紫色土地区水土保持治理提供了科学依据。     

岔巴沟流域汛期径流模拟及地表产流特征分析

气候变化是影响流域水文循环过程的重要驱动因素,近年来,气候变化导致极端降雨—径流事件的频繁发生对人类社会经济发展构成了严重的威胁。因此,迫切需要开展流域水文模拟和产流特征分析。土壤和水评估工具(SWAT)是一种具有物理机制的分布式水文模型,已被广泛用于评价变化环境下的水文过程。以黄土高原岔巴沟流域为研究区,通过利用与黄土高原地区产流模式更为接近的Green-Ampt下渗法驱动SWAT模型模拟了岔巴沟流域日尺度的水文过程,并以水文响应单元为分析对象,结合4个降雨—径流事件的地表产流量和地表径流系数分析了降雨强度和前期土壤含水量对不同土地覆被产流特征的影响。结果表明：(1)基于Green-Ampt下渗法驱动的SWAT模型率定期和验证期E_NS为0.76,0.74,R²为0.78,0.75,模型能够较好地模拟日尺度流域水文过程;(2)流域不同土地覆被下地表径流系数随最大雨强的增加呈显著上升趋势,且最大降雨强度大于16 mm/h后地表径流系数显著增加,当土地覆被为耕地时降雨转化为地表径流的比例最大,其次为草地和林地;(3)前期土壤含水量的大小可以揭示大...     

流域次降雨侵蚀产沙的BP神经网络模拟

在分析黄土高原韭园沟流域多年观测资料的基础上,应用BP神经网络建模方法,建立了流域次降雨侵蚀产沙的神经网络模型。通过输入模型变量流域次降雨量、平均降雨强度、径流深和洪峰流量模数,对流域次降雨侵蚀产沙量进行了训练和预测。预测结果表明,所建BP神经网络模型预测精度较高,可近似揭示复杂非线性流域次降雨侵蚀产沙系统的产沙规律,为建立较高预报精度的黄土高原流域次降雨侵蚀产沙预报模型提供了依据。     

基于分布式水文模型的嘉陵江流域氮磷非点源污染负荷预测

为研究在大尺度流域上以降雨径流为载体的非点源污染,以基于土地利用的分布式水文模型(SLURP Hydrological model)为基础,提出氮磷负荷预测模型及未来气象参数和土地利用分布图的构建方法.就嘉陵江流域土地利用、畜禽养殖和农业人口未来变化产生的总氮与总磷的月负荷量进行模拟和预测分析.结果表明,预测年降雨径流...     

基于地理信息的SCS模型及其在黄土高原小流域降雨-径流关系中的应用

基于土地利用、土壤类型等信息数据和流域水文、气象资料，应用美国农业部水土保持局研制的小流域设计洪水模型-SCS模型对王东沟流域径流过程进行了模拟。按照集水区自然分水线划分流域子单元，并提出了适合该流域产流计算的CN值表。结果表明，模型所模拟的径流过程与实测径流过程具有较好的一致性，模拟精度在75%以上，说明模型在参数的确定上较为合理，可以应用于黄土高原典型流域，为建立分布式水文模型对流域进行生态水文综合评价提供了科学方法。     

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。     

SCS-CN模型在具有高空间异质性小流域径流预测中的应用

For reasons of simplicity, the most commonly used hydrological models are based on the Soil Conservation Service Curve Number (SCS-CN) model, which is probably a good choice for the estimation of runoff on the Loess Plateau of China; however, the high spatial heterogeneity, mainly caused by a fragmented landform and variations in soil type, may limit its applicability to this region. Therefore, applicability of the SCS-CN model to a small watershed, Liudaogou on the plateau, was evaluated and the most appropriate initial abstraction ratio (Ia/S) value in the model was quantified by the inverse method. The results showed that the standard SCS-CN model was applicable to the estimation of runoff in the Liudaogou watershed and the model performance was acceptable according to the values of relative error and Nash-Sutcliffe effciency. The most appropriate Ia/S value for the watershed was 0.22 because with this modified Ia/S value, the model performance was slightly improved. The model performance was not sensitive to the modification of the Ia/S value when one heavy rainfall event (50.1 mm) was not considered, which implied that the model, using a standard Ia/S value, can be recommended for the Liudaogou watershed because single rainfall events exceeding 50 mm seldom occurred in that region. The runoff amount predicted for the Liudaogou watershed by the SCS-CN model, using the modified Ia/S value, increased gradually with increasing rainfall when rainfall values were lower than 50 mm, whereas the predicted amount increased rapidly when the rainfall exceeded 50 mm. These findings may be helpful in solving the problem of serious soil and water loss on the Loess Plateau of China.