SCS模型在干旱半干旱区小流域径流估算中的应用

SCS模型是一个只需查与前期降雨量、土壤类型和土地利用方式相关的参数CN(Curve Number),就可计算径流量的模型。但是地区间CN值差别很大,很难获得适合本地区的CN值。利用定西安家沟流域小区1986～1988年的降雨径流观测数据反算CN,然后在统计软件,SPSS下利用逐步回归和曲线模拟函数模拟CN与降雨量、前5天降雨量和坡度的关系,最后得出不同土地利用方式下CN与上述三个因素的关系,并得出相应的模拟曲线。利用1989年的降雨径流时间对模拟结果进行检验。证明得到了较好的结果。     

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。     

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。     

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.     

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。     

基于SCS模型的新疆博尔塔拉河流域径流模拟

为探索SCS(soil conservation service)模型在干旱区地表径流模拟中的适用性,以新疆博尔塔拉河上游温泉流域为例,利用2013年融雪期18场次降雨量、日径流量及卫星同步观测基础数据,基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表温度-植被指数特征空间反演土壤水分等方法,探索适用于流域尺度耦合降雨、积雪融水混合补给径流的SCS模型参数改进算法,采用国产"高分一号"16m分辨率遥感影像和landsat8 OLI 30m多光谱遥影像为模型提供面状数据。分别利用参数算法改进后SCS模型与原SCS模型进行径流模拟,前者模拟值较后者更接近实测值,二者模型验证期Nash效率系数分别为0.66和0.38,相对误差系数分别17%,27%;研究结果表明,利用遥感反演地表参数,结合土壤饱和含水量计算SCS模型参数的方法在面积大且数据缺乏的温泉流域具有可行性和实用性。     

SCS模型在鲁中南丘陵区典型林分中的优化及应用

SCS模型是世界范围内应用最为广泛的地表径流估算方法,准确率定径流曲线数(CN)是保证该模型高精度模拟结果的基础。以鲁中南丘陵区药乡小流域2016—2018年降雨和径流实测数据为基础,以赤松(Pinus densiflora)和刺槐(Robinia pseudoacacia)径流小区为研究对象,引入雨前土壤含水量(MC)(0～20 cm)、林下植被盖度(UC)和枯落物厚度(LD),结合多元线性回归模型,构建能够反映下垫面整体环境的CN值估算方法,据此优化形成SCS-CN_R模型,探究标准SCS模型和SCS-CN_R模型的在不同林地中的适应性,并探讨CN值对同一土地利用类型不同下垫面情况的响应。结果表明:(1)标准SCS模型在两种林地中的应用效果均较差,各项模型评价参数均较大程度偏离理想值;(2)SCS-CN_R模型在率定期内的CN值分别为62.17(刺槐)、56.32(赤松),在验证期内的CN值分别为61.57(刺槐)和55.14(赤松),相较于标准SCS模型明显减小,且SCS-CN_R模型在两种林地中的应用效果均优于标准SCS模型;(3)总体而言,SCS-CN_R模型在刺槐林地中的应用结果优于赤松林地。研究成果可为鲁中南丘陵区地表径流模拟及SCS模型进一步的改进提供科学依据和理论参考。     

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。     

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.     

基于修正SCS-CN模型集雨垄径流预测

为了探寻半干旱区垄沟集雨种植控制水土流失和增产的机理,利用前2年(2012—2013年)日降雨量、实测径流和修正SCS—CN模型,率定集雨垄的径流模型参数CN、λ和α,然后利用后3年(2014—2016年)日降雨量和实测径流资料检验该模型有效性,预测不同覆盖材料(土壤结皮、生物可降解地膜和塑料地膜)和不同垄宽(30,45,60 cm)集雨垄的径流量。结果表明,土壤结皮覆盖集雨垄、生物可降解膜覆盖集雨垄和塑料地膜覆盖集雨垄的CN取值范围分别为82.0~82.9,97.9~98.8,98.3~99.9,λ取值范围分别为0.045~0.071,0.251~0.327,0.189~0.213,α取值范围分别为2.35~2.89,4.21~4.82,3.32~3.99。通过对模型有效性进行评价,土壤结皮覆盖集雨垄、生物可降解膜覆盖集雨垄和塑料地膜覆盖集雨垄的平均相对误差取值范围分别为1.36%~3.41%,1.21%~3.42%,2.48%~5.42%,纳什效率取值范围分别为0.97~0.98,0.97~0.98,0.96~0.98。日降雨量等级对修正SCS—CN模型参数CN、λ和α的影响不明显,不同覆盖材料之间的CN、λ和α差异远大于不同垄宽之间的CN、λ和α差异。修正SCS—CN模型集雨垄径流预测的相对误差满足要求(≤20%),可信度较高(纳什效率≥0.95),可以用于半干旱区集雨垄的径流预测,为控制水土流失和提高降水利用效率提供科学方法。     

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。     

基于栅格的分布式SCS产流模型研究

利用基于栅格分布的土地利用类型和土壤类型,构建了一个基于栅格的分布式SCS产流模型,该改进模型能够较好地考虑流域下垫面的空间分布及降雨空间分布的不均匀性,并将其应用到实际的流域中.模拟结果表明,改进后的基于栅格的SCS模型比原始的SCS模型的模拟精度明显提高.在共44场降雨中,产流模拟精度达到85%以上的场次由原来的12场提高到26场.并且通过该改进模型可以得出次降雨的空间分布式的产流分布图,可为流域的水管理提供更为准确的产流信息.     

径流曲线数法在黄土高原地表径流量计算中的应用

坡面径流是土壤侵蚀发生的基本动力 ,径流量计算是定量估算水土流失和进行水土保持效益评价的关键步骤。径流曲线数法是美国农业部开发的计算地表径流量的经验模型 ,它有使用简单、有效 ,且适用于资料匮乏地区等优点。介绍了径流曲线数法的基本原理和计算方法 ,并以陕西安塞 2 5个小区的降雨径流资料 (次降雨 )为基础 ,计算了黄土高原地区不同下垫面条件下的曲线数 (CN )值大小 ,并分析研究了 CN值和各影响因子间的关系 ,对该模型在黄土高原地区使用的有效性也进行了评定。     

基于水蚀预测模型的红壤坡面侵蚀主要影响因素研究

利用229场侵蚀性自然降雨的小区观测数据,率定并验证了典型红壤坡面水蚀预测(WEPP)模型,并对模型的敏感性检验和弹性系数进行了分析。结果表明,红壤坡面土壤侵蚀对降雨量、雨强、细沟可蚀性、临界剪切力、坡长、坡度等6个输入参数的变化具有强敏感性;地表径流量对降雨量具有强敏感性,对雨强、初始饱和导水率、有效水力传导系数等参数存在弱敏感性。这些参数是影响红壤坡面侵蚀产沙产流的主要因素。     

基于KINEROS2模型的降雨和坡长因子对土壤侵蚀过程影响的研究

以不同坡长(1,5,10,15,20m)径流小区在不同降雨强度(25,50,75mm/h)下人工模拟降雨试验为基础,通过KINEROS2模型对坡面侵蚀过程及侵蚀量进行模拟,对比分析不同坡长、降雨强度及其交互作用对坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量的影响,并评价KINEROS2模型的模拟效果及适用性。结果表明:坡长与总径流量呈一元线性关系(R20.990),与总侵蚀量呈幂函数关系(R20.900);降雨强度与总径流量、总侵蚀量之间呈倍数关系增加,且总侵蚀量的增率是总径流量增率的2~3倍;坡长与降雨强度之间存在交互作用,坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用与径流量、侵蚀量呈显著相关关系,并在坡面径流和侵蚀过程中表现为正效应。坡面径流量主要受坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用三者综合影响。坡面侵蚀量主要受坡长和降雨强度-坡长交互作用的影响极显著,受降雨强度的影响较显著。KINEROS2模型对径流过程的模拟优于侵蚀过程,对总侵蚀量的模拟优于总径流量,说明KINEROS2模型更适于对径流过程及总侵蚀量的模拟。从总体来看,KINEROS2模型对径流小区坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量模拟效果较好,说明KINEROS2模型在中国西北干旱半干旱地区小区尺度上有较好的适用性。