基于SWAT模型的内蒙古锡林河流域降水-径流特征及不同水文年径流模拟研究

以我国北方寒旱区草原中典型流域——锡林河流域为研究对象,结合我国北方寒旱区草原型河流流域的气候特点、下垫面条件及水文过程的特殊性,通过分析锡林河流域近30 a的降水—径流变化特征,利用锡林河水文站的年径流频率曲线,采用一定保证率条件下的年径流量作为划分流域丰平枯水年的标准,对锡林河流域历史水文年进行划分。基于此基础,以ARCSWAT2012为操作平台,应用地理统计分析方法,对模型建立过程中所需的各数据库进行基础数据整备与参数化,分析影响模型径流模拟精度的主要参数,进行模型的参数率定与结果精度评价,分别对锡林河流域各丰、平、枯水年进行径流模拟,并对其结果进行了检验。结果表明:SWAT模型对细化流域降水—径流分配的径流模拟具有不同的精度,即平水年 > 偏丰水年 > 丰水年 > 偏枯水年 > 枯水年,体现出SWAT模型在中国北方寒旱区丰水年和平水年具有较好的可操作性。     

昆明市区地表径流影响因子分析

为探索SCS模型在昆明坝区地表径流模拟中的适用性和影响因子,利用1986年、1995年、2000年、2007年、2014年昆明市区土地利用类型数据和5个气象站点的逐日降雨数据,通过修正后的SCS模型分析了昆明市区地表径流的影响因子。结果表明:(1)模拟的地表径流深度随着降雨量的增加呈极显著线性增加,且表现出丰水年偏丰水年平水年偏枯水年的趋势,地表径流量最大值出现在降雨最多月份(6月或7月),月平均雨水产流次数达到20次,最小值则出现降雨较少月份(1月或12月)。(2)降雨强度在不同等级之间变化时,地表径流深度变化幅度差异较大,且随着降雨强度增大,地表径流系数呈现快速增长的趋势。单次降雨和单位毫米径流深度均表现前期土壤湿度越高,雨水产流能力则越强的趋势。(3)地表径流量随着渗透比例的减小整体呈现上升趋势,且丰水年土地利用变化对年地表径流的影响明显大于平水年和偏枯水年。     

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。     

渭河流域气候变化与人类活动对径流的影响

以黄河最大的一级支流渭河为研究对象,根据渭河流域华县水文站1958--2011年径流资料,采用Mann—Kendall趋势检验、Pettitt非参数统计和双累积曲线法分析径流序列的变化趋势和突变点,同时采用水量平衡法定量分析气候变化和人类活动对径流量的影响。结果表明：1）华县水文站径流量呈显著下降趋势（标准正态统计变量〈-2．23）,年均递减系数为0．86mm／a;2）径流量自1994年呈显著性减少趋势,据此将径流序列划分为2个阶段,即基准期1958--1994年和变化期1995—2011年;3）变化期较基准期在枯水年、平水年和丰水年径流量分别下降64．6％、41．3％和45．5％,枯水年流量下降趋势最为明显;4）华县站以上控制区内降雨变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为49．0％和51．0％,气候变化对渭河径流量的影响主要是由降水量的减少引起的。     

纸坊沟小流域水文特征与降水量关系初步分析

应用纸坊沟小流域1959-1997年降水、输沙及径流观测资料,分析了流域降水和输沙年际、月际变化特征以及年降水量与年径流量、年均土壤侵蚀模数之间的关系,时段治理程度与时段年均输沙量之间的关系。结果表明,降水量年内分配不均且凸显单一峰值,降水在年际上呈平水年-干旱年-平水年（较丰水年）周期性变化;多年平均输沙量月分布过程线峰型单一瘦削,土壤侵蚀及输沙量年际变幅大,稳定性极差;径流年变化幅度很大,地表径流的年际变化11年为一个周期,连续出现枯水年和丰水年的周期均为6年左右;年降水量与年径流量、年降水量与年土壤侵蚀模数、时段年均输沙量与时段治理程度呈线性相关关系,其相关程度均呈极显著（在0.01水平上）。     

小型集水区降雨径流计算模型研究

用SCS降水-径流模型对陕北渭北多个典型小型集水区降雨径流量进行了分析与计算。结果表明:SCS降水-径流模型考虑了径流与土壤特性和土地利用情况的关系,简单易行,所需参数少,是一种较好的小型集水区径流计算方法,可用于小流域、沟道等小型集水区可集雨量的计算。还分析了模型参数与陕北、渭北土壤分区特征的关系,确定了陕北渭北不同分区的模型参数。     

不同气候模式对密云水库流域非点源污染负荷的影响

以密云水库流域内4个气象站1961-2000年40 a的气象特征分析结果为基础,采用统计分析和线性回归的方法,预测流域气候变化趋势,采用任意情景设置法设定25种气候情景(5种温度变化和5种降雨变化的组合情景)和3个水文情景年(丰、平、枯水年)。利用HSPF(hydrologic simulation program-fortran)模型模拟密云水库流域不同气候变化情景下径流量和非点源污染物负荷量的变化情况。结果表明:1)增加20%降雨,能增加73.4%的径流量,而减少20%降雨会减少56.3%的径流,而气温变化对径流和水质负荷影响不是很明显;2)总氮和总磷负荷随径流增加而增大,总磷负荷对径流变化更加敏感,降雨增加20%,总氮和总磷负荷分别增加约70.8%和78.3%;而减少20%降雨,会使得总氮和总磷负荷分别减少约55.3%和57.2%;3)从水文年对比来看,潮河流域丰水年径流量是枯水年的3.1倍,总氮、总磷负荷则分别是枯水年的2.9倍、3.5倍,白河流域丰水年径流量是枯水年的4.6倍,总氮、总磷负荷则分别是枯水年的5.6倍、8.5倍,且年内非点源污染负荷主要集中在汛期,高风险区主要分布在怀柔区、延庆县、滦平县以及密云县,需要对其采取对应的措施来控制非点源污染的影响。     

清水河上游流域可收集雨水资源量估算与检验

以北京市西部山区典型流域——清水河上游流域为例,采用地理信息系统(GIS)和SCS(Soil Conservation Service)相结合的方法,估算了该流域不同土地利用类型在不同水文年6-8月可收集雨水资源量;并选取2008-2009年6-8月10场降雨的实测径流量数据,与SCS-CN模型计算的径流量进行误差分析,用来检验SCS-CN模型的精确度。结果表明:(1)研究区枯水年(p=75%),平水年(p=50%),丰水年(p=25%)6-8月可收集雨水资源量分别为7.16×10⁷,1.04×10⁸,5.71×10⁷ m³,占全年的平均百分比为82.43%;(2)不同土地利用类型在平水年6-8月可收集雨水资源量占总量百分比分别为:草地和林地占86.13%,耕地和园地占4.87%,工矿仓储用地、住宅等其他土地利用类型占9%;(3)利用SCS-CN模型计算径流值与实测值相比,合格率达到90%。     

晋西北黄土丘陵沟壑区典型流域不同植被土壤蓄水能力研究

在对晋西北黄土丘陵沟壑区川河流域土壤蓄水量进行评价和计算的基础上,分析了流域内不同植被条件下以及不同立地条件下的土壤蓄水能力。结果表明:该流域内林草的土壤蓄水能力最好,农地居中,裸地最差,尤其以阴坡乔木树种的蓄水能力最好;立地条件不同,土壤蓄水能力不同;通过对不同降水年份的流域土壤储水量进行分析,表明丰水年的储水量比平水年增加9.2%,干旱年比平水年减少21.3%,在相同降水年份内治理后的储水量是治理前的1.5倍。     

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。     

The effect of land use/cover change on surface runoff in Shenzhen region,China

Shenzhen is one of the special economic zones in China. It has been growing rapidly from rural land to an industrial city since the mid-1980s. With the process of urbanization, flooding has become a threat to the security of the city area. In this study, Buji River basin in Shenzhen Region was selected to investigate the effect of urbanization on surface runoff and peak discharge. Land use data were obtained from LANDSAT images in 1980, 1988, 1994, and 2000, and surface runoff in the same period was simulated by SCS model. Results showed that urbanization played an important factor intensifying the flood process. Increase of urbanized land and decrease of farmland might be the main reasons for increasing runoff. At 10%, 50% and 90% rainfall probability (the rainfall probability of 10% means 10-year return period of moist year, 2-year return period of normal year and 10-year return period of dry year), the increase of runoff coefficient was 12.6%, 20.7% and 33.5% respectively under relatively dry soil moisture condition, however, and the value was 2.5%, 4.3% and 6.9% respectively under relatively wet soil moisture condition. Urbanization led to obvious increase in the maximum flood discharge and decrease in runoff confluence time. At 1%, 2% and 5% rainfall probability, the increase of the maximum flood discharge was 20.2%, 23.0% and 28.9% respectively, under relatively dry soil moisture condition. The corresponding value was 1.3%, 1.6% and 2.6% respectively under relatively wet soil moisture condition. Due to urbanization in the past 20 years, runoff coefficient increased 13.4% and the maximum flood discharge increased 12.9% on average.     

EFFECT OF RAINFALL INTENSITY,SLOPE, LAND USE AND ANTECEDENT SOIL MOISTURE ON SOIL EROSION IN AN ARID ENVIRONMENT

Most climate change scenarios predict a significant increase in the frequency of high intensity rainfall events especially in the dry areas, which will increase runoff and soil erosion. Understanding the factors that control soil erosion is crucial to recommending appropriate measures to protect soils and reduce their vulnerability. The objective of this research was to investigate the effect of rainfall intensity, slope, land use and antecedent soil moisture on soil erosion and runoff. Twelve sites from Al‐Muwaqqar watershed, Jordan, were selected to represent six slope angles: 1, 2, 3, 5, 7 and 9%. Two sites, one cultivated with barley and one as rangeland, were selected within each slope. Erosion was measured under three rainfall intensities: 3, 5 and 10 mm h⁻¹; and three different antecedent soil moisture contents: dry, wet and very wet; using a rotating disk rainfall simulator. Regression equations indicated that rainfall intensity was the most important factor affecting soil erosion and that erosion could occur at a relatively small intensity on wet soils as a result of subsequent rainfall events. Soil erosion on cultivated land was primarily affected by moisture content, while on uncultivated land, it was mostly affected by slope steepness. Rainfall intensity, slope and antecedent moisture explained 84–89 and 59–66% of the variation in runoff and soil loss, respectively. The results indicated the significant influence of cultivating the land on soil erosion. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

新安江流域降水、径流演变特征分析

为了掌握新安江流域降水、径流的演变特征,采用Mann-Kendall检验法、Morlet小波分析法对新安江流域近57年的降水、径流数据的月、年际变化,年序列的突变和周期特征进行了统计和分析。结果表明:春夏季的4—7月是新安江流域降雨和径流最为集中的时段,新安江流域年降雨、径流的年际变化均呈明显增多的趋势,新安江流域年径流、降雨的突变异常时间基本吻合,两组序列的第1主周期均为17 a,第2,3周期分别是7 a,3 a,目前正处于不同周期中的丰水年中。两组序列高度相关,且具有极其吻合的同步变化特征。可见新安江流域属于雨水补给型河流,降雨是影响该流域径流最主要的因子。新安江流域可利用径流和降雨两组序列建立了线性回归模型,其拟合和预报效果较好,在流域长期径流量预报业务中有一定的应用价值。     

基于3个站点校准与验证的晋江流域径流模拟

 应用分布式水文模型SWAT,对东南沿海晋江流域内3个水文站点的年、月径流和基流分别进行模拟。选取1972—1975年作为模型校准期,以效率系数、平均误差、相对误差和决定系数为评价指标,率定出6个模型敏感参数,并用1976—1979年的资料进行模型验证。结果表明:利用3个站点模拟的方法可以从流域尺度上更客观地率定模型参数,改善模型的模拟效果;模型在东南沿海流域的模拟效果较好,精度较高;模拟期内降水量的差异以及水库年径流调节均会对水量模拟结果造成影响。     

淮河上游山区迎河小流域年降雨与径流特征分析

根据1981~2004年连续24a的降雨、径流实测资料,采用数理统计方法分析了淮河流域上游迎河小流域的年降雨、径流变化特征及降雨与径流的关系.结果表明:迎河小流域降雨、径流的年际变异程度均较大,离差系数分别为0.28和0.45,显示出区域旱涝灾害出现机率大;降雨年内分配集中,汛期降雨量占年雨量82.1%;典型年份雨次的分析表明,流域次降雨雨型以均匀型为主;年降雨量同年径流量存在很好的线性正相关关系,可以用年降雨量对径流量进行预报;径流率与汛期雨量存在良好的线性正相关关系.     

近地表土壤水分条件对坡面土壤侵蚀过程的影响

 采用人工模拟降雨实验,研究近地表土壤水分条件对安塞黄绵土和杨陵塿土土壤侵蚀过程的影响,尤其是土壤水分饱和条件下的土壤侵蚀过程。结果表明:土壤质地对入渗和径流过程有较大影响。对同一质地的供试土壤,随着前期近地表土壤含水量的增大,入渗量减少,而径流强度增大,坡面初始发生产流时间也越早。当前期近地表土壤含水量相近时,杨陵塿土的初始产流时间早于安塞黄绵土,坡面径流量和侵蚀产沙量也随前期近地表土壤水分含量的增加而增大。对于安塞黄绵土,当前期土壤含水量分别为饱和含水量的100%、75%和50%时,其径流量分别占饱和含水量的25%时的2.5、2.2和1.3倍,其侵蚀产沙量分别为50、25和1.3倍。而对于供试土壤为杨陵塿土,当前期土壤含水量分别为饱和土壤含水量的100%和50%时,其径流量分别是占饱和土壤含水量的25%时的1.1和1.0倍,其侵蚀产沙量分别为6.5和2.0倍。在降雨过程中,前期土壤含水量越大,片蚀发展为细沟侵蚀的时间越早,而且细沟侵蚀也越严重。     

近50年半干旱典型草原区域不同时间尺度上的降水、径流研究

以内蒙古锡林河流域典型草原区域为研究区,采用1963—2015年气温、相对湿度、降水量、风速、日照时数、蒸发量、径流日数据,应用统计分析、趋势检验和Spearman相关分析等方法对研究区区域7项水文气象要素的平均最高值、平均值、平均最低值突变前后变化及突变后停滞特征进行了分析,结果表明;（1）内蒙古锡林河流域典型草原区域的降水量最大月（7月）与径流量最大月（4月）不同,降水天数明显小于径流天数,且降水量远大于径流深,多年丰水季降水总量近似于枯水季的3倍,而多年枯水季径流总量是丰水季的2倍;（2）径流量多年来呈现显著减少的趋势,而降水的整体变化趋势不太明显,存在1998—2011年处于由丰变枯阶段,2011年后有由枯转丰的迹象;（3）年、丰水季、枯水季径流发生突变年份均为2004,同一时期发生突变,年、枯水季径流天数发生突变年份为2007年、2004年,丰水季在此期间未发生突变;（4）该区年径流天数枯水季所占比例居多,径流量年、丰、枯水季突变年限一致,造成突变的驱动因数接近,枯水季径流天数相对于年径流天数突变年份较早,枯水季对引起突变的驱动因数更为敏感;（5）影响该区降水大小的主要气象因素依次为日照时数 > 相对湿度 > 平均风速 > 平均气温 > 降水量=蒸发,影响该区径流大小的主要气象因素依次为蒸发 > 相对湿度 > 平均风速 > 平均气温=降水量 > 日照时数。     

Controls of infiltration–runoff processes in Mediterranean karst rangelands in SE Spain

Semiarid karst landscapes represent an important ecosystem surrounding the Mediterranean Basin for which little is known on runoff generation. Knowledge of the sources and patterns of variation in infiltration–runoff processes and their controls is important for understanding and modelling the hydrological functions of such ecosystems. The objectives of this paper are to determine the infiltration rates and their controls in a representative mountain karst area (Sierra de Gádor, SE Spain) at micro-plots and to investigate the integrated response of rainfall on a typical hillslope. Rainfall simulations in micro-plots and natural rainfall-runoff monitoring on a hillslope were carried out complementarily. We investigated the role of soil surface components (vegetation, rock outcrop, fracture, and soil crust), topographic position, antecedent soil moisture, and rainfall characteristics in regulating infiltration–runoff processes. Results of rainfall simulation revealed the importance of vegetation cover and the presence of rock fractures in promoting the infiltration in the limestone karst landscape, while bare patches and rock outcrops acted as sources for runoff. All plots with > 50% vegetation cover had no runoff with up to 55 mm h^− 1 of simulated rain. In contrast, nearly all bare plots had runoff under the same simulated rain, with runoff coefficients ranging from 3.1 to 20.6% on dry soil surface conditions, and from 2.0 to 65.4% on wet soil surfaces. Runoff coefficients amounted to 59.0–79.5% for rock outcrops without cracks, but were drastically reduced by the presence of cracks. The surfaces with rock fragments resting on the soil (generally located in the middle of the slopes) prevented more effectively the runoff generation than those surfaces where rock fragments were embedded in the top soil. Antecedent soil moisture had significant impact on runoff generation, with wet soil having doubled runoff coefficient, shortened time to runoff, and increased runoff rate compared to the same but dry soil. Linear regressions indicated that the main controls for constant infiltration rate were the cover percentages of vegetation and litter, plus rainfall intensity; while the major controls for runoff coefficient were the bare soil and vegetation coverage, plus rainfall intensity. High infiltration rates measured at the micro-plots agreed with low intra-event runoff coefficients (mostly below 1%) observed under natural rainfalls at the hillslope. Runoff depth and coefficient at the hillslope was significantly correlated with rainfall depth, maximum hourly rainfall intensity and antecedent precipitation over 20 days (AP₂₀). During the 1.5-year monitoring period from Sep-2003 to Mar-2005, the overall infiltration was 41% of the total rainfall amount and the maximum infiltration rate was almost 94% of the largest single rainfall event. The results from this study contribute to improved understanding of the magnitude and controls of the surface runoff in semiarid karst mountain areas.