基于前期降雨指数的SCS-CN模型在三峡库区改进与应用

径流是土壤流失的主要载体,准确预测径流量对于三峡库区土壤侵蚀预报和水库安全管理至关重要。为优化径流曲线数模型(SCS-CN)中土壤前期含水量核算方法,提高径流模拟准确性,研究通过引入前期降雨指数来表征土壤含水量,并基于实测的土壤饱和含水量设定上限阈值,对SCS-CN模型进行了改进,利用忠县水土保持监测站2019-2022年的场次降雨径流监测数据评估了模型准确性,并对改进前后模型在不同降雨类型和土地利用条件的适用性进行评价。结果表明,在两种初始模型和两种改进模型中,基于MSCS-CN改进的模型(M4)对于径流深的模拟精度更高,纳什效率系数(NSE)较原始SCS-CN模型(M1)提高了134%,尤其是在前期土壤含水量达饱和状态的情况下NSE提升至0.74,引入最大前期降雨指数(APImax)作为前期降雨指数上限值能减弱以往模型对高径流事件预测值的高估。此外,改进模型M4对三峡库区主要的产流性降雨类型(高雨强)以及主要的土地利用(耕地、果园)适用性良好,有效提高了小雨量产流事件和高侵蚀风险土地利用类型的径流模拟精度(雨型Ⅱ的NSE为0.66,耕地、果园NSE分别为0.69和0.75)。总体而言,改进模型M4提高了径流模拟精度,更适合三峡库区的产流机制、土地利用类型,能为三峡库区径流预测及水土流失防治工作提供参考。

基于SCS-CN模型地表径流时空演变格局及影响因素研究

极端降雨导致的超标雨水径流对人们的生命和财产造成严重威胁,探究超标径流的特征与其驱动效应尤为重要。文章以长沙市为案例地,运用SCS-CN模型、地理探测器等方法,模拟2000—2020年超标径流的时空分布特征,揭示径流量与土地利用的内在关联,并探究其影响因素。结果表明:2000—2020年长沙市建设用地由中心向四周扩张,地表径流也随着建设用地扩张而不断向外辐射式增大;从影响因素看,降雨量对地表径流的影响最大,解释力为0.705,GDP对其解释力最小,解释力仅为0.022;降雨与固定资产交互作用下对径流空间分布的影响最大,而坡度和GDP的交互作用的影响最小。

径流曲线数(SCS-CN)模型估算黄土高原小流域场降雨径流的改进

径流曲线数(SCS-CN)是预测场降雨地表径流常用的水文模型之一,由于其基本假设合理、参数易于获得而被广泛应用。然而,由于流域径流的形成受广泛存在空间或时间异质性的地形、地貌、土壤、气象、植被以及土地利用等多种因素的影响,按照标准径流曲线数模型估算的场降雨径流与实测径流相差可能很大。因此,针对特定区域、特定流域对该模型进行相应的修正是提高其径流预测精度的有效途径。本文于晋西黄土区吉县蔡家川分别以农田草地、人工林和次生林为主的3个典型小流域为对象,将2004—2011年实测的场降雨径流数据分为模型参数率定期(2004—2009年)和验证期(2010—2011年),对比标准SCS-CN模型和修正的SCS-CN模型(包括降雨量修正,降雨量与降雨强度修正,降雨量、降雨强度和初损率优化修正)预测场降雨径流的可靠性。结果表明:1)标准SCS-CN预测小流域场降水径流时,精度极差,模型拟合效率系数(E)均小于0;2)采用降雨量修正CN值预测流域地表径流精度优于标准模型,但对于小径流事件而言,预测结果会偏大,对于大径流事件,预测结果会偏小;3)基于优化降雨强度修正因子β和初损率λ模型可以提高以农田草地和人工林为主2个小流域的径流预测精度。对于以次生林为主的流域而言,仅通过降雨量修正CN值即可提高模型的预测精度,E可达0.79。反映流域储水特征的初损率λ,人工林为主的流域最小,为0.069,农田草地为主的流域次之,为0.189,次生林为主的流域,为0.200,表明次生林流域具有较好的储水效果。

SCS-CN径流模型中CN值确定方法研究

径流计算是区域径流量预报和水土资源评价模型中的重要组成部分。SCS-CN径流模型是一种常用的径流计算方法。径流曲线数(CN)是SCS-CN模型中反映降雨前流域特征的一个综合参数。用北京密云石匣3个小区实测降雨径流资料,用平均值法、中值法、算术平均值法、S对数频率分布法以及渐近线法来反推CN值,并用反推的CN值计算了径流深。用模型效率系数、相关系数和合格率比较了这5种方法确定的CN值计算径流深的优劣。结果表明:从模型有效系数来看,渐近线法得到的模型有效系数最好;从相关系数和合格率来看,算术平均值法的结果最好。相对于渐近线法来讲,算术平均值法计算CN简单,因此建议在计算CN值时用算术平均值法。

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。

采用SCS-CN水文模型和GIS确定雨水集蓄工程的位置

针对北京西部清水河上游山区生产生活用水日趋紧张的问题,该文应用遥感与地理信息系统软件处理TM影像、土壤和质地图及数字高程模型等基础数据,结合soil conservation service(SCS)曲线数法计算径流量,根据雨水集蓄工程技术规范构建了雨水集蓄工程位置选择约束集。在此基础上,运用地理信息系统软件对坡度、径流潜力及集水路径的空间及属性数据进行叠加和邻域分析,得到适宜的雨水集蓄工程位置。主要结果如下:适宜修建蓄水坑塘的面积4.24km2、蓄水池位置46处、拦水坝位置50处、大口井位置53处、适宜庭院集雨区的面积4.95km2。结果可为合理开发利用雨水资源及工程建设提供理论支撑和科学指导。

黄土丘陵沟壑区典型小流域SCS-CN方法初损率取值研究

【目的】初损率是SCS-CN方法进行流域地表径流预报的基础输入参数之一,影响着径流模拟精度。论文通过研究确定黄土丘陵沟壑区典型小流域初损率取值,为SCS-CN方法在该地区的适用性评价提供参考。【方法】SCS-CN方法中,初损率定义为初损量(Ia)与流域最大蓄水能力(S)的比值,通常取标准值0.2。然而,已有研究表明不同区域初损率取值存在差异。论文选取黄土丘陵沟壑区桥子西沟小流域1987—2006年14场典型降雨事件,采用反算法(BC)和事件分析法(EA)确定流域初损率。【结果】结果表明,两种方法计算初损率均小于标准值0.2,事件分析法计算值(0.17)与反算法计算值(0.1)相比略偏大。初损率取0.1、0.17和0.2分别计算研究降雨事件径流深,采用皮尔逊相关系数(r)、模型效率系数(E)、相对误差(RE)、绝对误差(AE)和图形拟合5种评价标准分析模拟结果,确定研究流域初损率为0.1。论文采用两种算法计算桥子西沟流域初损率,结果与标准值显著不同,初步推断是研究流域与SCS-CN方法最初研发区域地质地貌及气候条件存在较大差异所致。【结论】不同区域应用SCS-CN方法时,需利用当地观测数据率定研究流域初损率,才能进行流域地表水文模拟。

基于改进线性光谱解混和SCS-CN模型的广州主城区降雨产流模拟

城市降雨产流特征的定量研究对于城市雨水资源开发利用、科学规划和管理具有十分重要的意义。以广州市主城区为研究对象,提出一种改进的线性光谱解混方法提取遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度,并结合SCS-CN产流模型进行城区降雨径流模拟。首先利用线性光谱解混方法提取2015-10-18 Landsat 8 OLI遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度;然后利用归一化建筑物指数和归一化植被指数进一步优化解混结果;最后结合优化的不透水面、植被和土壤盖度计算合成的CN值,并应用SCS-CN产流模型分析研究区在不同降雨重现期的降雨产流分布特征。结果表明:改进的线性光谱解混方法能较好地提高不透水面、植被和土壤盖度的提取精度;不透水面盖度越高的区域,CN值越高;CN值对地表径流深模拟有显著的影响;在不同重现期降雨条件下,研究区地表径流深空间分布格局差异显著;总体上,降雨量越大,不透水面盖度越高,形成的地表径流深越深,内涝发生的可能性越大。

普适降雨-径流模型SCS-CN的研究进展

如何提高径流预报能力对洪水灾害和水资源有效开发利用具有极其重要的意义。然而,地表径流模拟受自然和人为因素影响,决定了径流模拟的变化性和复杂性。SCS-CN模型作为现行普适性降雨-径流模拟的重要工具,在结构和参数方面具有明显优势,但由于模型所需参数的不确定性使模型存在一定容错能力,从而影响模型预报精度。因此,从介绍模型原理及改进方法入手,以参数率定的新视角对全球不同流域尺度的SCS-CN模型应用研究进行总结和回顾,分析对比参数优化算法的优缺点,剖析模型内部结构和外部机理存在的不足,从而预估模型未来发展趋势向简单实用化和复杂化机理化两个方面发展。

SCS-CN模型中CN值的空间移用效果研究

SCS-CN模型因其曲线数CN值可以根据下垫面(土壤和植被)确定,近年来在分布式水文模拟和无/缺资料地区得到较为广泛的应用。美国土壤保持局提供的CN查算表在中国地区并不完全适用,如果直接采用,可能会带来较大的径流计算误差。选择资料数据较好的北京柏崖厂站作为假定的无实测径流资料的目标站,通过相似流域特性分析确定北山下站为参证站,利用参证站资料计算出CN值校正系数,并将该系数引用到目标站,利用校正前后的CN值分别模拟多场次洪水。结果表明,SCS-CN模型的参数CN值修正后,在空间上具备一定的外推能力;无论在确定性系数、径流总量精度和洪峰流量精度上,CN值修正后的洪水预报精度都要比修正前要高。

基于SCS-CN模型在山地海绵城市不同下垫面径流预测的优化及应用

山地区域因其独特的地形地貌,降雨产汇流过程较复杂,潜在水环境问题不可小觑。以针对此区域进行降雨产流预测模型的选取、建立,可以为以后海绵城市建设与改造提供水文方面的支持与借鉴。由美国农业部土壤保持局提出的SCS-CN模型,该模型区域适用性欠佳,因此需要对模型中参数进行优化以提高预测精度。以典型山地城市——重庆为例,选取巴南区未开发区域为研究对象,采用人工模拟降雨实验得到不同下垫面条件下的降雨径流系列数据,结合海绵城市建设措施,设置裸地、透水铺砖和草地3种土地利用方式,3种下垫面优化初损系数λ均为0.01,考虑前期土壤含水量情况下,裸地、透水铺装和草地的CN分别为97.76、94.64、89.60,在此基础上采用Huang坡度修正公式修正CN值,进一步提高模型预测精度。裸地、透水铺砖和草地优化参数模型后率定期与验证期相比标准模型NSE系数提高了9.41%、16.36%、5.62%与2.72%、5.37%、4.08%。

基于SCS-CN模型的陕南地区坡地径流预测

地表径流是引起坡面土壤和养分流失的主要动力,寻求有效途径对降雨径流进行科学预测,是陕南地区农业面源污染防治的基础.本文选取后沟小流域8个不同坡度和面积的径流小区,结合2011-2012年汛期的6场降雨产流的实测数据,评价陕南地区坡耕地基于SCS-CN模型的适用性,并考虑降雨量影响的基础上对径流曲线数CN和初损系数Iα进行修正.结果表明,陕南地区小流域坡耕地初损参数λ为0.1-0.4.随着Iα的变化对CN进行修正,确定CN值为58.选取的8个径流小区中,利用SCS-CN模型的模拟效果较好,径流量模拟值变化趋势与实测值一致,降雨径流量模拟值与实测值进行相关分析,计算得到两者的相关性均达到极显著相关.6场降雨事件径流模拟值与实测值分别为8 082.3 L和7 419.8 L,相对误差为8.8%.该研究结果可为陕南地区降雨径流预测及面源污染防治提供参考.

基于SCS-CN福州城区内涝风险空间划分与特征分析

以福州城区为研究区域,假设2 h降雨量为100 mm,基于SCS-CN产流模型分别对2010年、2013年、2015年及2018年的福州5城区土地利用现状数据计算其地表产流强度的空间分布,并对整体空间格局特征进行分析,同时基于行政单元与土地利用类型进行成灾风险空间划分。该方法能够充分发挥卫星遥感与地理信息技术的优势,具备一定的防灾减灾参考价值。

重庆市典型下垫面SCS-CN模型基于坡度修正的径流曲线数优化

以重庆市渝北区和巴南区的典型下垫面为研究对象,基于SCS-CN模型原理和坡度修正公式,通过开展人工模拟降雨实验,优化了不同植被覆盖程度的紫色土和黄壤下垫面在不同坡度(5°、10°、15°和20°)下的CN值,同时采用模型评价参数对优化前后的模型预测精度进行对比。结果表明:地形坡度变化对径流深有显著影响,地表径流深随坡度的增大大体呈现增加的趋势。同一类型下垫面的CN值随坡度的增大而增大,同一坡度下的CN值存在黄壤>紫色土,自然草地(稀疏)>自然草地(浓稠)。从模型评价参数来看,由Huang坡度修正公式修正后的模型效率系数最高且平均相对误差最小。因此,在山地城市应用SCS-CN模型时,建议使用Huang坡度修正公式对CN值进行优化,以便更精准地预测径流。

黄土区SCS-CN模型径流曲线数计算方法研究

美国农业部开发的SCS-CN模型是较为常用的一种径流计算方法。模型中的CN值是模型中反映土地利用、土壤类型和土壤前期含水量的一个综合参数,其值的选择对于准确计算地表径流具有重要意义。利用黄土高原地区杨青川流域、燕沟流域和西川流域不同土地利用类型42场模拟降雨的径流资料,应用平均值法、中值法、算术平均值法、S对数频率分布法和渐近线法5种方法计算CN值,并利用CN值反推径流深。采用均值比较、模型评价指标的方法比较了5种方法计算的径流深与实测值的差异,根据相对隶属度最大最优原则确定最优计算方法。结果表明:在杨青川流域,最优的计算方法是平均值法,燕沟流域和西川流域的最优计算方法则是中值法,不同流域同一计算方法确定的同一土地利用类型CN值差异较大;单独进行草地和裸地的评价分析时,草地的最优计算方法是平均值法,裸地的最优计算方法是算术平均值法,不同土地利用类型CN值的最优计算方法不同。

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＆#176;～25＆#176;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,对该研究改进的模型与原SCS-CN模型以及两种前人改进的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、决定系数分别提高了319%、97.5%,均方根误差降低了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。

南京毛竹林小流域SCS-CN方法初损率λ取值研究

我国是一个水土流失问题相对严重的国家,降雨径流是土壤侵蚀发生的动力,较准确的计算径流量是估算水土流失和水土保持效益评价的关键。SCS-CN模型是美国农业部开发的,用来计算降雨形成的地表径流量的经验模型,由于其简单、高效的优点被广泛运用于不同地区不同立地径流量的计算中。初损率是SCS-CN方法进行流域地表径流预报的基础输入参数之一,影响着径流模拟精度。本文研究确定南京毛竹林小流域初损率取值,为SCS-CN模型在该地区的适用性提供参考。根据毛竹林小流域径流场实测降雨径流资料,采用渐近线法确定CN值,得出λ变化区间,并选取10场降雨资料对参数λ进行率定,使用相关系数R,模型效率系数E,合格率对参数λ进行评价,得出λ=0.25,0.3,0.35相对较好,三者相关系数分别为0.58,0.54,0.49,模型效率系数分别为-9.42,-5.86,-3.14,合格率分别为77.80%,88.90%,77.80%。综合分析,得出λ取0.3在本流域相对较适合,又选取该流域10场降雨资料做模拟径流比对。结果显示:相对于模型理论值λ=0.2时的模拟效果,在该流域λ=0.3时模拟值更加接近实测值,数模型效率系数E由-16.77提升到-1.03,精度大大提高,所以率定λ=0.3为该流域最适初损率。

GIS在scs-cn模型中应用现状和短期发展的探讨

GIS即地理信息系统(Geographic Information System),经过了40年的发展,到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术,并且得到了极广泛的应用。因其对地理数据的处理能力,GIS的发展极大地推动了考虑物理特性和下垫面变化的水文流域模型的改进与创新。本文基于GIS的最新发展成果,阐述GIS在scs-cn模型中的应用现状,分析应用效果,预测短期发展方向。

基于SCS-CN与GIS耦合模型的闽三角城市群承灾空间淹没风险研究

以闽三角城市群为研究对象,创新水文SCS-CN算法与GIS耦合技术,计算出不同暴雨重现期(5 a,10 a,50 a一遇)下的淹没范围,构建闽三角城市群内涝淹没风险评估体系。通过地理探测器进一步探究淹没风险与社会生态系统空间分布规律,为闽三角城镇群的生态安全保障与可持续发展提供技术支撑。研究表明:闽三角城市群内涝淹没区空间上呈现沿河道向入海口与海岸线聚集的状态,其风险性由海岸向内陆逐步递减。淹没区等级一类,二类,三类风险区占研究区面积的10.2%,14.6%,27.4%。厦、漳、泉市的淹没面积分别为135.67 km^(2)、304.10 km^(2)、572.09 km^(2)。其中一类风险区占比分别为84%,78%,62%,进一步确定研究范围内高频发淹没地段的具体位置。最终通过分析八类主要的社会生态因子与淹没区的空间异质关系,在区域层面提出兼顾城市开发强度的内涝防控分区。