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0.8522,0.7978,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。

基于SCS-CN模型的暴雨情景下河南省历史遗存淹没风险评价

暴雨灾害是威胁城市生命财产安全的常见灾种,暴露于其中的历史遗存更是面临着极大的淹没风险。科学预测历史遗存的淹没风险,及时开展抢救工作,可有效提升救援效率。以河南省域范围内154个历史遗存点为研究对象,基于SCS-CN模型和GIS空间分析技术,通过水文分析提取出65个包含历史遗存点的汇水区,进行暴雨情景下历史遗存淹没风险的研究。首先,计算每个汇水区内历史遗存被淹没的临界降雨量;然后,选取“7∙20河南暴雨”期间的“7月20日08时—21日06时”“7月20日00时—21日24时”“7月18日00时—21日24时”3个时间段,将临界降雨量与真实降雨情景进行对比,分别识别具有淹没风险的区域;最后,对历史遗存点的淹没风险进行系统评价。得到以下结论:(1)连续多日极端降雨易于在汇水区内形成大范围积水,并且随着连续降雨时间的延长,历史遗存面临的淹没威胁也愈发严重;(2)临界降雨量比较低的汇水区在暴雨来临时更易被淹没,历史遗存的淹没风险也相对较高;(3)地形条件和发展程度成为影响极端降水条件下历史遗存淹没风险的重要因素,风险较高的区域多位于地势低洼且发展程度比较高的地区;(4)规划中应重点关注高风险点及其对应的汇水区域,实行分级分类防控、构建防洪救灾系统、建立风险预警机制,有效提升城市韧性。研究成果希望能为暴雨灾害情景下的历史遗存应急管理提供有益借鉴。

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。

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%。

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。

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。

SCS-CN模型的改进及其空间尺度效应

SCS-CN(Soil Conservation Service Curve Number)模型是广泛应用经验性水文模型,其模型参数的确定与空间尺度效应对径流模拟结果有着重要的影响。选取淮河上游为研究区,分析SCS-CN模型参数的敏感性并对模型进行改进,探讨了9种栅格尺度(100~2000m)下径流模拟结果的空间尺度效应。研究结果表明:SCS-CN模型输入参数中,系数b的敏感性高于初损系数(λ),将参数b值作为模型需要修正的参数;随着空间尺度增加,下垫面各要素的尺度变化使得参数b呈指数递减趋势;模型模拟精度的最佳空间尺度范围是250~500m尺度。

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。

基于SCS-CN模型的半干旱黄土高原区秸秆炭覆盖集雨垄径流预测

垄沟集雨种植是缓解我国半干旱黄土高原区干旱、水土流失和土壤侵蚀的主要雨养农业技术。小流域水文模拟通常采用径流曲线数(Soil conservation service curve number,SCS-CN)模型。在标准SCS-CN模型中,由于径流曲线数CN值取值未考虑土壤水分动态变化,导致径流预测产生不合理的突变。以甘肃省定西市垄沟微型生物炭集雨垄为研究对象,根据实测降雨-径流数据,采用修正曲线数(Modified curve number,MoCN)法改进标准SCS-CN模型。结果表明:(1)随集雨垄垄宽增加(垄坡减小),标准SCS-CN模型和MoCN模型的CN值增加,随生物炭覆盖量增加,标准SCS-CN模型和MoCN模型的CN值减小;(2)MoCN模型的CN值高于标准SCS-CN模型;(3)MoCN模型的纳什效率系数(Nash-sutcliffe coefficient)较标准SCS-CN模型提高40%~275%,相关系数(Correlation coefficient)较标准SCS-CN模型提高1%~20%。修正曲线数MoCN模型能有效提高模型模拟精度,可为我国半干旱黄土高原区垄沟集雨种植系统地表径流预测及水土保持提供参考。

不同坡度黄土微地形条件下SCS-CN模型参数研究

基于自然降雨数据研究径流曲线数(SCS-CN)模型参数难以排除坡度的干扰,从而影响模型计算径流量的精度。为了准确探究黄土微地形条件下不同坡度(5°,15°,25°)对模型的初损率(λ)和径流曲线系数(CN)的影响及其变化规律,从而为后续SCS-CN模型参数研究提供科学依据和优化径流预测模型。通过开展人工降雨试验(90 mm/h雨强、人工掏挖耕作),探究黄土微地形不同坡度下SCS-CN模型的λ值和CN值。结果表明5°坡度下,λ=0.2,CN=75.58时模拟效果最佳;15°坡度下,λ=0.15,CN=77.28时模拟效果最佳;25°坡度下,λ=0.1,CN=72.91时模型的模拟效果最佳。λ=0.2这一标准参数值不能满足不同坡度条件下的径流模拟,且随着坡度增加呈现显著的递减趋势。

黄土丘陵区SCS-CN模型径流曲线数的计算与校正

由美国农业部土壤保持局开发的SCS-CN模型在其他国家地区使用过程中的适用性仍存在争议,直接采用其给定的初损率λ来计算CN值易出现问题,尤其对于中国黄土高原这样具有复杂自然环境的干旱半干旱生态系统来说,有必要针对CN模型参数做进一步校正。基于地处黄土丘陵区的定西共计47个径流小区连续五年生长期的观测数据,采用平均值法计算典型植被和整地类型下的CN值,并结合前人在不同坡度下对初损率λ的率定结果进行校正,同时运用经验公式法计算土壤饱和导水率、确定土壤水文组。结果表明:(1)陇中地区土壤质地以壤土、粉砂壤土为主,饱和导水率介于18—180mm/h之间,最小渗透率介于3.81—7.26mm/h之间;(2)土壤前期含水量、植被种类、植被盖度、土地利用、坡度以及整地工程措施等均对CN值存在影响,依照坡度校正后的CN值与之前计算的存在较大差异;(3)典型植被覆盖类型下的CN_1值为:灌木林地(沙棘)<撂荒地(冰草)<人工草地(苜蓿)<坡耕地(小麦)<乔木林地(油松),相同坡度的同类型植被措施下,CN值随植被覆盖度增加而减小;(4)水平沟、水平阶和反坡台等整地措施在不同土壤湿度条件下均降低了CN值,有效提高了土壤饱和导水率。

黄土丘陵区不同盖度生物结皮对坡面产流及SCS-CN模型CN值的影响

以黄土丘陵区典型退耕地不同盖度的生物结皮坡面为研究对象,通过野外人工模拟降雨试验,研究不同盖度生物结皮对坡面产流的影响,解析了生物结皮盖度与SCS-CN径流模型参数CN值的关系。结果表明:(1)在90 mm/h雨强条件下,初始产流时间随生物结皮盖度增加而降低,低盖度(0~20%)生物结皮坡面初始产流时间分别为中盖度(40%~60%)和高盖度(80%~100%)的1.64,2.46倍;(2)降雨前15 min,高盖度生物结皮较中、低盖度生物结皮促进产流,15 min后,高盖度生物结皮较中、低盖度生物结皮抑制产流,降雨45 min后各处理小区径流系数趋于稳定;(3)径流深随生物结皮盖度增加呈对数函数降低(y=-13.87ln x+73.515,R^2=0.7614);(4)生物结皮盖度(CBSC,%)与CN值呈极显著负相关关系,CN=-0.2672×CBSC+79.0166,R^2=0.6800,通过调整CN值可使SCS-CN模型适于生物结皮坡面的径流估算。研究结果揭示了生物结皮对SCS-CN径流模型参数CN值的影响,对建立考虑生物结皮的水文模型奠定了基础。

基于Budyko假设和SCS-CN模型的河源区水源涵养功能研究

河源区作为一种重要生态功能区,具有重要的生态系统服务功能。以沁河源区为例,利用Budyko假设和SCS-CN模型研究了其水源涵养功能空间分布特征,并比较了不同土地利用类型、海拔和坡度下的水源涵养能力。结果表明:(1)沁河源区多年平均水源涵养量为306.48mm,水源涵养总量为4.19亿m^3;(2)不同土地利用类型水源涵养功能不同,落叶阔叶林和常绿针叶林的水源涵养贡献率和水源涵养量均值最大,贡献率分别为43.99%和42.00%,水源涵养量均值分别为330.41mm和364.53mm;(3)不同海拔高度上水源涵养功能不同,海拔1 000~1 500m地区是水源涵养功能的主体,水源涵养量均值在海拔1 500~2 000m地区最大,为401.71mm;(4)不同坡度上水源涵养功能不同,缓坡和斜坡的水源涵养贡献率最大,急坡、陡坡和险坡上水源涵养量均值分别为373.62mm,368.32mm和363.94mm。

SCS-CN模型在小流域产流计算中的应用

山洪灾害的发生与流域产流特性密切相关,科学准确预测流域径流对山洪预警具有重要意义。SCS-CN模型因其计算过程简单、所需参数较少而广泛应用于小流域径流估算,径流曲线数CN和初损率λ是SCS-CN模型中的两个主要参数。选取沂源县为研究区,运用ArcGIS软件计算沂源县24个小流域的CN值,并根据实测降雨径流资料优化初损率λ,确定适用于高村河小流域的初损率λ为0.13,其模型效率系数E为0.789 7,研究得出的径流曲线数和初损率取值可用于沂源县小流域的地表径流预测。

基于SCS-CN模型的乌鲁木齐市水资源预测研究

传统的统计分析模型未能考虑区域生态要素对水文过程的影响,因而难以拟合水文径流复杂的演变趋势。以乌鲁木齐市地表水资源与降水量年值数据作为输入变量,将美国水土保持局推荐的SCS-CN模型应用于水资源预测研究中,对乌市1951年~2017年径流量进行预测。结果表明,该模型能够较好拟合乌市水资源变化,其R2为0.895,MAE和RMSE分别为0.1785亿m3、0.2145亿m3,模型效率达0.793,证明该模型可靠,对水资源预测适用程度高。

基于SCS-CN模型的郑州市区域产流特征研究

[目的]根据郑州市下垫面产流情况研究该市内涝成因,为市区重要基础设施的暴雨内涝灾害风险防范与运行管理提供科学参考。[方法]利用2016—2020年的气象资料和2020年的土壤、坡度、土地利用资料,采用SCS-CN水文模型,计算下垫面径流量,研究坡度、土壤、土地利用与径流量的关系。[结果](1)2016—2020年郑州地表径流分布整体上呈“东北高,西南低”“城区高,山区低”的趋势,除水域外,径流量主要分布在人类活动较密集区域。(2)较缓坡的径流最大。坡度贡献率与面积呈正相关。(3)郑州市土壤分为A(滨海风砂土)、B(黄绵土)、C(潮土等)、D(褐土性土)4类。D类径流最大,4类径流逐步呈上升趋势。土壤贡献率与面积呈正相关。郑州市主要为C类潮土,下渗率低。(4)SCS模型显示,前期土壤湿润程度越低,降雨下渗越多,径流越小。CN值越大,可能最大滞留量(S)越小,径流量越大。[结论]郑州市地表产流在东北建设区域较为集中。产流越大,越易发生内涝。因此,应在产流集中的区域增加海绵砖、绿化带,及时修理排水管道。同时应推动郑州东南发展,以缓解郑州东北区域人类活动对地表产流的影响。