采用径流曲线数模型（SCS-CN）估算黄土高原流域地表径流的改进

发布时间：2017-04-08 01:11

  本文关键词：采用径流曲线数模型（SCS-CN）估算黄土高原流域地表径流的改进，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：径流曲线数模型(Soil Conservation Service Curve Number,简称SCS-CN)是基于场降雨事件预测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于世界各地。然而,由于流域径流的形成受在空间或时间上异质性广泛存在的地形、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SCS-CN模型计算得到的地表径流与实际观测值会造成很大的误差。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。本文以位于晋西黄土高原山西省吉县的清水河流域和蔡家川三个典型小流域为研究对象,利用场降水径流观测数据,采用标准的SCS-CN模型及其改进形式估算场降水径流,并对其进行验证。主要结论如下：(1)首先选取了晋西黄土丘陵沟壑区清水河流域(436km2)1980年至2003年的实测降雨径流数据,分为模型率定期(1980-1996年)和模型验证期(1997-2003年)。由于在标准SCS-CN模型中对于前期土壤湿润程度的划分并不明确,而前期降雨指数(API,Antecedent Precipitaiton Index)可以用来表征一场降雨开始前的土壤含水量M,因此,利用API估算M,得到API与M的一个函数关系式：M= αebAPI,记为模型MMS-API (M8)。在清水河流域共讨论了9种模型,包括标准的SCS-CN模型和8种基于标准SCS-CN改进的模型。研究结果表明：模型M8拟合程度最好。由于在清水河流域缺少土壤含水量数据情况下,模型M8利用API估算了前期土壤含水量,因此,与其它8个模型相比,模型M8拟合精度最好,更适合预测清水河流域的地表径流；②利用模型M8估算地表径流,当降雨量在10-25mm时,初损率λ=0.01,CN=22.52,模型拟合效果最好。当降雨量≥25mm时,初损率λ=0.02,CN=20.33,模型拟合效果最好。(2)在蔡家川流域选取2005年至2009年的降雨径流数据,分为模型率定期(2005-2006年)和模型验证期(2007-2009年)。引入降雨强度修正函数,同时优化降雨强度修正因子p,初损率λ和流域潜在最大入渗量S,得到以农田和草地为主的流域最佳λ=0.001,β=-0.2,S=1849mm；以人工林为主的流域的最佳λ=0.002,β=-0.49,S=321.5mm；以次生林为主的流域最佳λ=0.008,β=-0.55,S=928mm。(3)在蔡家川流域引入降雨强度后,在验证期,与标准SCS-CN模型相比,模型拟合精度有显著提高：①以农田和草地为主的流域,模型拟合效率系数E值从-0.17提高到0.70,均方根误差RMSE从0.23减小到0.11；②以人工林为主的流域,E值从-0.66提高到0.60,RMSE从0.92减小到0.45；③以次生林为主的流域,E值从0.78提高到0.81,RMSE未发生变化；表明引入降雨强度因子可以提高SCS-CN模型的预测精度。(4)在蔡家川流域,以农田草地为主的流域降雨强度修正因子p绝对值最小,表明有效降雨量最大；以次生林为主的流域λ和初损量Ia最大,表明以次生林为主的流域不仅森林覆盖率高,土壤储水能力也强。(5)改进后模型的初损率λ远小于0.2。
【关键词】：SCS-CN模型 CN 初损率λ API 地表径流 黄土高原 降雨强度
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1. 引言12-20
• 1.1 研究意义12-13
• 1.2 SCS-CN模型应用研究进展13-18
• 1.2.1 模型基本方程13-14
• 1.2.2 应用研究进展14-18
• 1.3 前期土壤含水量18
• 1.3.1 前期土壤湿润程度AMC18
• 1.3.2 前期降雨指数API18
• 1.4 SCS-CN模型的不足18-19
• 1.5 研究目的19-20
• 2. 研究区概况20-24
• 2.1 清水河流域20-21
• 2.1.1 地理位置20
• 2.1.2 地貌20-21
• 2.1.3 土壤21
• 2.1.4 气候与水文21
• 2.1.5 植被21
• 2.2 蔡家川流域21-24
• 2.2.1 地理位置21-22
• 2.2.2 地质地貌22
• 2.2.3 土壤22-23
• 2.2.4 气候与水文23
• 2.2.5 植被23-24
• 3. 研究方案24-33
• 3.1 数据收集24-26
• 3.1.1 清水河流域24-25
• 3.1.2 蔡家川流域25-26
• 3.2 研究内容26
• 3.3 研究方法26-31
• 3.3.1 清水河流域26-30
• 3.3.2 蔡家川流域30-31
• 3.4 技术路线31
• 3.5 模型评价标准31-33
• 4. 敏感性分析33-37
• 4.1 初损率λ对计算地表径流的影响33-34
• 4.2 CN和降雨量对初损率λ相对敏感性的影响34-36
• 4.2.1 CN对初损率λ相对敏感性的影响34-35
• 4.2.2 降雨量对初损率λ相对敏感性的影响35-36
• 4.3 小结36-37
• 5. SCS-CN模型及其改进的模型在清水河流域的应用37-46
• 5.1 模型率定37-39
• 5.2 模型验证39-41
• 5.3 模型总体评价41-42
• 5.4 讨论42-44
• 5.4.1 前期土壤含水量对CN值和地表径流的影响42
• 5.4.2 坡度对CN值和地表径流的影响42-43
• 5.4.3 降雨历时对地表径流和CN值的影响43
• 5.4.4 土地利用变化对CN值和地表径流的影响43-44
• 5.5 小结44-46
• 6. SCS-CN模型及其改进的模型在蔡家川流域的应用46-53
• 6.1 资料来源46-47
• 6.2 结果与分析47-50
• 6.2.1 以农田草地为主的小流域47-48
• 6.2.2 人工林为主小流域48-49
• 6.2.3 次生林为主小流域49-50
• 6.3 讨论50-51
• 6.3.1 土地利用方式对降雨强度修正因子β的影响50-51
• 6.3.2 土地利用方式对初损量1a的影响51
• 6.4 小结51-53
• 7 结论与展望53-55
• 7.1 结论53-54
• 7.2 不足与展望54-55
• 参考文献55-60
• 个人简介60-61
• 导师简介61-62
• 获得成果目录62-63
• 致谢63

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