基于GIS的SCS径流模型开发以西山小流域为例毕业设计

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基于改进SCS-CN模型的降水径流预测

基于改进SCS-CN模型的降水径流预测

作者简介王婉婉(1999—),女,安徽宿州人,硕士研究生,从事水文水资源实验研究。

通信作者周超(1990—),男,安徽无为人,工程师,从事水文水资源实验研究。

收稿日期2023-10-28基于改进SCS-CN 模型的降水径流预测王婉婉1周超2杜富慧1王振龙2(1河北工程大学,河北邯郸056021;2安徽省(水利部淮委)水利科学研究院五道沟水文实验站,安徽蚌埠233000)摘要本文利用淮北平原五道沟实验站1972—2021年降水径流106场实测资料,以径流曲线模型(SCS-CN )为基础,确定了该地区的径流曲线数(CN 值),对模型参数进行了敏感性分析,引入降水量与前期影响雨量优化模型主要参数(CN 值),验证期(2010—2021年)借助模型效率系数E 、R 2及RE 对传统SCS-CN 模型及改进后模型进行可靠性检验。

结果表明:(1)降水量P 和初损率λ为定值时,CN 值越大,对径流预测结果的影响越大;计算径流量Q 随初损率λ的增大呈减小趋势;随着CN 值增大,计算径流量Q 及初损率λ对CN 值的变化敏感性越低;当降水量越大时,初损率λ对降水量的敏感性越低,初损率λ的取值对计算径流结果的影响可以忽视。

(2)参数优化后的SCS 模型中的R 2=0.864,E =0.780,模型总体平均相对误差为26.67%,标准SCS-CN 模型的R 2=0.782,E =0.230,模型总体平均相对误差为366.67%,改进后模型评价指标均高于标准SCS-CN 模型,对研究区的径流预测更具有适用性。

关键词径流曲线模型;降水径流;前期影响雨量;初损率中图分类号TV121+.1;S164文献标识码A文章编号1007-7731(2024)01-0100-06地表径流作为水文循环的关键部分,是集雨灌溉的主要来源[1-2],但其会加剧土壤侵蚀、水源污染、洪涝灾害以及养分流失等[3-4],开展径流水文模拟研究,是进行产流预报、土壤侵蚀预报的重要基础。

基于SWAT模型的基流估算及评价+--以洛河流域为例

基于SWAT模型的基流估算及评价+--以洛河流域为例

收稿日期:2003-06;修订日期:2003-08基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G 1999043601)~教育部博士点基金资助项目(20010027013)作者简介:杨桂莲(1979-)~女~湖北广水人~硕士研究生~主要从事水文~水资源及水环境方面的研究O E -mail :ygl 781220@sina .com文章编号:1007-6301(2003)05-0463-09基于SWAT 模型的基流估算及评价以洛河流域为例杨桂莲~郝芳华~刘昌明~张雪松(北京师范大学环境科学研究所~水沙科学教育部重点实验室~北京100875)摘要:SWAT 是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型~它能够利用GIS 和RS 提供的空间数据信息~模拟复杂大流域中的径流成分O 本文应用SWAT 模型对基流进行模拟~分别采用1992~1996年和1997~1998年洛河流域卢氏水文站逐年~月实测径流资料进行模型校准和验证~确定模型的敏感性参数:径流曲线数~地下水再蒸发系数~土壤蒸发补偿系数和植物蒸发补偿系数;并借助滤波技术对实测径流进行基流分割O将滤波分割的基流与SWAT 模拟值进行对比~采用线性回归系数(R 2)和Nash -Suttclife模拟系数(E ns )对SWAT 模型进行评价~其结果月基流R 2为0.76~E ns 为0.75~模拟精度较高O关键词:SWAT 模型;基流估算;滤波技术;洛河流域中图分类号:P 343;P 333.11引言地下水的补给和排泄(即形成基流)特征对地下水资源的高效管理与可持续发展~以及地表水与土壤水转换时的污染最小化方面都至关重要O 在大西洋海岸平原地区~地下径流占总径流的90%以上[1]~而在美国德克萨斯州可达50%[2]O Reay 等人发现若忽略浅层地下水这一水源~将直接影响水质管理决策的可靠性[3]O 地下水补给过程一般较复杂~取决于两类因子~一类是气象因子~如雨强~降水历时~气温~湿度~风速;另一类是下垫面因子~如地下水位以上的土壤和岩层特性~地形~植被和土地利用等O 这些因子的变化会导致地下水补给在时空分布上变化显著[4]O 计算地下水的补排通常有两种方法:水量平衡法或基于监测水分运动的张力计法~示踪剂法~重力测渗仪法[5]O 后者一般费用较高~实际中采用不多O 在干旱和半干旱地区~大流域的地下水补给和基流计算广泛采用基于水量平衡的基流估算法[6~8]和消退曲线平移法[9~12]~后者只需根据流量观测资料就可确定地下水特征值OSWAT 模型是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型~它能够利用第22卷第5期2003年9月地理科学进展PROGRESS IN GEOGRAPHY Vol.22~No.5Sept.~2003GIS 和RS 提供的空间数据信息 模拟地表水和地下水水量与水质 长期预测土地管理措施对于具有多种土壤 土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文 泥沙和农业化学物质产量的影响[13] SWAT 通过水文响应单元( R )单独计算径流量 然后演算得到流域总径流量 水文响应单元的水循环包括四个部分的水量 融雪 土壤剖面(O~2m ) 浅层含水层(2~2O m )和深层含水层(>2O m ) 土壤剖面可分为多层 土壤水运动包括下渗 蒸发 植被截留 侧向流和土壤剖面下边界向潜水层的渗流(即地下水补给) SWAT 模型中计算的地下水补给量是以下三项的总和 土壤剖面下边界渗出量 河道输移损失 池塘和水库的蓄量[14]本文试图借助滤波技术估算基流 并将该结果与SWAT 模拟值进行对比 对SWAT 模型在研究区的应用结果进行评价2研究方法 .1估算方法 SWAT 模型基于水量平衡的SWAT 模型模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量 模型中采用的水量平衡方程式为SW t =SW O - tz=1(Rcay - suLf -E a -W seep - gw )(1)式中 SW t 为土壤最终含水量(mm ) SW O 为土壤前期含水量(mm ) t 为时间步长(d ) R cay 为第z 日降水量(mm ) suLf 为第z 日的地表径流(mm ) E a 为第z 日的蒸发量(mm ) W seep 为第z 日土壤剖面地层的渗透量和侧流量(mm ) gw 为第z 日的基流量(mm )模型采用下列方程式计算流域基流gw z = gw z-1 exp(-a gw At)-W LchLg [1-exp(-a gw At)](2)式中 gw z 为第z 日进入河道的基流补给量(mm ) gw z-1为第(z -1)日进入河道的基流补给量(mm ) t 为时间步长(d ) W LchLg 为第z 日蓄水层的补给量(mm ) O gw 为基流的消退系数其中补给流量由下式计算W LchLg z =[1-exp(-1/8gw )] W seep -exp(-1/8gw ) W LchLg z-1(3)式中 W LchLg z 为第z 日蓄水层补给量(mm ) 8gw 为补给滞后时间(d ) W seep 为第z 日通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量(mm /d )地表径流采用美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service )研制的小流域设计洪水模型 SCS 模型进行模拟 目前该模型在美国及其他一些国家得到了广泛的应用 在我国也有一些介绍和应用[15~2O] CN (Curve number )值是SCS 模型的主要参数 可将前期土壤湿润程度 坡度 土壤类型和土地利用现状等因素综合在一起 用量的指标来反映下垫面条件对产汇流过程的影响 是反映降雨前流域特征的一个综合参数 SCS 模型有特定的土壤分类系统 需对土壤分类进行对应归并 得到符合SCS 模型的土壤分类结果[14] 因土壤属性较稳定 将土壤分类结果作为不变值 用于模型计算中 CN 值同样受降雨前的流域内土壤湿润程度的影响 SCS 模型将土壤湿润程度根据前5d 的总雨量划分为3类 分别代表干 平均 湿3种状态(AMCI AMCII AMCIII ) 不同湿润状况的CN 值有相互的转464地理科学进展22卷换关系G 最终根据SCS 模型提供的CN 值查算表[15] 充分考虑当地的自然条件 并参考有关研究者在SCS 模型应用中所确定的CN 值[18 19 21] 确定出当地的CN 值G壤中流用动态存储模型预测计算 该模型考虑到水力传导度~坡度和土壤含水量的时空变化G 计算下渗考虑两个主要参数:初始下渗率(依赖于土壤湿度~供水条件)和最终下渗率(等于土壤饱和水力传导度)G蒸散发包括水面蒸发~裸地蒸发和植被蒸腾G 土壤水蒸发和植物蒸腾被分开模拟G 潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面指数估算G 实际土壤水蒸发用土壤厚度和含水量的指数关系式计算G 植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算G 潜在蒸散发有以下三种计算法:~argreaves (~argreaves and Samani 1985) Prestley -Taylor (Prestley and Taylor 1972) Penman -Monteith (Monteith 1965) 本文采用Penman -Monteith 法G2.2评价方法 数字滤波法传统的基流分割法包括图解法[22]和分析法[23]G 图解法主观性较强 在计算两次连续降雨或多次连续降雨时效果较差;分析法依赖迭代曲线拟合算法 且参数较多 难以确定其误差来源[24]G 近年来人们将数字滤波应用于基流的分割G 数字滤波能通过滤波器把输入系列通过一定的运算变换成输出系列G 数字滤波器的实现方式之一是利用通用计算机的存储器~运算器和控制器把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行 也就是采用计算机软件来实现[25]G滤波法较图解法更加客观 操作容易 执行速度快 且参数较少[24]G Nathan 和McMa-hon 首次采用Lyne -~ollick 算法[26]对流量过程进行分析和处理 从流量过程中分割出基流[27]G Arnold 在美国西部和东部选取6个代表流域对该方法进行验证 结果表明该方法不仅精度较高 而且具有较好的客观性和可重复性[28]G 本文采用该方法将实测径流划分为直接径流和基流两部分G 基于Lyne -~ollick 算法的滤波方程为:g t =Bg t 1+(1+B)(0t 0t 1)/2(4)式中:g t 为t 时刻过滤出的快速响应(即直接径流信号 以日为时间步长);0为实测河川总径流;B 为滤波参数G 从总径流中过滤出快速响应 即可得出基流b t :b t =0t g t (5)Nathan 和McMahon 及Arnold 等人采用三通道滤波器 将模拟结果与手工分割的结果进行对比研究 率定出B 值 分别定为O.9O~O.95 O.925[27 29]G3实例研究3.1流域概况洛河是黄河小浪底水库以下的最大支流 洛河干流在陕西省有两条 西干流发源于蓝田县灞源乡 北干流发源于洛南县洛源乡 汇合后经陕西省的洛南县和河南省的卢氏~洛宁~宜阳~洛阳市区~郊区~偃师~巩县 在神堤村注入黄河G 干流长446.9km 流域面积18881km 2 多年平均径流量34.22亿m 3G 其中洛河上游卢氏水文站以上流域 流域面积4623km 2 河道长192km 跨陕西和河南两省 该区为典型的石山林区[23]G 地势高峻 河沟密集 坡陡石多 地形复杂 切割严重 土地贫瘠G 大部分地区海拔在12OO~2OOO m5645期杨桂莲等:基于SWAT 模型的基流估算及评价之间沿河有许多面积较小的河谷平原海拔高度600*1000m O土壤类型以棕壤~褐土为主天然植被较好除岩石裸露外大部分是天然次生杂木林森林和草地覆盖率达70%以上[31 32]O根据1971*2000年资料统计流域内多年平均降水量为720mm多年平均水面蒸发量为966mm O3.2SWAT模型估算3.2.1模型输入本文应用与Arc View GIS藕合的SWAT模型AVSWAT来处理卢氏流域的输入文件(见表1D O根据前文所述的亚流域划分原则并考虑实际的县区边界将卢氏流域划分为39个亚流域[33]O表1模型输入数据Tab.1The input data f or SWAT model数据类型尺度数据描述来源气象24个雨量站日降水和气温黄委水文局地形1=250000高程坡面与河道坡度~长度国家基础地理信息中心土壤1=1000000土壤属性如密度~剖面和质地等南京土壤所土地利用1=100000土地利用类型分类中科院地理所模型所要求的地形土地利用/覆盖和土壤数据是使用AVSWAT2000在Arc View中生成的地形数据是从1=250000万DEM中生成的O SWAT模型所要求的亚流域地图是在AVSWAT中从地形数据中生成的O流域中的土地利用分类数据是从1=100000的土地利用图中得到的并重新进行了分类得到7种土地利用类型耕地(AGRL D~林地(FRST D~草地(PAST D~农村居民点(RURL D~城镇用地(URAN D~水域(WATR D和裸地(BARE D O输入气象数据包括日降水量~最高最低气温~风速和相对湿度等这些数据可以是统计数据也可根据SWAT的天气模拟程序生成O3.2.2模型校准和验证当模型的结构和输入参数初步确定后就需要对模型进行校准(calibration D和验证(Validation D O通常将使用的资料系列分为两部分其中一部分用于校准模型而另一部分则用于模型的验证[34]O校准是调整模型参数(经分析得出SCS曲线数CN~土壤中植物可利用水量~土壤蒸发补偿系数为最敏感因子D~初始和边界条件以及限制条件的过程以使模型接近于测量值O选用线性回归系数(R2D和Nash-Suttclife模拟系数(Ens D 来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果O使用Nash-Suttclife系数Ens来衡量模型模拟值与观测值之间的拟合度其表达式为[34]E ns=1-E nz=1(@m-@p D2E nz=1(@m-@aU!D2(6D式中@m 为观测值@p为模拟值@aU!为观测值平均值n为观测的次数O当@m=@p时E ns=1"如果E ns为负值说明模型模拟值比直接使用测量值的算术平均值更不具代表性O664地理科学进展22卷根据数据获取的完整性,选用1992~1997年卢氏水文站的河道流量对径流进行参数率定0对以下的四个敏感性参数进行调整;径流曲线数(CN 2D ~地下水再蒸发系数(RWVAPC D ~土壤蒸发补偿系数(ESC0D 和植物蒸发补偿系数(EPC0D 0通过调整这些参数使径流模拟值与实测值吻合,其模拟值与实测值年均误差应小于实测值的15%,月均值的线性回归系数R 2>O.6且E ns >O.50流量校准年径流平均误差为14.3%,且月径流E ns 为O.86,R 2为O.87,精度满足模型要求0采用模型参数率定过程中所得到的参数,应用1998~1999年的实测流量数据进行模型验证,并采用R 2及E ns 对模型的验证结果进行评价0流域出口模拟径流量与实测流量拟合较好,月径流R 2为O.81,E ns 为O.840模型对1998年6~9和1O 月,1999年4~5月和12月的模拟值较高;对1998年8月和12月的模拟值较低,其原因可能是由于降雨的空间不均匀性0但总体来说模型预测的评价系数满足评价标准0通过对径流的校准和验证,最后确定出模拟径流过程的模型参数,如表2所示0表2模型校准参数值Tab .2The calibrated parameters f or SWAT model 变量模拟过程参数描述值域/变化范围参数最终值CN 2径流径流曲线数+/-8+2RWVAPC径流地下水再蒸发系数O.OO~1.OO O.1O ESC0径流土壤蒸发补偿系数O.OO~1.OO O.2EPC0径流植物吸收补偿系数O.OO~1.OO O.1O 4结果与分析4.1估算结果SWA 模型输出的是39个亚流域逐日基流量0图版1,图1是39个亚流域年均基流分布图,而图版1,图2是8~1O 月基流总和分布图,其分布规律与年均基流分布相似,主要是由于这三个月占年均基流的46%0由于该研究区为典型的石山林区,地处黄河中游地区,汛期多发生在8~9月份,由于地下径流的滞后效应,1O 月份的基流量所占的比例也较大04.2滤波结果输入1992~1999年日流量资料,在MS -D0S 环境下运行下载的bflow .exe 模块[33],即可得到逐日基流量以及基流参数FT ~退水个数~a gw 系数和退水天数,基流参数如表3所示0表3滤波分割基流参数值Tab .3The parameters of f iltered basef low 基流系数FT 1基流系数FT 2基流系数FT 3退水个数a gw 系数基流天数O.49O.3O O.239O.OO38264注;FT 1~FT 2~FT 3为各自采用第一~二~三通道滤波时,所分割的基流占总径流的比例07645期杨桂莲等;基于SWA 模型的基流估算及评价其中Fl =Z t /@(7)c gw =ln(@gw,O /@gw,N )/N (8)式中:@gw,O 和@gw,N 分别为退水计算时的始,末流量0为了精确计算出c gw ,退水时间(N )不得少于1O 天0根据对研究区的初步分析,发现该区基流占总径流的2O%左右,因此选用基流系数Fl 3以及相应的逐日基流分割值04.3评价与分析将基于滤波技术分割出的基流值与SWAT 模拟值作对照,月基流R 2为O.76,Ens 为O.75,(如图3,图4所示),模拟精度较高0由图3可以看出,SWAT 在模拟高水流时的月份时,基流模拟结果往往偏大,而在模拟低水流时,结果往往偏小0这涉及多方面的原因,一方面,由于土壤含水层的分布本身就很复杂,另一方面,模型在校准时参数不止一个,多个参数之间的相互影响并不明确0在实际校准时,往往只对总径流进行校准,基流的校准由于一般无实测资料,难以进行图3基于滤波技术分割的月基流与SWAT 模拟值对照图Fig .3Monthly time series (1992*1999)of SWAT simulated and filtered baseflow5结论滤波技术使得基流分割地下水补给得以自动完成0该法为SWAT 模型的基流模拟评价提供了依据和途径:(1)自动化滤波技术能快速,高效地分割出基流,结合计算机使退水曲线得以自动平移,可计算出基流量;(2)在无地下水观测地区,借助滤波技术分割基流,可应用于SWAT 模型的基流校准,为SWAT 模型的径流模拟和非点源污染模拟提供了有利途径,同时也为研究地下水资源量864地理科学进展22卷图4基于滤波技术分割的月基流与SWAT 模拟值散点图Fig .4The regression of SWAT simulated and filtered basefloW提供了一种新的方法;(3)SWAT 是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型 在充分利用GIS 和RS 提供的空间数据信息的前提下 能够模拟复杂大流域中的径流成分O参考文献[1]Williams J .R . and J .E .Pinder I .GroundWater floW and runoff a coastal plain stream .Water Resources Bul-letin 1990 726(2):343~352.[2]Arnold J .G . 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characteristics forselected drainage basins in middle and east Tennessee .9645期杨桂莲等:基于SWAT 模型的基流估算及评价074地理科学进展22卷US Geological Survey Water Resources Investigations Report.,1990,(4015):34.[12]Rutledge,puter Programs for Describing the Recession of Groundwater Recharge and for EstimatingMean Groundwater Recharge and Discharge from Streamflow Records.U.S.Geological Survey Water Resources Investigations Report.,1993,(4121):45.[13]Arnold,J.G.,R.Srinivasan,R.S.Muttiah,et rge area hydrologic modeling and assessment.Part I.Model development.Journal of the American Water Resources Association,1998,(34):73~89.[14]王中根,刘昌明,黄友波.SWAT模型的原理~结构及应用研究.地理科学进展,2003,22(1):79~86.[15]袁作新.流域水文模型.北京:水利电力出版社,1990.[16]张建云.地理信息系统及其在水文水资源中的应用.水科学进展,1995,6(4):290~295.[17]张建云,何惠.应用地理信息进行无资料地区流域水文模拟研究.水科学进展,1995,9(4):345~350.[18]张仁杰.从遥感信息到水文模型参数.遥感信息,1987,(1):13~18,28.[19]魏文秋,谢淑琴.遥感资料在SCS模型产流计算中的应用.环境遥感,1992,7(4):243~250.[20]吴险峰,刘昌明.流域水文模型研究的若干进展.地理科学进展,2002,21(4):341~348.[21]Rango A.Assessment of Remote Sensing 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100875,China )Abstract ,BasefloW ,usually separated from total streamfloW ,is very important in many research fields .TWo methods to analyze and calculate basefloW Were introduced .The first method uses the Water balance components from the soil and Water assessment tool model (SWAT ).The second method uses a digital recursive filter to separate basefloW from dai-ly floW .The result Was applied in Lushi basin located in the upper of Luohe to calibrate basefloW in SWAT model .Simulated floW Was calibrated against calculated floW at Luohe (4623km 2)from 1992*1996.To validate the model ,calibrated and simulated monthlyfloW at Luohe from 1997*1998Was compared With a R 2of 0.81and an Ens of 0.84.Foursensitive factors ,including CN 2,RWVAPC ,ESCO and EPCO ,are determined after cali-bration and validation of the model .The rate of three -month (Aug .to Oct .)basefloW in annual total one is 46%because the floods usually took place in August and September in the study area .Comparing simulated monthly basefloW to the filtered one from 1992*1998,a good result can be gained With a R 2of 0.76and an E ns of 0.75.The case study illu-minates that SWAT model can simulate basefloW Well ,and the filter technigue has the po-tential to provide realistic estimates of basefloW for input into regional groundWater models and a check for surface hydrologic models .!ey words ,SWAT model "basefloW estimation "digital filter technigue "Luohe basin1745期杨桂莲等,基于SWAT 模型的基流估算及评价基于SWAT模型的基流估算及评价 --以洛河流域为例作者:杨桂莲, 郝芳华, 刘昌明, 张雪松作者单位:北京师范大学环境科学研究所,水沙科学教育部重点实验室,北京,100875刊名:地理科学进展英文刊名:PROGRESS IN GEOGRAPHY年,卷(期):2003,22(5)被引用次数:72次1.Williams J R;J E Pinder ⅢGroundwater flow and runoff a coastal plain stream1990(02)2.Arnold J G P;M Allen;G Bernhardt A comprehensive surface-groundwater flow model 1993(142)3.Reay W G;D L Gallagher Jr;G M Simmons Groundwater discharge and its impact on surface water quality in a Chesapeake Bay inlet 1992(06)4.Memon B A Quantitative analysis of springs 1995(26)5.Wood W W;W E 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SWAT模型在水资源管理中研究进展与灌区应用展望[期刊论文]-土壤2009,41(5)1.王立红.陈娟.张慧济南市锦绣川流域景观变化对河川径流的影响研究[期刊论文]-绿色科技2011(8)2.张明旭.赵海英晋江西溪流域气候变化的SWAT模型模拟[期刊论文]-通化师范学院学报 2009(4)3.盛前丽.张洪江.刘国栋环境变化对香溪河流域径流影响的研究[期刊论文]-西部林业科学2008(4)4.岳隽.王仰麟.李贵才.吴健生.谢苗苗不同尺度景观空间分异特征对水体质量的影响——以深圳市西丽水库流域为例[期刊论文]-生态学报 2007(12)5.张华.张勃.赵传燕黑河上游多年基流变化及其原因分析[期刊论文]-地理研究 2011(8)6.翟晓燕.夏军.张永勇基于SWAT模型的沙澧河流域径流模拟[期刊论文]-武汉大学学报(工学版) 2011(2)7.袁军营.苏保林.李卉.路雨基于SWAT模型的柴河水库流域径流模拟研究[期刊论文]-北京师范大学学报(自然科学版) 2010(3)8.范丽丽.沈珍瑶.刘瑞民.宫永伟基于SWAT模型的大宁河流域非点源污染空间特性研究[期刊论文]-水土保持通报 2008(4)9.黎坤.林凯荣.江涛.陈晓宏数字滤波法在点源和非点源污染负荷分割中的应用[期刊论文]-环境科学研究 2010(3)10.罗书文.梁虹.杨桃.贺中华基于分形理论的喀斯特流域枯水资源影响因素分析[期刊论文]-安徽水利水电职业技术学院学报 2009(1)11.罗书文.梁虹.杨桃.贺中华基于分形理论的喀斯特流域枯水径流影响因素分析[期刊论文]-水科学与工程技术 2008(5)12.高杨.张明旭.王林晋江西溪流域气候变化下的水文响应研究[期刊论文]-水资源与水工程学报 2008(2)13.王林.陈兴伟基于3个站点校准与验证的晋江流域径流模拟[期刊论文]-中国水土保持科学2007(6)14.ZHANG Xiang.张扬.CHEN Xiao-dan.罗蔚汉江上游流域产水产沙时空规律研究[期刊论文]-南水北调与水利科技 2008(4)15.罗慈兰.叶水根.李黔湘SWAT模型在房山区ET的模拟研究[期刊论文]-节水灌溉 2008(10)16.罗睿.徐宗学.程磊SWAT模型在三川河流域的应用[期刊论文]-水资源与水工程学报 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2007(2)34.许其功.刘鸿亮.沈珍瑶.席北斗参数空间分布对非点源污染模拟的影响[期刊论文]-环境科学2007(7)35.舒卫先.李世杰.刘吉峰青海湖水量变化模拟及原因分析[期刊论文]-干旱区地理 2008(2)36.李丽娇.张奇一个地表-地下径流耦合模型在西苕溪流域的应用[期刊论文]-水土保持学报。

使用SCS模型在无历史实测径流资料流域计算场次洪水总量

使用SCS模型在无历史实测径流资料流域计算场次洪水总量

使用SCS模型在无历史实测径流资料流域计算场次洪水总量王加虎;梁菊平;李丽;吴辰;罗嘉西;刘玉冰【期刊名称】《中国农村水利水电》【年(卷),期】2017(0)12【摘要】国内有很多学者利用SCS模型来估算流域径流量。

然而,传统的用于确定CN值的参数表是根据美国各种下垫面情况开发制作的,而我国的气候条件、主要的土壤类型及土地利用情况与美国并不相同,所以制定一个适用于中国的径流曲线数(CN值)表很有研究意义。

以常用的UMD数据集(美国马里兰大学建设的全球土地覆盖数据集)为例,根据经验及分析制定了UMD径流曲线数(CN值)查找表,并在北京市北山下站进行应用,得到一个查表值CN、洪水反推出的CN值,得到北京市的系统偏差系数,最后在北京市锥石口站进行验证。

结果表明:通过UMD径流曲线数(CN值)查找表得到的CN值,乘上系统偏差系数之后计算流域的场次洪水总量精度变高。

【总页数】6页(P70-74)【关键词】SCS模型;CN参数表;流域CN校准;场次洪水总量【作者】王加虎;梁菊平;李丽;吴辰;罗嘉西;刘玉冰【作者单位】河海大学水文水资源学院【正文语种】中文【中图分类】TV121【相关文献】1.利用SCS产流模型模拟广东无资料小型流域月径流过程 [J], 叶植滔;陈师妍;范世杰;谢咏麒;吴昂澄;邓绍欣;简绍敏;2.无实测资料地区径流分析计算方法探讨 [J], 党晓军;沈鹏飞3.无实测资料小流域推求设计洪水探讨 [J], 陶新红4.SCS模型在无资料地区径流模拟估算中的应用——以清河流域为例 [J], 刘春春; 刘万青; 王宁; 杨波5.基于SCS模型的资料缺乏地区小流域设计洪水计算方法研究 [J], 戴荣;王琦因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

SCS—CN模型改进及其径流预测

SCS—CN模型改进及其径流预测

第3期 2018年6月水利水运工程学报H Y D R O-S C IE N C E A N D E N G IN E E R IN GN o.3Jun. 2018D O I:10.16198/j.c n k i.1009-640X.2018.03.005徐赞,吴磊,吴永祥,等.S C S-C N模型改进及其径流预测[J].水利水运工程学报,2018(3):32-39. (X U Z a n,W U L e i,W UY o ng xia ng, et al. Im provem ent and ru n o ff p re d ictio n o f SCS-CN m odel [J].H ydro-S cience and E n g in e e rin g,2018(3):32-39. (i nC h in e s e))S C S-CN模型改进及其径流预测徐赞\吴磊2,吴永祥\徐荣碟1(1.南京水利科学研究院,江苏南京210029; 2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)摘要:黄土高原的土壤侵蚀与水土流失程度都很严重,对其进行水土流失的预报有着重要的生态意义和经济意义。

利用S C S-C N(s o il conservation service curve n u m b e r)模型进行地表产流预测。

针对黄土高原特定的气候及下垫面条件,以陕西省榆林市绥德韭园沟典型小流域为研究区域,借助韭园沟流域次降雨径流资料,优化影响降水产流关系的相应参数(初损率和降雨强度)。

结果表明:①使用反算法来优化初损率,确定初损率为0. 075,模型效率系数为0. 208;②使用M A T L A B结合粒子群算法来进一步优化初损率,确定初损率为0. 13,模型效率系数为0.504,相比于反算法提高了142%,模型预报精度得到了很大提高;③在黄土丘陵沟壑区引人雨强因子修正降雨量函数,改进后模型效率系数为0. 652,确定性系数为0. 753,利用雨强修正函数后的S C S模型相比于标准S C S模型,确定性系数和模型效率系数分别提高了101%和534%。

scs水文模型例题

scs水文模型例题

scs水文模型例题水文模型在自然资源管理、环境保护和灾害预防等领域中发挥着重要的作用。

SCS水文模型是一种基于土壤保持的水文模拟方法,广泛应用于水文学研究和工程实践中。

本文将通过一个SCS水文模型的例题,介绍该模型的基本原理和应用方法。

例题背景:某市位于河流上游,面临洪水风险。

为了评估可能的洪水情况,需要使用SCS水文模型来模拟降雨径流过程。

假设该市面积为100平方公里,降雨事件为10年一遇的设计降雨,模型参数已知如下:土壤类型:A植被类型:森林坡度:10%河道长度:10千米通过该例题,我们将逐步展示SCS水文模型的运用方法。

1. 降雨分析:首先,我们需要对设计降雨事件进行分析和处理。

设计降雨通常以单位时间内降水量的形式给出。

根据降雨数据,我们可以计算得到降雨量为100毫米。

假设时间间隔为1小时,我们可以得到单位时间内的降水量为10毫米。

2. SCS曲线:SCS曲线是SCS水文模型的核心部分,它反映了时间和降雨的关系。

曲线的形状由土壤类型、植被类型和坡度等参数决定。

根据给定的参数,我们可以查找SCS手册,找到与之相对应的SCS曲线。

3. 整体时段单位线:整体时段单位线是单位面积产流深度与单位时间内产流过程之间的关系曲线。

它是根据SCS曲线和土地利用数据计算得出的。

在这个例题中,我们可以利用给定的土壤类型和植被类型,结合降雨数据,计算得到整体时段单位线。

4. 普通单位线:普通单位线是单位时间内径流量与单位面积产流深度之间的关系曲线。

它是整体时段单位线的缩放版本。

通过对整体时段单位线进行缩放,我们可以得到普通单位线。

5. 非线性产流:在SCS水文模型中,产流过程被分为初期产流和延时产流两个部分。

初期产流是指在雨水刚降落后,由于土壤无法迅速吸收水分而形成的产流。

延时产流是指在降雨结束后,土壤逐渐释放积水,导致的产流过程。

6. 延时过程:延时过程是指从降雨结束到开始出现流量峰值之间的过程。

它与土地利用、土壤类型和地形等因素有关。

GIS水文模型及降雨径流数值模拟研究

GIS水文模型及降雨径流数值模拟研究

GIS 水文模型及降雨径流数值模拟研究随着技术在水资源规划和工程水文中的深入应用,流域下垫面空间信息的获取及水文模拟及预测的技术正发生着深刻的革命性变化。

高分辨率卫星遥感影像数据在缺乏资料地区的水资源规划和工程建设中的潜在应用价值正得到研究者们和一线工程师们的高度认可。

基于的水文模型及其相关分析工具在国外工程界已得到广泛的应用,并已成为流域水文建模和分析的最主要工具。

本文以若曲流域为研究对象,试图探索将和等先进技术与分布式水文模型相结合运用于无资料流域的流域建模及降雨径流的数值模拟,为水资源开发和工程规划设计提供参考。

水文模型是水文水资源研究的重要内容和工具,是人们对复杂水文现象认识的一种数理抽象。

目前多数水文数值模拟软件已开始使用通用平台进行流域水文建模或水文数值模拟数据的前后处理。

作为主流的通用平台,在地下水模型方面,近年又出现了的数据模型和相应的地下水分析工具。

可以预计,面向对象的数据模型将成为水文空间数据普遍的建模和运用方式。

另一方面,计算机性能的提高、稳健的数值计算方法的应用将使洪水数值模拟与空间分析相结合成为可能。

GIS(地理信息系统)是具有强大空间数据存储和处理分析能力的数据库系统,具有数据釆集、监测、与编辑、数据处理、数据存储与组织、空间查询与分析图形与交互显示等功能。

它不仅是系统有效处理地理信息的基本手段和工具,而且是研究地球科学中必不可少的重要工具。

RS(遥感)的概念有广义和狭义两种概述,就广义而言,是指不直接接触目标的情况远距离感知目标地物或自然现象的一种探测技术;就狭义而言,是在远离地面的各种平台上,运用不同类型的传感器收集地表的信息,对数据进行传输和处理,以此来实现研究地面物体的特征性质与环境之间的相互关系的一门现代技术学科。

目前,国内外涌现出各种流域水文模型,包括一些比较成熟并被广泛应用的和众多刚开发的初级模型,每种模型都具有各自的特点。

在实际应用中,如何根据特定流域来选择合适的水文模型,这个成为水文学者十分关注的问题之一。

DEM论文:基于GIS的小流域坡度坡长因子计算方法研究

DEM论文:基于GIS的小流域坡度坡长因子计算方法研究

DEM论文:基于GIS的小流域坡度坡长因子计算方法研究【中文摘要】坡度坡长因子是影响土壤侵蚀的主要地形因子。

在经验土壤侵蚀模型中,地形对侵蚀的影响用坡度坡长因子来表征。

坡度的提取算法已经很成熟,坡长的提取仍然存在很多问题。

因此,本研究重点分析和总结前人关于坡长的定义框架,构建坡长的理论体系和分析不同坡长提取方法的优缺点,建立小流域坡长的提取模型和方法,分析坡长在小流域的空间分异规律以及坡长与其他地形因子的关系。

最后,用经过改进的坡长算法和D8算法计算的坡度,得到小流域的坡度坡长因子值。

主要研究结果如下:(1)基于累积流量算法,通过对流向算法的改进,提取的流域坡长与实际非常吻合,符合坡长分布的格局特征,做作为流域分布式坡长提取的基本方法。

累计流量的单位汇水面积的坡长提取算法由于受到多种因素如坡长指数m、多流向算法的选择、等高线长度系数等的影响和制约,故而误差较大,所以如何选择合适的坡长指数、多流向算法、计算精确的等高线长度系数,均需要大量实验来进行验证;(2)不同的径流算法,得到的坡长和LS差异非常大,为了取得更为真实的地学模拟结果,在LS因子的计算过程中必须充分考虑径流算法的特点。

单流向算法水流仅流向单一的最陡下坡方向,无法真实反映地形变化情况。

多流向算法比单流向算法更加适合模拟坡面漫流。

用多流向算法计算的坡长,其结果表面连续、光滑,格局特征优于单流向算法的坡长。

(3)不同坡度段上坡长的差异很大,坡面较为平缓时的坡长较大,尤其是在0-3度时坡长非常大,而坡面较陡时坡长较小;不同坡向,坡长的分布也不一致。

南坡和北坡坡长均值远大于其他坡向;凹形坡的坡长均值最大而凸形坡上坡长均值最小,直型坡的坡长均值介于凹形坡和凸形坡之间。

(4)基于两种流向算法计算的LS因子差异较大。

从频率分布看,多流向LS因子值明显大于单流向LS因子。

总体而言,多流向LS因子相对单流向LS因子较好。

【英文摘要】Gradient slope and slope length factor (LS Factor) is a mainly topographical factor which influences soil erosion. In empirical Soil erosion models, LS factor can characterize the impact that terrain influences the soil erosion. Extraction algorithm of slope has already been very mature while there are many problems in extraction of slope length. As a result, this research mainly analyses and concludes the definition framework of slope length by predecessor, construct the theory system of slope length, analyze the advantages and disadvantages of different slope length extraction methods, build slope length extraction model and method of small watershed and analyze the space differentiation rules of slope length in small watershed and the relations between slope length and other terrain factors. At last, this essay uses the modified slope length algorithm and the slope extracted from ARCGIS to get the values of slope factor and slope length factor of small watershed. The mainresearch results are as follows:(1) Slope length method based runoff accumulation can calculate slope length quickly. By improving the flow algorithm; we can get more realistic slope length. And the slope length has a good relationship with terrain features. Total flow catchment area of the unit slope length method, is influenced by the slope length factor index m, the choice of multiple flow direction algorithm, coefficient contour length of the impact and constraints, so the error is larger.(2) Different runoff algorithms can get the significantly different slope length. In order to get more real geological simulation results, the LS factor calculation process must fully consider the characteristics of runoff algorithm. Single flow algorithm water flow single the steepest only, can’t really reflect downhill direction terrain. The results of different algorithms on extracting slope length have great difference. Multiple flow direction algorithms are more suitable than the single flow direction algorithms for simulating overland flow. The surfaces of multiple flow direction algorithms on extracting slope length are continuous and smooth. The spatial pattern of multiple flow direction algorithms is better than single flow direction algorithms.(3) There are many differences in the two algorithms. When the slopeis more gentle, slope length is lager. Especially in 0-3 degrees, slope lengths are very large. When slope is steep, slope lengthis less. The maximum and minimum values of slope length in different aspect are similar, but the mean value and standard deviation of slope length in southern slope and northern slopeare the largest. The mean value of slope length in concave slopeis the largest, but in convex slope is the smallest. The meanvalue of plan areas is between concave slope and convexslope.(4)Through single flow and multiple flow LS frequency and spatial pattern analysis,there are many differences between LSfactor of two different algorithms. LS factor was significantlymore than the flow of a single flow of LS factor. Overall, the multiple flow LS factor was relatively good.【关键词】DEM 坡度坡长因子坡长流向【英文关键词】DEM Gradient and Slope Length Factor Slope Length Flow Directions【目录】基于GIS的小流域坡度坡长因子计算方法研究摘要6-7ABSTRACT7-8第一章绪论11-181.1 研究的目的和意义11-121.2国内外研究现状概况12-161.2.1 侵蚀地形的表达与 DEM 各种坡长方法的分析比较29-30第四章小流域坡长分析30-434.1 坡长合理性分析30-334.1.1 单流向坡长统计31-324.1.2 多流向坡长统计32-334.2 坡长与面状地形属性的关系33-404.2.1 坡长与坡度的关系33-354.2.2 坡长与坡向的关系35-364.2.3 坡长与曲率的关系36-404.3 坡长专题层与等高线套合观察404.4 坡长与地形特征线长度的关系40-434.4.1 坡长与分水线的关系40-414.4.2 坡长与流水线的关系41-424.4.3 坡长与沟沿线的关系42-43第五章坡度坡长因子(LS 因子)的计算43-475.1 流域LS 计算原理与方法435.2 LS 因子提取应用研究43-445.3 LS 因子合理性分析44-475.3.1 LS 统计值445.3.2 LS 频率和累积频率曲线44-465.3.3 LS 与等高线套合46-47第六章结论与讨论47-496.1 结论476.2 讨论47-49参考文献49-54致谢54-55作者简介55。

利用与GIS相结合的SCS-CN方法估算降雨径流潜力

利用与GIS相结合的SCS-CN方法估算降雨径流潜力

图 1 研究区位置示意图
2.数据来源与处理 研究区土地使用/覆盖数据来自 ESA/CCI 土地利用网(http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/),将其投 影转换为 WGS84/ Albers Equal Area Conic 投影,使用研究区矢量图进行图像空间裁剪,根据研究需要将 其重采样至空间分辨率为 500×500 m。研究区域的土壤数据来自青海省土地利用和土地覆盖物分类系统的 国家土地生态遥感监测。土壤包括栗色土、黑钙土、石灰性灰褐土、石灰性潮土、石质土、东部地区的 钙石土、褐土、石灰性灰褐土、草甸潮土、西部地区高山冻土。使用研究区矢量图进行图像空间裁剪, 根据研究需要将其重采样至空间分辨率为 500×500 m,再采用地理信息系统软件包制作了研究区域的底 图、水文土壤图和土地使用图用于进一步分析。 本文使用的降雨数据采用中国气象科学数据共享服务网()提供的 2000-2015 年 的祁连山南坡周边地区标准气象站点的月降水量资料。根据各气象站点的空间信息,采用 ArcGIS 的 Geostatistical Analyst 模块对气象数据进行反距离权重空间插值,获取与土地利用数据像元大小一致、投 影相同的气象数据栅格图像。根据研究区矢量图,剪取祁连山南坡地区的月降水栅格图像。 3.研究方法 (1)地表径流估算 通过将地理信息系统与径流曲线法相结合,对地表径流进行了估算。径流曲线法广泛用于判断长期 (持续)水文模拟模型中的直接地表径流。采用了地理信息系统来创建空间数据库,体现水域的水文体 征。研究区域的底图、土地使用和土壤覆盖均采用地理信息系统创建。改进的不透水面层、植被和土壤 粒级用以计算每个像素单元的复合曲线数(CN),同时也采用了地理信息系统的叠置工具。将日降雨量 数据库纳入分析,来估算直接径流。所得结果可以用于研究区域的水资源管理。 (2)基于地理信息系统的径流曲线法 本研究中对地表径流的模拟采用了径流曲线法模型,基础是水平衡方程,基本形式如下:
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滨江学院毕业设计题目基于GIS的SCS径流模型开发—以西山小流域为例院系滨江学院专业地理信息系统学生姓名张全统学号20102316036指导教师罗庆洲职称副教授二O一四年五月二十五日目录1.引言......................................................................................................... 5矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

2.SCS模型原理..................................................................................... 5聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

2.1 SCS模型基本原理........................................................................... 6残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

2.2 CN值的影响因素及确定方法 ........................................................ 6酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

2.2.1 CN值的影响因素 ................................................................. 6彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

2.2.2 CN值的确定 ......................................................................... 6謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

2.3发展趋势........................................................................................... 8厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

3.研究区域及系统需求分析......................................................... 8茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

3.1研究区域与数据预处理................................................................... 8鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

3.2 需求分析与GIS二次开发技术应用 ........................................... 10籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

4.系统设计与实现............................................................................ 10預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

4.1系统开发环境................................................................................. 10渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

4.2系统数据库设计............................................................................. 10铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

4.3 系统功能设计................................................................................ 11擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

4.3.1系统功能结构划分.................................................................. 11贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

4.4系统实现与运行效果..................................................................... 12坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

4.4.2系统运行.................................................................................. 14蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

(1)地图基本操作..................................................................... 14買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

(2)CN值查询操作 .................................................................. 14綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

4.4.2.1降雨径流查询计算功能................................................. 15驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

4.5系统应用......................................................................................... 16猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

5.结论与展望....................................................................................... 17锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

5.1 结论................................................................................................ 17構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

5.2 展望................................................................................................ 18輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

参考文献:............................................................................................ 18尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

致谢............................................................................................................ 20识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

基于GIS的SCS径流模型开发—以西山小流域为例张全统1(1. 南京信息工程大学滨江学院大气与遥感系江苏南京210044)摘要:随着社会的发展,在当今社会利用地理信息技术收集,分析气象数据成为了一种不可逆的趋势。

SCS模型是目前应用较为广泛的地表径流模型之一。

本文应用GIS二次开发技术,采用SCS模型计算西山小流域的径流量。

首先剖析了SCS模型的基本原理,在此基础上分析了西山小流域径流计算的需求,然后采用基于Visual Basic语言与ESRI MapObjects 控件进行SCS模型的降雨径流计算系统开发,该系统能够实现地图基本操作、CN值查询、径流量计算的功能。

该系统为研究地区的径流量估算以及水文分析起到了一定的辅助决策作用。

凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

关键词:SCS模型;径流计算;GIS二次开发;小流域Researching the Development of SCS Model in RunoffSimulation恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

Zhang QuantongCollege of BinJiang Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

Abstract:With the development of society, in today's society the use of geographic information technologies to collect, analyze meteorological data has become an irreversible trend. SCS model is one of the more widespread application of surface runoff models. In this paper, the secondary development of GIS technology, using SCS model XiShan small watershed runoff. First analysis of the basic principles of SCS model, on the basis of the analysis of the needs of small watershed runoff XiShan calculated, and then conducted using SCS rainfall-runoff model for the development of computing systems based on Visual Basic language and ESRI MapObjects control, the system can achieve the basic operation of the map, CN value queries runoff calculation function. The system for the study area and the hydrological analysis to estimate runoff played a secondary role in the decision-making硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

Key words:SCS model;Runoff calculation;GIS secondary development;Small Watershed阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

1.引言随着经济社会以及信息技术产业的飞速发展,运用地理信息技术对自然资源资源及生态环境进行及时、准确、全方位的动态监测是一种不可逆转的趋势。

SCS模型[1]就是一种降雨径流计算系统,该模型最初是由美国农业部水土保持局研究出来的。

目前SCS模型广泛的应用在美国及其他一些国家, 并且获得了不错的效果[2-5]。

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