水文与水资源工程毕业论文-黄土高原丘陵区径流模型(SCS-CN)中CN值的确定.doc
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1、 学号: 届本科生毕业论文题 目:黄土高原丘陵区径流模型(SCS-CN) 中CN值的确定 学院(系): 水利与建筑工程学院 专业年级:水文与水资源工程10级2班 学生姓名: 指导教师: 完成日期: 黄土高原丘陵区径流模型(SCS-CN)中CN值的确定 摘 要:降雨径流是水土流失的主要驱动力之一。黄土高原是我国典型的水土流失区,其降雨年际变化大、年内分配不均,且以暴雨形式为主,降雨径流的准确模拟是黄土高原水土流失研究的关键。径流曲线数模型(SCS-CN)是一种利用降雨资料计算地表径流量的常用方法,参数和径流曲线数(CN)是模型中的重要参数。本文在考虑坡度对产流影响的基础上,以SCS模型为主线,应
2、用陕北韭园沟流域19541976年实测降雨径流资料对模型中参数进行校准和优化,构建适合黄土丘陵区的具有长时间序列的降雨径流模型,估算降雨变化条件下小流域地表径流量。主要研究结果如下:1) 选择30场降雨径流资料,在初损率=0.2的条件下,运用算术平均法和中值法分别计算CN值,通过将预测径流深与实测径流深进行比较,应用算术平均法计算的CN值为72.65,其对应的效率系数达到最大值0.67,模拟效果不太理想,必须对模型参数进行率定。2) 通过对模型参数进行敏感性分析,利用20场降雨径流资料对率定,在考虑坡度影响的条件下,得到不同坡度下的CN值以及不同坡度条件下最优化的参数,坡度为5、10、15时,
3、参数为0.1,对应的CN值分别为69.72、70.00、70.28;坡度为20、25、30、35时,参数为0.2,对应的CN值分别为70.58、70.90、71.25、71.63。7个坡度中,35时效率系数最大却只能达到0.56,因此单一的对参数率定不能提高模型的预测精度,必须考虑对CN值进行优化。3) 最后在不同坡度下对CN进行优化,得到适应于黄土高原丘陵区的降雨径流模型(SCS-CN)中的CN值,坡度为5、10、15时,参数为0.1,对应的CN值为64,模型的效率系数和相关性系数分别为0.94和0.97;坡度为20、25、30、35时,参数为0.2,对应的CN值为74,模型的效率系数和相关
4、性系数分别为0.74和0.92。综上所述,虽然参数率定时考虑相关影响因素较少,但优化后的模型参数能够用来预测黄土高原地区坡面和小流域尺度的地表径流量。研究结果以期为黄土高原丘陵区土壤流失、水土保持、非点源污染负荷估算提供科学的理论依据。关键词:SCS-CN模型;黄土高原;参数;坡度;率定IN HILLY AREA OF LOESS PLATEAU OF RUNOFF MODEL(SCS-CN) TO DETERMINE THE VALUE OF CNAuthor:Dai Tengfei Grade Professional: Water Resources 102 Class Instruct
5、or:Wu LeiAbstract: Rainfall runoff is one of the main driving forces of soil and water loss. The Loess Plateau is the typical area of soil and water loss in china, the interannual variation of rainfall, uneven distribution of the year, and in the form of heavy rain, accurate simulation of the rainfa
6、ll runoff is the key to study soil erosion of the Loess plateau. Soil Conservation Service curve number method is a commonly used method of computing runoff using rainfall data, the parameterand Runoff Curve Number is an important parameter in the model. Considering the slope on the basis of product
7、ion flow effects, using SCS model as the main line, application in Jiuyuangou River Basin from 1954 to 1976, the observed rainfall runoff data calibration and optimization of the parameters in the model, construction of the rainfall runoff model with long time series for the Loess Hilly region, esti
8、mation of small watershed rainfall runoff conditions change. The main results are as follows:(1) Select 30 rainfall runoff data, In the beginning of loss rate =0.2 conditions, using the arithmetic average method and median method are used to calculate the value of CN, the prediction of runoff depth
9、and runoff depth comparison, calculation method of arithmetic average the CN value is 72.65, the efficiency coefficient corresponding to the maximum of 0.67, the simulation effect is not ideal, must carry on the calibration of model parameters.(2) Through sensitivity analysis of model parameter , us
10、ing 20 field rainfall runoff data of lambda rate, considering the influence of slope conditions, get the parameter under different slopes and different slope CN value of optimization, slope of 5 , 10 , 15 , parameter 0.1, the corresponding CN values were 69.72, 70, 70.28; the slope is 20 , 25 , 30 ,
11、 35 , the parameter is 0.2, the corresponding CN values were 70.58, 70.90, 71.25, 71.63. 7 grade, 35 efficiency coefficient can only reach 0.56, so the single pair of parameter calibration can not improve the prediction accuracy of the model, the CN value must be considered to optimize the.(3) At th
12、e end of the CN in different gradient optimization, get the rainfall runoff model suitable for hilly region of the Loess Plateau in the CN value, the slope of 5 , 10 , 15 , the parameter is 0.1, the corresponding CN value is 64, coefficient of efficiency and correlation coefficient of the model resp
13、ectively. 0.94 and 0.97; the slope is 20 , 25 , 30 , 35 , the parameter is 0.2, the corresponding CN value is 74, coefficient of efficiency and correlation coefficient of the model were 0.74 and 0.92.To sum up, although the rate parameter of considering less influence factors, but the optimized para
14、meters can be used to predict the surface of slope in Loess Plateau area and watershed runoff. The research results in order to provide scientific theoretical basis for soil erosion, soil and water conservation in hilly area of the Loess Plateau, non point source pollution load estimation.Keywords:
15、SCS-CN model; the Loess Plateau; parameter; slope; calibration目 录第一章 绪论11.1 研究的目的与意义11.2国内外SCS-CN模型研究进展11.2.1国外模型研究进展11.2.2国内模型研究进展21.3 研究的主要内容21.4研究的技术路线3第二章 研究区域概况42.1 地理位置42.2 地质地貌42.3 气候条件42.4 资料来源5第三章 CN的计算83.1 SCS模型83.1.1 模型原理83.1.2 模型参数93.1.3 模型分析93.2 前期土壤湿度条件(AMC)的确定103.3 模型的评价参数113.3.1 模型效率
16、系数E113.3.2 相关系数R113.4 CN的计算123.4.1 算术平均法123.4.2 中值法123.5 结果分析133.5.1 模型效率系数133.5.2 相关系数R143.6 小结16第四章 初损率的计算174.1 初损率计算174.2 参数的敏感性分析184.3 初损率的率定194.4 结果分析194.4.1 模型效率系数194.4.2 相关系数194.5 小结23第五章 CN的优化245.1 CN的范围245.2 优化的CN245.3结果分析245.3.1 模型效率系数245.3.2 相关系数255.4 小结26第六章 分析与讨论27参考文献28附 表30致 谢41中英文翻译4
17、243黄土高原丘陵区径流模型(SCS-CN)中CN值的确定 第一章 绪论1.1 研究的目的与意义考虑到黄土区超渗产流的特点,应用陕北典型径流小区长系列实测降雨径流资料,对SCS-CN径流模型在黄土丘陵区进行关键参数率定和敏感性分析,参数是初损雨量与流域最大入渗量的比率,径流曲线数(CN)是SCS-CN模型中反映土地利用、土壤类型、前期土壤含水量等降雨前流域特征的一个综合参数,二者是SCS-CN模型的两个关键参数。通过SCS-CN径流模型在黄土高原丘陵区对参数和CN的率定,由土地利用类型和土壤类型的变化,估测研究区的地表径流量。SCS-CN模型的优点在于参数少且易于计算,通过关键参数的确定,为构
18、建适合黄土丘陵区的具有长时间序列的降雨径流水文模型,为黄土高原典型流域土壤流失、水土保持、非点源污染负荷估算提供科学的理论依据。1.2国内外SCS-CN模型研究进展土壤侵蚀和水土流失引起的非点源污染是当前国际关注的热点问题。强降雨引起的黄土高原地区的土壤侵蚀和水土流失更为严重1 2。降雨径流模型、土壤侵蚀模型、以及非点源污染模型作为研究这些问题的技术工具。降雨径流计算不但是水文模型重要组成部分,更是土壤流失、养分和农药等污染物流失计算的基础。径流曲线数模型(Soil Conservation Service Curve Number,SCS-CN)是美国农业部土壤保持局(United Stat
19、es Department of Agriculture,USDA)开发的一种常用的计算方法,后来经过不断的完善以及修正3 4。SCS模型最初为小流域区域设计,后来逐渐被应用于大中型流域5。1.2.1国外模型研究进展自从美国农业部水土保持局开发了SCS模型之后,其后一直被不断地校正和完善。其中Singh和Mishra综合考虑蒸散量,并成功改进初损估计值方法,对大尺度的降雨进行估算。Sahu等考虑了前5天的降雨量和降水强度,改进了初损值。Bhuyan等依据前5天的降水量判断土壤的湿润状况,对模型的CN进行修订6。虽然模型的精度不断得到提高,但是修改参数对于解决大尺度地表径流计算却没有被突破。SC
20、S水文模型如今在世界上也得到广泛的应用6。并且还作为其它模型的子模型用于径流计算,如水量平衡与暴雨演绎模型(SWAVT等)、作物生长模型(CC-SODS-RICE,CCSODS-WHEAT)和水质模型等5。另外,径流曲线法与其他基础水文模型可以构成美国农业部SCS系列模型,如非点源模型:CREAMS模型、CNPS模型;土壤侵蚀和作物产量预报模型:SPUR模型、EPIC模型等7。模型适用的的范围也向沙漠地区延伸5。SCS模型与其它模型的结合应用,显示SCS模型在未来发展的潜力,目前与其它模型结合的研究还不够深入。1.2.2国内模型研究进展SCS模型在20世纪80年代引入国内进行产流预报8。国内也
21、有许多学者利用降雨径流资料推算径流曲线数值(CN)。张钰娴等8应用62场实测降雨资料,研究了不同坡度下的径流曲线数值。该文只研究了径流曲线模型(SCS-CN)参数在黄土丘陵区的率定,并未对模型中的CN值进一步确定。罗利芳等9以陕西安塞25个小区的降雨径流资料为基础,计算了黄土高原地区不同下垫面条件下的径流曲线数值,并分析了径流曲线数和各影响因子之间的关系。李常斌等10用甘肃安家沟流域的十五个径流场资料,用SCS-CN模型反推得到CN值。王英等8 12虽然首先对初损率进行优化,并得出最优化CN,但是没有考虑坡度对两个参数的影响。符素华等11用北京密云石匣3个小区实测降雨径流资料用不同方法反推CN
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