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降雨是引起径流侵蚀的主要动力。定量计算不同下垫面条件下的径流量,对认识土壤侵蚀发生规律、开展水土流失预报,以及水土资源的合理利用和评价都有重要意义。径流计算模型常常是土壤侵蚀模型的重要组成部分,径流计算的准确程度直接影响到水体中泥沙和污染物输移的计算。美国农业部土壤保持局(USDA NRCS)提出的SCS-CN模型,计算过程简单,所需参数较少,在美国及欧洲一些国家得到了广泛的应用。因此本研究将基于SCS-CN模型,在黄土高原地区开展径流预报工作,重新计算模型参数,尽可能准确预报地表径流量,以便为该区的生态环境建设提供技术参考,促进黄土高原地区水土资源的可持续利用和生态环境的可持续发展。
本文主要包括三部分研究内容:一是利用黄土高原子洲径流场团山沟(蛇家沟)试验小区的205场次降雨径流过程资料讨论了产流后土壤最大持水能力S值的影响因素;二是基于黄土高原团山沟和西峰试验小区降雨径流资料确定初损系数λ(Ia/S)并对λ值进行检验;三是基于黄土高原各实验小区的降雨径流资料,应用确定的λ值建立黄土高原CN值数据库。本研究得出的主要结论如下:
1.在不同土地利用类型条件下,初损Ia与产流后土壤最大持水能力S具有线性相关关系,说明在研究区内初损Ia对产流后土壤最大持水能力S有显著的影响。而前期湿度条件和表层土壤(0~20cm)含水量对产流后土壤最大持水能力并没有显著的影响。
2.计算得出λ值的变化范围在0.01到0.46之间,平均值0.08,中值0.05。其中95%的λ值要小于0.2。取中值0.05作为研究区域的λ值。
3.在预报次降雨径流深和小区年径流深时,对比传统的λ取值0.2,在研究区域中λ等于0.05预报结果更好。在模型评价参数中,模型有效系数(Ef)和整体合格率(Q),λ等于0.05时显著高于λ等于0.2,而均方根误差(RMSE),相关均方根误差(NRMSE)和预报误差(e)是明显小于λ等于0.2。在次降雨径流深预报中,P-Ia≤0的降雨场次即计算径流深为0的场次,λ等于0.2明显多于λ等于0.5,并且这些降雨场次均为次降雨量小于25mm的场次。对于两种不同的λ取值,小区年预报相对于次降雨事件的预报精度更高。
4.根据土壤稳定入渗率作为水文土壤组的划分依据,研究区域的水文土壤组主要是B组。计算得到黄土高原地区的CN0.05和CN0.2数据库,结果表明:在相同土地利用和水土保持措施条件下CN0.05的最小值、最大值、平均值和中值均小于CN0.2。不同的水土保持措施对CN值的影响很大,并且CN0.05的变化范围要大于CN0.2。在黄土高原地区建立的CN0.05和CN0.2的关系式式如下:CN0.05=0.54CN0.2+44.9。