黄土丘陵区SCS-CN模型径流曲线数的计算与校正

冯 憬,卫 伟,冯青郁

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085

2 中国科学院大学, 北京 100049

美国农业部土壤保持局(USDA-SCS)开发的径流曲线数法(Curve Number Method)广泛应用于估算无资料地区径流量或洪峰流量[1- 5]。SCS-CN方法是一种以经验数据为支撑的暴雨水文抽象概念模型,该模型基于一个数值参数CN来估计直接径流量,与Green-Ampt、Philip和Horton入渗曲线等相比所需资料容易获取且计算过程简单[6- 8]。该方法能够解释流域产流的关键特征[9],许多基于物理过程的水文模型,如SWAT、EPIC、CREAMS、AGNAPS和HEC-HMS等都采用SCS-CN模型来模拟地表径流量[1,4,6,10]。

SCS-CN模型也广泛用于我国水资源评价工作中,但由于地域特征差异等,直接采用美国农业部水土保持局提供的CN值来估算其他国家地区的径流量必定存在精度问题。由此,诸多学者就CN值的本土化区域化应用开展了大量的基础研究：Lian等[11]根据中国55个降雨径流监测点的数据修正了CN值,结果与美国提供的CN查算表存在较大差异。罗利芳等[6]基于陕西安塞小流域的监测数据计算了不同下垫面的CN值。Chaudhary等[12]通过实验计算CN值,并探讨了流域内坡度对产流和CN值的影响。针对CN值计算的方法学比较研究也有涉猎：符素华等[2]对CN值计算的5种方法进行比较研究,考虑相关系数和合格率算术平均法最佳；邓景成等[7]利用黄土高原3个小流域42场模拟降雨的径流资料,应用5种不同方法计算CN值,并利用CN值反推径流深。也有学者开展了模型参数优化的相关研究：王英等[13]利用黄土高原地区3个小流域的303场降雨径流资料,针对黄土高原降雨地表径流特点优化模型中的λ值,并提出降雨强度修正函数,将降雨强度因子引入径流曲线法；张钰娴等[1]基于62场实测降雨数据探究了λ值与不同地表坡度的定量关系；徐赞等[14]根据陕西榆林小流域的次降雨径流数据,优化了影响降水产流关系的参数(初速率和降雨强度)；Shi等[15]通过对实测降雨径流事件的分析,确定三峡地区王家桥小流域的λ值。为强化对不同土壤湿度核算,Singh[16]使用了熵理论重新审视了SCS-CN方法；Cho和Engel[17]基于连续的SCS-CN模型,采用了修正的土壤水分核算方法来估计长期非连续暴雨事件的径流深。

作为SCS-CN模型中关键的区域与气候参数,初损率λ的取值对CN值预测精度有显著影响[18]。在现有的SCS-CN模型中,λ通常直接采用美国水土保持局所提出0.2来进行计算模拟,即假设初损量等于20%的最大土壤蓄水量。然而,选择固定的λ值本质上回避了不同区域地理气候条件存在差异的问题[9]。该取值适用于美国大部分土壤结构和下垫面背景下CN值的计算,但对于中国黄土高原未必适用[1,4,8,11]。同时该参数是针对湿润气候下的流域而率定的[19],故应用于干旱半干旱区会造成较大误差。此外,坡度对产流具有重要影响,产流会随坡度的增加而增加[20],陡坡通常会有更多的径流产生,尤其在丘陵区小流域的产流潜力评价中应该充分考虑坡度的影响[21]。因此,采用不同坡度下λ校正的结果对计算CN值意义重大,精确的CN值对径流评估结果的准确性至关重要。

目前为止,针对陇中黄土丘陵区SCS-CN模型相关参数的率定工作仍不系统,缺乏统一的构架,有必要参照不同坡度下λ的校正结果对不同下垫面重新开展产流潜力的评价。此外,涉及不同整地措施下CN值的研究也较少。作为黄土高原治理水土流失的重要措施,整地通过改变和构建微地貌,能够有效滞留降雨,延缓径流的产生时间等,从而对土壤水文过程产生影响[22],探讨不同整地-植被耦合系统下的CN值变化有利于科学评价和预测区域水土保持成效。鉴于此,本文在系统整理和分析陇中黄土区47个径流小区连续5年生长季的观测数据基础上,采用算术平均法[2]计算了定西地区径流曲线数模型中的CN值,并借助黄土丘陵区不同坡度下率定的λ值[1]进行校正和检验,同时使用经验公式法确定不同植被和整地类型下的饱和导水率以及水文土壤组类型,研究结果将为流域水资源评估以及水土保持技术优化提供科学依据。

1 研究区概况和数据收集

1.1 研究区概况

为获得陇中地区较完整的植被及整地类型的CN值,研究区选取了甘肃省定西市龙滩流域和安家坡流域(图1)。安家沟流域位于定西市安定区凤翔镇,地处东经104°38′—104°40′,北纬35°33′—35°35′,该流域是黄河流域祖厉河水系关川河的一条小支沟,流域面积8.54 km2。龙滩径流场地处定西市安定区巉口镇,地理位置为东径104°27′—104°31′,北纬35°43′—35°46′,流域总面积16.10 km2,属于黄河流域祖历河水系三级支流。研究区地貌类型属黄土丘陵沟壑区,主要土壤类型为黄绵土。本研究选取了位于安家坡流域的30个径流小区,和位于龙滩流域的17个径流小区开展SCS-CN模型径流曲线数的研究工作。野外径流小区的基本概况详见表4,其中涉及的土地利用类型包括坡耕地、灌木林地,乔木林地,撂荒地以及人工草地,涉及的植物种类包括苜蓿(MedicagoSativa),小麦(Triticumaestivum),沙棘(Hippophaerhamnoides),油松(Pinustabulaeformis),柠条(Caraganamicrophylla),侧柏(Platycladusorientalis),冰草(Agropyroncristatum),山杏(Prunusarmeniaca)。

图1 研究区分布图

1.2 数据收集

本文基于47个径流小区2014—2018年连续5年生长期(5—10月)的降雨和产流数据进行CN值的计算研究。此外,收集了径流小区土壤理化资料,包括土壤机械组成以及有机质含量等数据。基于47个径流小区的土壤理化资料,进一步计算得到饱和导水率并确定了该地区的水文土壤组类型。

1.3 方法原理

CN值是一个无量纲参数,由前期土壤湿度、土壤类型、植被覆盖、土地利用和坡度等因素决定[2- 3,7],理论上取值范围为(0,100)[23]。SCS-CN模型在水平衡方程(公式(1))基础上结合了两个基本的前提假设[3,13,24]。第一个基本假设是：实际地表径流深(Q)与可能最大径流深的比值等于实际入渗量(F)与土壤潜在蓄水能力(S)之比(公式(2))；另一个假设是：初损(Ia)是土壤潜在蓄水能力(S)的一部分(公式(3))。

P=Ia+F+Q

(1)

(2)

Ia=λS

(3)

式中,P表示总降雨量,Ia表示初损量,F表示累积入渗量,Q表示地表径流深,S代表潜在最大蓄水量,而λ表示初损率。结合公式(1)和(2)可以得出现有SCS-CN最普遍的表达式:

(4)

在现有的SCS-CN模型中,为简化计算λ通常取值经验值0.2。将公式(3)带入(4)可得：

(5)

有关参数S与CN值的经验转换表达式如下：

(6)

通过对λ不同的赋值,带入并整合公式(5)和(6)可计算得到一次降雨事件下相应前期土壤湿度条件下的CN值。

此外,借助美国农业部水土保持局提出的前期降水指数API来刻画前期土壤湿度条件[3,7]。其中前期降水指数API等于降雨事件发生前5天的降雨量总和,据此,前期土壤湿度AMC可以分为三类AMC1,AMC2和AMC3,分别表示干旱、正常和湿润条件。三种湿度条件下分别对应CN1,CN2和CN3,转换关系如下：

(7)

CN3=CN2×exp[0.00673×(100-CN2)]

(8)

本文依照坡面变化针对初损率λ进行校正,参考张钰娴等[1]在黄土丘陵区对参数λ的率定结果：曲线数模型所描述的参数λ=0.2适合于黄土丘陵缓坡地,参数λ随坡度增大而减小。SCS-CN模型中所描述的λ=0.2适合于黄土丘陵缓坡地5°—10°,当坡度θ=15°时,λ=0.1；20°≤θ≤25°时,λ=0.05；θ=30°时,λ=0.03。

土壤类型分为A、B、C、D四类,由土壤最小下渗率和土壤质地确定,入渗能力依次减弱。前期土壤湿度由前期降水指数(API)确定(表1)。划分定西地区水文土壤组时采用了Soil Survey Manual[25]中的标准,即根据土壤的饱和导水率(Ks)来划分(表2)。饱和导水率通过经验公式得到：

表1 前期土壤湿度条件分类

表2 水文土壤组划分标准

KS=0.056×C+0.016×S+0.231×Om-0.693

(9)

式中,Ks代表饱和导水率(mm/min)；C表示土壤中黏粒含量(%)；S是土壤中砂粒含量(%)；Om是土壤中有机质含量(%)。其中土壤粒径粒级分类标准采用美国制。带入土壤机械组成和有机质含量等数据可计算得到各径流小区的饱和导水率。

基于前期土壤湿度条件,对研究区连续5年生长季内的产流事件进行划分,龙滩和安家坡流域中前期土壤湿度条件为AMC1的产流次数分别占83%和78%。由此可见,定西降雨产流的前期湿度条件以干旱居多。为了让计算结果更具实用性,本文采用AMC1条件下的CN1作为径流预报参数。将各个小区的降雨数据代入公式(5)和(6),可得每次降雨产流事件对应的潜在最大蓄水量S以及CN值,通过取算术平均值计算得到每个小区最终的CN值。最终,将不同坡度下率定得到的CN值与直接采用美国水土保持局分析提出的λ值计算得到的CN值进行比较。

其中,35个径流小区的监测结果中AMC1占主导地位,且这35个径流小区均不涉及整地工程措施,故将此35个小区依照不同坡度校正前后CN值进行展示,结果可表征典型植被覆盖类型下的CN值。另外12个与整地措施相关的径流小区,不同AMC的情况均有监测,将在后续进行比较说明。

2 结果与分析

2.1 水文土壤组划分

基于研究区47个径流小区的监测资料以及相关计算结果对各径流小区以及定西地区的土壤进行了水文土壤组的划分。计算结果表明(表3),定西地区大部分的土壤均属于B类水文土壤组。

表3 定西径流小区的饱和导水率和水文土壤组

2.2 不同植被措施下的CN值及校正

本研究中典型植被类型选取了人工草地(苜蓿),坡耕地(小麦),灌木林地(沙棘),撂荒地(冰草)和乔木林地(油松)。由计算结果可得(表4),土地利用类型、植被恢复措施、前期土壤湿度条件、地形坡度以及植被覆盖度等均对径流曲线数有不同程度影响。相同坡度、相同植被措施的样地中,随植被覆盖度增加,CN值减小。同时依照前人[1]在黄土丘陵区不同坡度条件下的研究结果对CN值进行了校正(表4)。其中,不同典型植被类型下校正后的CN1值大小排序如下：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)(图2)。

图2 不同典型植被类型下的CN值

表4 安家坡和龙滩流域径流小区基本情况

2.3 不同整地措施下的CN值及校正

本研究一共选取六组整地小区：柠条水平阶、侧柏鱼鳞坑、山杏水平沟、侧柏反坡台、油松鱼鳞坑以及油松反坡台,同时包含各自的坡面对照(表5)。研究结果发现,CN值在不同整地措施下存在分异(表6),其中,水平阶、水平沟以及反坡台这三类整地措施在不同土壤湿度条件下均降低了CN值,而对于鱼鳞坑整地则呈现出了不同状态,鱼鳞坑-侧柏的组合降低了CN值,而鱼鳞坑-油松的组合增加了CN值(表7)。对于CN1而言,山杏水平沟和油松反坡台对CN1的衰减率显著高于其他组合,而油松鱼鳞坑的衰减率为负且显著低于其他组合(图3)。此外,整地措施均增加了土壤饱和导水率,其中侧柏反坡台和油松鱼鳞坑的增长率显著高于其他组合(图4)。

表5 不同整地小区及自然坡面对照小区的特征[26]

图3 不同整地小区校正后的CN1值衰减率(%)

图4 不同小区整地后饱和导水率的增长率(%)

表6 不同整地小区前期湿度条件对径路曲线数的影响以及公式验证

表7 不同整地措施对CN值的影响

3 讨论

本研究聚焦了黄土丘陵区典型的植被覆盖和整地-植被组合类型,分别计算得到不同前期土壤湿度条件下的径流曲线数。对典型植被覆盖而言,具有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,植被和地表覆盖可以通过拦蓄降水、消减动能,达到减缓径流产生和泥沙运移速率的目的,从而有效调节集中水流[26- 27]。研究也聚焦了典型的整地-植被组合,包括水平沟,水平阶和反坡台在内的整地工程措施均能够有效提高土壤饱和导水率并减少地表产流。但同时整地措施的损毁和不规范的施工也会增加CN值,比如鱼鳞坑在日常使用中缺乏必要维护导致损毁、淤满,或者在建设中未能严格按照规格设计、以及施工中未能按照标准进行空间布局,都极易导致在高强度降雨下产生严重的冲沟侵蚀[22,28]、并加剧产流产沙。所以在日常使用中应注重维护,提高鱼鳞坑整地的截流效益。就总体而言,水土保持的生物、工程措施增加了入渗,有效降低了地表径流量,与前人研究结果一致[29]。黄土高原地区全年降雨集中且强降雨频发,因此土壤导水入渗性能的好坏直接决定该地区土壤水库的储水功能。由于整地措施提高了土壤有机质含量,促进了团聚体形成,通过改善土壤结构,间接提高了土壤饱和导水率[30],故整地措施有利于土壤水分环境的改善[31]。

本研究也基于前人不同坡度下初损率的率定结果对不同下垫面的CN值进行校正,校正前后的CN值存在一定差异。作为SCS-CN模型估算径流量的关键参数,径流曲线数值变化±10%,会引起径流量变化-45%—+50%[32],由此可见CN值在计算中的敏感性导致精度的偏差对评估结果会有较大影响。本文进一步证实了土壤前期含水量、不同植被种类、植被盖度、土地利用、坡度以及水土保持工程措施等均对径流曲线数有明显影响。在模型使用时应充分考虑地理空间的差异,由于我国地形、土壤、气候、土地利用均与美国存在很大异质性,加之黄土高原复杂的自然环境,美国农业部土壤保护中心提供的径流曲线数值查找表以及计算中的相关参数在我国黄土高原的适用性有待进一步验证。此外,在不同的研究地区,相同的降雨量产生的径流量也可能会有差异；即使在同一个研究地区,同样的降雨量在不同的时间或季节的产流差异也较大。这两个现象说明CN值的影响因素较为复杂。外部自然地理条件的相互作用会导致区域产流能力的差异,季节的周期性变化和降雨持续时间的长短也会引起这种差异[11]。因此,在今后的研究中有必要更加系统地设计实验来校正λ值,同时参照校正结果重新计算CN值,这样才能够更加精确地评估土壤入渗能力的影响。

4 结论

本研究围绕黄土丘陵区“降雨-产流-土壤水”的联动关系,基于不同坡度下λ值的率定和校准结果,借助SCS-CN模型揭示降雨和典型植被及整地措施耦合下的生态水文响应机制,评估了典型植被和整地类型下的产流潜力。研究发现：①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,鉴于坡度对产流的影响较大,实践中需结合更多环境变量的交互作用系统核算和校正CN值；②陇中地区土壤土壤质地以壤土、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；③典型植被覆盖类型中灌木林地(沙棘)在前期土壤湿度较干旱情况下对降雨截流作用较好,而同等情况下乔木林地(油松)的减流效果较差,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(即植被覆盖度的增加提高了降水的截留作用)；④不同土壤湿度下,水平沟、水平阶和反坡台均能削减地表产流潜力,增强降水截留能力,从而有效地提高水分入渗。