動(dòng)態(tài)參數(shù)SCS-RF模型在黃土丘陵區(qū)小流域產(chǎn)流模擬中的應(yīng)用

趙雪花，張麗娟，祝雪萍

動(dòng)態(tài)參數(shù)SCS-RF模型在黃土丘陵區(qū)小流域產(chǎn)流模擬中的應(yīng)用

趙雪花，張麗娟，祝雪萍

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

降雨特征對(duì)產(chǎn)流過程有重要影響，而SCS（Soil Conservation Service）模型作為產(chǎn)流模擬的工具并未考慮該影響。SCS模型參數(shù)的選取直接影響產(chǎn)流過程的模擬精度，而目前在黃土丘陵溝壑區(qū)鮮有在率定該模型參數(shù)時(shí)考慮降雨特征的相關(guān)研究。該研究基于王家溝流域及其子流域汛期共計(jì)307場(chǎng)降雨-徑流數(shù)據(jù)，通過RF（Random Forest）算法，將降雨特征作為決策樹的分裂屬性，以此確定模型參數(shù)徑流曲線數(shù)（Curve Number，CN）和初損率，提出動(dòng)態(tài)參數(shù)SCS-RF模型，并與未進(jìn)行參數(shù)改進(jìn)的SCS模型進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：SCS-RF模型與SCS模型驗(yàn)證集均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）分別為1.06和6.64，納什效率系數(shù)NSE（Nash-Sutcliffe Efficiency）分別為0.84和?8.65，且SCS-RF模型在各流域模擬效果均達(dá)到良好級(jí)別，SCS-RF模型模擬效果明顯優(yōu)于SCS模型。SCS-RF模型在率定參數(shù)時(shí)考慮了降雨特征對(duì)產(chǎn)流的影響，簡(jiǎn)化了參數(shù)率定過程的同時(shí)具有良好的地區(qū)適用性。流域不同治理措施使得參數(shù)分布取值存在明顯差異，流域經(jīng)過水土流失治理后初損率取值均小于標(biāo)準(zhǔn)值0.2。各流域CN與降雨量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，參數(shù)與降雨特征（降雨量、30 min降雨強(qiáng)度）的數(shù)據(jù)分布均有相對(duì)明顯的集中區(qū)域。

模型；徑流；SCS-RF；產(chǎn)流模擬；動(dòng)態(tài)參數(shù)；黃土區(qū)

0 引 言

降雨產(chǎn)流會(huì)引發(fā)水土流失、洪澇災(zāi)害等一系列問題[1]。徑流形成主要受氣候變化和人類活動(dòng)等諸多因素的影響，其中，降雨為影響產(chǎn)流的決定性因素，另外人類活動(dòng)如水利工程、水土保持措施等改變了流域下墊面以及土壤入滲，進(jìn)而影響地表徑流的產(chǎn)生與變化。黃土丘陵溝壑區(qū)垂直節(jié)理發(fā)育，水土流失更為嚴(yán)重，將會(huì)影響區(qū)域水土資源利用和防洪安全，在此情況下，進(jìn)行黃土區(qū)降雨-徑流模擬，揭示兩者之間的密切關(guān)系對(duì)水土保持規(guī)劃、防洪減災(zāi)具有重要意義[2]。

降雨-徑流過程十分復(fù)雜且受多種因素影響，目前的專家學(xué)者多采用半經(jīng)驗(yàn)降雨-徑流模型進(jìn)行徑流模擬[3]。其中，美國(guó)農(nóng)業(yè)部研制的小流域水文模型（Soil Conservation Service，SCS）因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)少、所需資料便于獲取，且能反映土壤類型、土地利用、植被覆蓋等流域特性對(duì)徑流的影響[4]，已廣泛應(yīng)用于水土流失治理、流域防洪、水質(zhì)模擬及城市水文等眾多領(lǐng)域[5-6]。SCS模型有徑流曲線數(shù)CN（Curve Number）和初損率這2個(gè)重要參數(shù)。CN是反映不同土壤，土地覆被利用情況下流域產(chǎn)流能力的無量綱流域參數(shù)[7]，徑流對(duì)CN的取值十分敏感，CN改變10%，徑流計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)?45%～55%的變化。確定CN的方法通常為查表法和反推法。由于美國(guó)與中國(guó)下墊面差異較大，基于美國(guó)農(nóng)業(yè)小流域確定的CN檢索表在中國(guó)適用性較差，直接查表引用其數(shù)值應(yīng)用于半干旱流域結(jié)果不理想，模擬精度低[8]；為了考慮不同時(shí)空尺度對(duì)CN的影響，研究學(xué)者一般通過實(shí)測(cè)的降雨-徑流資料反推CN，常用的反推法有最小二乘法、中位數(shù)法、平均值法、S對(duì)數(shù)頻率分布曲線法、漸近線法等方法[9-11]，但上述方法模擬徑流深的精度仍有待進(jìn)一步提高，目前尚無統(tǒng)一的CN計(jì)算方法。是計(jì)算徑流峰值及時(shí)間分布的重要參數(shù)，徑流對(duì)十分敏感，在干旱半干旱流域中更為明顯。確定的常用方法為標(biāo)準(zhǔn)值法和反推法。標(biāo)準(zhǔn)值法為根據(jù)美國(guó)的實(shí)測(cè)資料，的取值定為0.2，但該值在不同地區(qū)的適用性和有效性是未知的；Baltas等[12]利用希臘實(shí)驗(yàn)流域的資料得到，在該地區(qū)的平均值為0.014；Shi等[13]利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了三峽庫(kù)區(qū)小流域的取值范圍為0.095～0.38；Huang等[14]認(rèn)為在黃土高原取0.2不合適；Fu等[15]研究發(fā)現(xiàn)在黃土高原，=0.05時(shí)模擬效果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值?？梢?，在不同流域取值不同。

以上研究用反推法確定CN和時(shí)，考慮了區(qū)域化對(duì)參數(shù)的影響，但如果參數(shù)確定方法主要是依據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行反推，會(huì)出現(xiàn)“異參同效”的現(xiàn)象，參數(shù)的唯一性與合理性難以確定[16-17]，且現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)單一參數(shù)的優(yōu)化率定研究較多，兩參數(shù)同時(shí)率定并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法的研究較少；另外SCS模型本身未考慮降雨強(qiáng)度和歷時(shí)對(duì)徑流的影響[18-19]，而降雨特征與產(chǎn)流過程、產(chǎn)流量等存在緊密的關(guān)系，因此限制了模擬精度；雖然Hu等[20]在SCS中引入降雨強(qiáng)度修正系數(shù)并與=0.2和=0.05時(shí)的SCS模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明SCS-方法的模擬精度更高，但其的選取具有一定的主觀性。目前，鮮有文獻(xiàn)在采用SCS模型時(shí)既考慮降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等對(duì)產(chǎn)流的影響，又實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)CN和這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選確定。綜上，本文充分考慮降雨特征和不同治理措施對(duì)產(chǎn)流的影響，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法—隨機(jī)森林（Random Forest，RF）與SCS模型進(jìn)行耦合，建立一種動(dòng)態(tài)參數(shù)模型—SCS-RF，該模型可根據(jù)不同的降雨特征同時(shí)率定出本次降雨事件適用的產(chǎn)流參數(shù)CN和，簡(jiǎn)化了參數(shù)的率定過程，為SCS模型應(yīng)用于黃土丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)流模擬提供一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

王家溝（WS1）流域位于山西省呂梁市離石區(qū)，東經(jīng)110°08￠～111°12￠，北緯37°32￠～37°34￠，海拔1 000～1 320 m，氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，溝壑縱橫，土質(zhì)疏松，植被缺乏，水土流失嚴(yán)重。王家溝流域多年平均降雨量510.2 mm，5－9月（汛期）平均降雨量419.6 mm，占年降雨量的80.6%，汛期短歷時(shí)暴雨較多，年平均氣溫9 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量1 700 mm，無霜期150～170 d，多年平均徑流深15.2 mm。為了分析有無水土保持措施對(duì)小流域產(chǎn)流的影響，選擇分水線相鄰，流向一致，自然條件相似的同步對(duì)比觀測(cè)小流域—羊道溝和插財(cái)主溝，羊道溝和插財(cái)主溝為王家溝流域的子流域。羊道溝（WS2）流域多年平均降雨量為544.2 mm，汛期平均降雨量390.6 mm，多年平均徑流深28.8 mm，完全未經(jīng)治理，其地形地貌與土地利用方式均保持自然狀態(tài)，農(nóng)耕地占流域面積的58%，水土流失的發(fā)生與發(fā)展按照自然規(guī)律進(jìn)行。插財(cái)主溝（WS3）流域多年平均降雨量為544.1 mm，汛期平均降雨量391.0 mm，多年平均徑流深13.1 mm，治理前與羊道溝流域自然條件相似。流域從1956年開始進(jìn)行集中綜合治理并采取封禁措施，治理措施有梯田、地埂、造林、種牧草等，治理面積達(dá)到78.3%。流域地貌基本情況及水土保持治理情況見表1。

表1 流域地貌基本情況及土地利用情況

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.3 研究方法

本文綜合考慮水土保持和降雨特征對(duì)產(chǎn)流的影響，通過在不同流域內(nèi)開展參數(shù)取值研究，確定有無水土保持措施對(duì)產(chǎn)流的影響和面積不同的水土流失治理流域?qū)Ξa(chǎn)流的影響，具體差異情況通過SCS-RF模型進(jìn)行徑流模擬率定出的產(chǎn)流參數(shù)體現(xiàn)，參數(shù)率定過程中利用RF算法將降雨特征對(duì)產(chǎn)流的影響考慮在內(nèi)。WS2和WS3為面積、自然條件相近的對(duì)比流域，對(duì)比二者參數(shù)取值差異，分析有無水保措施對(duì)參數(shù)的影響。WS1和WS3為面積不同，但治理度相近的流域，對(duì)比二者參數(shù)取值差異，分析面積不同的治理流域?qū)?shù)的影響。

1.3.1 SCS模型

SCS模型包括一個(gè)水量平衡方程（式（1））和2個(gè)基本假設(shè)（式（2）和式（3））：

=I++（1）

I=（3）

由式（1）~式（3）得到模型產(chǎn)流計(jì)算式（4）：

運(yùn)用SCS模型模擬徑流需要率定參數(shù)CN和，本文采用RF算法實(shí)現(xiàn)同時(shí)率定2參數(shù)。

1.3.2 RF算法

RF算法[21]是并行式集成學(xué)習(xí)Bagging與隨機(jī)子空間相結(jié)合的算法，通過構(gòu)建決策樹形成基學(xué)習(xí)器。首先，對(duì)初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行隨機(jī)且有放回的Bootstrap sampling自助抽樣，抽樣數(shù)據(jù)形成多個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)子集，子集與初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包含的樣本大小一致，RF算法的抽樣方法使得訓(xùn)練數(shù)據(jù)集隨機(jī)多樣化。然后，從屬性集合中隨機(jī)選擇則屬性作為決策樹的分裂屬性，根據(jù)劃分準(zhǔn)則確定決策樹節(jié)點(diǎn)最優(yōu)分裂屬性，在訓(xùn)練數(shù)據(jù)子集的基礎(chǔ)上建立決策樹，對(duì)應(yīng)訓(xùn)練出一個(gè)基學(xué)習(xí)器?；谏鲜鲞^程，RF算法中訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和屬性集合“隨機(jī)”構(gòu)建，每棵決策樹獨(dú)立生長(zhǎng)，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)和相應(yīng)的屬性集合作為輸入，經(jīng)過基學(xué)習(xí)器的模擬，輸出結(jié)果，最終平均各基學(xué)習(xí)器的輸出值得到最終結(jié)果。

1.3.3動(dòng)態(tài)參數(shù)SCS-RF模型

為使模型訓(xùn)練和驗(yàn)證數(shù)據(jù)具有代表性，根據(jù)研究區(qū)降雨特點(diǎn)，按照《降水量等級(jí)》（GB/T 28592-2012）中對(duì)降雨的等級(jí)劃分，可劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨4個(gè)等級(jí)，選取各流域80%的次降雨-徑流數(shù)據(jù)組成訓(xùn)練集，用于訓(xùn)練SCS-RF模型，剩余數(shù)據(jù)組成驗(yàn)證集，訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中均包含上述各降雨量等級(jí)的數(shù)據(jù)。

1.3.4 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了衡量模型的模擬效果，選取以下評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)定。分別選用均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、納什效率系數(shù)NSE（Nash-Sutcliffe Efficiency）和實(shí)測(cè)值變異性大于平均誤差的次數(shù)（n）作為模型評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中RMSE越接近0、NSE越接近于1、n越高，模型模擬效果越好。NSE計(jì)算式見式（6）：

其中

表2 模型擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：n為實(shí)測(cè)值變異性大于平均誤差的次數(shù)；NSE為納什效率系數(shù)。

Note：nis the time that the variation of the measured value is greater than the mean error; NSE: Nash-Sutcliffe Efficiency.

2 結(jié)果與討論

2.1 SCS-RF模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.1.1 參數(shù)計(jì)算結(jié)果

對(duì)訓(xùn)練集和驗(yàn)證集確定的參數(shù)進(jìn)行分析，如圖3所示，各流域CN均值小于中位數(shù)，為左偏分布；各流域λ均值略大于中位數(shù)，僅WS1中在0.05的顯著性水平下通過Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，為正態(tài)分布。

相同治理?xiàng)l件下，流域面積不同，所確定的參數(shù)不同。對(duì)于綜合治理流域（WS1、WS3），其CN的分布形式相似，但面積大的流域WS1中CN波動(dòng)程度較大，WS1中位于70～90內(nèi)的CN比WS3增加53%，WS1中CN取值普遍較大。同樣在面積大的流域波動(dòng)程度較大，面積大的WS1中取值普遍較大，WS1中位于0.06～0.12內(nèi)的比WS3增加133%，WS1和WS3中均小于標(biāo)準(zhǔn)值0.2。

有無水土保持措施治理的對(duì)比觀測(cè)流域（WS2、WS3）參數(shù)分析，未治理流域WS2的CN波動(dòng)程度較小，WS2中位于70～90內(nèi)的CN比WS3增加144%，CN取值普遍較大；值在兩流域的分布形式相似，WS2中值有88.7%的小于0.2；WS3中有75%的數(shù)據(jù)位于0.02～0.08，治理流域WS3中的波動(dòng)程度變小。

黃土丘陵溝壑區(qū)地表植被稀疏，地形支離破碎，地下水位低，SCS模型適用于黃土區(qū)的產(chǎn)流計(jì)算，因此在該地區(qū)開展了大量相關(guān)研究。周淑梅等[23]確定橋子西溝流域?yàn)?.1，并得出應(yīng)利用當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)率定研究區(qū)的結(jié)論；王英等[24]對(duì)黃土區(qū)徑流小區(qū)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化研究，優(yōu)化后取值0.01。以上研究表明取值均小于0.2，這與本文確定出大部分取值小于0.2的結(jié)論一致，但以上研究得到的參數(shù)均為流域統(tǒng)一的參數(shù)，不能根據(jù)不同類型降雨特征得到適用的參數(shù)。水土保持措施改變了微地形與植被，加大降雨攔蓄、降低降雨侵蝕、提高降雨入滲，對(duì)徑流和流域蓄水能力都有較大影響[25]。黃土區(qū)小流域的治理措施和空間配置方式均會(huì)導(dǎo)致率定的參數(shù)間存在差異。

2.1.2 參數(shù)CN和與降雨特征的關(guān)系

黃土高原位于季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)的過渡帶，夏秋季雨量集中，降雨和當(dāng)?shù)貤l件氣候密切相關(guān)，以超滲產(chǎn)流為主。研究表明，黃土丘陵溝壑區(qū)的降雨過程中，以和30為代表的降雨特征與產(chǎn)流、產(chǎn)沙的關(guān)系最為密切[26-27]。本文的研究結(jié)果與上述結(jié)論一致，因此只選擇相關(guān)性較大的和30降雨特征結(jié)合參數(shù)進(jìn)行分析。由表3可知，在顯著性水平0.01時(shí)，3個(gè)流域中與CN均表現(xiàn)為顯著相關(guān)，CN隨著的增加逐漸減小，呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。WS1中與顯著相關(guān)，呈弱相關(guān)關(guān)系。WS2中CN與30顯著相關(guān)，同樣呈弱相關(guān)關(guān)系。WS3中30和顯著相關(guān)，呈中等程度相關(guān)關(guān)系。

表3 典型降雨特征與參數(shù)的皮爾遜相關(guān)分析

注：**表示在顯著性水平為0.01時(shí)顯著相關(guān)。為降雨量，30為30 min 降雨強(qiáng)度，下同。

Note: ** indicates a significant correlation at the significance level of 0.01.is rainfall, and30is rainfall intensity in 30 min, same as below.

如圖4a所示，WS1中介于0～20 mm，且30介于0～0.8 mm/h時(shí)，CN取值范圍為52.89～93.06，有82%的CN取值大于65，取值范圍為0.03～0.13，有84%的取值介于0.05～0.15；介于20～40 mm，且30介于0～0.8 mm/h時(shí)，CN取值范圍為30.07～73.62，有82%的CN取值大于40，取值范圍為0.05～0.13，均位于0.05～0.15區(qū)間內(nèi)，有68%的取值介于0.05～0.10。如圖4b所示，WS2中介于0～20 mm，且30介于0～30 mm/h時(shí)，CN取值范圍為69.86～96.58，有94%的CN取值大于80，取值范圍為0.09～0.23，有84%的取值介于0.10～0.20；介于20～40 mm，且30介于0～30 mm/h時(shí)，CN取值范圍為57.76～85.11，有71%的CN取值介于60～80，取值范圍為0.09～0.21，有86%的取值介于0.10～0.20。如圖4c所示，WS3中介于0～20 mm，且30介于0～30 mm/h時(shí)，CN取值范圍為48.75～86.26，有81%的CN取值大于60，取值范圍為0.03～0.10，有91%的取值介于0.04～0.10；介于20～40 mm，且30介于0～30 mm/h時(shí)，CN取值范圍為36.51～72.96，有78%的CN取值大于50；取值范圍為0.05～0.10，有50%的取值介于0.06～0.10?？梢?，不同治理措施的流域，降雨特征和30不同，率定的參數(shù)CN和是在動(dòng)態(tài)變化的。得出不同降雨特征區(qū)間的2參數(shù)取值范圍，為流域產(chǎn)流模擬提供數(shù)據(jù)參考。

2.2 SCS模型參數(shù)選取結(jié)果

2.3 模型模擬評(píng)價(jià)結(jié)果

在3個(gè)流域中分別使用SCS-RF和SCS模型進(jìn)行產(chǎn)流模擬，驗(yàn)證集評(píng)價(jià)結(jié)果表明：SCS-RF模型均達(dá)到良好級(jí)別，而SCS模型均為不可接受級(jí)別，使用SCS-RF模型進(jìn)行小流域產(chǎn)流模擬時(shí)精度較高，適用性良好，可使用SCS-RF模型作為黃土丘陵溝壑區(qū)小流域產(chǎn)流模擬的研究方法。綜合各個(gè)指標(biāo)及評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果，SCS-RF模型相較于SCS模型明顯可獲得良好的模擬效果，使用RF算法確定參數(shù)較為合理。驗(yàn)證集模型具體評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。SCS-RF模型和SCS模型驗(yàn)證集NSE分別為0.84和?8.65。

表4 各流域驗(yàn)證集模型評(píng)價(jià)結(jié)果

驗(yàn)證集實(shí)測(cè)徑流深與模擬徑流深對(duì)比如圖5所示，SCS-RF模型和SCS模型的RMSE分別為1.06和6.64。SCS模型模擬徑流深所得相關(guān)系數(shù)明顯小于SCS-RF模型，驗(yàn)證集77.0%的SCS模型模擬值小于實(shí)測(cè)值。采用SCS模型的模擬結(jié)果不理想，這是由于不同場(chǎng)次降雨均采用同一參數(shù)所致。首先，較小的對(duì)CN有高偏置作用[30]，而實(shí)際中黃土丘陵區(qū)降雨量通常較小，WS1、WS2、WS3中>25.4 mm的次降雨事件分別占總場(chǎng)次的36.5%、24.3%、27.3%。其次，統(tǒng)一取為0.2，導(dǎo)致SCS模型中<I的情況普遍發(fā)生，驗(yàn)證集內(nèi)61場(chǎng)次降雨中產(chǎn)流模擬結(jié)果為0的情況占總數(shù)56%，而SCS-RF模擬結(jié)果均大于0，參數(shù)與當(dāng)?shù)亟涤晏卣鞑黄ヅ涫钱a(chǎn)生誤差，造成SCS模型模擬與實(shí)測(cè)值差別較大的主要原因。

3 結(jié) 論

Soil Conservation Service （SCS）模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在許多限制，模型并未考慮降雨特征對(duì)徑流的影響，同時(shí)模型參數(shù)也存在地區(qū)不適用的問題，本研究提出了動(dòng)態(tài)參數(shù)SCS-RF（Random Forest）模型，并在黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域進(jìn)行適用性研究，得到以下結(jié)論：

1）為了克服SCS模型沒有考慮降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等降雨特征的缺點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)中的RF算法，構(gòu)建動(dòng)態(tài)參數(shù)SCS-RF模型，將降雨特征作為屬性集，通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)同時(shí)獲得不同降雨特征下場(chǎng)次降雨的2個(gè)參數(shù)。采用SCS-RF模型在王家溝流域、羊道溝流域、插財(cái)主溝流域進(jìn)行產(chǎn)流模擬時(shí)均能取得良好的效果，且效果明顯優(yōu)于SCS模型。SCS-RF模型考慮不同類型降雨特征對(duì)產(chǎn)流的影響，不同場(chǎng)次降雨使用不同的參數(shù)，提高了模型模擬精度，因此模擬效果優(yōu)于SCS模型。

2）不同流域的徑流曲線數(shù)（Curve Number，CN）和初損率取值分布存在明顯差異，對(duì)比進(jìn)行綜合治理但面積不同的2個(gè)流域，CN的分布形式近似，面積較大的王家溝流域CN和取值波動(dòng)程度大，且取值較大。對(duì)比面積近似，未進(jìn)行治理的羊道溝流域和綜合治理的插財(cái)主溝流域，羊道溝流域CN取值波動(dòng)程度較小，而取值波動(dòng)程度較大，CN和取值較其他流域普遍較大。經(jīng)過水土流失治理后的流域取值均小于標(biāo)準(zhǔn)值0.2，黃土丘陵溝壑區(qū)的適宜取值小于0.2。

3）各流域CN與降雨量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，參數(shù)與典型降雨特征（、30 min降雨強(qiáng)度30）的數(shù)據(jù)分布均有相對(duì)明顯的集中區(qū)域，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)降雨特征（、30）和參數(shù)的分布范圍估計(jì)適宜的參數(shù)取值。

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Runoff simulation of small watershed in loess hilly region using dynamic parameter SCS-RF model

Zhao Xuehua, Zhang Lijuan, Zhu Xueping

(,,030024,)

Rainfall and runoff events are two important parameters in the natural hydrological cycle. The rainfall also dominates the formation of runoff in many influence factors. In recent years, various human activities, such as the construction of projects for water conservancy, as well as conservation projects for soil sources, have posed a great impact on the soil infiltration and topography of basin, which further affected the evolution of surface runoff. Heavy rain and runoff can cause a series of natural disasters, such as water erosion and flood damage. Sediment loss from construction sites and soil erosion has become a serious source of water pollution in the loess hilly and gully area. The rapid situation can deeply deteriorate the water and soil resources, further to threaten the safety of flood control. Fortunately, Soil Conservation Service (SCS) model can be used to evaluate the impact of rainfall on runoff yield. The improved model was established to consider the impact of other rainfall characteristics in the supposed conditions and internal structure with the parameter calibration. However, the accuracy of runoff simulation depends mainly on the selection of model parameters, particularly on the regional characteristics of parameters. In this study, a dynamic parameter SCS-Random Forest (RF) model was constructed, according to the dataset from 307 times rainfall runoff in Wangjiagou basin and its sub basins in flood season. The rainfall characteristics were taken as splitting attributes of a decision tree, while the RF was used to determine the Curve Number(CN) and initial abstraction ratio in the model parameters. Various parameters were be calibrated, according to the rainfall characteristics of a same rainfall, and then compared with the SCS model without parameter improvement. The results showed that the Root Mean Square Error (RMSE) of SCS-RF model and SCS model were 1.06 and 6.64, while the Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) were 0.84 and ?8.65, respectively. Moreover, the SCS-RF model achieved an excellent performance in each basin, where the simulation effect of SCS-RF model was better than that of SCS model. The SCS-RF model also considered the influence of rainfall characteristics on runoff yield. The process of parameter calibration was simplified, thereby to enhance the universality of the model. The different treatment in the basin made the distribution of parameters significantly different from others. There was small fluctuation for the CN in Yangdaogou basin, and the initial abstraction ratio in the Chacaizhugou basin. The initial abstraction ratios were less than the standard value of 0.2, after the control of soil erosion. The distributions of CN were approximate, comparing with the two basins that were comprehensively treated but with different areas. Specifically, there was a large area fluctuation for the CN and initial abstraction ratio in the Wangjiagou basin, where the CNin Wangjiagou basin was larger than that of Chacaizhugou basin. The compared area was similar, where the Yangdaogou basin did not be treated, while the Chacaizhugou basin was treated. The initial abstraction ratio was small in the basin of Chacaizhugou, but fluctuated greatly in Yangdaogou basin, whereas, the CN fluctuation was small in Yangdaogou basin. It infers that the distribution of initial abstraction ratio was similar. There was a negative correlation between CN and rainfallin each basin. The data distribution of parameters and rainfall characteristics (, rainfall intensity in 30 min30) had a relatively obvious concentration area. The rainfall-runoff simulation can provide a theoretical basis for the conservation planning of soil and water, as well as the management of water resources.

models; runoff; SCS-RF; runoff simulation; dynamic parameters; loess region

趙雪花，張麗娟，祝雪萍. 動(dòng)態(tài)參數(shù)SCS-RF模型在黃土丘陵區(qū)小流域產(chǎn)流模擬中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(1)：195-202.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.024 http://www.tcsae.org

Zhao Xuehua, Zhang Lijuan, Zhu Xueping. Runoff simulation of small watershed in loess hilly region using dynamic parameter SCS-RF model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 195-202. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.024 http://www.tcsae.org

2020-07-31

2020-12-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFC0408601）；山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201903D321052）；山西省自然科學(xué)基金（201901D111060）

趙雪花，博士，教授，主要從事水文水資源研究。Email: zhaoxuehua@tyut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.024

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1002-6819(2021)-01-0195-08