Predicting microtopography erosion by coupling SCS-CN and MUSLE models

Qu Jiaqi; Rao Wenli; Ren Fanfei; Qian Zhenyu; Zhang Qingfeng

doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.032

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Predicting microtopography erosion by coupling SCS-CN and MUSLE models

Experimental Researches

- Predicting microtopography erosion by coupling SCS-CN and MUSLE models
- Bulletin of Soil and Water Conservation Vol. 45, Issue 5, Pages: 81-90(2025)
- 作者机构：
  
  西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712199
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.032
  CLC： S157.1
- CSTR：32312.14.stbctb.2025.05.032.
- Received：07 April 2025，
  
  Revised：2025-06-23，
  
  Published：10 October 2025
- 稿件说明：
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屈加琪, 饶文利, 任凡斐，等.基于SCS-CN与MUSLE模型耦合的微地形侵蚀预测[J].水土保持通报,2025,45(5):81-90.

Qu Jiaqi, Rao Wenli, Ren Fanfei, et al. Predicting microtopography erosion by coupling SCS-CN and MUSLE models [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(5):81-90.
屈加琪, 饶文利, 任凡斐，等.基于SCS-CN与MUSLE模型耦合的微地形侵蚀预测[J].水土保持通报,2025,45(5):81-90. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.032. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.05.032..

Qu Jiaqi, Rao Wenli, Ren Fanfei, et al. Predicting microtopography erosion by coupling SCS-CN and MUSLE models [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(5):81-90. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.05.032. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.05.032..

摘要

目的

探究耦合模型在不同坡度、雨强、时间和地表措施条件下定量微地形土壤流失量的预测精度，为微地形侵蚀量的精确预测提供科学参考。

方法

以黄土裸坡微地形为研究对象，提出根据地表实测径流（

）和地表粗糙度（SR）对径流曲线法模型（SCS-CN）进行修正以预测径流量，并与修正通用土壤流失方程（MUSLE）耦合进行侵蚀量预测。

结果

①与原始SCS-CN模型径流量预测结果

（

=0.705 6）相比，通过

反算CN值的修正模型SCS-Q和通过SR修正模型SCS-SR的径流量

（

=0.933 8）和

（

=0.769 1）预测精度分别提高了32%和9%； ②在微地形条件下耦合模型精度与传统RUSLE因子组合模型相比有了明显提升，且相较SCS-Q与MUSLE的耦合模型（MUSLE-Q）（NSE ∈ ［0.23， 0.94］），SCS-SR与MUSLE的耦合模型（MUSLE-SR）表现出更高的预测精度（NSE∈［0.50，0.94］）； ③在微地形侵蚀量预测中，地表措施对耦合模型精度的影响（ΔNSE=63%）显著大于雨强（ΔNSE=52%）和坡度（ΔNSE=40%）的影响。

结论

在微地形条件下，耦合模型的预测精度随降雨时间显著提高，降雨前20 min精度较低（

0.5），而降雨20 min后精度显著提升（

0.8）。

Abstract

Objective

The precision of using coupled prediction models in quantifying microtopographic soil loss was evaluated for varying slopes， rainfall intensities， temporal scales， and surface treatments in order to provide scientific referrences for microtopographic soil loss prediction.

Methods

The microtopography of bare loess slopes was studied. The soil conservation service curve number （SCS-CN） model was modified according to measured surface runoff （

） and surface roughness （SR） values for predicting runoff volume. The modified model was then coupled to the revised universal soil loss equation （MUSLE） for predicting soil erosion.

Results

① The modified models， SCS-Q （using CN values back-calculated from

） and SCS-SR （modified via SR）， predicted runoff （

and

， respectively） with

² values of 0.933 8 and 0.769 1， respectively. The developed models were more accurate by 32% and 9%， respectively， than the original SCS-CN model， which predicted runoff，

， with an

² of 0.705 6. ② The coupled models produced more accurate microtopographic erosion predictions than the RUSLE models. The MUSLE-SR model （combining SCS-SR with MUSLE） was more accurate （NSE ∈ ［0.50， 0.94］） than the MUSLE-Q model （combining SCS-Q with MUSLE）（NSE ∈ ［0.23， 0.94］）. ③ During the microtopographic soil loss prediction， the surface measures more strongly affected the microtopographic erosion prediction accuracy of the coupled model （ΔNSE=63%） than the rainfall intensity （ΔNSE=52%） or slope （ΔNSE=40%）.

Conclusion

The microtopographic soil erosion prediction accuracy of the coupled models considerably increased with rai

nfall duration： accuracy was low in the first 20 min of rainfall （

R²

0.5） but markedly increased after 20 min （

0.8）.

关键词

Keywords

references

国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会 . 水土保持术语： GB/T 20465—2006 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2006 .

Standardization Administration of the People’s Republic of China . Terminology of soil and water conservation ： GB/T 20465—2006 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2006 .

李明伟 . 基于LSTM模型预测不同水保工程措施条件下土壤侵蚀量：以辽西北地区为例［J］. 水土保持通报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 162 - 169 .

Li Mingwei . Estimating soil erosion under different soil and water conservation engineering measures using LSTM model： A case study in northwest Liaoning Province ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 162 - 169 .

Rao Wenli ， Zhang Qingfeng ， Zhang Fengbao ， et al . An overview of water erosion modeling in China： A bibliometric and statistical analysis ［J］. Frontiers of Agricultural Science and Engineering ， 2025 ， 12 （ 2 ）： 337 - 354 .

赵龙山 . 黄土坡地地表糙度特征及其对入渗、产流产沙的影响研究［D］. 陕西杨凌：西北农林科技大学， 2015 .

Zhao Longshan . Laboratory study on soil surface roughness effect on soil infiltration， runoff and sediment production at the loess hillslope ［D］. Yangling， Shaanxi ： Northwest A&F University ， 2015 .

Bahddou S ， Otten W ， Whalley W R ， et al . Changes in soil surface properties under simulated rainfall and the effect of surface roughness on runoff， infiltration and soil loss ［J］. Geoderma ， 2023 ， 431 ： 116341 .

韩克秋 . 基于地形因子的北票市水土流失特征分析［J］. 水土保持应用技术， 2025 （ 3 ）： 13 - 15 .

Han Keqiu . Analysis of soil and water loss characteristics in Beipiao City based on topographic factors ［J］. Technology of Soil and Water Conservation ， 2025 （ 3 ）： 13 - 15 .

唐辉，李占斌，李鹏，等 . 模拟降雨下坡面微地形量化及其与产流产沙的关系［J］. 农业工程学报， 2015 ， 31 （ 24 ）： 127 - 133 .

Tang Hui ， Li Zhanbin ， Li Peng ， et al . Surface micro topography quantification and its relationship with runoff and sediment under simulated rainfall ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2015 ， 31 （ 24 ）： 127 - 133 .

周庆梓，何自立，吴磊，等 . 多源数据融合的深度学习径流预测模型［J］. 水力发电学报， 2023 ， 42 （ 5 ）： 43 - 52 .

Zhou Qingzi ， He Zili ， Wu Lei ， et al . Deep learning runoff prediction model based on multi-source data fusion ［J］. Journal of Hydroelectric Engineering ， 2023 ， 42 （ 5 ）： 43 - 52 .

马秋梅，桂绪，熊立华，等 . 气候变化对HBV水文模型参数敏感性和不确定性的影响［J］. 水科学进展， 2024 ， 35 （ 4 ）： 556 - 568 .

Ma Qiumei ， Gui Xu ， Xiong Lihua ， et al . Impact of climate change on the sensitivity and uncertainty of HBV hydrologic model parameters ［J］. Advances in Water Science ， 2024 ， 35 （ 4 ）： 556 - 568 .

Neumann A ， Dong Feifei ， Shimoda Y ， et al . A review of the current state of process-based and data-driven modelling： Guidelines for Lake Erie managers and watershed modellers ［J］. Environmental Reviews ， 2021 ， 29 （ 4 ）： 443 - 490 .

李金梅，周京春，王金亮 . 滇池西岸山地区域SCS-CN模型优化［J］. 水土保持通报， 2023 ， 43 （ 3 ）： 139 - 147 .

Li Jinmei ， Zhou Jingchun ， Wang Jinliang . Optimization of SCS-CN model in a mountainous area on west bank of Dianchi Lake ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 139 - 147 .

高扬，朱波，缪驰远，等 . SCS模型在紫色土坡地降雨径流量估算中的运用［J］. 中国农学通报， 2006 ， 22 （ 11 ）： 396 - 400 .

Gao Yang ， Zhu Bo ， Miao Chiyuan ， et al . Application of SCS model to estimate the volume of rainfall runoff in sloping field of purple soil ［J］. Chinese Agricultural Science Bulletin ， 2006 ， 22 （ 11 ）： 396 - 400 .

冯家伟 . 微地形条件下典型径流及产沙模型应用研究［D］. 四川雅安：四川农业大学， 2023 .

Feng Jiawei . Study on typical runoff model and soil erosion prediction model under microrelief conditions ［D］. Yaan， Sichuan ： Sichuan Agricultural University ， 2023 .

张鑫，张青峰，周阳阳，等 . 不同坡度黄土微地形条件下SCS-CN模型参数研究［J］. 水土保持研究， 2019 ， 26 （ 2 ）： 74 - 77 .

Zhang Xin ， Zhang Qingfeng ， Zhou Yangyang ， et al . SCS-CN parameter determination using rainfall-runoff data on microtopographic surfaces of different gradient loess slopes ［J］. Research of Soil and Water Conservation ， 2019 ， 26 （ 2 ）： 74 - 77 .

Shi Wenhai ， Bao Jiachi ， Wang Miaomiao ， et al . A modified CSLE for soil loss prediction under different vegetation patterns at slope scale in China ［J/OL］（ 2025-06-22 ）. International Soil and Water Conservation Research， https：∥doi.org/10.1016/j.iswcr.2025. 06.003 https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2025.06.003 .

Wang Jing ， Lu Pingda ， Valente D ， et al . Analysis of soil erosion characteristics in small watershed of the loess tableland Plateau of China ［J］. Ecological Indicators ， 2022 ， 137 ： 108765 .

Gao Guangyao ， Liang Yue ， Liu Jianbo ， et al . A modified RUSLE model to simulate soil erosion under different ecological restoration types in the loess hilly area ［J］. International Soil and Water Conservation Research ， 2024 ， 12 （ 2 ）： 258 - 266 .

吕明权，吴胜军，温兆飞，等 . 基于SCS-CN与MUSLE模型的三峡库区小流域侵蚀产沙模拟［J］. 长江流域资源与环境， 2015 ， 24 （ 5 ）： 860 - 867 .

Lv Mingquan ， Wu Shengjun ， Wen Zhaofei ， et al . Modelling soil erosion and sediment yield in a small watershed of Three Gorges Reservoir area based on SCS-CN and MUSLE model ［J］. Resources and Environment in the Yangtze Basin ， 2015 ， 24 （ 5 ）： 860 - 867 .

Wang Lihong ， Li Yuechen ， Gan Yushi ， et al . Rainfall erosivity index for monitoring global soil erosion ［J］. Catena ， 2024 ， 234 ： 107593 .

符素华，刘宝元，周贵云，等 . 坡长坡度因子计算工具［J］. 中国水土保持科学， 2015 ， 13 （ 5 ）： 105 - 110 .

Fu Suhua ， Liu Baoyuan ， Zhou Guiyun ， et al . Calculation tool of topographic factors ［J］. Science of Soil and Water Conservation ， 2015 ， 13 （ 5 ）： 105 - 110 .

陈红，江旭聪，任磊，等 . 基于RUSLE模型的淮河流域土壤侵蚀定量评价［J］. 土壤通报， 2021 ， 52 （ 1 ）： 165 - 176 .

Chen Hong ， Jiang Xucong ， Ren Lei ， et al . Quantitative evaluation of soil erosion in the Huaihe River basin based on RUSLE model ［J］. Chinese Journal of Soil Science ， 2021 ， 52 （ 1 ）： 165 - 176 .

黄杰，姚志宏，查少翔，等 . USLE/RUSLE中水土保持措施因子研究进展［J］. 中国水土保持， 2020 （ 3 ）： 37 - 39 .

Huang Jie ， Yao Zhihong ， Zha Shaoxiang ， et al . Progress of study on soil and water conservation measure factors in USLE/RUSLE ［J］. Soil and Water Conservation in China ， 2020 （ 3 ）： 37 - 39 .

Lufafa A ， Tenywa M M ， Isabirye M ， et al . Prediction of soil erosion in a Lake Victoria basin catchment using a GIS-based universal soil loss model ［J］. Agricultural Systems ， 2003 ， 76 （ 3 ）： 883 - 894 .

Liu Jianbo ， Liang Yue ， Gao Guangyao ， et al . Quantifying the effects of rainfall intensity fluctuation on runoff and soil loss：From indicators to models ［J］. Journal of Hydrology ， 2022 ， 607 ： 127494 .

Williams J R ， Berndt H D . Sediment yield prediction based on watershed hydrology ［J］. Transactions of the ASAE ， 1977 ， 20 （ 6 ）： 1100 - 1104 .

吕鹏 . 基于SCS-CN模型的临桂地区地表径流预测研究［D］. 广西桂林：桂林理工大学， 2024 .

Lv Peng . Prediction of surface runoff in Lingui area based on SCS-CN model ［D］. Guilin， Guangxi ： Guilin University of Technology ， 2024 .

谭青芳，陈峰庭，黄钰涵，等 . 饱和黄绵土坡面细沟侵蚀微地形变化及其对水力学特征参数的响应［J/OL］（ 2024-12-05 ）.土壤学报， https：∥kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.p.20241204.1136.002.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.p.20241204.1136.002.html .

Tan Qingfang ， Chen Fengting ， Huang Yuhan ， et al . Change of rill erosion microtopography on saturated loess slope and its response to hydraulic parameters ［J/OL］（ 2024-12-05 ）. Acta Pedologica Sinica， https：∥kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.p.20241204.1136.002.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.p.20241204.1136.002.html .

Shi Dongmei ， Jiang Guangyi ， Peng Xudong ， et al . Relationship between the periodicity of soil and water loss and erosion-sensitive periods based on temporal distributions of rainfall erosivity in the Three Gorges Reservoir Region， China ［J］. Catena ， 2021 ， 202 ： 105268 .

明俊男，王泉泉，袁再健，等 . 基于人工模拟降雨试验的粤北典型牛肝土坡耕地坡面侵蚀特征［J］. 水土保持学报， 2025 ， 39 （ 3 ）： 88 - 96 .

Ming Junnan ， Wang Quanquan ， Yuan Zaijian ， et al . Characteristics of slope erosion on typical lateritic slope farmland in northern Guangdong Province based on artificially simulated rainfall experiments ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2025 ， 39 （ 3 ）： 88 - 96 .

董晓宇，秦富仓，李龙，等 . 裸露砒砂岩区坡面侵蚀过程中地表粗糙度与水力侵蚀特征参数的关系［J］. 水土保持学报， 2022 ， 36 （ 2 ）： 33 - 41 .

Dong Xiaoyu ， Qin Fucang ， Li Long ， et al . Relationship between surface roughness and hydraulic erosion characteristic parameters during slope erosion in exposed Pisha sandstone area ［J ］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2022 ， 36 （ 2 ）： 33 - 41 .

刘壮壮，和继军，段光耀，等 . 不同降雨-坡度条件下黄土坡面侵蚀泥沙颗粒特征研究［J/OL］（ 2025-04-28 ）.生态学报， https：∥link.cnki.net/doi/10.20103/j.stxb.202412313210 https://link.cnki.net/doi/10.20103/j.stxb.202412313210 .

Liu Zhuangzhuang ， He Jijun ， Duan Guangyao ， et al . Study on the particle characteristic of slope erosion sediment on loess under varied rainfall-slope conditions ［J/OL］（ 2025-04-28 ）. Acta Ecologica Sinica， https：∥link.cnki.net/doi/10.20103/j.stxb.20241231 3210 https://link.cnki.net/doi/10.20103/j.stxb.202412313210 .

郭天雷，梅雪，任顺华，等 . 紫色土弃渣体坡面产流产沙对坡度和降雨强度的响应分析［J］. 水土保持研究， 2025 ， 32 （ 4 ）： 11 - 17 .

Guo Tianlei ， Mei Xue ， Ren Shunhua ， et al . Response of runoff and sediment yield on purple soil spoil heaps to slope and rainfall intensity ［J］. Research of Soil and Water Conservation ， 2025 ， 32 （ 4 ）： 11 - 17 .

廖俊，焦菊英，严增，等 . RUSLE模型对黄土高原退耕植被恢复坡面土壤侵蚀的模拟效果分析［J］. 水土保持学报， 2024 ， 38 （ 2 ）： 97 - 108 .

Liao Jun ， Jiao Juying ， Yan Zeng ， et al . Simulation effect analysis of RUSLE model on slope soil erosion restored by reclaimed vegetation in Loess Plateau ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2024 ， 38 （ 2 ）： 97 - 108 .

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