徐劉凱，王全金，向速林

（華東交通大學(xué)環(huán)境工程系，江西南昌330013）

徑流曲線模型（soil conservation service，SCS）是美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局在上世紀(jì)50年代提出的流域水文模型[1]，具有所需資料簡(jiǎn)單易取、對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)要求不是很嚴(yán)格等特點(diǎn)，能夠客觀描述不同土地利用方式、土壤類型、前期土壤含水量及流域水文、氣象資料條件下的地表徑流過(guò)程，對(duì)于小流域徑流預(yù)報(bào)具有較強(qiáng)的能力[2]。SCS模型在美國(guó)及其他一些國(guó)家的流域工程規(guī)劃、水土保持及防洪、城市水文、土地房屋的洪水保險(xiǎn)及無(wú)資料流域的多種水文問(wèn)題等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用，取得了較好的效果[3]。Karl Auerswald等利用回歸方法得出研究區(qū)域的CN值再計(jì)算徑流量。Hrimali等采用RS和GIS技術(shù)并結(jié)合SCS-CN法計(jì)算模擬地表徑流[2]。中國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究并應(yīng)用SCS模型[4]，不同的學(xué)者將SCS模型直接或稍加改進(jìn)后應(yīng)用于所研究區(qū)域，均獲得了理想的結(jié)果。沈健聰（1987）將SCS模型應(yīng)用于四川峨眉徑流實(shí)驗(yàn)站萬(wàn)善橋小流域，并對(duì)產(chǎn)流計(jì)算作了改進(jìn)。晉華等[3]（2003）將SCS模型應(yīng)用于嵐河流域的產(chǎn)匯流計(jì)算，取得了較高的精度。周翠寧（2008）將SCS模型應(yīng)用于北京溫榆河流域的降雨-徑流關(guān)系中，得到了較好的效果。本文根據(jù)清豐水流域下游崗前水文站的水文資料對(duì)SCS模型進(jìn)行參數(shù)率定和模擬驗(yàn)證，從而分析探討SCS模型應(yīng)用于該流域產(chǎn)、匯流量模擬的可行性及其精度。

1 SCS模型簡(jiǎn)介

1.1 SCS模型的產(chǎn)流部分[5-8]

美國(guó)SCS模型通過(guò)分析大量實(shí)測(cè)資料，得出降雨-徑流基本關(guān)系為

式中：F為實(shí)際后損，mm；S為流域當(dāng)時(shí)的最大可能滯留量，mm；Q為徑流量，mm；P為降雨總量，mm；Ia為初損，mm。

又有次降雨后，流域的水量平衡方程：

根據(jù)（1）式和（2）式可以得出SCS模型的產(chǎn)流計(jì)算公式：

CN是反映降雨前流域特征的一個(gè)綜合參數(shù)，它和流域前期濕潤(rùn)狀況、坡度、植被、土壤類型和土地利用現(xiàn)狀等有關(guān)。其中，前期濕潤(rùn)狀況分為三級(jí)，AMCⅠ為干旱情況，AMCⅡ?yàn)檎Ｇ闆r，AMCⅢ為濕潤(rùn)情況，具體劃分如表1所示。而SCS模型中的土壤類型分為4類，見(jiàn)表2。

表1 流域前期土壤濕潤(rùn)程度等級(jí)Tab.1 Soil moist degree of early stage in the river basin

表2 SCS模型中土壤的分類Tab.2 Soil classification in SCS model

1.2 SCS模型的匯流部分[9-13]

SCS模型采用一條統(tǒng)一的無(wú)因次單位線來(lái)計(jì)算徑流過(guò)程。模型的單位線洪峰流量用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：qp為單位線洪峰流量，m3·s-1；A為流域面積，km2；Q為凈雨量，mm；tc為匯流時(shí)間，h。tc通過(guò)滯時(shí)法求得：

其中：L是滯時(shí)，h；l是水流流程，m。

2 SCS模型在清豐水流域的應(yīng)用

2.1 清豐水流域概況

清豐水，又稱清豐山溪，發(fā)源于江西省清江縣和豐城市交界的山區(qū)，屬于贛江流域和鄱陽(yáng)湖水系，其流域范圍在贛東大堤與撫西大堤之間，主河長(zhǎng)115.4 km，崗前站以上集水面積2313 km2。清豐山溪為薌、豐、秀、槎、白土、櫧山水六條河流的總稱，撫河干流改道后，通過(guò)南昌縣上洲李至崗前新開(kāi)7 km的排洪道，經(jīng)由棠墅港撫河故道八字腦入鄱陽(yáng)湖。流域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)型氣候，氣候溫和，年平均氣溫在17℃左右，雨量充沛，多年平均降水量為1 688.7 mm，降水多集中在4～6月。流域大致呈南北走向，域內(nèi)形似扇形，河床比降為3.39%。流域內(nèi)地帶性土壤是紅壤（63.9%），耕作土主要是水稻土（17.8%），另外還有紅壤性土（9.7%）、黃壤（4.9%）、紫色土（2.2%）以及其他類型的土壤（1.5%）[14]。土地利用類型以林地（61.1%）為主，其次為耕地（27.7%）、水體（4.7%）、草地（4.3%）、建筑用地和未用地（2.2%）[14]。

崗前水文站是鄱陽(yáng)湖區(qū)清豐水流域的區(qū)域代表站，位于江西省南昌縣廣福鎮(zhèn)吳石村，東經(jīng)115°58′，北緯28°21′。觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、降水量。參考陳華、郭生練等[15]的清豐山流域防洪調(diào)度決策系統(tǒng)，制作水系概化圖如圖1所示。

圖1 清豐山溪流域水系概化圖Fig.1 The generalized water system graph of Qingfeng water basins

2.2 產(chǎn)流計(jì)算

鄱陽(yáng)湖平原的土壤主要紅壤和水稻土，屬于粘壤土，CN參數(shù)可選C類土壤。根據(jù)SCS模型CN值表，結(jié)合其他學(xué)者在鄱陽(yáng)湖地區(qū)和贛江流域的研究成果以及清豐山溪流域?qū)嶋H的降雨徑流資料，確定水文條件中等時(shí)，不同土地利用方式的CN值，再根據(jù)以下公式確定AMCⅡ和AMCⅢ，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 清豐水流域不同土地利用方式的CN值Tab.3 CN values of different land-using in Qingfeng water basins

表4 崗前站降雨徑流監(jiān)測(cè)分析資料Tab.4 Analysis material of rainfall runoff monitoring in Gangqian Station

應(yīng)用SCS模型模擬崗前站1989－2002年15場(chǎng)典型降雨洪水過(guò)程，如表4所示，其中洪水、降雨的開(kāi)始結(jié)束時(shí)間以及洪峰時(shí)間，都以月日時(shí)的格式提供，其監(jiān)測(cè)年份為對(duì)應(yīng)峰號(hào)的前四位數(shù)字。一般認(rèn)為，應(yīng)用SCS模型進(jìn)行徑流模擬時(shí)，計(jì)算徑流量與實(shí)測(cè)徑流量的相對(duì)誤差在15%以內(nèi)為合格，反之為不合格。但直接模擬后發(fā)現(xiàn)誤差較大，這主要是由于清豐山溪流域面積相對(duì)較大且中上游的水庫(kù)改變了流域的自然水文特性。所以借鑒洪林在《SCS模型在流域尺度水文模擬中的應(yīng)用》所采用的檢驗(yàn)方法，以相對(duì)誤差小于30%為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到所選的徑流過(guò)程主要集中在雨季，流域的植被覆蓋度較高，下滲水量較多，即初損較大，故將Ia提高到0.25S，產(chǎn)流模擬結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示，模型模擬的產(chǎn)流量有4場(chǎng)不合格，11場(chǎng)合格，合格率為73%，基本滿足參數(shù)率定的要求[16]。

表5 清豐水流域徑流模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)值比較Tab.5 Comparison of runoff simulation and measured value in Qingfeng water basin

2.3 匯流計(jì)算

為進(jìn)一步驗(yàn)證其正確性，選擇上述資料中11場(chǎng)單峰型降雨徑流過(guò)程進(jìn)行模擬，匯流模擬結(jié)果見(jiàn)表6。同樣以相對(duì)誤差30%為合格標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示，模型模擬的峰值流量有3場(chǎng)不合格，8場(chǎng)合格，合格率為73%。在所選的11場(chǎng)降雨-洪峰實(shí)測(cè)資料中，模擬發(fā)現(xiàn)計(jì)算峰值流量全部超過(guò)實(shí)測(cè)峰值流量，分析認(rèn)為這主要是由于紫云山和潘橋兩個(gè)大型水庫(kù)以及金橋、店下和攸珞等中型水庫(kù)對(duì)徑流的攔截調(diào)蓄作用，削減了洪峰流量。同樣，可能由于水庫(kù)的調(diào)蓄作用人為地改變了洪峰的峰現(xiàn)時(shí)間，使得模擬值和實(shí)測(cè)值相差較大。雖然清豐山溪的峰現(xiàn)時(shí)間不適合用SCS模型驗(yàn)證，但得到的降雨-徑流規(guī)律足以用來(lái)估算鄱陽(yáng)湖地區(qū)的降雨徑流量，從而為該區(qū)域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算提供有效數(shù)據(jù)。

表6 匯流計(jì)算表Tab.6 Confluence calculation

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)清豐水流域?qū)崪y(cè)的降雨徑流資料的分析研究，提出了適合清豐水流域不同AMC等級(jí)、不同土地利用方式的CN值，并對(duì)Ia值進(jìn)行了率定，同時(shí)利用SCS模型模擬了清豐水流域的產(chǎn)、匯流量。模擬結(jié)果表明，參數(shù)率定后的SCS模型基本滿足應(yīng)用精度要求，對(duì)小流域產(chǎn)、匯流量的模擬具有一定的可行性。本研究的開(kāi)展為探索鄱陽(yáng)湖地區(qū)降雨徑流規(guī)律提供了重要參考依據(jù)。

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