SCS模型在不同土地類型地表產(chǎn)流計算中的應(yīng)用——以余姚地區(qū)為例

吳志宜， 俞志強， 朱雪堅， 李東陽

(1. 浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 310027； 2. 浙江省地理信息中心， 浙江 杭州 310012)

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SCS模型在不同土地類型地表產(chǎn)流計算中的應(yīng)用
——以余姚地區(qū)為例

吳志宜1,2， 俞志強2*， 朱雪堅2， 李東陽2

(1. 浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 310027； 2. 浙江省地理信息中心， 浙江 杭州 310012)

摘要：產(chǎn)流量計算是進行城市防洪及水土保持效益評估的關(guān)鍵.結(jié)合余姚地區(qū)土壤資料及典型性降雨事件的觀測數(shù)據(jù)，對降雨量、降雨初損值、最大潛在入滲量、產(chǎn)流量四者的關(guān)系進行了深入分析，基于土地利用功能建立了適用于平原水網(wǎng)地區(qū)的SCS(Soil Conservation Service)擴展模型，并在余姚地區(qū)開展了降雨地表產(chǎn)流驗證.實驗結(jié)果表明，基于SCS擴展模型的徑流量計算值和實測值之間的絕對誤差在0.14～1.36 mm，二者具有很好的一致性.

關(guān)鍵詞：地表產(chǎn)流；SCS模型；土地利用類型；地表特征；平原水網(wǎng)區(qū)

WU Zhiyi1,2， YU Zhiqiang2， ZHU Xuejian2， LI Dongyang2

(1.SchoolofEarthSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China；2.GeomaticsCenterofZhejiang，Hangzhou310012,China)

洪澇災(zāi)害是我國常見的自然災(zāi)害之一，其來勢兇猛，破壞性大，往往造成人員傷亡與重大經(jīng)濟損失.余姚市地處浙東沿海，地勢南高北低，雨量充沛，年內(nèi)降水量呈現(xiàn)雙峰型(5～6月的梅雨峰和8～9月的熱帶風(fēng)暴雨峰)，強降雨天氣頻繁，極易形成大范圍的洪澇災(zāi)害.在洪水形成過程中，下墊面情況和地表產(chǎn)流條件起著決定性作用，因此，分析不同下墊面條件下的地表產(chǎn)流特征，建立了降雨量、降雨初損值、最大潛在入滲量、產(chǎn)流量四者間的關(guān)系模型，對余姚市的防洪規(guī)劃、水資源管理有重要的意義.

關(guān)于地表產(chǎn)流，國內(nèi)外學(xué)者從入滲產(chǎn)流的過程和機理入手，提出了許多估算地表徑流的過程模型.霍頓于1933年在大量土壤入滲實驗的基礎(chǔ)上建立了Horton入滲公式，其參數(shù)靈活性強，能與實際觀測資料較好地配合，被廣泛用于估算流域的地表徑流[1]；史密斯根據(jù)土壤水分運動的基本方程，對不同質(zhì)地的各類土壤進行了大量降雨入滲數(shù)值模擬，提出了Smith入滲模型，該模型得到了田間試驗資料的驗證，具有重要的應(yīng)用價值[2]；蔣定生等[3]在Kostiakov和Horton入滲公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃土高原大量的野外測試資料，提出了土壤在積水條件下的入滲公式，其在基于雙環(huán)入滲法得出的土壤入滲過程中擬合效果良好.

上述模型理論基礎(chǔ)充分、計算精度較高，其缺點是涉及參數(shù)過多、資料不易獲取、計算過程復(fù)雜等.對于下墊面資料和詳細(xì)降雨過程數(shù)據(jù)缺乏的地區(qū)，上述模型很難推廣使用.為此，美國水土保持局提出了SCS模型，該模型參數(shù)簡單、數(shù)據(jù)易得，并充分考慮到流域下墊面的特點，被廣泛用于中小流域降雨徑流量的計算.然而，由于國情差異，美國的土地利用分類與我國存在較大的差異，簡單地基于原有方法確定的參數(shù)無法適用于具體的計算需求.

本文基于余姚市2013年10月5日、2014年9月20日2場典型降雨事件的降雨徑流實測值，結(jié)合土壤資料，分析了不同下墊面條件下的地表產(chǎn)流特征，構(gòu)建SCS擴展模型，分別對水田、旱地、園地、林地、草地等不同土地利用類型計算地表徑流量，并利用2013～2014年另外3場降雨的數(shù)據(jù)對SCS擴展模型的有效性進行驗證，研究結(jié)果對預(yù)測該地區(qū)降雨徑流關(guān)系的長期變化具有一定的指導(dǎo)意義.

1SCS擴展模型

1.1基本原理

SCS法能反映不同土壤類型、不同土地利用方式及前期土壤含水量對降雨徑流的影響，1949年，MOCKUS基于以下假設(shè)建立了該模型：

(1)

式中，F(xiàn)為流域的實際入滲量；S為流域該場降雨前的最大潛在入滲量；Q為實際徑流量；P為總降雨量；單位均為mm.

然而，上述徑流方程沒有考慮降雨初損值Iα，即在降雨徑流產(chǎn)生前發(fā)生的攔截、地表洼蓄、滲透過程等.如果將初損值Iα考慮到方程(1)中，用(P-Q)代替F來表示實際入滲量，用(P-Iα)代替P，表示徑流產(chǎn)生后的降雨量，則方程(1)可以改寫為：

(2)

為了綜合反應(yīng)地表各因素對S的影響，引入徑流曲線數(shù)CN，并利用圖解法得到二者的關(guān)系：

(3)

其中，Iα與S存在如下經(jīng)驗關(guān)系：

Iα=λ·S，

(4)

圖1是根據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)建立的Iα-S關(guān)系圖.

圖1　Iα-S關(guān)系圖[4]Fig.1　Iα-S diagram

因此，在確定CN值后，根據(jù)式(3)、(4)即可得出最大潛在入滲量S及降雨初損值Iα，再結(jié)合實測雨量值P及式(2)，就可以求算產(chǎn)流量Q.

1.2CN值的確定

CN值是建立SCS模型的關(guān)鍵.決定CN的因素包括土壤類型、植被覆蓋類型、土壤前期濕度、耕作方式、水力條件、地形地貌等.為了確定研究區(qū)的CN值，本研究給出的方法如下：

1.2.1確定研究區(qū)所屬的水文土壤組

表1是美國自然資源保護服務(wù)*1994年，水土保持局更名為自然資源保護服務(wù)并沿用至今.(Natural Resources Conservation Service，簡稱NRCS)根據(jù)美國各個地區(qū)14 000多處土壤的實測滲透數(shù)據(jù)資料總結(jié)歸納形成的4個水文土壤組.

表1　SCS水文土壤組[5]

為了利用SCS模型的水文土壤組對研究區(qū)的土地利用功能進行分類，需要結(jié)合研究區(qū)的地表情況計算土壤的飽和導(dǎo)水率.本研究參照Soil Survey Mannual中的經(jīng)驗公式，并結(jié)合我國土壤類型與土地利用功能分類情況以及東南沿海平原水網(wǎng)區(qū)的實測數(shù)據(jù)，建立了土壤飽和導(dǎo)水率的計算公式：

Ks=0.056C+0.016s+0.223Om+

0.082On-0.713,

(5)

其中,KS代表飽和導(dǎo)水率(mm·min-1)；C表示土壤中黏粒的質(zhì)量分類(%)；s是土壤中砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；Om是土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；On是土壤中鹽漬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%).

1.2.2劃分前期土壤濕度

依據(jù)研究區(qū)域內(nèi)前5d的降雨量統(tǒng)計值，并參照前期濕度條件的劃分指標(biāo)(見表2)來客觀確定土壤的前期濕度.

表2　前期土壤濕度分類[6]

1.2.3查換算表確定CN值

綜合研究區(qū)域內(nèi)的土地利用類型、水文土壤組特性及前期土壤濕度條件，并查閱NRCS公布的CN值換算表[7]，以確定適用于研究流域的CN值.

1.3有效性的評估

因本研究所涉及的數(shù)據(jù)量較少，使用有效系數(shù)Ef驗證模型的精度會令置信度較低，因此，僅用絕對誤差來評估模型的有效性，以探討SCS模型在余姚地區(qū)應(yīng)用的合理參數(shù).

2余姚地區(qū)的應(yīng)用

2.1研究區(qū)域概況

余姚市處于浙東盆地平原交叉地區(qū)，地勢南高北低，中間微陷.南部為四明山區(qū)，中部為余姚江沖積河谷平原，北部為錢塘江、杭州灣和河口濱海平原.以紅黃壤為主要的土壤類型和土壤資源，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤，雨量充沛，光照充足.年平均氣溫16.5 ℃，30 a的平均降水量1 425 m，境內(nèi)氣候垂直差異較大，局地小氣候特征明顯.2011年末，余姚市土地總面積14.44萬hm2，其土地利用現(xiàn)狀為：耕地面積占27.10%，園地面積占4.35%，林地面積占36.19%，草地面積占0.44%，城鎮(zhèn)村及工礦用地占15.05%,交通運輸用地占2.78%,水域及水利設(shè)施用地占13.12%,其他土地的面積占0.97%[8].

2.2模型應(yīng)用

根據(jù)余姚地區(qū)的土壤級配和有機資料，結(jié)合式(5)和水文土壤組劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到余姚市不同利用類型土地的飽和導(dǎo)水率和水文土壤組，如表3所示.

表3　余姚地區(qū)不同土地利用類型的

余姚地區(qū)3～10月為生長季節(jié)，11～12月、1～2月為越冬季節(jié)，本研究建模所采用的2場降雨(2013年10月5日、2014年9月20日)均在生長季節(jié)，分別計算這2場降雨前5 d的降雨量總和.根據(jù)表2中的前期土壤濕度分類標(biāo)準(zhǔn)，確定不同土地利用類型的土壤濕度類型，綜合上述信息，依據(jù)CN值換算表即可得到相應(yīng)的CN值，具體如表4所示.

表4　余姚地區(qū)不同土地利用類型2場次降雨前

從SCS模型產(chǎn)流的計算過程來看，估計Iα是個重要的步驟，重新校正Iα與S之間的相關(guān)系數(shù)或者尋求其他確定Iα的方法是國內(nèi)外學(xué)者修正SCS模型的主要途徑[9].本研究對降雨初損值Iα與最大潛在入滲量S之間的比例系數(shù)作了調(diào)整，λ值分別取0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35，然后根據(jù)1.1節(jié)中的公式進行擬合計算，結(jié)果如表5所示.

表5　SCS模型在余姚地區(qū)的應(yīng)用結(jié)果與實測值比較

2.3結(jié)果分析

2.3.1CN值隨土地利用類型的變化

CN值受土地利用類型、植被密度、生長階段、土壤特性和前期濕度條件的影響.余姚地區(qū)水田的CN值最大，其次是草地、園地、旱地，林地的CN值最小.土地利用類型直接影響地表植被覆蓋度、地表擾動程度及方式等，繼而影響植被截留和土壤入滲，地表植被覆蓋度越低，徑流量就越大，相應(yīng)的CN值也就越大；反之，相應(yīng)的CN值就越小.

2.3.2模型有效性的分析

利用徑流量計算值和實測值之間的絕對誤差，選擇適合于不同土地利用類型的λ值.由表5可知，水田在λ=0.15的水平下，徑流量的模擬值和實測值能較好地吻合，2場降雨徑流量的絕對誤差最小值分別為0.13,0.17 mm；而旱地徑流量計算值在λ=0.25,0.20的水平下能較好地與觀測值擬合，最小絕對誤差分別為0.39，0.37 mm；園地徑流量的絕對誤差在λ=0.05的水平下達到最小，2場降雨條件下分別為0.87，0.74 mm；林地徑流量計算值在λ=0.20，0.15的水平下與觀測值都比較接近，最小絕對誤差分別為0.74，0.58 mm；對于草地，當(dāng)λ=0.30時，絕對誤差達到最小，分別為0.33及0.47 mm.

為進一步檢驗上述λ值的有效性，將2013～2014年另外3場降雨的降雨量觀測值代入相應(yīng)模型進行計算，計算的各土地利用類型的徑流量和實測徑流量之間的絕對誤差在0.14～1.36 mm，模擬結(jié)果基本符合實際情況,再次表明上述λ取值可靠，亦說明本文的SCS擴展模型適用于模擬余姚地區(qū)不同土地利用類型的產(chǎn)流情況.

3總結(jié)

本研究基于余姚地區(qū)的土地利用類型、土壤級配等資料，結(jié)合流域水文、氣象數(shù)據(jù)，給出了適用于我國平原水網(wǎng)區(qū)的土壤飽和導(dǎo)水率計算公式，擴展了SCS模型的CN值確定方法，并利用該SCS擴展模型分別對余姚地區(qū)各種土地利用類型的徑流量進行了計算，得到以下結(jié)論：

3.1不同的土地利用類型和種植結(jié)構(gòu)會影響雨水的截留量及土壤滲透率等，從而改變前期土壤濕度及CN值.CN值能綜合反映不同區(qū)域的土地利用類型、土壤特性、植被蓋度、坡度，為地表水資源評價以及水土保持管理措施提供服務(wù).然而，CN值查算表反映的是美國的地域特征，而中國大多數(shù)地區(qū)的氣候、植被、土壤、地形等與美國存在顯著差異[5]，直接應(yīng)用表中的CN值來計算余姚地區(qū)的徑流量必然會存在較大誤差，這種確定CN值方法的合理性有待進一步探討.

3.2由于地理環(huán)境的差異及土地利用類型的空間不均一性，美國NRCS確定的λ值不一定適用于余姚地區(qū).通過對Iα與S之間的關(guān)系進行修正，評估絕對誤差評估模型的有效性，從2013～2014年3場降雨的計算結(jié)果看，模擬徑流量和實測徑流量間具有較高的擬合度，絕對誤差在0.14～1.36 mm，表明模型確定的λ值是較為合理的，適用于余姚地區(qū)各種土地利用類型，可為有關(guān)部門掌握地表徑流特征，有效進行防洪和城市水文管理提供參考依據(jù).

3.3作為一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ停琒CS模型也存在一定的局限性，就降雨因素而言，模型沒有考慮降雨強度、雨型特征、降雨歷時及沖刷效應(yīng)等因素的影響.另外，SCS模型對水文土壤組及前期土壤濕度的劃分過于依賴使用者的經(jīng)驗，這些不足會導(dǎo)致模型有效性受到一定限制.

3.4本研究所使用的數(shù)據(jù)資料少，未能實地考證余姚地區(qū)各土地利用類型的情況，因此對模型的內(nèi)在機制、精度及使用效果評估還需進一步討論.

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Application of SCS model on computing the surface runoff of different land use types-A case study on Yuyao, Zhejiang Province. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(2):226-230

Abstract:Runoff calculation is a key step to control the urban flood and to evaluate the efficiency of soil and water conservation. This study combined the data of soil and typical rainfall events in Yuyao area, and conducted an in-depth analysis on the relationship among precipitation, early loss of rainfall, maximum potential infiltration and runoff. Furthermore, SCS extending model applicable to plain river-net regions based on land use functions was established, and was validated in Yuyao rainfall-runoff. Results showed that the absolute error between the calculated and observed runoffs based on SCS extending mode was in the range from 0.14 to 1.36 mm, indicating good consistency.

Key Words:surface runoff; SCS model; land use types; surface features; plain river-net regions

中圖分類號：S 157

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9497(2016)02-226-05

DOI:10.3785/j.issn.1008-9497.2016.02.018

作者簡介：吳志宜(1981-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0001-6166-8563,男，碩士研究生，主要從事數(shù)字城市地理空間框架、專題地理信息系統(tǒng)研究.*通信作者,E-mail：zjgisyzq@gmail.com.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41101356，41001227)；浙江省科技計劃項目(2014C33049).

收稿日期：2015-01-12.