SCS模型在山地丘陵地區(qū)山洪預(yù)警中的應(yīng)用

馬進(jìn)

摘要 基于洛陽(yáng)地區(qū)洛河流域防汛防洪研究，應(yīng)用徑流曲線模型SCS反映不同土壤和地面覆蓋條件影響產(chǎn)流的特征。此方法簡(jiǎn)潔實(shí)用，適合在洛陽(yáng)丘陵山區(qū)缺少水文資料的中小流域氣象災(zāi)害預(yù)警業(yè)務(wù)中使用。本文以洛陽(yáng)地區(qū)洛河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用GIS技術(shù)結(jié)合SCS模型確定CN值和徑流量的空間分布特征，與山地丘陵道路、景點(diǎn)和礦區(qū)分布結(jié)合，可為山地丘陵地區(qū)的旅游、采礦提供山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)決策服務(wù)。

關(guān)鍵詞 SCS模型；山洪預(yù)警；CN；徑流；山地丘陵地區(qū)

中圖分類號(hào) S421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）23-0168-03

Abstract Based on the study of flood control of Luo River Basin in Luoyang area，the runoff curve model SCS was used to study characteristics of runoff generation under different conditions of covering soil and land. This method was simple and practical for the applying of early warning services for middle and small valley in Luoyang mountainous and hilly area with lack of hydrologic data. In this paper，taking the Luo River Basin in Luoyang area as the research object，combined GIS with the SCS model，the value of CN matrix and the spatial distribution of runoff were determined. With the addition of distribution of hilly roads，scenic spots and mining area，so as to provide decision-making services of mountain torrent disaster for tourism and mining in mountainous and hilly area.

Key words SCS model；flood warning；CN；runoff；mountainous and hilly area

由美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局研究的徑流曲線模型（soil conservation service，SCS）用來(lái)估算資料稀少甚至無(wú)資料地區(qū)的徑流量和洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型在降雨和徑流關(guān)系上考慮流域下墊面條件，預(yù)估降水與徑流的變化。洛陽(yáng)地區(qū)以丘陵山區(qū)分布為主且中小河流較多，又受中小流域水文站資料限制，使精細(xì)化氣象災(zāi)害預(yù)警十分困難；而SCS模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，能夠估算水文資料缺失的中小流域徑流量，十分適合在無(wú)水文資料的中小流域山洪災(zāi)害預(yù)警分析業(yè)務(wù)中使用。

目前，國(guó)內(nèi)有大量關(guān)于SCS模型的研究和應(yīng)用。張 衛(wèi)等[1]為了獲得適合紅壤地區(qū)的CN參數(shù)，利用江西省德安縣燕家溝流域觀測(cè)小區(qū)2001—2003年的降雨徑流資料反算CN。然后通過(guò)SPSS軟件對(duì)降雨量與CN參數(shù)進(jìn)行回歸模擬，得到不同小區(qū)的CN模擬函數(shù)。周翠寧等[2]為研究北京城市化進(jìn)程中降雨-徑流關(guān)系變化，在溫榆河流域應(yīng)用SCS模型，對(duì)該流域部分實(shí)測(cè)次降雨-徑流過(guò)程及不同頻率年降雨-徑流進(jìn)行模擬，得出SCS模型在溫榆河流域預(yù)測(cè)徑流是可行的，相同前期土壤濕潤(rùn)程度及相同頻率降雨條件下，城市化水平越高，徑流量越大。王瑾杰等[3]以新疆博爾塔拉河上游溫泉流域?yàn)槔?，利?013年融雪期18場(chǎng)次降雨量、日徑流量及衛(wèi)星同步觀測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表溫度-植被指數(shù)特征空間反演土壤水分等方法，分別利用參數(shù)算法改進(jìn)后SCS模型與原SCS模型進(jìn)行徑流模擬。鄭長(zhǎng)統(tǒng)等[4]以GIS和RS技術(shù)作為獲取流域地貌類型、土壤類型和土地利用方式等空間信息的主要手段，運(yùn)用實(shí)測(cè)降雨徑流資料對(duì)參數(shù)λ進(jìn)行率定。嘗試通過(guò)對(duì)地貌結(jié)構(gòu)與λ值關(guān)系的分析確定適合喀斯特流域的參數(shù)λ，從而建立起喀斯特流域SCS產(chǎn)流模型。

本文根據(jù)洛河流域防汛防洪研究需要，利用GIS技術(shù)確定洛河流域CN值矩陣和徑流量空間分布特征，為山地丘陵地區(qū)山洪預(yù)警分析業(yè)務(wù)服務(wù)提供決策依據(jù)。

1 SCS模型概述

1.1 SCS基本原理

SCS模型根據(jù)區(qū)域內(nèi)土地利用方式、作物耕作方式、土壤類型、前期時(shí)段內(nèi)土壤含水量及降水量等條件，計(jì)算區(qū)域內(nèi)地表產(chǎn)流。此模型具有所需參數(shù)少、方法簡(jiǎn)單、對(duì)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)要求低等特點(diǎn)，在以后的使用中又對(duì)此模型進(jìn)行演變[5]，美國(guó)SCS模型是通過(guò)大量實(shí)測(cè)資料分析得出，基本關(guān)系為：

式（1）中，F(xiàn)為實(shí)際后損（mm）；S為流域當(dāng)時(shí)最大可能滯留量（mm）；Q為徑流量（mm）；P為降水量（mm）；Ia為初損（mm）。

再次發(fā)生降水后，流域內(nèi)水量平衡方程為：

根據(jù)式（1）和式（2）可以得出SCS模型的產(chǎn)流計(jì)算公式，采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式Ia=0.2 S，得到常用的徑流方程[6-8]：

曲線數(shù)值CN（Curve Number）是根據(jù)流域內(nèi)坡度、植被、土壤類型、土地利用情況等因素確定的一個(gè)綜合參數(shù)。由公式（3）可知，徑流量Q由降水量P和最大滯留量S決定，而最大滯留量S與區(qū)域內(nèi)土壤類型、降水前土壤濕潤(rùn)情況、土地利用情況等流域特征有關(guān)。S值隨不同流域特征變化而變化，較難取值。所以，SCS模型實(shí)際操作中經(jīng)常通過(guò)一個(gè)綜合反映降雨前流域特征的無(wú)因次參數(shù)CN進(jìn)行S值推求[9]。

S=25 400/CN-254（4）

1.2 參數(shù)CN值

流域內(nèi)CN值在確定土壤類型、土地利用、降水前土壤濕潤(rùn)情況后，可以根據(jù)美國(guó)SCS模型CN取值表確定[10]。

洛河流域內(nèi)土壤類型主要為褐土和棕壤土，為確定CN值需先根據(jù)土壤水分的最小滲透率和土壤質(zhì)地將土壤劃分為A、B、C、D 4類[11]（表1）；流域內(nèi)前期土壤濕潤(rùn)程度可參照AMC劃分為3級(jí)評(píng)判（表2）。綜合考慮流域內(nèi)前期土壤濕度狀況、水分土壤特征和土地利用，在CN表中查找流域內(nèi)該處的CN值。并通過(guò)公式（5）（6），在已知AMC II條件下的CN值，分別求出AMC I、AMC III條件下的CN值（表2）。

CN I =4.2 CNⅡ/（10-0.058 CNⅡ）（5）

CN Ⅲ=23 CNⅡ/（10+0.13 CNⅡ）（6）

2 基于GIS的SCS模型應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

洛河源自陜西洛南縣西北部，東入河南經(jīng)盧氏、洛寧、宜陽(yáng)、洛陽(yáng)、至偃師納入伊河。所研究區(qū)域位于河南省洛陽(yáng)市境內(nèi)的洛河流域（圖1）。本研究數(shù)據(jù)來(lái)源：洛陽(yáng)境內(nèi)洛河流域內(nèi)洛寧、宜陽(yáng)縣氣象區(qū)域站點(diǎn)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)；河南省1∶5萬(wàn)DEM高程數(shù)據(jù)；由國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)提供1988年河南省1∶20萬(wàn)土壤類型數(shù)據(jù)；洛陽(yáng)境內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)及洛陽(yáng)市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

2.2 模型應(yīng)用

本研究利用GIS技術(shù)，運(yùn)用SCS模型對(duì)流域內(nèi)徑流量進(jìn)行估算，并獲得流域內(nèi)徑流量空間分布圖（圖2～6）。具體流程：①使用DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行洛河流域的流域分析，確定所需研究的洛河流域區(qū)域邊界。②將1988年河南省1∶20萬(wàn)土壤類型按照表3重分類為A、B、C、D 4類水文土壤類型。③將洛陽(yáng)境內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)按照表3重分類為水田、旱地、園地、草地、林地、居民用地6類。④分別選擇土壤類型和水文土壤2個(gè)專題，進(jìn)行相關(guān)屬性的交叉計(jì)算操作。⑤根據(jù)美國(guó)SCS模型CN值表，將土壤類型和水文土壤2個(gè)專題交叉對(duì)應(yīng)值重新賦予所對(duì)應(yīng)的CN值，獲取AMC Ⅱ條件下的分布式CN值。⑥分別根據(jù)公式（4）（5），計(jì)算AMC Ⅰ和AMC Ⅲ條件下的CN值空間分布圖。⑦7月19日前5 d流域內(nèi)累計(jì)降水在35～50 mm，根據(jù)表2判斷流域內(nèi)土壤濕潤(rùn)條件AMC Ⅲ。導(dǎo)入流域內(nèi)2016年7月19日降水空間分布圖，根據(jù)公式（4）（5）計(jì)算出流域內(nèi)徑流量。

3 結(jié)論與討論

SCS模型的應(yīng)用已在水土保持、防洪、洪水、水利設(shè)施規(guī)劃等方面日趨成熟，并已經(jīng)取得良好效果。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)少，而且可以用于無(wú)資料地區(qū)。隨著現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展，SCS模型應(yīng)用更加廣泛。CN值作為計(jì)算的敏感參數(shù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)性的綜合反映確定會(huì)導(dǎo)致模擬值偏離實(shí)際值較大，區(qū)域參數(shù)的確定是實(shí)現(xiàn)區(qū)域徑流模擬精確預(yù)報(bào)的前提。例如，λ通常取0.2，該值來(lái)源于美國(guó)北部地區(qū)降雨-徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)的推算，應(yīng)用于其他地域的模擬精度則需要進(jìn)行驗(yàn)證[12]。

基于SCS模型的特點(diǎn)和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的時(shí)效性考慮，SCS模型將向簡(jiǎn)單化、實(shí)用化方向發(fā)展。結(jié)合GIS技術(shù)通過(guò)分析流域土壤類型、土地利用類型分布，獲取SCS模型中CN值分布特征，更好地反映了流域下墊面特征。將CN值矩陣和降水空間分布代入計(jì)算可以得到矩陣形式徑流量。未來(lái)將根據(jù)分布式徑流，研究流域內(nèi)單位區(qū)域內(nèi)的匯流量并且加以驗(yàn)證，從而在山區(qū)、丘陵小流域地區(qū)應(yīng)用SCS模型進(jìn)行山洪預(yù)警。利用SCS模型CN矩陣能夠方便、快捷地提供決策服務(wù)。與流域內(nèi)山地丘陵道路、景點(diǎn)和礦區(qū)分布相結(jié)合，可以為山地丘陵地區(qū)的旅游、采礦提供山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)決策服務(wù)。

4 參考文獻(xiàn)

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