基于SCS水文模型的城市河涌設(shè)計(jì)洪水計(jì)算研究

譚 超，黃本勝，黃峰華，邱 靜，劉 達(dá)

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610；2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610)

0 前 言

在城市河涌整治設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算是確定工程規(guī)模的重要依據(jù)。對于無流量觀測流域，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法多采用綜合單位線法[1]及推理公式法[2]并得到廣泛應(yīng)用，但這兩種方法主要適用于天然河道，而對于城市河涌，由于城市化的下墊面與自然地貌差異較大，傳統(tǒng)計(jì)算方法無法反映城市下墊面復(fù)雜暴雨產(chǎn)匯流過程。SCS水文模型是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年開發(fā)的小流域水文模型，由于其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，對觀測資料要求不高，在小流域工程規(guī)劃及防洪、水土保持、城市水文及無資料流域等多種水文研究中得到廣泛應(yīng)用[3-12]。與以往的水文模型相比，SCS模型可考慮流域中土地利用類型、土壤類型等下墊面因素對降雨徑流的影響，適合于城市下墊面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

望江瀝是東江的一級支流城市河涌，位于東江下游廣東惠州市惠城區(qū)惠州大堤(北堤)的保護(hù)范圍內(nèi)，為東江河谷平原區(qū)，集雨面積為17.12 km2，河道平面干流河長8.3 km，該河涌無實(shí)測流量觀測站，流域范圍內(nèi)城市化程度高，為典型城市河涌。本文以望江瀝河涌為例，采用SCS水文模型，根據(jù)遙感衛(wèi)片提取流域下墊面地類信息，通過劃分子流域分區(qū)匯流計(jì)算望江瀝出口處的設(shè)計(jì)洪水流量，研究不同下墊面條件的洪水效應(yīng)，并將計(jì)算成果與傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行對比分析。本研究為無徑流觀測資料城市河涌設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供了新思路，同時(shí)可供城市河涌防洪排澇規(guī)劃設(shè)計(jì)參考。

1 SCS水文模型設(shè)計(jì)流量計(jì)算

降雨徑流模擬分為產(chǎn)流計(jì)算和匯流計(jì)算。本文將望江瀝流域根據(jù)匯水口劃分若干子流域(集雨面積在1.5 km2以內(nèi))，采用SCS模型計(jì)算子流域產(chǎn)流量，考慮洪水的坦化和滯后作用；同時(shí)通過遙感衛(wèi)片提取的流域下墊面地類信息給定模型的CN值，將計(jì)算得到的子流域出口流量輸入河涌一維水流數(shù)學(xué)模型，從而計(jì)算得到望江瀝流域出口流量過程。

1.1 SCS模型原理

SCS模型是小流域設(shè)計(jì)洪水模型[12]，該模型綜合考慮了流域降雨、土壤類型、土地利用方式、前期土壤濕潤狀況與徑流的關(guān)系。模型假定地面徑流量與潛在徑流量之比等于流域?qū)嶋H入滲量和最大入滲量之比，即：

(1)

式中：F為流域?qū)嶋H入滲量，mm；S為流域最大入滲量，mm；Q為地面徑流量，mm；P為降雨量，mm；Ia為初損雨量，mm。

根據(jù)水量平衡原理有：

P=Ia+F+Q

(2)

從而推算得到最終表達(dá)式為：

(3)

式中：Q為徑流量，mm；P為一次降雨的降雨總量，mm；S為流域當(dāng)時(shí)的可能最大滯留量，mm。模型設(shè)計(jì)者引入下式以確定S：

(4)

式中：CN(Curve number)是一個(gè)無量綱參數(shù)。CN值是SCS模型的主要參數(shù)，用于描述降雨-徑流關(guān)系，已將前期土壤濕潤程度(Antecedent moisture condition，簡稱AMC)、坡度、土壤類型和土地利用現(xiàn)狀等因素綜合在一起。CN值把流域下墊面條件定量化，用量的指標(biāo)來反映下墊面條件對產(chǎn)匯流過程的影響。因此，CN值的意義并不限于作為SCS模型的一個(gè)重要參數(shù)，而是反映降雨前流域特征的一個(gè)綜合參數(shù)，可以間接地綜合反映人類活動對徑流的影響，也在水文模型參數(shù)確定和遙感信息使用之間建立了直接聯(lián)系，為解決無資料地區(qū)的徑流估算提供了新的手段。

1.2 CN值確定方法

CN值在SCS模型中描述降雨-徑流關(guān)系，反映了流域下墊面單元的產(chǎn)流能力。根據(jù)模型含義，CN值為土地利用類型、土壤類型、前期土壤濕潤程度等下墊面因素的函數(shù)。一般地說，在降雨一定的條件下，產(chǎn)流量較大的土地利用類型、土壤類型、前期土壤濕潤程度,其CN值較大，反之亦然。因此，確定望江瀝流域的CN值是徑流模擬的首要任務(wù)。

在理論上，CN取值介于0～100之間，但在實(shí)際條件下，CN值在30～100之間變化。根據(jù)土壤特性不同，可將土壤劃分為A、B、C、D 4大類，并由此確定其CN值，其主要特征見表1。

表1 水文土壤組定義指標(biāo)

SCS模型有其特有的土壤分類系統(tǒng)。本文以區(qū)域土壤分類方法和土壤分類圖為基礎(chǔ)，對原有土壤分類進(jìn)行了對應(yīng)歸并，得到了符合SCS模型的土壤分類結(jié)果。因土壤屬性較穩(wěn)定，將土壤分類結(jié)果作為不變值，用于模型計(jì)算中。CN值同樣受降雨前的流域內(nèi)土壤濕潤程度的影響。SCS模型將土壤濕潤程度根據(jù)前5 d的總雨量劃分為3類，分別代表干、平均、濕3種狀態(tài)(AMCI、AMCII、AMCIII)，不同濕潤狀況的CN值有相互的轉(zhuǎn)換關(guān)系。最終根據(jù)SCS模型提供的CN值查算表，充分考慮區(qū)域自然條件,參考有關(guān)研究者[13]在SCS模型應(yīng)用中所確定的CN值矩陣，確定了望江瀝流域CN值矩陣，見表2。

表2 望江瀝流域SCS模型CN值(AMCII)

1.3 子流域產(chǎn)流計(jì)算

收集望江瀝流域1∶10 000地形圖及排水管網(wǎng)圖，根據(jù)排水分區(qū)，將望江瀝流域劃分為28個(gè)子流域。結(jié)合高清衛(wèi)星圖片提取各子流域下墊面類型和SCS模型CN值，獲得望江瀝流域各子流域土地利用面積和綜合CN值，詳見圖1。

利用《廣東省暴雨徑流查算圖表》選用東江中下游3 d設(shè)計(jì)雨型(暴雨時(shí)段分配)，再利用暴雨參數(shù)可算出不同頻率下最大3 d設(shè)計(jì)暴雨過程。將3 d設(shè)計(jì)暴雨過程作為SCS模型輸入，計(jì)算各子流域產(chǎn)流過程。根據(jù)廣東省綜合單位線的相關(guān)成果，子流域洪水坦化系數(shù)取0.75，按廣東省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式，滯后時(shí)間t=0.36×河長^0.68，設(shè)計(jì)頻率P=5%的各子流域計(jì)算成果見圖2。

圖1 望江瀝流域各子流域綜合CN取值

1.4 匯流計(jì)算

1.4.1 匯流計(jì)算方法

匯流計(jì)算建立望江瀝河涌一維水流數(shù)學(xué)模型，一維水動力計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。

(5)

(6)

式中：x、t分別為計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo);A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為過流流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

圖2 設(shè)計(jì)頻率P=5%的各子流域計(jì)算成果

1.4.2 參數(shù)取值

(1)河道斷面地形資料。望江瀝河道斷面地形資料采用本次用本次整治后設(shè)計(jì)河道斷面，東江河道斷面地形資料采用2012年的實(shí)測資料。

(2)糙率的確定?？紤]到整治后的斷面襯砌護(hù)坡方式不同，整治后的糙率結(jié)合本河道整治后實(shí)際情況取值。河道整治后兩岸大部分岸坡采用草皮護(hù)坡，并結(jié)合景觀分布有灌木、景石等，按天然河道清潔、順直、無沙灘、無潭、有草石情況取值0.032。

(3)河道斷面的劃分。望江瀝河道斷面地形資料采用本次用本次整治后設(shè)計(jì)河道斷面，共劃分了30個(gè)斷面，平均斷面間距約180 m。

1.4.3 計(jì)算結(jié)果

以各子流域出口流量過程作為一維水流模型匯入源，計(jì)算流域徑流在河涌的匯流至流域出口過程。各來水頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量見表3。

表3 SCS模型設(shè)計(jì)洪峰流量

2 流域下墊面變化洪水效應(yīng)

望江瀝流域受人類活動影響較大，隨著城市化的發(fā)展，城市用地面積不斷擴(kuò)大。依據(jù)衛(wèi)星遙感圖片統(tǒng)計(jì)，望江瀝流域集雨面積內(nèi)城市用地面積高達(dá)60%，濕地和水體的面積不足5%，因此，該流域已經(jīng)不是完全的自然流域特性，流域產(chǎn)匯流特性發(fā)生了相應(yīng)變化，應(yīng)用傳統(tǒng)的綜合單位線和推理公式法在推求城市化進(jìn)程明顯的區(qū)域設(shè)計(jì)洪峰流量可能存在偏小現(xiàn)象。因此，擬對流域不同下墊面條件對徑流變化進(jìn)行敏感性分析。

2.1 情景構(gòu)建

為分析城市化對洪水的響應(yīng)程度，以城市用地面積為主要情景構(gòu)建因素，按從無城市用地以10%的比例逐漸遞增的原則，以情景分析方法構(gòu)建7種情景，見表4。

2.2 洪水響應(yīng)分析

依據(jù)不同下墊面情景類型和3 d設(shè)計(jì)降雨過程作為SCS模型輸入，再經(jīng)望江瀝干流水動力學(xué)模型匯流演算，計(jì)算不同來水頻率條件下望江瀝流域出口設(shè)計(jì)洪水過程，其中設(shè)計(jì)頻率P=5%的流域不同下墊面情景的計(jì)算成果見圖3。

隨著城市化發(fā)展，流域下墊面的“硬化”作用，導(dǎo)致降雨截留和土壤下滲減少，地表匯流加快，洪水陡漲陡落。數(shù)據(jù)分析表明，洪峰流量與城市用地面積呈正相關(guān)；隨著城市用地面積較少，耕地、林地和灌草地面積增加，接近天然流域下墊面情景。

表4 望江瀝流域下墊面變化情景構(gòu)建

圖3 設(shè)計(jì)頻率P=5%的流域下墊面變化的洪水計(jì)算成果

以洪峰流量為主要分析因子，不同來水頻率下的下墊面變化洪水效應(yīng)見圖4。從圖、表可知，隨著城市用地面積增加，洪峰流量相應(yīng)增加，呈現(xiàn)明顯正相關(guān)。根據(jù)敏感性分析公式，洪峰流量變化率/城市用地變化率的值在0.2以內(nèi)，屬于不敏感變化。當(dāng)城市用地面積比例由現(xiàn)狀的61%下降至10%以下，耕地、林地和灌草地面積比例上升至80%以上，此時(shí)望江瀝流域下墊面接近自然流域特性，各來水頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量相對現(xiàn)狀減少20 m3/s左右，平均減少15%。

3 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

3.1 與徑流系數(shù)法的對比分析

CN值是SCS模型降雨產(chǎn)流計(jì)算的主要參數(shù)，用于描述降雨-徑流關(guān)系，為驗(yàn)證SCS模型產(chǎn)流計(jì)算成果，本研究采用徑流系數(shù)法進(jìn)行對比分析。

徑流系數(shù)法主要參數(shù)是不同下墊面類型的面積和徑流系數(shù)，同時(shí)考慮滯蓄能力。下墊面類型的面積見表5，參考了《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》、《室外排水規(guī)范》等文獻(xiàn)，確定了望江瀝流域下墊面的徑流系數(shù)和滯蓄能力，其中滯蓄能力是指當(dāng)降雨量累積到一定水深才能產(chǎn)生徑流，主要影響降雨徑流過程的前期。

圖4 不同來水頻率下的下墊面變化流域洪峰流量響應(yīng)曲線圖

表5 下墊面類型的主要參數(shù)

選取P=5%設(shè)計(jì)暴雨過程作為輸入，以子流域1～2為例，采用徑流系數(shù)法計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨在分塊面積上的產(chǎn)流量與SCS模型的對比，徑流過程見圖5，徑流系數(shù)法和SCS模型兩種方法模擬降雨產(chǎn)流的效果統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表6。由表6可知，徑流系數(shù)法模擬結(jié)果相對SCS模型偏大，退水階段兩種方法模擬結(jié)果基本一致，兩種方法確定系數(shù)高達(dá)0.97以上，洪峰誤差13%以內(nèi)，兩種方法模擬效果是一致的，SCS模型方法計(jì)算基本合理。

圖5 徑流系數(shù)法與SCS模型在子流域上產(chǎn)流量對比(P=5%)

3.2 與綜合單位線、推理公式法的對比分析

SCS模型計(jì)算成果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法對比見表7，如表7所示，SCS模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水成果相對傳統(tǒng)方法(綜合單位線法及推理公式法)大20%，這主要是由于SCS模型充分考慮了下墊面變化，匯流較快，洪峰流量較大。

表6 徑流系數(shù)法和SCS模型兩種方法模擬統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

表7 SCS模型計(jì)算成果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法對比

從望江瀝流域內(nèi)土地利用類型來看，流域內(nèi)城市用地和裸地的面積比例占整個(gè)流域的66.8%，且集中分布在流域中下游，流域內(nèi)排水管網(wǎng)密布，流域的城市化作用明顯。對于傳統(tǒng)應(yīng)用于自然流域的綜合單位線和推理公式法在推求城市化進(jìn)程明顯的區(qū)域設(shè)計(jì)洪峰流量可能存在偏小現(xiàn)象?；赟CS模型耦合水動力學(xué)方法在產(chǎn)流計(jì)算方面充分考慮流域下墊面變化的因素，產(chǎn)流計(jì)算相對合理。

4 結(jié) 論

對于城市河涌，由于城市化的下墊面與自然地貌差異較大，傳統(tǒng)計(jì)算方法無法反映城市下墊面復(fù)雜暴雨產(chǎn)匯流過程。本文以惠州望江瀝河涌為例，基于SCS水文模型計(jì)算了城市河涌設(shè)計(jì)洪水，并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對比分析，形成主要結(jié)論如下：

(1) 將望江瀝流域根據(jù)匯水口劃分若干子流域(集雨面積在1.5 km2以內(nèi))，采用SCS模型計(jì)算子流域產(chǎn)流量，考慮洪水的坦化和滯后作用；同時(shí)通過遙感衛(wèi)片提取的流域下墊面地類信息給定模型的CN值，將計(jì)算得到的子流域出口流量輸入河涌一維水流數(shù)學(xué)模型，從而計(jì)算得到望江瀝流域出口流量過程。該方法能充分考慮流域下墊面對水文模擬的影響，在定量分析區(qū)域人類活動對水量影響分析以及流域分布式水文模擬上進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

(2)隨著城市用地面積增加，望江瀝河涌洪峰流量相應(yīng)增加，呈現(xiàn)明顯正相關(guān)。根據(jù)敏感性分析公式，洪峰流量變化率/城市用地變化率的值在0.2以內(nèi)，屬于不敏感變化。當(dāng)城市用地面積比例由現(xiàn)狀的61%下降至10%以下，耕地、林地和灌草地面積比例上升至80%以上，此時(shí)望江瀝流域下墊面接近自然流域特性，各來水頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量相對現(xiàn)狀減少20 m3/s左右。

(3)SCS模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水成果相對傳統(tǒng)方法(綜合單位線法及推理公式法)大20%，這主要是由于SCS模型充分考慮了下墊面變化，匯流較快，洪峰流量較大；從望江瀝流域內(nèi)土地利用類型來看，流域內(nèi)城市用地和裸地的面積比例大，且集中分布在流域中下游，流域的城市化作用明顯。對于傳統(tǒng)應(yīng)用于自然流域的綜合單位線和推理公式法在推求城市化進(jìn)程明顯的區(qū)域設(shè)計(jì)洪峰流量可能存在偏小現(xiàn)象?；赟CS模型耦合水動力學(xué)方法在產(chǎn)流計(jì)算方面充分考慮流域下墊面變化的因素，產(chǎn)流計(jì)算相對合理。

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