SCS模型在無資料地區(qū)徑流模擬估算中的應(yīng)用*
——以清河流域?yàn)槔?/h1>
2019-04-14 08:28:38劉春春劉萬青
中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃 2019年12期
劉春春，劉萬青※，王 寧，楊 波
(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127； 2．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100)
0 引言
無資料流域水文計(jì)算是長期困擾國際水文學(xué)界的難題之一，開展無資料地區(qū)水文研究始終是水文工作者的一項(xiàng)重大任務(wù)[1]。在23屆國際地球物理和大地測量聯(lián)合會上，國際水文科學(xué)協(xié)會(IAHS)確定了未來10年的研究重點(diǎn)為無水文資料流域的水文預(yù)報(PUB)[2]，該計(jì)劃為未來無資料地區(qū)開展水文研究提供了機(jī)遇與發(fā)展方向。目前，流域徑流模擬估算主要是利用集總式水文模型(IHACRES，Standford，SIMHYD等)、半分布式水文模型(TOPMODEL，HBV，PREVAH，PRMS，SWAT等)、分布式水文模型(MIKE SHE等)開展水文模擬，以及利用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型(多元線性回歸模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)測[3-4]。
集總式水文模型由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少、復(fù)雜程度較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無資料地區(qū)的水文模擬。由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局開發(fā)的SCS(Soil Conservation Service)集總式水文模型實(shí)用性強(qiáng)且改進(jìn)空間大，近年來得到了比較廣泛的應(yīng)用[5]。Amutha和Porchelvan[6]利用SCS模型估算1971—2007年Malattar河子流域逐月徑流量及逐年徑流量。周翠寧等[7]將SCS模型應(yīng)用到北京溫榆河流域，從年降雨量與徑流量的對應(yīng)關(guān)系角度開展研究。劉賢趙等[8]利用SCS模型對黃土高原王東溝流域的降雨徑流過程進(jìn)行模擬，取得了較為滿意的效果。張建云等[9]利用GIS手段提取愛爾蘭Dodder流域信息，為開展無資料地區(qū)SCS模型徑流模擬提供一定參考。
為了探索構(gòu)建便捷的無資料地區(qū)水文模擬方法，文章利用SCS模型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)較少的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于資料缺乏或無資料地區(qū)的水文模擬，并以西安市清河流域?yàn)檠芯繉ο筮M(jìn)行模型應(yīng)用。此外，為了解決無資料地區(qū)水文模型驗(yàn)證問題，該文提出利用徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，這對未來開展無資料地區(qū)的徑流模擬估算驗(yàn)證可以起到一定的參考作用。同時，清河流域作為西安市周邊小流域，是西安市水系調(diào)節(jié)的重要一環(huán)，會對整個城市的水資源規(guī)劃和防洪決策產(chǎn)生一定影響。因此，開展西安市城市外圍小流域的水文研究是非常有必要的。劉春春等[10]基于SWMM模型在該流域模擬了不同降雨條件下的徑流過程，可以為防洪減災(zāi)提供一定依據(jù)，但實(shí)際意義并不完整。該文從年際徑流角度出發(fā)，以SCS模型模擬估算流域徑流總量，是對前者研究的重要補(bǔ)充，有助于該流域構(gòu)建完備的防洪與水資源規(guī)劃的水安全系統(tǒng)。
1 資料與方法
1.1 研究區(qū)概況
清河是西安市灞橋區(qū)、藍(lán)田縣和臨潼區(qū)接壤處灞河支流紅河的一級支流，位于紅河上游兩大支流右支。流域形態(tài)呈東北—西南走向，流域面積約為26.19km2，流域概況如圖1所示。該流域多年平均降水量718.4mm，年內(nèi)降雨量分布不均勻，降雨主要集中在5—8月份。流域林草覆蓋率達(dá)80%以上，起到了很好的水土保持功效。目前清河流域?yàn)閲宜Ｉ鷳B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，但由于建站時間較短及其他原因，導(dǎo)致實(shí)際收集的水文數(shù)據(jù)時間序列較短，資料相對比較匱乏。
圖1 清河流域概況
1.2 數(shù)據(jù)來源
1.2.1 降雨數(shù)據(jù)
由于研究區(qū)域水文站建設(shè)時間較短，缺乏多年降雨量，該文選取流域所在地西安市的歷年降雨量作為該實(shí)驗(yàn)區(qū)的降雨量補(bǔ)充數(shù)據(jù)，流域缺少年份的降雨數(shù)據(jù)用西安市平均降雨數(shù)據(jù)代替。雖然沒有對西安市平均降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化展延、插補(bǔ)等處理，但該數(shù)據(jù)也可以充分代表西安市總體降雨情況。雖然用西安市的降雨數(shù)據(jù)替代流域?qū)嶋H降雨量并不能讓人感到非常滿意，但是該文僅利用SCS模型估算流域的年徑流總量，一定程度上降低了對實(shí)際降雨量可靠性的依賴程度。
1.2.2 土壤數(shù)據(jù)
清河流域土壤類型分布圖通過野外實(shí)測獲得，數(shù)據(jù)來源為西北大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。流域土壤主要由花崗片麻巖褐土性土、黃土質(zhì)塿土性土、白墡土、紅色土、泥灰?guī)r質(zhì)紫色土組成。以上各類土壤結(jié)合其下滲特點(diǎn)并按照SCS模型土類劃分表格可以確定流域的土壤類型。
1.2.3 土地利用類型
SCS模型中不同的下墊面類型產(chǎn)流效果會存在差異。植被覆蓋度越高，截留能力越強(qiáng)，土壤下滲量就越大，最終地表的產(chǎn)匯流能力越弱。水體表面雨水沒有損失，直接形成徑流，因而產(chǎn)匯流能力最強(qiáng)。該文以流域衛(wèi)星影像分析解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)前期野外實(shí)地抽查核實(shí)，獲得清河流域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。清河流域土地利用類型如圖2所示。
圖2 清河流域土地利用類型
表1 清河流域不同前期土壤濕潤程度下的CN值
土地利用類型AMCⅠAMCⅡAMCⅢ面積權(quán)重(%)旱地51708511.82園地47678316.73有林地35557453.21灌木林地3656757.24疏林地4060780.7草地3858764.67村莊5574882.6道路6682921.12水域1001001000.44裸荒地7286941.47
1.3 研究方法
該文的研究步驟可分為3步：一是確定CN值、λ值等參數(shù)； 二是提出徑流系數(shù)區(qū)間法的概念，并通過徑流系數(shù)取值表計(jì)算清河流域的綜合徑流系數(shù)取值范圍； 三是利用徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
1.3.1 SCS模型簡介
SCS模型是通過分析大量降雨—徑流實(shí)測數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)方程，其徑流計(jì)算方程為式(1)所示[11]。
(1)
式(1)中，Q為地表徑流深，單位為mm；P為降雨量，單位為mm；λ為初損率；S為徑流開始前潛在的最大滯留量，單位為mm。S可由CN值計(jì)算得出，如式(2)所示：
(2)
式(2)中，CN值是SCS模型的最主要參數(shù)，可以反映出降雨前流域的綜合特征。CN值由土壤類型、下墊面類型、土壤前期濕潤等級AMC等確定[12]。CN值詳細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)可參考美國《國家工程手冊》[5]。SCS模型依據(jù)土壤質(zhì)地將土壤分為A(透水)，B(較透水)，C(較不透水)，D(不透水)4類。土壤前期濕潤程度AMC可以分為AMCⅠ(干燥)、AMCⅡ(中等濕潤)AMCⅢ(濕潤)。
1.3.2 SCS模型參數(shù)的確定
CN值反映不同下墊面的產(chǎn)流匯流能力，用一組曲線予以描述，又可稱為徑流曲線數(shù)[13]。一般情況下，地表產(chǎn)流隨CN值增加而增大[14]。以下從土壤類型、下墊面類型、土壤前期濕潤程度3個方面確定最終流域平均CN值。參照SCS土壤分類定義表[15]，結(jié)合各土類面積和下滲特點(diǎn)，可以確定清河流域以B類土為主。
參考美國水土保持局TR-55手冊列出的取值條件[13]，可以確定清河流域不同下墊面的CN值。結(jié)合研究區(qū)的土地利用類型和土壤類型即可確定AMCⅡ條件下的CN值，利用CN值轉(zhuǎn)換公式即可得到AMCⅠ和AMCⅢ兩種條件下的CN值。清河流域不同前期土壤濕潤程度下的CN值見表1。
該文是利用歷年年降雨總量模擬估算年際徑流總量，不是對單場降雨事件的模擬，所以在結(jié)合多年降雨數(shù)據(jù)及土壤含水量的基礎(chǔ)上，確定流域的平均前期土壤濕潤等級為AMCⅠ[16]。統(tǒng)計(jì)不同下墊面的CN值以及下墊面所占面積百分比，進(jìn)行面積加權(quán)平均，即可得到整個區(qū)域的平均CN值為40。
大量研究表明λ取值范圍一般在0.095～0.38內(nèi)，美國水土保持局取其平均值0.2 作為λ的值，這是λ的經(jīng)典取值[17]。SCS模型應(yīng)用于我國無實(shí)測資料的研究中λ取值大都在0.2左右，所以λ取值0.2具有很好的代表性。由于該文是進(jìn)行年際的徑流模擬估算，所以初損率取值比較大，在目前利用SCS模型進(jìn)行月際或者年際的徑流模擬中大都取數(shù)值較大的0.2，且取得了不錯的模擬效果。該文亦直接采用0.2作為初損率。
1.3.3 徑流系數(shù)區(qū)間法的概念與綜合徑流系數(shù)取值范圍確定
由于缺乏流域歷年年徑流總量數(shù)據(jù)，故無法從實(shí)測角度對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為解決模擬精度分析這一問題，該文采用徑流系數(shù)法予以驗(yàn)證。傳統(tǒng)的徑流系數(shù)法往往存在選取徑流系數(shù)值的問題，但是該文沒有對研究區(qū)域的不同下墊面進(jìn)行徑流系數(shù)的實(shí)驗(yàn)性確定，單純的參考類似下墊面的徑流系數(shù)也會存在一定的誤差，為此該文提出一個新的方法，徑流系數(shù)區(qū)間法來進(jìn)行驗(yàn)證。所謂徑流系數(shù)區(qū)間法就是以不同下墊面的徑流系數(shù)的波動范圍為前提，結(jié)合多年年降雨總量，可以計(jì)算得出兩條多年徑流量變化的曲線，這兩條曲線是利用徑流系數(shù)法得到的徑流總量變化的區(qū)間，如果利用其他方法模擬得出研究區(qū)域的多年徑流量在兩條曲線之間，則說明模擬結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，如果需要定量化驗(yàn)證模擬結(jié)果，可以利用最大徑流量與最小徑流量的平均值曲線作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，判定相對應(yīng)的吻合程度。
利用徑流系數(shù)區(qū)間法對SCS模型模擬結(jié)果驗(yàn)證首先需要不同下墊面的徑流系數(shù)取值范圍作為參考，詳見表2。
根據(jù)清河流域的特點(diǎn)并結(jié)合上述徑流系數(shù)表，將流域下墊面類型分為a、b、c、d、e 5類，如表3所示。
表2 徑流系數(shù)ψ[18]
地表種類徑流系數(shù)ψ地表種類徑流系數(shù)ψ瀝青混凝土路面0.95陡峻的山地0.75～0.90水泥混凝土路面0.9起伏的山地0.60～0.80透水性瀝青路面0.60～0.80起伏的草地0.40～0.65粒料路面0.40～0.60平坦的耕地0.45～0.60粗粒土坡面和路肩0.10～0.30落葉林地0.35～0.60細(xì)粒土坡面和路肩0.40～0.65針葉林地0.25～0.50硬質(zhì)巖石坡面0.70～0.85水田0.70～0.80軟質(zhì)巖石坡面0.50～0.75水體1
表3 不同下墊面的重新分類
類別不同下墊面a有林地灌木林地疏林地b草地c旱地園地裸荒地d村莊道路e水域
表4 流域綜合徑流系數(shù)的確定
下墊面類別面積權(quán)重(%)徑流系數(shù)取值范圍a61.150.35～0.60b4.670.40～0.65c30.020.45～0.60d3.720.60～0.80e0.441全區(qū)域1000.39～0.61
a類下墊面以落葉林地作為參考，取值0.35～0.60； b類草地取值0.40～0.65； c類耕地取值0.45～0.60； d類取0.60～0.80； e類水體取值為1。流域綜合徑流系數(shù)由不同下墊面的徑流系數(shù)取值范圍結(jié)合面積權(quán)重加權(quán)得到[19]，結(jié)果介于0.39～0.61，如表4所示。
1.3.4 徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證
該文首先利用徑流系數(shù)區(qū)間法給出的參考區(qū)間來定性的檢驗(yàn)SCS模擬結(jié)果，判斷其模擬結(jié)果是否在可接受的范圍之內(nèi)。為了進(jìn)一步量化的說明模擬結(jié)果，該文采用最大徑流量與最小徑流量的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，通過查看SCS模型模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間的吻合度，來量化的分析模擬結(jié)果。該文采用的徑流區(qū)間可以看成是一個估計(jì)值，并不是實(shí)際徑流量的確切表示。相比其他估計(jì)量，樣本均值往往是一個更有效的估計(jì)量，該平均值應(yīng)接近或等于真實(shí)的參數(shù)值[20]。張倩等[21]在無實(shí)測資料區(qū)域利用徑流系數(shù)法對SWMM模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時，選取了徑流系數(shù)取值范圍的中間值作為研究區(qū)域的綜合徑流系數(shù)，取得了滿意的效果。此外，劉昌明等[1]提出在資料稀缺地區(qū)將參數(shù)進(jìn)行平均，可以更好地對研究區(qū)域進(jìn)行徑流模擬估算。因此，該文選擇以最大徑流量與最小徑流量的算數(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值來更有效地估算實(shí)際年徑流總量。該文以確定性系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)(Ens)來評價模型的模擬性能[22]，這兩個系數(shù)可以反映標(biāo)準(zhǔn)徑流量與模擬徑流量的擬合度。
(3)
(4)
圖3 近20年清河流域地表年徑流總量
2 結(jié)果與分析
2.1 基于SCS模型的徑流模擬
通過以上分析，模型參數(shù)分別為，CN值取40，λ取0.2，P為流域近20年降雨數(shù)據(jù)。將各參數(shù)帶入模型中，即可得到清河流域近20年地表年徑流總量。如圖3所示。
從圖3中可以明顯看到，清河流域歷年的年徑流總量與年降雨總量有很好的對應(yīng)關(guān)系，在不考慮年蒸發(fā)量以及地下水損耗的情況下，年降雨量越大，地表徑流也越大，其中2003年徑流總量最大，達(dá)到1 400萬m3左右，最小為1997年的300萬m3。雖然利用SCS模型初步模擬估算了清河流域的歷年地表徑流總量，但是其模擬精度與適宜性還有待分析。
2.2 SCS模型的精度分析
利用徑流系數(shù)區(qū)間法給定徑流模擬結(jié)果的變化區(qū)間，可以很好地反映SCS模型模擬結(jié)果是否在可以接受的范圍內(nèi)。驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。
從圖4可以看到，SCS模型模擬結(jié)果基本都在最大徑流量與最小徑流量之間波動變化，模擬結(jié)果在令人可以接受的范圍之內(nèi)。以上利用徑流系數(shù)區(qū)間法驗(yàn)證了SCS模擬結(jié)果為可以接受的正常范圍，但是這種結(jié)果只是一種定性的表達(dá)，為了進(jìn)一步定量說明模擬結(jié)果，該文選擇以最大徑流量與最小徑流量的算數(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值來判定SCS模型模擬效果。歷年平均徑流量與SCS模擬徑流量對比分析見圖5。
經(jīng)過計(jì)算，SCS模擬徑流量與平均徑流量的納什系數(shù)為0.6，SCS模擬徑流量與平均徑流量的確定性系數(shù)為0.9，擬合效果較好，這說明利用SCS模型進(jìn)行地表徑流的模擬估算取得了令人較為滿意的結(jié)果。
圖4 基于徑流系數(shù)區(qū)間法的結(jié)果驗(yàn)證 圖5 平均徑流量與SCS模擬徑流量對比分析
3 討論
無資料地區(qū)重點(diǎn)是指無水文資料地區(qū)，降雨數(shù)據(jù)可以通過衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)或其他遙感數(shù)據(jù)獲得，或者利用臨近有水文站的流域插值得到。該文利用西安市部分降雨數(shù)據(jù)代替流域缺失年份的降雨數(shù)據(jù)是該文的一個不足之處，但是從根本上這并不妨礙從方法理論上提出利用SCS模型解決無資料地區(qū)徑流模擬這一問題。當(dāng)然，如果考慮將該方法在有水文資料的地區(qū)試用，在有資料的地區(qū)用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，這樣將會使得徑流系數(shù)區(qū)間法更具有科學(xué)性。該文選取西安市周邊小流域?yàn)檠芯繉ο?，而這些小流域存在水文站缺失、數(shù)據(jù)不完整等問題，從而在客觀上無法有效開展實(shí)測資料驗(yàn)證。因此，未來可以考慮在有實(shí)測水文資料地區(qū)開展更加精確的驗(yàn)證，進(jìn)一步完善徑流系數(shù)區(qū)間法。
該文的初損率λ取值為0.2，這是大部分地區(qū)采用的通用取值。雖然最終的驗(yàn)證結(jié)果令人滿意，但是在以年際為時間尺度進(jìn)行徑流模擬時，λ的取值還有待深入研究。此外，該文利用傳統(tǒng)的徑流系數(shù)取值表提出徑流系數(shù)區(qū)間法進(jìn)行模型的驗(yàn)證，雖然不是非常嚴(yán)格的數(shù)理論證，但是這也是針對無資料地區(qū)進(jìn)行徑流模擬驗(yàn)證時所能想到的比較現(xiàn)實(shí)的辦法之一。有個有趣的現(xiàn)象就是，SCS模擬結(jié)果和徑流系數(shù)區(qū)間法得出的結(jié)果有較好的擬合性，其中很大的原因應(yīng)該就是SCS模型是通過分析大量降雨—徑流實(shí)測數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)方程，而徑流系數(shù)也是經(jīng)過大量的實(shí)測方式得出的經(jīng)驗(yàn)取值，兩者有很好的對應(yīng)關(guān)系。所以，最終的計(jì)算結(jié)果讓人較為滿意。
該文的徑流系數(shù)區(qū)間法核心是提出了利用徑流區(qū)間來判定大致的模擬效果。至于在進(jìn)行量化驗(yàn)證時，該文采取了取平均值的方式，這種方式是否是最合適的方式，還有待進(jìn)一步研究。
該文雖然沒有利用實(shí)測徑流總量數(shù)據(jù)對SCS模型模擬結(jié)果進(jìn)行精確的驗(yàn)證，但是從年際徑流角度看，若要進(jìn)行比較細(xì)致充分的驗(yàn)證，至少需要流域10年以上的水文數(shù)據(jù)作為支撐，這在一些建站時間較短或者水文數(shù)據(jù)收集不充分的流域開展水文分析是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)前，我國除了中科院和其他高校下屬的一些野外水文站以外，剩余的基本都是水利部下屬的水文站。與高校建設(shè)的水文站相比，水利部下屬的一些水文站存在建站時間較短導(dǎo)致水文數(shù)據(jù)收集不完整，或者由于工作人員對設(shè)備儀器的操作不規(guī)范導(dǎo)致實(shí)際收集數(shù)據(jù)存在誤差等一系列問題。隨著時間的推移，水文數(shù)據(jù)肯定會越來越豐富，數(shù)據(jù)的誤差會逐漸減小，但是在這數(shù)據(jù)完善的階段中，開展流域水文分析的工作并不能停止，開展流域水文分析的目的是要服務(wù)于當(dāng)?shù)厮聵I(yè)，支持當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)發(fā)展。為此，該文基于這一現(xiàn)實(shí)問題，提出利用SCS模型在無資料地區(qū)進(jìn)行徑流的估算，初步進(jìn)行流域的水文分析，待若干年以后，流域有了較為豐富的數(shù)據(jù)源以后，結(jié)合前期研究成果可以開展更為細(xì)致的分析，從而為當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展提供更為科學(xué)的依據(jù)。
4 結(jié)論
(1)以清河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以SCS模型模擬估算流域年際徑流總量，模擬結(jié)果表明SCS模型適用于清河流域的年際徑流模擬估算。研究結(jié)果可為當(dāng)?shù)厮Y源管理提供一定依據(jù)。
(2)該文首次提出利用徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，很好地彌補(bǔ)了無實(shí)測資料的不足，對無資料地區(qū)的水文驗(yàn)證方法也可起到一個參考的作用。
(3)SCS模型在清河流域的成功應(yīng)用表明，該模型可以在無資料地區(qū)或資料稀缺地區(qū)開展徑流模擬，由于其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少等特點(diǎn)，降低了在類似無資料區(qū)域開展水文模擬的難度，為此類地區(qū)開展水文研究提供了新的途徑。
猜你喜歡
不同下墊面對氣溫的影響氣象水文海洋儀器(2022年3期)2022-11-09 12:37:00 降雨特征對半透水道路徑流系數(shù)的影響水資源保護(hù)(2022年3期)2022-05-31 03:06:36 清河堡考略——明朝防御建州女真及后金的前沿堡城遼金歷史與考古(2019年0期)2020-01-06 07:44:38 承傳統(tǒng)振百年清河 重實(shí)踐育清正少年少先隊(duì)活動(2018年7期)2018-12-29 12:27:54 北京與成都城市下墊面閃電時空分布特征對比研究成都信息工程大學(xué)學(xué)報(2018年3期)2018-08-29 01:08:52 流域下墊面變化對潮白河密云水庫上游徑流影響分析水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)(2017年11期)2017-12-23 06:34:08 無資料山丘小流域徑流系數(shù)的計(jì)算研究水利技術(shù)監(jiān)督(2017年6期)2017-12-19 13:28:30 下墊面變化對徑流及洪水影響分析水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年4期)2017-04-22 02:38:06 小精豆爆笑校園兒童時代(2017年16期)2017-02-15 22:02:47 誰是兇手語文世界(小學(xué)版)(2014年12期)2015-01-12 07:17:27
劉春春，劉萬青※，王 寧，楊 波
(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127； 2．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100)
0 引言
無資料流域水文計(jì)算是長期困擾國際水文學(xué)界的難題之一，開展無資料地區(qū)水文研究始終是水文工作者的一項(xiàng)重大任務(wù)[1]。在23屆國際地球物理和大地測量聯(lián)合會上，國際水文科學(xué)協(xié)會(IAHS)確定了未來10年的研究重點(diǎn)為無水文資料流域的水文預(yù)報(PUB)[2]，該計(jì)劃為未來無資料地區(qū)開展水文研究提供了機(jī)遇與發(fā)展方向。目前，流域徑流模擬估算主要是利用集總式水文模型(IHACRES，Standford，SIMHYD等)、半分布式水文模型(TOPMODEL，HBV，PREVAH，PRMS，SWAT等)、分布式水文模型(MIKE SHE等)開展水文模擬，以及利用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型(多元線性回歸模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)測[3-4]。
集總式水文模型由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少、復(fù)雜程度較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無資料地區(qū)的水文模擬。由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局開發(fā)的SCS(Soil Conservation Service)集總式水文模型實(shí)用性強(qiáng)且改進(jìn)空間大，近年來得到了比較廣泛的應(yīng)用[5]。Amutha和Porchelvan[6]利用SCS模型估算1971—2007年Malattar河子流域逐月徑流量及逐年徑流量。周翠寧等[7]將SCS模型應(yīng)用到北京溫榆河流域，從年降雨量與徑流量的對應(yīng)關(guān)系角度開展研究。劉賢趙等[8]利用SCS模型對黃土高原王東溝流域的降雨徑流過程進(jìn)行模擬，取得了較為滿意的效果。張建云等[9]利用GIS手段提取愛爾蘭Dodder流域信息，為開展無資料地區(qū)SCS模型徑流模擬提供一定參考。
為了探索構(gòu)建便捷的無資料地區(qū)水文模擬方法，文章利用SCS模型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)較少的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于資料缺乏或無資料地區(qū)的水文模擬，并以西安市清河流域?yàn)檠芯繉ο筮M(jìn)行模型應(yīng)用。此外，為了解決無資料地區(qū)水文模型驗(yàn)證問題，該文提出利用徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，這對未來開展無資料地區(qū)的徑流模擬估算驗(yàn)證可以起到一定的參考作用。同時，清河流域作為西安市周邊小流域，是西安市水系調(diào)節(jié)的重要一環(huán)，會對整個城市的水資源規(guī)劃和防洪決策產(chǎn)生一定影響。因此，開展西安市城市外圍小流域的水文研究是非常有必要的。劉春春等[10]基于SWMM模型在該流域模擬了不同降雨條件下的徑流過程，可以為防洪減災(zāi)提供一定依據(jù)，但實(shí)際意義并不完整。該文從年際徑流角度出發(fā)，以SCS模型模擬估算流域徑流總量，是對前者研究的重要補(bǔ)充，有助于該流域構(gòu)建完備的防洪與水資源規(guī)劃的水安全系統(tǒng)。
1 資料與方法
1.1 研究區(qū)概況
清河是西安市灞橋區(qū)、藍(lán)田縣和臨潼區(qū)接壤處灞河支流紅河的一級支流，位于紅河上游兩大支流右支。流域形態(tài)呈東北—西南走向，流域面積約為26.19km2，流域概況如圖1所示。該流域多年平均降水量718.4mm，年內(nèi)降雨量分布不均勻，降雨主要集中在5—8月份。流域林草覆蓋率達(dá)80%以上，起到了很好的水土保持功效。目前清河流域?yàn)閲宜Ｉ鷳B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，但由于建站時間較短及其他原因，導(dǎo)致實(shí)際收集的水文數(shù)據(jù)時間序列較短，資料相對比較匱乏。
圖1 清河流域概況
1.2 數(shù)據(jù)來源
1.2.1 降雨數(shù)據(jù)
由于研究區(qū)域水文站建設(shè)時間較短，缺乏多年降雨量，該文選取流域所在地西安市的歷年降雨量作為該實(shí)驗(yàn)區(qū)的降雨量補(bǔ)充數(shù)據(jù)，流域缺少年份的降雨數(shù)據(jù)用西安市平均降雨數(shù)據(jù)代替。雖然沒有對西安市平均降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化展延、插補(bǔ)等處理，但該數(shù)據(jù)也可以充分代表西安市總體降雨情況。雖然用西安市的降雨數(shù)據(jù)替代流域?qū)嶋H降雨量并不能讓人感到非常滿意，但是該文僅利用SCS模型估算流域的年徑流總量，一定程度上降低了對實(shí)際降雨量可靠性的依賴程度。
1.2.2 土壤數(shù)據(jù)
清河流域土壤類型分布圖通過野外實(shí)測獲得，數(shù)據(jù)來源為西北大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。流域土壤主要由花崗片麻巖褐土性土、黃土質(zhì)塿土性土、白墡土、紅色土、泥灰?guī)r質(zhì)紫色土組成。以上各類土壤結(jié)合其下滲特點(diǎn)并按照SCS模型土類劃分表格可以確定流域的土壤類型。
1.2.3 土地利用類型
SCS模型中不同的下墊面類型產(chǎn)流效果會存在差異。植被覆蓋度越高，截留能力越強(qiáng)，土壤下滲量就越大，最終地表的產(chǎn)匯流能力越弱。水體表面雨水沒有損失，直接形成徑流，因而產(chǎn)匯流能力最強(qiáng)。該文以流域衛(wèi)星影像分析解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)前期野外實(shí)地抽查核實(shí)，獲得清河流域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。清河流域土地利用類型如圖2所示。
圖2 清河流域土地利用類型
表1 清河流域不同前期土壤濕潤程度下的CN值
土地利用類型AMCⅠAMCⅡAMCⅢ面積權(quán)重(%)旱地51708511.82園地47678316.73有林地35557453.21灌木林地3656757.24疏林地4060780.7草地3858764.67村莊5574882.6道路6682921.12水域1001001000.44裸荒地7286941.47
1.3 研究方法
該文的研究步驟可分為3步：一是確定CN值、λ值等參數(shù)； 二是提出徑流系數(shù)區(qū)間法的概念，并通過徑流系數(shù)取值表計(jì)算清河流域的綜合徑流系數(shù)取值范圍； 三是利用徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
1.3.1 SCS模型簡介
SCS模型是通過分析大量降雨—徑流實(shí)測數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)方程，其徑流計(jì)算方程為式(1)所示[11]。
(1)
式(1)中，Q為地表徑流深，單位為mm；P為降雨量，單位為mm；λ為初損率；S為徑流開始前潛在的最大滯留量，單位為mm。S可由CN值計(jì)算得出，如式(2)所示：
(2)
式(2)中，CN值是SCS模型的最主要參數(shù)，可以反映出降雨前流域的綜合特征。CN值由土壤類型、下墊面類型、土壤前期濕潤等級AMC等確定[12]。CN值詳細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)可參考美國《國家工程手冊》[5]。SCS模型依據(jù)土壤質(zhì)地將土壤分為A(透水)，B(較透水)，C(較不透水)，D(不透水)4類。土壤前期濕潤程度AMC可以分為AMCⅠ(干燥)、AMCⅡ(中等濕潤)AMCⅢ(濕潤)。
1.3.2 SCS模型參數(shù)的確定
CN值反映不同下墊面的產(chǎn)流匯流能力，用一組曲線予以描述，又可稱為徑流曲線數(shù)[13]。一般情況下，地表產(chǎn)流隨CN值增加而增大[14]。以下從土壤類型、下墊面類型、土壤前期濕潤程度3個方面確定最終流域平均CN值。參照SCS土壤分類定義表[15]，結(jié)合各土類面積和下滲特點(diǎn)，可以確定清河流域以B類土為主。
參考美國水土保持局TR-55手冊列出的取值條件[13]，可以確定清河流域不同下墊面的CN值。結(jié)合研究區(qū)的土地利用類型和土壤類型即可確定AMCⅡ條件下的CN值，利用CN值轉(zhuǎn)換公式即可得到AMCⅠ和AMCⅢ兩種條件下的CN值。清河流域不同前期土壤濕潤程度下的CN值見表1。
該文是利用歷年年降雨總量模擬估算年際徑流總量，不是對單場降雨事件的模擬，所以在結(jié)合多年降雨數(shù)據(jù)及土壤含水量的基礎(chǔ)上，確定流域的平均前期土壤濕潤等級為AMCⅠ[16]。統(tǒng)計(jì)不同下墊面的CN值以及下墊面所占面積百分比，進(jìn)行面積加權(quán)平均，即可得到整個區(qū)域的平均CN值為40。
大量研究表明λ取值范圍一般在0.095～0.38內(nèi)，美國水土保持局取其平均值0.2 作為λ的值，這是λ的經(jīng)典取值[17]。SCS模型應(yīng)用于我國無實(shí)測資料的研究中λ取值大都在0.2左右，所以λ取值0.2具有很好的代表性。由于該文是進(jìn)行年際的徑流模擬估算，所以初損率取值比較大，在目前利用SCS模型進(jìn)行月際或者年際的徑流模擬中大都取數(shù)值較大的0.2，且取得了不錯的模擬效果。該文亦直接采用0.2作為初損率。
1.3.3 徑流系數(shù)區(qū)間法的概念與綜合徑流系數(shù)取值范圍確定
由于缺乏流域歷年年徑流總量數(shù)據(jù)，故無法從實(shí)測角度對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為解決模擬精度分析這一問題，該文采用徑流系數(shù)法予以驗(yàn)證。傳統(tǒng)的徑流系數(shù)法往往存在選取徑流系數(shù)值的問題，但是該文沒有對研究區(qū)域的不同下墊面進(jìn)行徑流系數(shù)的實(shí)驗(yàn)性確定，單純的參考類似下墊面的徑流系數(shù)也會存在一定的誤差，為此該文提出一個新的方法，徑流系數(shù)區(qū)間法來進(jìn)行驗(yàn)證。所謂徑流系數(shù)區(qū)間法就是以不同下墊面的徑流系數(shù)的波動范圍為前提，結(jié)合多年年降雨總量，可以計(jì)算得出兩條多年徑流量變化的曲線，這兩條曲線是利用徑流系數(shù)法得到的徑流總量變化的區(qū)間，如果利用其他方法模擬得出研究區(qū)域的多年徑流量在兩條曲線之間，則說明模擬結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，如果需要定量化驗(yàn)證模擬結(jié)果，可以利用最大徑流量與最小徑流量的平均值曲線作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，判定相對應(yīng)的吻合程度。
利用徑流系數(shù)區(qū)間法對SCS模型模擬結(jié)果驗(yàn)證首先需要不同下墊面的徑流系數(shù)取值范圍作為參考，詳見表2。
根據(jù)清河流域的特點(diǎn)并結(jié)合上述徑流系數(shù)表，將流域下墊面類型分為a、b、c、d、e 5類，如表3所示。
表2 徑流系數(shù)ψ[18]
地表種類徑流系數(shù)ψ地表種類徑流系數(shù)ψ瀝青混凝土路面0.95陡峻的山地0.75～0.90水泥混凝土路面0.9起伏的山地0.60～0.80透水性瀝青路面0.60～0.80起伏的草地0.40～0.65粒料路面0.40～0.60平坦的耕地0.45～0.60粗粒土坡面和路肩0.10～0.30落葉林地0.35～0.60細(xì)粒土坡面和路肩0.40～0.65針葉林地0.25～0.50硬質(zhì)巖石坡面0.70～0.85水田0.70～0.80軟質(zhì)巖石坡面0.50～0.75水體1
表3 不同下墊面的重新分類
類別不同下墊面a有林地灌木林地疏林地b草地c旱地園地裸荒地d村莊道路e水域
表4 流域綜合徑流系數(shù)的確定
下墊面類別面積權(quán)重(%)徑流系數(shù)取值范圍a61.150.35～0.60b4.670.40～0.65c30.020.45～0.60d3.720.60～0.80e0.441全區(qū)域1000.39～0.61
a類下墊面以落葉林地作為參考，取值0.35～0.60； b類草地取值0.40～0.65； c類耕地取值0.45～0.60； d類取0.60～0.80； e類水體取值為1。流域綜合徑流系數(shù)由不同下墊面的徑流系數(shù)取值范圍結(jié)合面積權(quán)重加權(quán)得到[19]，結(jié)果介于0.39～0.61，如表4所示。
1.3.4 徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證
該文首先利用徑流系數(shù)區(qū)間法給出的參考區(qū)間來定性的檢驗(yàn)SCS模擬結(jié)果，判斷其模擬結(jié)果是否在可接受的范圍之內(nèi)。為了進(jìn)一步量化的說明模擬結(jié)果，該文采用最大徑流量與最小徑流量的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，通過查看SCS模型模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間的吻合度，來量化的分析模擬結(jié)果。該文采用的徑流區(qū)間可以看成是一個估計(jì)值，并不是實(shí)際徑流量的確切表示。相比其他估計(jì)量，樣本均值往往是一個更有效的估計(jì)量，該平均值應(yīng)接近或等于真實(shí)的參數(shù)值[20]。張倩等[21]在無實(shí)測資料區(qū)域利用徑流系數(shù)法對SWMM模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時，選取了徑流系數(shù)取值范圍的中間值作為研究區(qū)域的綜合徑流系數(shù)，取得了滿意的效果。此外，劉昌明等[1]提出在資料稀缺地區(qū)將參數(shù)進(jìn)行平均，可以更好地對研究區(qū)域進(jìn)行徑流模擬估算。因此，該文選擇以最大徑流量與最小徑流量的算數(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值來更有效地估算實(shí)際年徑流總量。該文以確定性系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)(Ens)來評價模型的模擬性能[22]，這兩個系數(shù)可以反映標(biāo)準(zhǔn)徑流量與模擬徑流量的擬合度。
(3)
(4)
圖3 近20年清河流域地表年徑流總量
2 結(jié)果與分析
2.1 基于SCS模型的徑流模擬
通過以上分析，模型參數(shù)分別為，CN值取40，λ取0.2，P為流域近20年降雨數(shù)據(jù)。將各參數(shù)帶入模型中，即可得到清河流域近20年地表年徑流總量。如圖3所示。
從圖3中可以明顯看到，清河流域歷年的年徑流總量與年降雨總量有很好的對應(yīng)關(guān)系，在不考慮年蒸發(fā)量以及地下水損耗的情況下，年降雨量越大，地表徑流也越大，其中2003年徑流總量最大，達(dá)到1 400萬m3左右，最小為1997年的300萬m3。雖然利用SCS模型初步模擬估算了清河流域的歷年地表徑流總量，但是其模擬精度與適宜性還有待分析。
2.2 SCS模型的精度分析
利用徑流系數(shù)區(qū)間法給定徑流模擬結(jié)果的變化區(qū)間，可以很好地反映SCS模型模擬結(jié)果是否在可以接受的范圍內(nèi)。驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。
從圖4可以看到，SCS模型模擬結(jié)果基本都在最大徑流量與最小徑流量之間波動變化，模擬結(jié)果在令人可以接受的范圍之內(nèi)。以上利用徑流系數(shù)區(qū)間法驗(yàn)證了SCS模擬結(jié)果為可以接受的正常范圍，但是這種結(jié)果只是一種定性的表達(dá)，為了進(jìn)一步定量說明模擬結(jié)果，該文選擇以最大徑流量與最小徑流量的算數(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值來判定SCS模型模擬效果。歷年平均徑流量與SCS模擬徑流量對比分析見圖5。
經(jīng)過計(jì)算，SCS模擬徑流量與平均徑流量的納什系數(shù)為0.6，SCS模擬徑流量與平均徑流量的確定性系數(shù)為0.9，擬合效果較好，這說明利用SCS模型進(jìn)行地表徑流的模擬估算取得了令人較為滿意的結(jié)果。
圖4 基于徑流系數(shù)區(qū)間法的結(jié)果驗(yàn)證 圖5 平均徑流量與SCS模擬徑流量對比分析
3 討論
無資料地區(qū)重點(diǎn)是指無水文資料地區(qū)，降雨數(shù)據(jù)可以通過衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)或其他遙感數(shù)據(jù)獲得，或者利用臨近有水文站的流域插值得到。該文利用西安市部分降雨數(shù)據(jù)代替流域缺失年份的降雨數(shù)據(jù)是該文的一個不足之處，但是從根本上這并不妨礙從方法理論上提出利用SCS模型解決無資料地區(qū)徑流模擬這一問題。當(dāng)然，如果考慮將該方法在有水文資料的地區(qū)試用，在有資料的地區(qū)用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，這樣將會使得徑流系數(shù)區(qū)間法更具有科學(xué)性。該文選取西安市周邊小流域?yàn)檠芯繉ο?，而這些小流域存在水文站缺失、數(shù)據(jù)不完整等問題，從而在客觀上無法有效開展實(shí)測資料驗(yàn)證。因此，未來可以考慮在有實(shí)測水文資料地區(qū)開展更加精確的驗(yàn)證，進(jìn)一步完善徑流系數(shù)區(qū)間法。
該文的初損率λ取值為0.2，這是大部分地區(qū)采用的通用取值。雖然最終的驗(yàn)證結(jié)果令人滿意，但是在以年際為時間尺度進(jìn)行徑流模擬時，λ的取值還有待深入研究。此外，該文利用傳統(tǒng)的徑流系數(shù)取值表提出徑流系數(shù)區(qū)間法進(jìn)行模型的驗(yàn)證，雖然不是非常嚴(yán)格的數(shù)理論證，但是這也是針對無資料地區(qū)進(jìn)行徑流模擬驗(yàn)證時所能想到的比較現(xiàn)實(shí)的辦法之一。有個有趣的現(xiàn)象就是，SCS模擬結(jié)果和徑流系數(shù)區(qū)間法得出的結(jié)果有較好的擬合性，其中很大的原因應(yīng)該就是SCS模型是通過分析大量降雨—徑流實(shí)測數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)方程，而徑流系數(shù)也是經(jīng)過大量的實(shí)測方式得出的經(jīng)驗(yàn)取值，兩者有很好的對應(yīng)關(guān)系。所以，最終的計(jì)算結(jié)果讓人較為滿意。
該文的徑流系數(shù)區(qū)間法核心是提出了利用徑流區(qū)間來判定大致的模擬效果。至于在進(jìn)行量化驗(yàn)證時，該文采取了取平均值的方式，這種方式是否是最合適的方式，還有待進(jìn)一步研究。
該文雖然沒有利用實(shí)測徑流總量數(shù)據(jù)對SCS模型模擬結(jié)果進(jìn)行精確的驗(yàn)證，但是從年際徑流角度看，若要進(jìn)行比較細(xì)致充分的驗(yàn)證，至少需要流域10年以上的水文數(shù)據(jù)作為支撐，這在一些建站時間較短或者水文數(shù)據(jù)收集不充分的流域開展水文分析是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)前，我國除了中科院和其他高校下屬的一些野外水文站以外，剩余的基本都是水利部下屬的水文站。與高校建設(shè)的水文站相比，水利部下屬的一些水文站存在建站時間較短導(dǎo)致水文數(shù)據(jù)收集不完整，或者由于工作人員對設(shè)備儀器的操作不規(guī)范導(dǎo)致實(shí)際收集數(shù)據(jù)存在誤差等一系列問題。隨著時間的推移，水文數(shù)據(jù)肯定會越來越豐富，數(shù)據(jù)的誤差會逐漸減小，但是在這數(shù)據(jù)完善的階段中，開展流域水文分析的工作并不能停止，開展流域水文分析的目的是要服務(wù)于當(dāng)?shù)厮聵I(yè)，支持當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)發(fā)展。為此，該文基于這一現(xiàn)實(shí)問題，提出利用SCS模型在無資料地區(qū)進(jìn)行徑流的估算，初步進(jìn)行流域的水文分析，待若干年以后，流域有了較為豐富的數(shù)據(jù)源以后，結(jié)合前期研究成果可以開展更為細(xì)致的分析，從而為當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展提供更為科學(xué)的依據(jù)。
4 結(jié)論
(1)以清河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以SCS模型模擬估算流域年際徑流總量，模擬結(jié)果表明SCS模型適用于清河流域的年際徑流模擬估算。研究結(jié)果可為當(dāng)?shù)厮Y源管理提供一定依據(jù)。
(2)該文首次提出利用徑流系數(shù)區(qū)間法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，很好地彌補(bǔ)了無實(shí)測資料的不足，對無資料地區(qū)的水文驗(yàn)證方法也可起到一個參考的作用。
(3)SCS模型在清河流域的成功應(yīng)用表明，該模型可以在無資料地區(qū)或資料稀缺地區(qū)開展徑流模擬，由于其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少等特點(diǎn)，降低了在類似無資料區(qū)域開展水文模擬的難度，為此類地區(qū)開展水文研究提供了新的途徑。
猜你喜歡
氣象水文海洋儀器(2022年3期)2022-11-09 12:37:00
水資源保護(hù)(2022年3期)2022-05-31 03:06:36
遼金歷史與考古(2019年0期)2020-01-06 07:44:38
少先隊(duì)活動(2018年7期)2018-12-29 12:27:54
成都信息工程大學(xué)學(xué)報(2018年3期)2018-08-29 01:08:52
水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)(2017年11期)2017-12-23 06:34:08
水利技術(shù)監(jiān)督(2017年6期)2017-12-19 13:28:30
水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年4期)2017-04-22 02:38:06
兒童時代(2017年16期)2017-02-15 22:02:47
語文世界(小學(xué)版)(2014年12期)2015-01-12 07:17:27
