基于ArcGIS的山區(qū)小流域SCS-CN法徑流研究

葛怡君

(陽(yáng)光學(xué)院，福建 福州 350015)

1 引言

山區(qū)流域在持續(xù)降雨或暴雨下產(chǎn)生的地表徑流易形成山洪，誘發(fā)泥石流，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失[1]。因此，研究山區(qū)流域因降雨產(chǎn)生的地表徑流，對(duì)預(yù)防山洪及其次生災(zāi)害的防護(hù)與應(yīng)急管理十分重要。然而，山區(qū)地勢(shì)陡峭起伏，有多樣的蓄水、保水植被，在研究降雨地表徑流時(shí)需要精確的地理特征值。利用地理信息系統(tǒng)(GIS)強(qiáng)大的空間分析能力，基于數(shù)字地形模型(DEM)可以精確地提取流域水文特征值，這一方法已被成熟地用于地表徑流分析[2]。如劉武等[3]用ArcGIS自動(dòng)生成降雨徑流等值線,替代了傳統(tǒng)的手工繪制降雨等值線過(guò)程,增加了計(jì)算精度。

在徑流研究中，徑流曲線法(SCS)是國(guó)際上預(yù)測(cè)無(wú)徑流觀測(cè)資料地區(qū)降水地表產(chǎn)流的主要方法[4]。陳俊明[5]基于SCS法對(duì)福州城區(qū)計(jì)算其地表產(chǎn)流強(qiáng)度的空間分布,進(jìn)行成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間劃分；SVerma等[6]考慮了活化土壤水分，開(kāi)發(fā)了ASMA-SCS-CN法模擬降雨徑流過(guò)程。

許多學(xué)者在水文研究時(shí)同時(shí)使用ArcGIS與SCS-CN法，如張?jiān)絒7]在對(duì)陜西省榆林市子洲縣做山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)先利用ArcGIS軟件得到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布結(jié)果，然后利用SCS-CN模型模擬地表徑流量。陳思[8]基于SCS產(chǎn)流模型、暴雨強(qiáng)度公式、芝加哥降雨過(guò)程線模型，以及基于GIS的局部等體積淹沒(méi)方法,構(gòu)建了城市內(nèi)澇過(guò)程模擬模型。然而，對(duì)于土地情況復(fù)雜的山區(qū)小流域，如何利用ArcGIS技術(shù)獲得SCS-CN法建立降雨徑流模型時(shí)所需的重要且單一參數(shù)、CN未詳細(xì)闡明。

CN值是SCS-CN法的唯一參數(shù)，是影響降雨徑流模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。本文基于前人研究成果，以意大利某山區(qū)小流域?yàn)槔?，?yīng)用ArcGIS對(duì)流域內(nèi)部復(fù)雜的土地狀況進(jìn)行分析和地理數(shù)據(jù)處理，獲得流域的總體曲線值CN，建立SCS-CN模型對(duì)產(chǎn)流階段的地表徑流進(jìn)行分析，可為具有復(fù)雜土地情況的山區(qū)小流域的徑流研究提供參考。

2 研究區(qū)域概況

Trebbia河位于意大利西北部，全長(zhǎng)118km，平均流量為40m3/s，面積為1000km2。本文對(duì)Gorreto村附近的流域進(jìn)行降雨徑流的研究。研究流域的降雨數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貧庀笳军c(diǎn)提供的2015年9月13日上午8時(shí)30分起至9月14日上午4時(shí)15分內(nèi)每間隔15min的降水量資料。

使用ArcMap軟件工具計(jì)算研究流域的數(shù)字地形模型圖(DTM)，得出流域的主要特征為：研究流域總面積為8km2,周長(zhǎng)為12.04km。

3 流域曲線值CN計(jì)算

3.1 流域不同入滲條件區(qū)域CN值的確定

為了準(zhǔn)確模擬流域中發(fā)生的入滲過(guò)程，最常用的方法就是定義研究區(qū)域內(nèi)的每種土地用途相對(duì)應(yīng)的CN值。對(duì)流域內(nèi)不同土地區(qū)域的劃分編號(hào),根據(jù)流域內(nèi)不同編號(hào)的區(qū)域根據(jù)其自身土地利用情況，植被覆蓋以及如表1所示的水文土壤群HSG等級(jí)，確定各區(qū)域的CN值如表2所示。

根據(jù)表2中研究流域不同區(qū)域的CN值，在ArcMap可繪制出CN值地圖如圖1所示。

表1 SCS-CN模型中的HSG

表2 各區(qū)域CN值與分類

圖1 CN值地圖

3.2 流域總體CN值的確定

建立降雨徑流模型，需要求出一個(gè)研究流域總體的CN值。因此，利用式(1)對(duì)表2中的CN值求解加權(quán)平均值。

(1)

式(1)中:CNT為流域曲線值；AT為流域總面積，m2;Ai為流域各分區(qū)面積m2;CNi為各分區(qū)的CN值。

將圖1中應(yīng)用ArcGIS提取的各個(gè)分區(qū)的周長(zhǎng)與面積數(shù)值代入式(1)的計(jì)算結(jié)果如表3所示，研究流域總體CN值為63。

3.3 SCS-CN徑流曲線法

凈降水量是降水的一部分，它不會(huì)保留在表層或滲入土壤，即為徑流。本文使用了美國(guó)土壤保護(hù)局(現(xiàn)為NRCS)提出的SCS-CN法[9]計(jì)算徑流。

基于所得降雨資料，可通過(guò)以下公式計(jì)算徑流：

(2)

式(2)中:Q為凈降水量 (徑流)，mm；P為累計(jì)降水量，mm；Ia為初損,mm,即為被土壤植被截取或入滲的水量，其值由CN值得出,假設(shè):

Ia=0.2×S

(3)

式(3)中S為最大蓄水量，mm。

(4)

利用表3中計(jì)算的CN值(CN = 63)代入式(4)計(jì)算得到S，再將S代入式3中得到Ia，將Ia、S與研究流域的降雨資料中的累計(jì)降水量P代入式(2)，可得到研究流域的降雨徑流模型如圖2所示，直觀地展示了降水量，累積降水量和徑流量隨時(shí)間的變化。

根據(jù)模型結(jié)果，可見(jiàn)降水集中在后半段，最終累計(jì)降水為314.4mm，所對(duì)應(yīng)的徑流量為186.70mm。此時(shí)，徑流與總降水量之間的比值為0.59，即研究流域約60%的總降水量轉(zhuǎn)換為徑流，轉(zhuǎn)換能力較大，在持續(xù)降雨與暴雨天氣時(shí)需注重山洪的防護(hù)。

表3 流域分區(qū)的CN值

圖2 SCS-CN法結(jié)果

4 結(jié)論

使用ArcGIS工具可對(duì)復(fù)雜土地情況的山區(qū)小流域進(jìn)行內(nèi)部區(qū)域劃分和CN地圖繪制，由地圖中提取的各區(qū)域特征值計(jì)算出流域總體CN值代入SCS-CN法計(jì)算，得到降雨徑流模型對(duì)流域徑流進(jìn)行估算分析。解決復(fù)雜山區(qū)小流域內(nèi)部CN值不一的問(wèn)題，提高SCS-CN法的參數(shù)精度和結(jié)果的可靠性，為類似情況的山區(qū)小流域產(chǎn)流研究提供參考。ArcGIS是水文分析的有效工具，其在產(chǎn)流階段后的匯流階段中可發(fā)揮的作用有待進(jìn)一步的探究。