周 游

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

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SCS降雨-徑流模型在遼寧中部區(qū)域的應用研究

周 游

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

摘要：本文引入SCS降雨-徑流模型，以遼寧中部區(qū)域大洋河流域為例，模擬大洋河2000～2010年徑流過程，并結合實測徑流數(shù)據(jù)對比分析SCS降雨-徑流模型和傳統(tǒng)集總式水文模型在大洋河流域的適用性及模擬精度。研究成果表明：相比于傳統(tǒng)集總式水文模型，SCS降雨-徑流模型模擬的徑流深相對誤差均值減少3.59%，確定性系數(shù)提高0.142，更適合于遼中地區(qū)水文模擬。研究成果可為遼中地區(qū)水文模擬提供參考價值。

關鍵詞：SCS降雨-徑流模型；模擬；水文模型

1　引言

流域水文模擬對于區(qū)域洪水預測預警至關重要，而流域下墊面對于水文模擬的影響較大，傳統(tǒng)集總式水文模型不能較好的考慮流域下墊面對水文模擬的影響，在水文模擬精度上具有一定的局限性。因此國內(nèi)外許多學者展開了對能充分考慮流域下墊面因素的水文模型的研究，并取得一定的成果［1-5］。在這些方法中，美國學者研發(fā)的SCS降雨-徑流模型由于具有計算簡單，模型參數(shù)較易獲取的特點，被國內(nèi)學者在不同區(qū)域進行相關研究。徐群［6］利用SCS降雨徑流模型模擬了鄱陽湖流域的徑流過程，研究結果表明SCS降雨徑流模型在鄱陽湖流域具有較好的模擬精度。方怒放［7］采用SCS降雨-徑流模型在三峽庫區(qū)進行了應用，模型運用結果表明SCS降雨-徑流模型在三峽庫區(qū)具有較好的模擬精度。程江［8］基于SCS降雨徑流-模型模擬了上海城區(qū)的暴雨徑流過程，研究結果表明SCS降雨-徑流可較準確的模擬上海暴雨徑流過程。綜上研究成果可以說明SCS降雨-徑流模型在不同區(qū)域的水文模擬都具有較好的精度，但是模型在遼寧中部地區(qū)運用較少，特別是在大洋河流域運用成果不多，為此本文引入SCS降雨-徑流模型，以遼寧中部地區(qū)大洋河流域為例，模擬了大洋河沙里寨水文站以上流域2000～2010年徑流過程。

2　SCS降雨-徑流模型

SCS曲線法是由美國水土保持局研制的小流域設計洪水模型，來自于對美國境內(nèi)小流域20余年降雨徑流關系的經(jīng)驗分析。

式（1）中：Qsurf表示徑流深，mm；Rday表示一次性降雨總量，mm；Ia表示初損，mm，即產(chǎn)生地表徑流之前的降雨損失量；S表示流域當時的可能最大滯留量，mm，是后損F上限。

在式（1）中土壤最大蓄水容量S在空間上是分布不均勻的，與流域下墊面（土壤類型、土地利用、管理以及坡度）有關，并且在時間上隨土壤水含量變化而變化。S的計算公式為：

其中CN值是無量綱反映降雨前期流域特征的綜合參數(shù)，該參數(shù)將前期土壤濕度、土地利用方式以及土壤類型狀況等多種因素綜合考慮在一起，該參數(shù)即為SCS降雨徑流模型考慮流域下墊面對水文模擬計算的影響，而傳統(tǒng)集中式水文模型將流域作為一個整體，在考慮流域下墊面對水文模擬影響有所局限，在模型計算時需要運用下列公式進行坡度的校正處理，公式為：式（3）中CN2S表示通過坡度訂正后的正常土壤水分條件下CN2值；SLP為流域的平均坡度。流域下墊面的信息數(shù)據(jù)可以通過收集流域地理信息數(shù)據(jù)進行獲取。

3　模型應用

3.1 研究區(qū)域概況

大洋河流域主要為于遼寧省的中部區(qū)域，主要分布在遼寧省鞍山市境內(nèi)，大洋河屬于獨流如海的河流，河流全長為230.2km，流域面積為6554km2，流域多年平均徑流量為3.1×109m3，流域年徑流主要集中在7～9月份，降雨空間分布較為不均與，本文以大洋河沙里寨水文站作為研究區(qū)域，其中沙里寨水文站以上集水面積為4810km2。近些年來，大洋河流域洪水較多，為需要對流域洪水進行預測預警，需要對流域的水文模擬進行相關研究。

3.2 模型輸入數(shù)據(jù)

模型需要輸入的數(shù)據(jù)包括水文、土地利用、土壤、數(shù)字高程等數(shù)據(jù)，其中數(shù)字高程數(shù)據(jù)下載于中科院地理所共享平臺見參考文獻［11］；土地利用數(shù)據(jù)下載于國家空間數(shù)據(jù)共享平臺見參考文獻［12］；土壤數(shù)據(jù)下載于FAO國際聯(lián)合農(nóng)業(yè)組織提供的土壤類型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源見參考文獻［13］，基于收集到的地理信息數(shù)據(jù)，可以獲取SCS降雨徑流模型中的考慮流域下墊面條件的參數(shù)。水文數(shù)據(jù)收集了大洋河沙里寨水文站2001～2010年水文數(shù)據(jù)，用于模型參數(shù)率定和驗證。

3.3 徑流模擬

基于沙里寨水文站2001～2010年水文數(shù)據(jù)，應用SCS降雨-徑流模型模擬了大洋河沙里寨水文站以上流域徑流量，模擬結果見表1和圖1。

表1　兩種水文模型模擬對比成果表

圖1　模型模擬成果對比圖

表1為分別運用SCS降雨徑流模型和傳統(tǒng)集總式水文模型模擬的大洋河沙量寨水文站以上流域的徑流過程，從兩種水文模型模擬的結果可以看出SCS降雨徑流模型和傳統(tǒng)集總式水文模型在大洋河流域模擬具有較好的模擬精度，兩個模型模擬的徑流深之間的相對誤差均小于11%，兩種水文模型都適合于大洋河流域的徑流模擬。但從兩種水文模型模擬的精度可以看出，SCS降雨徑流模型在徑流深相對誤差的值在2.2%～7.56%之間，模擬的徑流深相對誤差的均值為4.08%，而傳統(tǒng)集總式水文模型模擬的徑流深相對誤差在4.37%～9.83%之間，模擬的徑流深相對誤差的均值為7.67%，可以看出，相比于傳統(tǒng)集總式水文模型，SCS降雨徑流模型在徑流深相對誤差上將誤差減少3.59%。其次在流量過程吻合度上SCS降雨徑流模型相比于傳統(tǒng)集總式水文模型也有較大提高，SCS降雨徑流模型模擬的過程確定性系數(shù)在0.849～0.881之間，確定性系數(shù)的均值為0.862，傳統(tǒng)集總式水文模型在過程模擬的確定性系數(shù)在0.695～0.768之間，確定性系數(shù)的均值為0.720，SCS降雨徑流模型相比于傳統(tǒng)集總式水文模型，其確定性系數(shù)提高0.142，從徑流深相對誤差和過程確定性系數(shù)這兩項模型精度指標可以看出，相比于傳統(tǒng)的集總式水文模型，SCS降雨徑流模型在徑流深相對誤差和過程確定性系數(shù)上均有較大程度的提高和改進?？梢钥闯鲈诖笱蠛恿饔騍CS降雨徑流模型比傳統(tǒng)集總式水文模型，更適合于大洋河流域的水文模擬。這主要是因為，SCS降雨徑流模型充分考慮流域下墊面（坡度、土地利用、土壤質地）對流域水文模擬的影響，而傳統(tǒng)集總式水文模型在流域下墊面考慮有所局限，因此在水文模擬上，SCS降雨徑流模型模擬精度要好于傳統(tǒng)集總式水文模型。圖1為兩種水文模擬的徑流過程和實測的流量過程之間的對比結果，從圖1中可以看出，SCS降雨徑流模型模擬的流量過程和實測的流量過程擬合度較好，特別是在峰值流量的擬合度上，而傳統(tǒng)集總式水文模型模擬的流量過程和實測的流量過程擬合度要差于SCS降雨徑流模型模擬的流量過程和實測流量過程的擬合度。綜上可以看出，SCS降雨徑流模型由于能充分考慮流域下墊面對水文模擬的影響，更適合于大洋河流域的水文模擬。

4　結論

本文運用SCS降雨-徑流模型模擬大洋河流域徑流過程，并和實測徑流數(shù)據(jù)對比分析SCS降雨-徑流模型和傳統(tǒng)集總式水文模型在遼中地區(qū)的適用性和模擬精度，研究取得以下結論。

（1）SCS降雨-徑流模型和傳統(tǒng)集總式水文均適用于大洋河流域徑流模擬，模擬精度均符合水文模擬規(guī)范要求。相比于傳統(tǒng)集總式水文模型，SCS降雨徑流模型在徑流深相對誤差和確定性系數(shù)上均有改進，更適合于大洋河流域水文模擬；

（2）相比于傳統(tǒng)集總式水文模型，SCS降雨-徑流模型具有能充分考慮流域下墊面對水文模擬的影響的特點，因此可在定量分析區(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行推廣和應用。

參考文獻

［1］周浩.大小凌河地區(qū)地下水資源可利用量預測模擬研究［J］.水利技術監(jiān)督，2015（02）：16-20.

［2］陳昌軍，鄭雄偉.水文模型參數(shù)不確定性分析方法探討［J］.水利規(guī)劃與設計，2012（03）：13-15 +59.

［3］任國源.填洼損失量計算在海河流域洪水預報中的應用［J］.水利規(guī)劃與設計，2014（09）：39-41.

［4］袁藝，史培軍.土地利用對流域降雨-徑流關系的影響—SCS模型在深圳市的應用［J］.北京師范大學學報（自然科學版），2001（01）：131-136.

［5］房孝鐸，王曉燕，歐洋.徑流曲線數(shù)法（SCS法）在降雨徑流量計算中的應用——以密云石匣徑流試驗小區(qū)為例［J］.首都師范大學學報（自然科學版），2007（01）：89-92 +102.

［6］徐群.不同降雨條件和土地利用變化對軍山湖流域非點源污染負荷的影響［D］.南昌大學，2012.

［7］方怒放.小流域降雨—徑流—產(chǎn)沙關系及水土保持措施響應［D］.華中農(nóng)業(yè)大學，2012.

［8］程江，楊凱，劉蘭嵐，李博.上海中心城區(qū)土地利用變化對區(qū)域降雨徑流的影響研究［J］.自然資源學報，2010（06）：914-925.

［9］劉泉.漢江中游小流域水土—養(yǎng)分流失過程與調控研究［D］.中國科學院研究生院（教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，2013.

［10］孫艷群.渭河流域陜西片降雨與徑流特性研究［D］.西安建筑科技大學，2005.

［11］DEM數(shù)據(jù)：httP：//srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inPutCoord.asP

［12］土地利用數(shù)據(jù)：httP：//westdc.westgis.ac.cn/data/1cad1a63-ca8d-431a-b2b2-45d9916d860d/

［13］土壤數(shù)據(jù)：httP：//faostat.fao.org/

作者簡介：周 游（1982—），男，工程師。

收稿日期：2015-08-31

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.012

中圖分類號：TV213.9

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0031-03