蔡維英，劉興朋，張繼權(quán)

(1.長春大學(xué) 旅游學(xué)院，吉林 長春130607；2.東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，東北師范大學(xué) 自然災(zāi)害研究所，吉林 長春 130024)

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基于分布式SCS模型的山地景區(qū)山洪災(zāi)害模擬研究*

蔡維英1，劉興朋2，張繼權(quán)2

(1.長春大學(xué) 旅游學(xué)院，吉林 長春130607；2.東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，東北師范大學(xué) 自然災(zāi)害研究所，吉林 長春 130024)

摘要:暴雨山洪災(zāi)害是影響山區(qū)中小流域的重大自然災(zāi)害之一。特別是對山地景區(qū)而言，暴雨山洪災(zāi)害沖毀基礎(chǔ)設(shè)施、對景區(qū)游客生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，因此，山地景區(qū)暴雨山洪災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報更為重要。利用DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合美國SCS(Soil Conservation Service)模型，建立了分布式的山區(qū)中小流域山洪災(zāi)害模擬模型，并在長白山景區(qū)松江河流域進行驗證。通過驗證發(fā)現(xiàn)，本模型對山地景區(qū)的山洪災(zāi)害具有較好的模擬精度，可以為無水文資料的山地景區(qū)暴雨山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:山地景區(qū)；SCS模型；分布式水文模型；山洪災(zāi)害；松江河流域

山洪是山區(qū)中小流域由強降雨引起的突發(fā)性暴漲洪水[1]。山洪具有突發(fā)性，水量集中、流速大、沖刷破壞力強，水流中挾帶泥沙甚至石塊等，常造成局部性洪災(zāi)。山洪災(zāi)害對山區(qū)城鎮(zhèn)和生態(tài)環(huán)境影響巨大，是山區(qū)城市經(jīng)濟開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展中的一個突出問題，因此很多學(xué)者開展了對山洪及山洪災(zāi)害相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。在這些研究中，大多是從災(zāi)害源子系統(tǒng)中的環(huán)境因素去考慮，而對于環(huán)境因素，又大都從滑坡、泥石流一些動力理論關(guān)系去研究[2]；降雨是誘發(fā)山洪災(zāi)害的直接因素和激發(fā)條件，因此有學(xué)者從降水強度來考慮對山洪泥石流的影響[3]。例如，周后福等利用 GIS 技術(shù)形成的更為精細(xì)的柵格點坡度和高度數(shù)據(jù)，得出雨量與山區(qū)坡度和高度的具體關(guān)系，并由此推算出兩個子流域發(fā)生山洪災(zāi)害的雨量閾值[4]；胡娟等探討山洪地質(zhì)災(zāi)害與降水之間的關(guān)系，并提出適用于云南省的山洪地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警的方法[5]；Nikolopoulos等對降水量和初始土壤濕度對山區(qū)洪水的敏感性進行了研究[6]。此外，還有很多學(xué)者對山洪災(zāi)害時空序列擴展研究[7]和山洪災(zāi)害的危險性研究[8]。山洪災(zāi)害的特殊性和復(fù)雜性給防治工作帶來很大的困難，特別是對于無資料中小流域洪水，山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報更為困難。由于缺乏實測水文資料，傳統(tǒng)方法難以進行山區(qū)小流域暴雨洪水規(guī)律研究，更難以實現(xiàn)山洪災(zāi)害實時預(yù)警預(yù)報。隨著計算機技術(shù)和 “3S”等技術(shù)的發(fā)展，特別是高精度DEM的應(yīng)用，水文預(yù)報技術(shù)開始由傳統(tǒng)的集總式模型向分布式模型、數(shù)字水文模型發(fā)展，由大尺度水文模型向中小尺度水文模型發(fā)展。目前，基于高精度 DEM的分布式水文模型，代表了流域水文模型的發(fā)展方向[9]。其中，最具代表性的是美國 SWAT、HEC-HMS 等水文模擬系統(tǒng)[10-11]，這些模型考慮了下墊面和降雨空間分布不均勻性對產(chǎn)流、匯流的影響，能夠更好地反映流域的產(chǎn)匯流規(guī)律，已經(jīng)引起了國內(nèi)專家和學(xué)者的重視。

SCS模型是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局年開發(fā)研制的流域水文模型，被廣泛應(yīng)用于美國及其他國家。我國水文學(xué)者也應(yīng)用該模型進行了很多研究工作，實際上，SCS模型已在流域工程規(guī)劃、水土保持及防洪、洪水保險及無資料流域的多種水文問題等諸多方面得到應(yīng)用，并取得較好的效果，與其他模型相比，SCS模型的顯著特點和優(yōu)點是模型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)少，而且易應(yīng)用于無資料地區(qū)。因此，本研究在模型基礎(chǔ)上，結(jié)合DEM，開展松江河上游小流域暴雨山洪災(zāi)害模擬研究。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)位于吉林省東南部的長白山西南側(cè)(圖1)，屬于中緯度歐亞大陸的東緣，溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。該地區(qū)夏季受南方降水系統(tǒng)影響大，盛行西南風(fēng)，受到長白山脈的阻擋形成強烈的地形抬升，具有較強的迎風(fēng)坡降水效應(yīng)，是吉林省暴雨量高值區(qū)之一。每年7-9月份，暴雨山洪災(zāi)害發(fā)生頻繁，已經(jīng)對當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)造成了一定影響。本研究所需數(shù)據(jù)包括：①氣象數(shù)據(jù)，選定松江河流域上游的氣象站有東崗(1957-2010年數(shù)據(jù))和天池氣象站(1959-2007年數(shù)據(jù))；②DEM數(shù)據(jù)來ASTER GDEM高程數(shù)據(jù)，采樣精度為30 m；③研究區(qū)Landsat的TM5數(shù)據(jù)；④研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)。

圖1　研究區(qū)地理位置

2研究方法

2.1產(chǎn)流模型

基于柵格的SCS產(chǎn)流模型SCS模型的建立基于一個基本的假設(shè)，即流域集水區(qū)的實際入滲量與實際徑流量之比等于集水區(qū)該場降雨前的最大可能入滲量與最大可能徑流量之比[12]，用公式表達(dá)為：

(1)

式中：F為實際入滲量；R為實際產(chǎn)流量；S為最大可能下滲量；Rm為最大可能產(chǎn)流量。假定潛在徑流量為降雨量(P)與由徑流產(chǎn)生前植物截流、初滲和填洼蓄水構(gòu)成集水區(qū)初損量Ia的差值，即：

Rm=P-Ia。

(2)

實際入滲量為降雨量減去初損和徑流量，即：

F=P-Ia-R 。

(3)

美國水保局通過水文資料分析，為簡化計算，假定集水區(qū)該場降雨的初損為該場降雨前潛在入滲量的2/10，即：

Ia=0.2S 。

(4)

按照水量平衡原理，且考慮到初損未滿足時不產(chǎn)流，得到SCS模型的降水-徑流基本關(guān)系式：

(5)

式中：P為降雨量(mm)；R為實際產(chǎn)流量(mm)；S為流域最大可能滯留量(mm)，對于S的求法，模型從實際出發(fā)，引入一個參數(shù)CN(Curvenumber)，CN與S經(jīng)驗關(guān)系如下：

(6)

式中，CN作為一個綜合參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地反映降雨前流域的特征，它與流域前期的土壤濕潤程度、流域中植被、坡度、土壤類型狀況密切相關(guān)，美國《國家工程手冊》第4部分水文類(NEH-4)列出了詳細(xì)的CN值查算表[13]。

2.2匯流模型

當(dāng)流域被劃分為大小相同的柵格后，利用流域的DEM數(shù)據(jù)計算每一個柵格的匯流方向，再根據(jù)匯流方向演算出每個柵格匯流到流域出口所經(jīng)過的所有柵格累加起來的總匯流距離Li。

(7)

對于地表徑流計算方法，流域上每個單元的地表徑流計算采用水量連續(xù)平衡方程，表示為：

(8)

式中：W為單元中所滯留的水量；t為時間；Wi為進入單元格的水量；W0為流出單元格的水量。

第i個單元格的水量Wi包括單元格內(nèi)產(chǎn)流量和從相鄰單元流入當(dāng)前單元的流量之和，可表示為:

Wi=RiΔt+∑R(i-1,t-Δt)Δt 。

(9)

式中：Ri為當(dāng)前單元格內(nèi)產(chǎn)流量；R(i-1,t-Δt)為Δt時刻前周邊相鄰單元流入當(dāng)前單元的流量，Δx為網(wǎng)格空間分辨率。

流出單元格的水量W0可表示為

W0=R(i,t)Δt 。

(10)

式中:R(i,t)為當(dāng)前時刻流出單元的流量。

模型中的匯流時間用經(jīng)驗?zāi)Ｐ瞳@得，計算公式如下：

(11)

(12)

式中：tc為匯流時間，T為滯時(h)，l為水流長度(m)，y為流域平均坡度(%)。

在匯流計算中，采用八方向法來確定網(wǎng)格單元中的水流匯集流向。從流域邊界網(wǎng)格單元起算，根據(jù)每個網(wǎng)格單元的水流匯集流向，通過程序逐個遞歸計算出每個當(dāng)前網(wǎng)格單元的匯流數(shù)，直至將所有匯入當(dāng)前網(wǎng)格的匯流單元都計算完畢，再根據(jù)匯流數(shù)的大小及匯流方向，確定流域內(nèi)網(wǎng)格間的水流匯集的河道。最后根據(jù)水流匯集網(wǎng)絡(luò)進行遞歸計算，即可確定小流域在空間分布各網(wǎng)格單元上的產(chǎn)匯流過程。在本研究中，以上暴雨山洪災(zāi)害的模擬過程通過MATLAB編程實現(xiàn)。

3驗證

根據(jù)研究區(qū)土壤類型圖，松江河流域上游土壤主要為林下暗棕壤、棕色針葉林土、山地生草森林土，按照最小下滲率，在土壤分類中的屬于B和C類土。根據(jù)研究區(qū)土地利用類型圖，研究區(qū)內(nèi)有林地、草地、農(nóng)田和水域四種基本類型(表2)。本研究利用美國SCS模型CN取值表和關(guān)于CN取值的研究經(jīng)驗成果[14](表1)，本研究將研究區(qū)的CN值確定為表2所示。

表1　SCS模型中的土壤分類

表2　AMCII 條件下研究區(qū)的CN值

選定松江河流域上游的氣象站有東崗氣象站(1957-2010年數(shù)據(jù))和天池氣象站(1959-2007年數(shù)據(jù))。通過分析兩個站點單日降水?dāng)?shù)據(jù)可知，該地區(qū)單日最大降水達(dá)到257.5 mm，降水最大持續(xù)日數(shù)16 d，最大持續(xù)降水428.4 mm。根據(jù)對暴雨降水過程分析，本研究采樣伽馬分布模擬雨型，并采用空間插值技術(shù)進行對降水量進行空間插值。

圖2　研究區(qū)山洪災(zāi)害模擬驗證區(qū)

由于研究區(qū)處于松江河上游(圖2)，缺少水文站資料，所以本研究利用遙感數(shù)據(jù)獲取積水面積，并結(jié)合DEM數(shù)據(jù)獲取積水深度。選擇典型暴雨日，利用本研究方法進行山洪模擬，然后利用遙感解譯結(jié)果進行驗證。根據(jù)遙感影像獲取和數(shù)據(jù)質(zhì)量，本研究選取1998、2000、2001和2007年中的四場暴雨為例進行驗證研究?；诒灸Ｐ偷哪M結(jié)果如表3所示。其中，利用ENVI5.0的對上述日期的陸地衛(wèi)星(Landsat)的TM遙感影像去云處理、積水面積提取和相對水深提取，并將解譯階段作為實測數(shù)據(jù)使用。

表3　山洪災(zāi)害模擬驗證

通過對4場降水的模擬及驗證發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在較好的吻合性，說明本研究提出的基于SCS模型的分布式水文模型可以較好的模擬山區(qū)暴雨山洪災(zāi)害的積水面積和積水深度。

4結(jié)論

通過利用實例研究結(jié)果表明，分布式SCS模型結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，尤其適用于無水文資料的山區(qū)小流域地區(qū)。因為山區(qū)的降雨突發(fā)性強，速度快，應(yīng)用分布式SCS模型進行山洪預(yù)警預(yù)報具有實用、可靠、擴展性好等特點，能夠方便、快捷地為決策者提供服務(wù)。將本研究結(jié)果與山區(qū)道路、景點和游客分布結(jié)合，可以為山地景區(qū)的山洪災(zāi)害風(fēng)險提供決策支持。

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The Study of Mountain Flood Disaster Simulation Based on Distributed SCS Model

Cai Weiying1, Liu Xingpeng2and Zhang Jiquan2

(1.TheTourismCollegeofChangchunUniversity,Changchun130607,China;2.CollegeofEnvironmentalScience,NortheastNormalUniversity,NatureDisasterResearchInstitute,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China)

Abstract:the rainstorm and mountain flood disaster is one of the severe natural disasters that affect the small and medium river basin. Especially for mountain scenic area, mountain flood could destroy infrastructure and caused a serious threat to the lives and property of the tourist. Therefore, the flood early warning and forecasting for mountain scenic area is more important. Using DEM data, and combined with the SCS (soil conservation service) model,this study established the distributed simulation model for mountain flood disaster in the small river basin, and validated it in theSongjiang River Basin of Changbai Mountain Scenic Area. The results show that the model has good simulation accuracy. The distributed simulation model can provide a basis for the early warning and forecasting of mountainous flood disaster in non-hydrological data areas.

Key words:mountain scenic area; SCS model; distributed hydrological model; flood disaster; Songjiang River Basin

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.02.004

中圖分類號：X43；P648.0+24

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)02-0015-04

作者簡介：蔡維英(1982-)，女，山東單縣人，講師，主要從事景區(qū)災(zāi)害風(fēng)險評價與管理研究. E-mail:lxpjn@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41371495)；吉林省重點科技攻關(guān)項目(20150204024SF)

*收稿日期：2015-10-16修回日期：2015-11-27

蔡維英，劉興朋，張繼權(quán). 基于分布式SCS模型的山地景區(qū)山洪災(zāi)害模擬研究[J].災(zāi)害學(xué)，2016,31(2). 15-18. [Cai Weiying，Liu Xingpeng and Zhang Jiquan. The Study of Mountain Flood Disaster Simulation Based on Distributed SCS Model[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(2)：15-18.]