馬進

摘要 基于洛陽地區(qū)洛河流域防汛防洪研究，應用徑流曲線模型SCS反映不同土壤和地面覆蓋條件影響產(chǎn)流的特征。此方法簡潔實用，適合在洛陽丘陵山區(qū)缺少水文資料的中小流域氣象災害預警業(yè)務中使用。本文以洛陽地區(qū)洛河流域為研究對象，利用GIS技術(shù)結(jié)合SCS模型確定CN值和徑流量的空間分布特征，與山地丘陵道路、景點和礦區(qū)分布結(jié)合，可為山地丘陵地區(qū)的旅游、采礦提供山洪災害風險決策服務。

關(guān)鍵詞 SCS模型；山洪預警；CN；徑流；山地丘陵地區(qū)

中圖分類號 S421 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0168-03

Abstract Based on the study of flood control of Luo River Basin in Luoyang area，the runoff curve model SCS was used to study characteristics of runoff generation under different conditions of covering soil and land. This method was simple and practical for the applying of early warning services for middle and small valley in Luoyang mountainous and hilly area with lack of hydrologic data. In this paper，taking the Luo River Basin in Luoyang area as the research object，combined GIS with the SCS model，the value of CN matrix and the spatial distribution of runoff were determined. With the addition of distribution of hilly roads，scenic spots and mining area，so as to provide decision-making services of mountain torrent disaster for tourism and mining in mountainous and hilly area.

Key words SCS model；flood warning；CN；runoff；mountainous and hilly area

由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局研究的徑流曲線模型（soil conservation service，SCS）用來估算資料稀少甚至無資料地區(qū)的徑流量和洪峰流量的經(jīng)驗模型，該模型在降雨和徑流關(guān)系上考慮流域下墊面條件，預估降水與徑流的變化。洛陽地區(qū)以丘陵山區(qū)分布為主且中小河流較多，又受中小流域水文站資料限制，使精細化氣象災害預警十分困難；而SCS模型結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能夠估算水文資料缺失的中小流域徑流量，十分適合在無水文資料的中小流域山洪災害預警分析業(yè)務中使用。

目前，國內(nèi)有大量關(guān)于SCS模型的研究和應用。張 衛(wèi)等[1]為了獲得適合紅壤地區(qū)的CN參數(shù)，利用江西省德安縣燕家溝流域觀測小區(qū)2001—2003年的降雨徑流資料反算CN。然后通過SPSS軟件對降雨量與CN參數(shù)進行回歸模擬，得到不同小區(qū)的CN模擬函數(shù)。周翠寧等[2]為研究北京城市化進程中降雨-徑流關(guān)系變化，在溫榆河流域應用SCS模型，對該流域部分實測次降雨-徑流過程及不同頻率年降雨-徑流進行模擬，得出SCS模型在溫榆河流域預測徑流是可行的，相同前期土壤濕潤程度及相同頻率降雨條件下，城市化水平越高，徑流量越大。王瑾杰等[3]以新疆博爾塔拉河上游溫泉流域為例，利用2013年融雪期18場次降雨量、日徑流量及衛(wèi)星同步觀測基礎數(shù)據(jù)，基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表溫度-植被指數(shù)特征空間反演土壤水分等方法，分別利用參數(shù)算法改進后SCS模型與原SCS模型進行徑流模擬。鄭長統(tǒng)等[4]以GIS和RS技術(shù)作為獲取流域地貌類型、土壤類型和土地利用方式等空間信息的主要手段，運用實測降雨徑流資料對參數(shù)λ進行率定。嘗試通過對地貌結(jié)構(gòu)與λ值關(guān)系的分析確定適合喀斯特流域的參數(shù)λ，從而建立起喀斯特流域SCS產(chǎn)流模型。

本文根據(jù)洛河流域防汛防洪研究需要，利用GIS技術(shù)確定洛河流域CN值矩陣和徑流量空間分布特征，為山地丘陵地區(qū)山洪預警分析業(yè)務服務提供決策依據(jù)。

1 SCS模型概述

1.1 SCS基本原理

SCS模型根據(jù)區(qū)域內(nèi)土地利用方式、作物耕作方式、土壤類型、前期時段內(nèi)土壤含水量及降水量等條件，計算區(qū)域內(nèi)地表產(chǎn)流。此模型具有所需參數(shù)少、方法簡單、對降水觀測數(shù)據(jù)要求低等特點，在以后的使用中又對此模型進行演變[5]，美國SCS模型是通過大量實測資料分析得出，基本關(guān)系為：

式（1）中，F(xiàn)為實際后損（mm）；S為流域當時最大可能滯留量（mm）；Q為徑流量（mm）；P為降水量（mm）；Ia為初損（mm）。

再次發(fā)生降水后，流域內(nèi)水量平衡方程為：

根據(jù)式（1）和式（2）可以得出SCS模型的產(chǎn)流計算公式，采用經(jīng)驗關(guān)系公式Ia=0.2 S，得到常用的徑流方程[6-8]：

曲線數(shù)值CN（Curve Number）是根據(jù)流域內(nèi)坡度、植被、土壤類型、土地利用情況等因素確定的一個綜合參數(shù)。由公式（3）可知，徑流量Q由降水量P和最大滯留量S決定，而最大滯留量S與區(qū)域內(nèi)土壤類型、降水前土壤濕潤情況、土地利用情況等流域特征有關(guān)。S值隨不同流域特征變化而變化，較難取值。所以，SCS模型實際操作中經(jīng)常通過一個綜合反映降雨前流域特征的無因次參數(shù)CN進行S值推求[9]。

S=25 400/CN-254（4）

1.2 參數(shù)CN值

流域內(nèi)CN值在確定土壤類型、土地利用、降水前土壤濕潤情況后，可以根據(jù)美國SCS模型CN取值表確定[10]。

洛河流域內(nèi)土壤類型主要為褐土和棕壤土，為確定CN值需先根據(jù)土壤水分的最小滲透率和土壤質(zhì)地將土壤劃分為A、B、C、D 4類[11]（表1）；流域內(nèi)前期土壤濕潤程度可參照AMC劃分為3級評判（表2）。綜合考慮流域內(nèi)前期土壤濕度狀況、水分土壤特征和土地利用，在CN表中查找流域內(nèi)該處的CN值。并通過公式（5）（6），在已知AMC II條件下的CN值，分別求出AMC I、AMC III條件下的CN值（表2）。

CN I =4.2 CNⅡ/（10-0.058 CNⅡ）（5）

CN Ⅲ=23 CNⅡ/（10+0.13 CNⅡ）（6）

2 基于GIS的SCS模型應用

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

洛河源自陜西洛南縣西北部，東入河南經(jīng)盧氏、洛寧、宜陽、洛陽、至偃師納入伊河。所研究區(qū)域位于河南省洛陽市境內(nèi)的洛河流域（圖1）。本研究數(shù)據(jù)來源：洛陽境內(nèi)洛河流域內(nèi)洛寧、宜陽縣氣象區(qū)域站點的氣象觀測數(shù)據(jù)；河南省1∶5萬DEM高程數(shù)據(jù)；由國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺提供1988年河南省1∶20萬土壤類型數(shù)據(jù)；洛陽境內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)及洛陽市基礎地理信息數(shù)據(jù)。

2.2 模型應用

本研究利用GIS技術(shù)，運用SCS模型對流域內(nèi)徑流量進行估算，并獲得流域內(nèi)徑流量空間分布圖（圖2～6）。具體流程：①使用DEM高程數(shù)據(jù)進行洛河流域的流域分析，確定所需研究的洛河流域區(qū)域邊界。②將1988年河南省1∶20萬土壤類型按照表3重分類為A、B、C、D 4類水文土壤類型。③將洛陽境內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)按照表3重分類為水田、旱地、園地、草地、林地、居民用地6類。④分別選擇土壤類型和水文土壤2個專題，進行相關(guān)屬性的交叉計算操作。⑤根據(jù)美國SCS模型CN值表，將土壤類型和水文土壤2個專題交叉對應值重新賦予所對應的CN值，獲取AMC Ⅱ條件下的分布式CN值。⑥分別根據(jù)公式（4）（5），計算AMC Ⅰ和AMC Ⅲ條件下的CN值空間分布圖。⑦7月19日前5 d流域內(nèi)累計降水在35～50 mm，根據(jù)表2判斷流域內(nèi)土壤濕潤條件AMC Ⅲ。導入流域內(nèi)2016年7月19日降水空間分布圖，根據(jù)公式（4）（5）計算出流域內(nèi)徑流量。

3 結(jié)論與討論

SCS模型的應用已在水土保持、防洪、洪水、水利設施規(guī)劃等方面日趨成熟，并已經(jīng)取得良好效果。該模型結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)少，而且可以用于無資料地區(qū)。隨著現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展，SCS模型應用更加廣泛。CN值作為計算的敏感參數(shù)，通過經(jīng)驗性的綜合反映確定會導致模擬值偏離實際值較大，區(qū)域參數(shù)的確定是實現(xiàn)區(qū)域徑流模擬精確預報的前提。例如，λ通常取0.2，該值來源于美國北部地區(qū)降雨-徑流觀測數(shù)據(jù)的推算，應用于其他地域的模擬精度則需要進行驗證[12]。

基于SCS模型的特點和業(yè)務預報的時效性考慮，SCS模型將向簡單化、實用化方向發(fā)展。結(jié)合GIS技術(shù)通過分析流域土壤類型、土地利用類型分布，獲取SCS模型中CN值分布特征，更好地反映了流域下墊面特征。將CN值矩陣和降水空間分布代入計算可以得到矩陣形式徑流量。未來將根據(jù)分布式徑流，研究流域內(nèi)單位區(qū)域內(nèi)的匯流量并且加以驗證，從而在山區(qū)、丘陵小流域地區(qū)應用SCS模型進行山洪預警。利用SCS模型CN矩陣能夠方便、快捷地提供決策服務。與流域內(nèi)山地丘陵道路、景點和礦區(qū)分布相結(jié)合，可以為山地丘陵地區(qū)的旅游、采礦提供山洪災害風險決策服務。

4 參考文獻

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