(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

遼寧省位于我國東北地區(qū)的南部不僅是我國重要的老工業(yè)基地，而且屬于東北地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域[1]。占地面積14.8萬 km2下設14個省轄市、2個省管縣，地形地貌在東、西兩側以山地丘陵為主海拔約500～800 m，中部為遼河平原區(qū)海拔約200 m整體向渤海呈馬蹄形傾斜。遼東半島東臨黃海，西接渤海近海水面積約6.4萬 km，陸地海岸線全長2 292 km位居全國第5，并占全國海岸線12%；屬于大陸性季風氣候，冬冷漫長，夏熱多雨，全年降雨量為600～1 100 mm之間，降雨量和徑流量分布不均勻，東部山地丘陵區(qū)降雨量較為充足。年均130～200 d為無霜期，年均氣溫7℃～11℃并且受季風氣候影響各區(qū)域溫差較大，自西南向東北方向呈遞減趨勢[2]。

遼寧省地形地貌結構復雜主要是以山地、丘陵地和平原區(qū)為主，受自然環(huán)境及人類活動等因素影響該區(qū)域汛期發(fā)生泥石流、洪水、山體滑坡等災害頻繁。目前，統(tǒng)計分析法和水文模型為徑流模擬的主要方法，其中統(tǒng)計分析法是以水文過程數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，其往往受研究區(qū)域歷史系列完整性和地域性特征準確性的作用影響，致使徑流模擬結果與實際過程存在較大偏差；水文模型法在考慮了水文過程的基礎上通過構建模型進行徑流模擬的方法主要有HBV模型、新安江模型、TopModel模型等，該方法在眾多流域中已得到較為廣泛推廣和應用。據(jù)此，本文結合遼寧省中小流域特征利用參數(shù)較少、結構簡單的SCS模型對大凌河流域的降雨徑流進行模擬，并以牤牛河、細河、清河3個典型的小流域為例驗證了模型的可行性與準確性[3]。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

1.1 區(qū)域概況

本文選擇大凌河流域數(shù)據(jù)資料較好的中小流域牤牛河、細河、清河為研究對象，主要徑流建平縣、北票市、義縣、阜蒙縣等區(qū)域，各支流縱橫交錯為生活用水以及工農(nóng)業(yè)用水的主要來源之一。屬于大陸性季風氣候區(qū)，在年內(nèi)和年際范圍內(nèi)水文要素變化較大且降水量在時空分布上極不均衡，6～9月為該區(qū)域降雨旺季其降水量占全年的60.5%以上，大凌河流域為典型的山洪易發(fā)多發(fā)區(qū)并存在明顯的豐枯交替性，年降水量約為450～600 mm且存在較為明顯的年際變化特性，歷史徑流量均值為3.286億 m3，年平均溫度為8.5℃～12.7 ℃。流域以低丘陵區(qū)為主，山坡陡峭，山體坡度在20°～32°之間，地勢起伏較大相對高差約720.15 m，流域內(nèi)地勢結構由南至北逐漸降低，土壤類型有水稻土、褐土和草甸土，地質(zhì)巖層屬性以石英砂巖、泥巖和頁巖為主。本文所選水文站點及中小流域詳細資料如表1所示。

表1 大凌河中小流域數(shù)據(jù)資料概況

1.2 研究方法

本文針對大凌河3個中小流域特征采用分辨率為1 km×1 km的DEM數(shù)據(jù)，然后根據(jù)DEM數(shù)據(jù)的洼地實際狀況利用Arc Tool box中水文分析模塊進行填充得到無洼地的數(shù)據(jù)。結合DEM完整數(shù)據(jù)對水流方向利用最大坡度單流向法進行確定并依次得到河網(wǎng)水系數(shù)據(jù)和河流匯流累計量，最后對河流邊界采用矢量法確定[4]。

SCS模型是以防洪工程和土壤保持工程設計為基礎由美國土壤保持局針對小流域洪水設計而研發(fā)的一種用于洪峰流量和徑流估算的方法，其中水量平衡方程、以及條件假定是SCS模型進行徑流量預測分析的前提條件，實際徑流量Q、潛在蓄水能力S、最佳徑流量P、初損的作用關系應滿足下述計算公式

P=Ia+F+Q

(1)

(2)

Ia=λS0

(3)

SCS模型的初損率λ標準值通常為0.2，則由上述公式可得地表徑流量Q計算公式：

(4)

上述公式中：Q為地表徑流實測值，通常采用次降雨徑流深度表征，mm；P、F分別為次降雨量和累計入滲量，mm；S為流域最大蓄水能力，量綱介于0～100之間，mm；Ia、λ分別為初損量和初損率，mm；

CSC模型規(guī)定最大蓄水能力S與徑流曲線數(shù)CN應滿足以下關系式：

(5)

結合遼寧省大凌河流域特殊的氣候條件和下墊面特性需對SCS模型進行經(jīng)驗公式和參數(shù)率定的重新調(diào)整，為了最大限度的利用已有研究成果和相關條件，并反映徑流量空間變化特征，本文對SCS模型的徑流計算方法采用兩個參數(shù)即系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m進行調(diào)整，并且所引入的參數(shù)可通過SCS模型參數(shù)率定和構建過程獲取[5-6]。

2 模型的應用

本研究結合大凌河流域降雨蒸散發(fā)以及下墊面條件數(shù)據(jù)資料對面降雨量利用泰森多邊形插值法進行求解和確定，并對北漂水文站2005～2015年的降雨量徑流過程采用改進的SCS模型進行模擬分析，其中用于模型參數(shù)率定的氣象水文觀測數(shù)據(jù)來源于2005～2011年，而用于檢驗模型參數(shù)的適用性及模擬效果的觀測數(shù)據(jù)來源于2012～2016年[7-9]。

2.1 參數(shù)率定

利用改進的SCS模型對2005～2011年的6場典型的降雨徑流過程進行模擬分析，結果如表2所示。

表2 大凌河流域率定期6場次降雨徑流模擬

納什系數(shù)NSCE也成為模擬結果確定性系數(shù)可按下述公式進行求解：

(6)

實測徑流量與徑流模擬結果之間的貼近程度可采用納什系數(shù)NSCE進行表征和反映，根據(jù)相關標準規(guī)范和有關研究成果可知，模擬結果精度分別為甲級和乙級時NSCE系數(shù)取值范圍為大于0.90和0.7～0.9區(qū)間。按照此等級標準可知，在大凌河中小流域中改進的SCS模型其降雨徑流模擬效果良好，納什系數(shù)NSCE在率定期，各場洪徑流模擬結果值均高于0.80，其最大值可達到0.86，由此表明改進的模型具有良好的準確性與適用性，可用于對降雨徑流模擬分析。

對徑流曲線數(shù)CN采用漸近線法進行確定，漸近線法是利用相同重現(xiàn)期的頻率對自變量和因變量進行匹配，并確定自變量理論值的一種高等數(shù)學極值法。該方法由D.H. Hawkiins基于前期土壤濕度提出的應用于SCS模型CN值計算的方法，它是通過將立地環(huán)境劃分為濕潤、半濕潤和干旱3種狀態(tài)并進行CN1、CN2和CN3的計算分析。漸近線法計算過程為：首先將徑流量和降雨量由大到小進行排序，并將同一序列下的數(shù)據(jù)組進行排序并組成新的數(shù)據(jù)對；然后利用新的數(shù)據(jù)組進行相應的S和CN值的計算；最后根據(jù)CN值計算結果及其相對應的降雨量，繪制散點圖并確定降雨量與徑流曲線數(shù)的關系函數(shù)。平均土壤水分狀況CN值采用漸近線計算值，然后利用調(diào)節(jié)函數(shù)進行CN1和CN3值的計算，計算公式如下所示：

(7)

CN3=CN2exp(0.006 73×(100-CN2))

(8)

本研究結合大凌河中小流域多年降雨徑流資料，推導出年平均降雨量與滲透量關系式，并利用文中所述相關公式和率定期6場徑流數(shù)據(jù)確定了初損比率m的取值變化區(qū)間?？紤]到研究流域為中小型流域，其前期土壤濕度變化相對較少，因此CN值取上述計算結果的平均值，改進的SCS模型在率定期的6場次洪率定中其參數(shù)值率定結果如表3所示。

表3 改進的SCS模型參數(shù)率定結果

2.2 模型驗證

對改進的SCS模型的徑流模擬效果采用2012～2016年驗證期間的3場次洪水進行驗證分析，結果如表4所示。

表4 改進的SCS模型在驗證期的3場次洪模擬

由表4驗證結果可知，利用率定期確定的模型參數(shù)對驗證期的場洪進行徑流模擬表現(xiàn)出良好的模擬效果和可行性，NSCE值模擬結果均大于0.86其最高值達0.91，由此表明在大凌河中小流域降雨徑流模擬中改進的SCS模型表現(xiàn)出較強的適用性與可靠性，該技術方案可用于研究流域的徑流模擬。

表5 中小流域徑流模擬參數(shù)及結果

2.3 結果分析

改進的SCS模型參數(shù)以及其他中小流域徑流模擬結果如表5所示，研究表明，經(jīng)過率定后的系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m參數(shù)可直接用于研究流域驗證期的徑流模擬，確定性系數(shù)NSCE在驗證期的模擬結果均高于0.80，模擬結果能較好的反映大凌河流域內(nèi)3個中小流域徑流過程的實際狀況。

為提升遼寧省中小流域水資源管理、臨界雨量計算以及山洪模擬預報的準確性與科學性，本文結合以上分析結果和相關理論對改進的SCS模型作進一步的分析和探討。改進的SCS模型不僅可提高遼寧省中小流域山洪預警的準確性水平，而且可對洪水的演進過程進行及時準確的跟蹤預報并最大程度的降低山洪災害的損失。以降雨-徑流關系為紐帶可構建基于降雨、徑流和水位關系的改進的SCS模型，為初步判定洪澇致災臨界雨量可選取研究區(qū)域警戒水位作為判別依據(jù)。本文研究成果可為遼寧省水資源的開發(fā)、保護、利用、調(diào)度以及分配提供一定的參考和理論方法。改進的SCS模型能夠較為準確的表征中小流域的降雨徑流關系并且其所需數(shù)據(jù)資料容易獲取，研究結果和方法可有利于提成研究區(qū)域水資源的有效利用率[10]。

3 結語

本研究對SCS模型引入系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m進行經(jīng)驗公式和參數(shù)的重新率定，對遼寧省中小流域采用改進后的模型進行徑流模擬，結果表明模型可根據(jù)研究區(qū)域特殊的氣候條件和下墊面實際狀況對徑流過程進行較為準確的反演模擬。并且該模型具有觀測數(shù)據(jù)精度要求較低、結構簡單參數(shù)少，可對不同降雨和土壤類型條件下的地表徑流過程進行客觀、準確描述的優(yōu)點。經(jīng)過率定后的系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m參數(shù)可直接用于研究流域驗證期的徑流模擬，確定性系數(shù)NSCE在驗證期的模擬結果均高于0.80，模擬結果能較好的反映大凌河流域內(nèi)3個中小流域徑流過程的實際狀況。