楊愿玲

（烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000）

地表徑流是水循環(huán)過程重要組成部分，也是干旱荒漠帶生態(tài)可持續(xù)演替的關(guān)鍵因素之一，地表徑流資源的估算對平衡綠洲水資源用水結(jié)構(gòu)與供需具有重要意義。SCS-CN水文模型是建立于大量的流域水文徑流數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭籟1]，模型考慮了區(qū)域地表覆被-土壤-氣候等綜合要素，根據(jù)不同地區(qū)地理特征差異給出相關(guān)參數(shù)，其計算流程簡易，在縣域[1]、景觀[2]、樣方[3]等尺度上均取得成功應(yīng)用。

烏魯木齊地處我國西北與中亞地區(qū)聯(lián)結(jié)的節(jié)點上，深居歐亞大陸腹地。受西伯利亞高壓控制，氣候干燥少雨，偶爾西風環(huán)流強勁帶來一定的海洋水汽，區(qū)域氣候冬季寒冷漫長、夏季炎熱短促，降水量約為194 mm。區(qū)域地下水發(fā)育良好、埋藏較淺，蘊藏量達0.77億m3，是區(qū)域生活用水重要來源之一；地表水資源主要來源于冰雪融水，達9.3億m3。本文以烏魯木齊市67年來地表徑流資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立烏市地表水資源SCS-CN預測模型，對烏市1951年～2017年徑流量進行預測。

1 SCS-CN模型原理

SCS-CN模型是美國科學工作者對全國5000多個流域的降水-徑流資源數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計分析建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停鬄槊绹r(nóng)業(yè)部水土保持局(USDA-SCS)廣泛推廣使用，在世界不同地區(qū)地表徑流資源預測中取得良好效果。該模型原理I，見下式:

式中:F為地表水分入滲量；S為潛在滯蓄能力；Q為地表徑流量；Ia為降雨量的初損；P為降雨量。

依據(jù)水量平衡公式:

原理II，初損量是土壤潛在最大滯蓄量的一部分，即:

式中:λ表示初損系數(shù)，是表征區(qū)域水文土壤綜合條件的無量綱參數(shù)，值域介于0～0.4之間；S為可由另一參數(shù)CN計算得來。

CN是區(qū)域水文-土壤-地形等綜合環(huán)境的表示參數(shù)，美國水土保持局基于全國地理環(huán)境特征進行歸類劃分，分成4個組分:A、B、C、D，其地表水資源滲透能力以此降低。CN值則基于本區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀，參照《NationalEngineering Handbook》中的第九章土壤質(zhì)地、土地利用、降水條件的描述查表先獲取CNII(一般條件下取值)，然后對照本區(qū)土壤含水量等性質(zhì)，厘定其干旱條件下(CNI)、濕潤條件下(CNIII)的取值，計算公式如下[4～5]:

2 模型擬合度評價

為量化模型對地表徑流資源擬合精度，采用評價絕對誤差（MAE）、模型效率系數(shù)（RMSE）、皮爾遜相關(guān)系數(shù)（R）、等 3個指標進行精度評測。其計算公式如下:

式中:Fobs、Fpre分別為洪水過程實際值與模型預測值；n為時段數(shù)；MAE表征模擬值偏離實際值的情況，其值越大，表明模型信度越低。

式中:Fmean表示洪水過程量的平均值，Ef為模型效率系數(shù)，其值域小于1，當其越接近于1，說明模型模擬值與真值十分吻合，模型效率高，反之模型效率低。

R值介于-1～1之間，通常其越接近于1，表明預測值與實測值正相關(guān)性越好，模型精度越高。

3 資料來源與處理

以烏魯木齊市地表水資源為預測目標，其時間序列為1951年～2017年的年值數(shù)據(jù)。地表徑流為區(qū)域水資源中除去地下水與地表水中重復計算部分，并且不包含國境徑流量。通過Matlab編程完成預測，并運用Excel計算模型擬合度等相關(guān)參數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 區(qū)域地表徑流資源與降水量年值序列特征

如圖1所示，1951年～2017年烏魯木齊市地表水資源呈波動增加趨勢，其最高值為2017年的11.00億m3，最低值出現(xiàn)在1952年的7.99億m3，平均值為9.23億m3，變異系數(shù)達49.67%，屬于中等程度變異。地表水資源總量呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，其傾向斜率為0.4989億m3/a，在0.05水平上顯著。烏魯木齊市近67年來降水量的變化形式為(y=0.5376x+153.93，R2=0.5871)，在0.05水平上顯著，表明區(qū)域降水量增加趨勢十分明顯，其中最低值出現(xiàn)在1966年，僅為144.43 mm，最高值為2012年的210.02 mm，平均值為172.38 mm。區(qū)域降水量增加的趨勢可能得益于全球氣候變化，導致北冰洋的西風環(huán)流增強帶來較多的水汽，這也一定程度上增加了地表徑流。相關(guān)性分析表明，二者之間的相關(guān)性系數(shù)達0.74(P＜0.05)，呈顯著正相關(guān)，表明區(qū)域降水量與地表徑流資源呈同頻變化。

圖1 1951年～2017年烏魯木齊市地表水資源與降水量隨時間變化趨勢

4.2 SCS-CN模型參數(shù)設(shè)置與運行結(jié)果

區(qū)域土壤中沙土、粘土含量超過40%，土壤透水性強，根據(jù)此等土壤性狀特征，以及全區(qū)低密度的植被覆蓋度，設(shè)置初損系數(shù)λ的取值為0.20。經(jīng)查驗《美國國家工程手冊》第九章內(nèi)容，確定區(qū)域土壤水文組為C類，土壤濕度為干旱條件，則其對應(yīng)的CNII取值為78；將其帶入公式(6～7)進行計算，最后依據(jù)公式(3)，得到烏魯木齊市地表水資源預測值，其結(jié)果見圖2。不難發(fā)現(xiàn)，預測值與實際值十分吻合，其波動變化與綜合演變趨勢一致，表明該預測結(jié)果基本合理，具有一定可行性。

圖2 基于SCS-CN模型的烏魯木齊市地表水資源預測值

4.3 SCS-CN模型精度評價

為量化SCS-CN模型對烏魯木齊市地表水資源模擬精度，采用公式(8～10)中的方法，計算了相關(guān)的指示參數(shù)，并繪制烏魯木齊市地表水資源預測值與實際值相關(guān)性圖 (圖3)?？芍?，在95%的信度區(qū)間內(nèi)，預測值與實際值相關(guān)性良好，相關(guān)系數(shù)R為0.946，R2為0.895，并且達到顯著水平 (P＜0.05)。另外，其MAE值為0.1785億m3，僅為平均水平的1.92%，RMSE為0.2145億m3，表明殘差極小。其模型效率系數(shù)表明，模型效率達0.793，接近于1，表明模擬效率高，擬合精度可靠，具有良好的適用性。

圖3 烏魯木齊市地表水資源預測值與實際值相關(guān)性

5 結(jié)論

中長期水資源預測是水資源管理與合理規(guī)劃的重要研究內(nèi)容之一，鑒于水資源時間序列變化具有突變性、隨機性的特點，采用了SCS-CN生態(tài)水文模型，模型考慮了區(qū)域降水量這一重要的環(huán)境要素，因而能夠較好地擬合水資源變化趨勢。研究結(jié)果顯示，烏魯木齊市降水量與地表水資源均呈增加的同頻變化趨勢，該結(jié)果可為區(qū)域水資源管理工作提供借鑒。此外，SCS-CN模型結(jié)構(gòu)簡易、可操性強，對烏市水資源預測精度高，值得推廣。