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      應(yīng)用SCS 模型模擬清豐水流域產(chǎn)匯流量

      2011-08-16 08:02:58徐劉凱王全金向速林
      關(guān)鍵詞:產(chǎn)流水文徑流

      徐劉凱,王全金,向速林

      (華東交通大學(xué)環(huán)境工程系,江西南昌330013)

      徑流曲線模型(soil conservation service,SCS)是美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局在上世紀(jì)50年代提出的流域水文模型[1],具有所需資料簡(jiǎn)單易取、對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)要求不是很嚴(yán)格等特點(diǎn),能夠客觀描述不同土地利用方式、土壤類型、前期土壤含水量及流域水文、氣象資料條件下的地表徑流過(guò)程,對(duì)于小流域徑流預(yù)報(bào)具有較強(qiáng)的能力[2]。SCS模型在美國(guó)及其他一些國(guó)家的流域工程規(guī)劃、水土保持及防洪、城市水文、土地房屋的洪水保險(xiǎn)及無(wú)資料流域的多種水文問(wèn)題等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用,取得了較好的效果[3]。Karl Auerswald等利用回歸方法得出研究區(qū)域的CN值再計(jì)算徑流量。Hrimali等采用RS和GIS技術(shù)并結(jié)合SCS-CN法計(jì)算模擬地表徑流[2]。中國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究并應(yīng)用SCS模型[4],不同的學(xué)者將SCS模型直接或稍加改進(jìn)后應(yīng)用于所研究區(qū)域,均獲得了理想的結(jié)果。沈健聰(1987)將SCS模型應(yīng)用于四川峨眉徑流實(shí)驗(yàn)站萬(wàn)善橋小流域,并對(duì)產(chǎn)流計(jì)算作了改進(jìn)。晉華等[3](2003)將SCS模型應(yīng)用于嵐河流域的產(chǎn)匯流計(jì)算,取得了較高的精度。周翠寧(2008)將SCS模型應(yīng)用于北京溫榆河流域的降雨-徑流關(guān)系中,得到了較好的效果。本文根據(jù)清豐水流域下游崗前水文站的水文資料對(duì)SCS模型進(jìn)行參數(shù)率定和模擬驗(yàn)證,從而分析探討SCS模型應(yīng)用于該流域產(chǎn)、匯流量模擬的可行性及其精度。

      1 SCS模型簡(jiǎn)介

      1.1 SCS模型的產(chǎn)流部分[5-8]

      美國(guó)SCS模型通過(guò)分析大量實(shí)測(cè)資料,得出降雨-徑流基本關(guān)系為

      式中:F為實(shí)際后損,mm;S為流域當(dāng)時(shí)的最大可能滯留量,mm;Q為徑流量,mm;P為降雨總量,mm;Ia為初損,mm。

      又有次降雨后,流域的水量平衡方程:

      根據(jù)(1)式和(2)式可以得出SCS模型的產(chǎn)流計(jì)算公式:

      CN是反映降雨前流域特征的一個(gè)綜合參數(shù),它和流域前期濕潤(rùn)狀況、坡度、植被、土壤類型和土地利用現(xiàn)狀等有關(guān)。其中,前期濕潤(rùn)狀況分為三級(jí),AMCⅠ為干旱情況,AMCⅡ?yàn)檎G闆r,AMCⅢ為濕潤(rùn)情況,具體劃分如表1所示。而SCS模型中的土壤類型分為4類,見(jiàn)表2。

      表1 流域前期土壤濕潤(rùn)程度等級(jí)Tab.1 Soil moist degree of early stage in the river basin

      表2 SCS模型中土壤的分類Tab.2 Soil classification in SCS model

      1.2 SCS模型的匯流部分[9-13]

      SCS模型采用一條統(tǒng)一的無(wú)因次單位線來(lái)計(jì)算徑流過(guò)程。模型的單位線洪峰流量用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

      式中:qp為單位線洪峰流量,m3·s-1;A為流域面積,km2;Q為凈雨量,mm;tc為匯流時(shí)間,h。tc通過(guò)滯時(shí)法求得:

      其中:L是滯時(shí),h;l是水流流程,m。

      2 SCS模型在清豐水流域的應(yīng)用

      2.1 清豐水流域概況

      清豐水,又稱清豐山溪,發(fā)源于江西省清江縣和豐城市交界的山區(qū),屬于贛江流域和鄱陽(yáng)湖水系,其流域范圍在贛東大堤與撫西大堤之間,主河長(zhǎng)115.4 km,崗前站以上集水面積2313 km2。清豐山溪為薌、豐、秀、槎、白土、櫧山水六條河流的總稱,撫河干流改道后,通過(guò)南昌縣上洲李至崗前新開(kāi)7 km的排洪道,經(jīng)由棠墅港撫河故道八字腦入鄱陽(yáng)湖。流域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)型氣候,氣候溫和,年平均氣溫在17℃左右,雨量充沛,多年平均降水量為1 688.7 mm,降水多集中在4~6月。流域大致呈南北走向,域內(nèi)形似扇形,河床比降為3.39%。流域內(nèi)地帶性土壤是紅壤(63.9%),耕作土主要是水稻土(17.8%),另外還有紅壤性土(9.7%)、黃壤(4.9%)、紫色土(2.2%)以及其他類型的土壤(1.5%)[14]。土地利用類型以林地(61.1%)為主,其次為耕地(27.7%)、水體(4.7%)、草地(4.3%)、建筑用地和未用地(2.2%)[14]。

      崗前水文站是鄱陽(yáng)湖區(qū)清豐水流域的區(qū)域代表站,位于江西省南昌縣廣福鎮(zhèn)吳石村,東經(jīng)115°58′,北緯28°21′。觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、降水量。參考陳華、郭生練等[15]的清豐山流域防洪調(diào)度決策系統(tǒng),制作水系概化圖如圖1所示。

      圖1 清豐山溪流域水系概化圖Fig.1 The generalized water system graph of Qingfeng water basins

      2.2 產(chǎn)流計(jì)算

      鄱陽(yáng)湖平原的土壤主要紅壤和水稻土,屬于粘壤土,CN參數(shù)可選C類土壤。根據(jù)SCS模型CN值表,結(jié)合其他學(xué)者在鄱陽(yáng)湖地區(qū)和贛江流域的研究成果以及清豐山溪流域?qū)嶋H的降雨徑流資料,確定水文條件中等時(shí),不同土地利用方式的CN值,再根據(jù)以下公式確定AMCⅡ和AMCⅢ,結(jié)果見(jiàn)表3。

      表3 清豐水流域不同土地利用方式的CN值Tab.3 CN values of different land-using in Qingfeng water basins

      表4 崗前站降雨徑流監(jiān)測(cè)分析資料Tab.4 Analysis material of rainfall runoff monitoring in Gangqian Station

      應(yīng)用SCS模型模擬崗前站1989-2002年15場(chǎng)典型降雨洪水過(guò)程,如表4所示,其中洪水、降雨的開(kāi)始結(jié)束時(shí)間以及洪峰時(shí)間,都以月日時(shí)的格式提供,其監(jiān)測(cè)年份為對(duì)應(yīng)峰號(hào)的前四位數(shù)字。一般認(rèn)為,應(yīng)用SCS模型進(jìn)行徑流模擬時(shí),計(jì)算徑流量與實(shí)測(cè)徑流量的相對(duì)誤差在15%以內(nèi)為合格,反之為不合格。但直接模擬后發(fā)現(xiàn)誤差較大,這主要是由于清豐山溪流域面積相對(duì)較大且中上游的水庫(kù)改變了流域的自然水文特性。所以借鑒洪林在《SCS模型在流域尺度水文模擬中的應(yīng)用》所采用的檢驗(yàn)方法,以相對(duì)誤差小于30%為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)??紤]到所選的徑流過(guò)程主要集中在雨季,流域的植被覆蓋度較高,下滲水量較多,即初損較大,故將Ia提高到0.25S,產(chǎn)流模擬結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示,模型模擬的產(chǎn)流量有4場(chǎng)不合格,11場(chǎng)合格,合格率為73%,基本滿足參數(shù)率定的要求[16]。

      表5 清豐水流域徑流模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)值比較Tab.5 Comparison of runoff simulation and measured value in Qingfeng water basin

      2.3 匯流計(jì)算

      為進(jìn)一步驗(yàn)證其正確性,選擇上述資料中11場(chǎng)單峰型降雨徑流過(guò)程進(jìn)行模擬,匯流模擬結(jié)果見(jiàn)表6。同樣以相對(duì)誤差30%為合格標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果顯示,模型模擬的峰值流量有3場(chǎng)不合格,8場(chǎng)合格,合格率為73%。在所選的11場(chǎng)降雨-洪峰實(shí)測(cè)資料中,模擬發(fā)現(xiàn)計(jì)算峰值流量全部超過(guò)實(shí)測(cè)峰值流量,分析認(rèn)為這主要是由于紫云山和潘橋兩個(gè)大型水庫(kù)以及金橋、店下和攸珞等中型水庫(kù)對(duì)徑流的攔截調(diào)蓄作用,削減了洪峰流量。同樣,可能由于水庫(kù)的調(diào)蓄作用人為地改變了洪峰的峰現(xiàn)時(shí)間,使得模擬值和實(shí)測(cè)值相差較大。雖然清豐山溪的峰現(xiàn)時(shí)間不適合用SCS模型驗(yàn)證,但得到的降雨-徑流規(guī)律足以用來(lái)估算鄱陽(yáng)湖地區(qū)的降雨徑流量,從而為該區(qū)域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算提供有效數(shù)據(jù)。

      表6 匯流計(jì)算表Tab.6 Confluence calculation

      3 結(jié)語(yǔ)

      通過(guò)對(duì)清豐水流域?qū)崪y(cè)的降雨徑流資料的分析研究,提出了適合清豐水流域不同AMC等級(jí)、不同土地利用方式的CN值,并對(duì)Ia值進(jìn)行了率定,同時(shí)利用SCS模型模擬了清豐水流域的產(chǎn)、匯流量。模擬結(jié)果表明,參數(shù)率定后的SCS模型基本滿足應(yīng)用精度要求,對(duì)小流域產(chǎn)、匯流量的模擬具有一定的可行性。本研究的開(kāi)展為探索鄱陽(yáng)湖地區(qū)降雨徑流規(guī)律提供了重要參考依據(jù)。

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