SCS模型在黑林地區(qū)的應(yīng)用研究

欒承梅，王 軍，仇少鵬

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

0 引言

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文水資源的影響是當(dāng)前水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在人類活動(dòng)與氣候變化的共同影響下，產(chǎn)匯流下墊面發(fā)生很大變化，洪水歸槽速度加快，區(qū)域的產(chǎn)匯流關(guān)系發(fā)生變化，因此急需重新分析現(xiàn)狀條件下的產(chǎn)匯流關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)資料地區(qū)產(chǎn)匯流的研究主要偏重于地貌水文學(xué)方法和水文模型方法。

本文主要針對(duì)黑林流域，建立參數(shù)識(shí)別不依賴于水文資料的降雨產(chǎn)流模型和地貌參數(shù)與瞬時(shí)單位線參數(shù)之間的定量關(guān)系，從而建立無(wú)資料地區(qū)的水文模型，并對(duì)黑林流域歷史洪水進(jìn)行模擬研究。

1 區(qū)域概況

黑林流域位于江蘇省連云港市贛榆縣西北部青口河上游，流域面積為183.2 km2，干流長(zhǎng)度為17 km，干流平均比降為2.90‰，流域平均寬度為11 km，流域平均比降為36.9‰，屬于山丘型小流域。流域內(nèi)黑林水文站修建于1976年7月，是小塔山水庫(kù)入庫(kù)控制站。小塔山水庫(kù)集水面積為386 km2，總庫(kù)容2.81億m3，屬于大（Ⅱ）型水庫(kù)。黑林流域主河道上有多個(gè)滾水壩，對(duì)天然來(lái)水具有一定的調(diào)節(jié)作用。

本文采用網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)提供的30m×30mDEM資料和中國(guó)科學(xué)院土地資源調(diào)查的1:10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)，土壤數(shù)據(jù)采用第二次全國(guó)土地調(diào)查的1:100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)，水文資料采用洙邊、黑林、清水澗三站1976～2012年共37年降雨資料，以及黑林水文站1976～2012年共37年流量資料。

黑林流域水文站點(diǎn)信息及資料年限表見(jiàn)表1，黑林流域及站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

表1 黑林流域水文站點(diǎn)信息及資料年限表

圖1 黑林流域及站點(diǎn)分布圖

2 研究方法

2.1 SCS產(chǎn)流模型

SCS模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)水土保持局（Soil Conservation Service）于1954年根據(jù)美國(guó)自然地理狀況和水文氣象條件所研發(fā)的小流域設(shè)計(jì)洪水模型，因模型參數(shù)簡(jiǎn)單，需要資料易獲取而得到較為廣泛的應(yīng)用[1-2]。

SCS曲線法的計(jì)算公式為：

式中：Qsuf為累計(jì)徑流量或凈雨（mm）；Rday為第i天的降雨量（mm）；Ia為初損，包括地表蓄水、截留和產(chǎn)流前的下滲（mm）；S為持蓄參數(shù)（mm），持蓄參數(shù)由于土地利用、土壤類型、管理措施和坡度的不同空間變化，由于土壤含水量的不同時(shí)間變化。

式中：CN為模擬日的曲線數(shù)。

初損Ia通常估計(jì)為0.2S，則式（2）變?yōu)椋?/p>

2.2 Nash單位線

納希（J.E. Nash）1957年提出了一個(gè)假設(shè)，即流域?qū)Φ孛鎯粲甑恼{(diào)蓄作用，可用n個(gè)串聯(lián)的線性水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用來(lái)模擬[3-4]，由此推導(dǎo)出Nash瞬時(shí)單位線的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：u（t）為瞬時(shí)單位線；n為線性水庫(kù)的個(gè)數(shù)，無(wú)因次；K為線性水庫(kù)的蓄量常數(shù)，具有時(shí)間因次。

Nash模型中的參數(shù)n是一個(gè)取決于霍頓地貌參數(shù)的匯流參數(shù)，它主要反映流域面積、形狀和水系分布特點(diǎn)對(duì)流域匯流的影響，其計(jì)算公式如下：

式中：RB、RL、RA分別為流域水系的分叉比、河長(zhǎng)比和面積比，一般統(tǒng)稱為霍頓地貌參數(shù)，可進(jìn)行如下計(jì)算：

Nash模型中的參數(shù)K反映了水動(dòng)力擴(kuò)散作用對(duì)流域匯流的影響，其計(jì)算公式如下：

式中：Ω為流域的斯特拉勒（Strahler）級(jí)別，即河系中最高級(jí)別的河流的級(jí)別；LΩ為河系中最高級(jí)別的河流的長(zhǎng)度（km）；λΩ-1為河源至Ω-1級(jí)河流末端處的λ值；VΩ為流域出口斷面的流速（m3/s）；α為流域形心至流域出口斷面的距離與流域長(zhǎng)度的比值；m為反映河道縱剖面特性的綜合參數(shù)，根據(jù)實(shí)際資料分析，其值一般在1～1.2之間。

3 研究實(shí)例

本文采用黑林流域1976～2011年降雨徑流資料，采用網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)免費(fèi)提供的DEM資料、土地利用成果數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件的水文分析模塊提取研究區(qū)域的基礎(chǔ)信息、產(chǎn)流參數(shù)CN以及地貌瞬時(shí)單位線參數(shù)，進(jìn)而模擬黑林流域的產(chǎn)匯流過(guò)程。

3.1 數(shù)字流域構(gòu)建

運(yùn)用ArcGIS軟件的水文分析模塊，提取黑林研究區(qū)域基礎(chǔ)信息，結(jié)果如圖2（a）～圖2（d）所示。

圖2（a） 黑林流域DEM圖

圖2（b） 黑林流域流向圖

圖2（c） 黑林流域流向累積圖

圖2（d） 黑林流域水系提取圖

3.2 土地利用及土壤數(shù)據(jù)處理

利用黑林流域邊界，裁切對(duì)應(yīng)的土地利用和土壤類型，從而可得研究區(qū)土地利用和土壤類型分布圖，如圖3～圖4所示。

圖3 黑林流域土地利用分布圖

圖4 黑林流域土壤類型分布圖

3.3 產(chǎn)流參數(shù)CN的提取

根據(jù)黑林流域土壤和土地利用空間分布資料，采用ArcGIS中的重分類功能，計(jì)算不同土壤類型和不同土地覆蓋類型的權(quán)重，參考表2的各類土壤覆蓋類型及土壤類型對(duì)應(yīng)的CN取值，計(jì)算研究流域的綜合CN值。

3.4 地貌瞬時(shí)單位線參數(shù)提取

采用ArcGIS中的水文分析模塊，分別提取黑林流域的流域面積、河流分級(jí)、不同級(jí)別對(duì)應(yīng)的河數(shù)、平均河長(zhǎng)、平均面積等基本信息，在此基礎(chǔ)上，利用地貌定律，計(jì)算RB、RL和RA。所提取的基本信息見(jiàn)表3。

結(jié)合推求不同雨強(qiáng)條件下對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)單位線參數(shù)n和K，推求瞬時(shí)單位線。在此基礎(chǔ)上，利用S曲線進(jìn)行時(shí)段轉(zhuǎn)換，從而得到任意時(shí)段長(zhǎng)的時(shí)段單位線。以2007年為例，瞬時(shí)單位線如圖5所示。

圖5 瞬時(shí)單位線圖

表2 不同土壤類型和土壤覆蓋類型對(duì)應(yīng)表

表3 黑林流域信息提取成果表

3.5 模擬結(jié)果

通過(guò)產(chǎn)匯流計(jì)算，以1977年～2008年逐日平均洪水過(guò)程為例，進(jìn)行洪水模擬，得到的結(jié)果如圖 6（a）～圖6（h），縱坐標(biāo)單位均為m3/s。

圖6 1977～2008年汛期洪水模擬過(guò)程

4 結(jié)論

（1）通過(guò)1977～2008年歷史洪水模擬，結(jié)果顯示本次研究提出的模型模擬的洪水過(guò)程線與實(shí)測(cè)過(guò)程線擬合較好，且洪峰、洪量誤差較小，表明本次建立的模型模擬洪水過(guò)程符合實(shí)際情況。

（2）本次研究模擬洪水過(guò)程線與實(shí)測(cè)過(guò)程中有些地方水量差距較大，一般為30%左右，調(diào)查表明黑林以上有多個(gè)攔河壩，致使該區(qū)降雨與洪水之間對(duì)應(yīng)關(guān)系受到干擾。

（3）本次研究模擬的歷史洪水過(guò)程線，部分場(chǎng)次在前汛期和后汛期的模擬結(jié)果較差，主要表現(xiàn)為實(shí)測(cè)過(guò)程有降雨不產(chǎn)流，故在日常預(yù)報(bào)作業(yè)和水量分析計(jì)算過(guò)程中要甄別雨水情情況。