應(yīng)用SCS 模型模擬清豐水流域產(chǎn)匯流量

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]，具有所需資料簡單易取、對觀測數(shù)據(jù)要求不是很嚴(yán)格等特點，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程，對于小流域徑流預(yù)報具有較強的能力[2]。SCS模型在美國及其他一些國家的流域工程規(guī)劃、水土保持及防洪、城市水文、土地房屋的洪水保險及無資料流域的多種水文問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值再計算徑流量。Hrimali等采用RS和GIS技術(shù)并結(jié)合SCS-CN法計算模擬地表徑流[2]。中國在20世紀(jì)80年代開始研究并應(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驗站萬善橋小流域，并對產(chǎn)流計算作了改進(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SCS模型進(jìn)行參數(shù)率定和模擬驗證，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模型簡介

1.1 SCS模型的產(chǎn)流部分[5-8]

美國SCS模型通過分析大量實測資料，得出降雨-徑流基本關(guān)系為

式中：F為實際后損，mm；S為流域當(dāng)時的最大可能滯留量，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)流計算公式：

CN是反映降雨前流域特征的一個綜合參數(shù)，它和流域前期濕潤狀況、坡度、植被、土壤類型和土地利用現(xiàn)狀等有關(guān)。其中，前期濕潤狀況分為三級，AMCⅠ為干旱情況，AMCⅡ為正常情況，AMCⅢ為濕潤情況，具體劃分如表1所示。而SCS模型中的土壤類型分為4類，見表2。

表1 流域前期土壤濕潤程度等級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)一的無因次單位線來計算徑流過程。模型的單位線洪峰流量用下述經(jīng)驗公式計算：

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為匯流時間，h。tc通過滯時法求得：

其中：L是滯時，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湖水系，其流域范圍在贛東大堤與撫西大堤之間，主河長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，通過南昌縣上洲李至崗前新開7 km的排洪道，經(jīng)由棠墅港撫河故道八字腦入鄱陽湖。流域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(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′。觀測項目有水位、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)流計算

鄱陽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，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場典型降雨洪水過程，如表4所示，其中洪水、降雨的開始結(jié)束時間以及洪峰時間，都以月日時的格式提供，其監(jiān)測年份為對應(yīng)峰號的前四位數(shù)字。一般認(rèn)為，應(yīng)用SCS模型進(jìn)行徑流模擬時，計算徑流量與實測徑流量的相對誤差在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較大且中上游的水庫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》所采用的檢驗方法，以相對誤差小于30%為評定標(biāo)準(zhǔn)。考慮到所選的徑流過程主要集中在雨季，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)果見表5。結(jié)果顯示，模型模擬的產(chǎn)流量有4場不合格，11場合格，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算與實測值比較Tab.5 Comparison of runoff simulation and measured value in Qingfeng water basin

2.3 匯流計算

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

表6 匯流計算表Tab.6 Confluence calculation

3 結(jié)語

通過對清豐水流域?qū)崪y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、不同土地利用方式的CN值，并對Ia值進(jìn)行了率定，同時利用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，對小流域產(chǎn)、匯流量的模擬具有一定的可行性。本研究的開展為探索鄱陽湖地區(qū)降雨徑流規(guī)律提供了重要參考依據(jù)。

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