基于SCS—CN和GIS的潛在集雨工程位置確定

摘 要：合理開發利用雨水資源，是緩解水資源緊張狀況的有效途徑之一。該文采用SCS-CN水文模型計算流域地表徑流量；應用RS技術獲取土地利用現狀數據，在GIS軟件平臺下對研究區土地利用現狀、土壤類型、地表徑流量及數字高程等空間信息數據進行處理分析；根據雨水集蓄利用工程技術規范和坡面集水蓄水工程建設一般的選址要求，構建集雨工程位置選擇的約束集；結合空間信息和屬性數據及約束集，在GIS軟件平臺下確定潛在的集雨工程的位置。得出結論：適宜修建蓄水池的位置128處、適宜修建攔水壩的位置47處、適宜修建大口井的位置65處。結果可用于指導當地地表徑流資源的科學利用，為山區流域綜合治理和集雨工程的規劃與設計提供科學依據。

關鍵詞：SCS-CN；地理信息系統；徑流潛力；集雨工程；潛在位置

中圖分類號：TV213.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2014）17-0048-05

SCS-CN and GIS-Based Approach for Identifying Potential Water Harvesting Sites in Mountain Watersheds

GUO Xiao-hui1，WANG Xiu-ru1，2，WANG Xi2

（1.Center for Land Consolidation， Ministry of Land and Resources， Beijing 100035， PRC；

2. Ministry of Education’s Key Laboratory of Soil and Water Conservation Desertification Control， College of Soil and Water Conservation， Beijing Forestry University， Beijing 100083， PRC）

Abstract：Rational development and utilization of rainwater resources is of great significance to alleviating water shortage. SCS-CN model is applied to compute the run-off potential of the watershed， and GIS technique is used to generate the final run-off distribution map. RS and GIS are adopted as tools to extract， analyze and integrate spatial attribute information including land use， soil， runoff， slope， drainage and watershed. Constraint sets about site identification are constructed based on technical norms and requirements of potential water harvesting project. Project sites are ultimately identified under GIS according to the above-mentioned data. The finding is as follows， projects with 128 reservoirs， 47 check dams and 65 dug wells are appropriate for this region； and plays an instructive role in development and utilization of local rainwater resources. Furthermore， this way offers scientific references for comprehensive management of mountain watershed， and the planning and design of rainwater accumulation and utilization project in this study.

Key words：SCS-CN； GIS； runoff potential； water harvesting； potential site

收稿日期：2014-07-03

基金項目：北京市門頭溝區流域治理專項資金項目（YSLY2011016）

作者簡介：郭曉輝（1979-），女，河南洛陽市人，工程師，研究方向為雨洪利用、流域綜合治理。

通訊作者：王秀茹

雨水是一種重要的水資源，通過實施集雨工程攔、蓄雨水資源，提高資源利用效率，可有效緩解水資源緊張的狀況。近年來，出現了針對雨水收集利用及潛在位置確定的研究。一般而言，確定集雨工程位置需要獲取流域土壤類型、土地利用類型、地表坡度及徑流潛力等空間數據[1，2]。目前，分布式水文模型由于能夠反映流域的土壤類型、土地利用現狀、地面高程及徑流量等地表信息，而被廣泛用于流域集雨工程規劃和設計[3-5]，常用

的分布式水文模型有SCS-CN、 HEC-HMS、TOPMODEL、

GIUH、HEC-1及KINEROS等；但SCS-CN模型因其結構簡單、模擬精度高及對輸入數據參數要求不是很高等特性，適用于確定區域不同下墊面特征的徑流量[6-8]，被廣泛應用于潛在集雨工程位置確定。運用SCS-CN模型計算徑流量時所需的地表信息數據常通過地理信息系統（GIS）和遙感（RS）等技術手段進行采集。遙感技術是獲取流域地形特征和土地利用類型遙感影像的重要手段，主要遙感數據來源有LANDSAT、SPOT及SRTM等。地理信息系統是處理下墊面數據的重要技術手段，特別是GIS的疊置和分析工具，通過對土地利用現狀和土壤類型及地形數據的處理，能夠得到分布式水文模型所需參數數據 [9-10]。近年來，出現了不少采用水文模型，結合遙感和地理信息系統技術，從徑流量、坡度及社會經濟等方面考慮，確定潛在集雨工程位置的研究[11-13]。然而，流域的不同下墊面特征的徑流潛力空間分布、土地利用方式及河網水系，對集雨工程位置的確定至關重要；另外，為了使集蓄的雨水資源能夠方便、有效利用，用水目標（如農耕地灌溉用水、居民地人畜用水）與集雨工程的距離，也是需要考慮的重要參數。

該文運用SCS-CN計算地表徑流潛力，采用遙感技術對LANDSAT數據矯正、解譯后，得到流域地表土地利用現狀數據；在地理信息系統軟件平臺下，運用水文分析模塊對地形圖數據處理后得到流域河網水系、坡度，并進行集水區劃分；以用水目標建立多重緩沖區，進而確定一定距離范圍內的集雨工程；在地理信息系統平臺下綜合處理河網水系、坡度、集水區及徑流潛力等數據，根據坡面集水蓄水工程和雨水集蓄利用工程技術規范對選址參數的要求，構建集雨工程位置選擇約束集，在地理信息系統平臺下確定流域潛在的集雨工程位置。

1 研究區概況

研究區位于北京市門頭溝區西部的清水河流域上游，面積533.65km2，經緯度范圍：115°25′5.6″～115°49′3.8″E，39°49′7.7″～40°04′39″N，海拔298～2 270m，屬中緯度大陸性季風氣候，年平均氣溫東部平原11.7℃，年蒸發量1 890mm；全年降水量80%以上集中于6月～8月份，多年平均降雨量528.7mm，主要集中在6月、7月、8月份，常以暴雨形式出現；土地利用方式主要為耕地、草地、林地及住宅用地等；土壤類型主要為褐土和棕壤土 [14]。

2 數據及方法

2.1 數據

（1）1990年～2010年水文、氣象數據，來源于北京市門頭溝氣象局；

（2）L7slc-off衛星影像（衛星：LANDSAT7；條帶號：125，行編號：27；2010-11-02），數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//datamirror.csdb.cn）；

（3）土壤類型及土壤質地圖（ 比例尺1∶50000，2010-06），數據來源于北京市土肥信息網（http：//www.bjtf.org/）；

（4）ASTGTM_N39E115C數字高程（DEM）數據（空間分辨率：30m，2009），數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//datamirror.

csdb.cn）。

2.2 方法

2.2.1 徑流潛力計算 運用SCS-CN計算地表徑流量，公式如下：

Q=（1）

式中：Q-徑流量（mm）；P-降雨總量（mm）；Ia-降雨初損值（mm）；S-可能最大滯留量（mm）。其中，Ia=λS，λ是區域參數（0.1≤λ≤0.3），主要受地質和天氣因素影響，綜合既有研究成果[14-16]，確定λ值為0.2。S值的計算公式為：

S=25400/CN-254 （2）

式中：CN值為無量綱參數，其取決于坡度、土地利用類型及土壤類型及前期土壤濕度（AMC）等因素。結合降雨量和蒸發量確定AMC，結合土壤和土地利用現狀數據，CN值取值范圍為0～100[16]，結合研究區實際情況，該文CN值取值范圍為35～81。

2.2.2 集雨工程位置確定 利用地理信息系統確定潛在集雨工程位置方法如下：首先，運用RS軟件（Erdas imagine 9.1）對遙感影像進行配準、校正及解譯處理后得到土地利用現狀數據；運用GIS軟件（ArcGIS 10）對土壤類型和數字高程模型數據進行配準、矢量化、坡度和集水路徑提取，得到土壤類型、土地利用現狀、坡度、河網水系及子流域數據；其次，結合流域降雨數據，運用SCS-CN估算地表徑流量，并在地理信息系統平臺下分析其空間分布特征；最后，在地理信息系統軟件平臺下以耕地、園地及居民地為目標建立多重緩沖區，并與土地利用現狀數據、坡度數據及徑流潛力數據進行求交（intersect）分析，結合水系圖、集水區及集雨工程位置選擇約束集進行選擇分析，得到潛在集雨工程位置。研究流程見圖1。

3 結果與討論

3.1 專題數據處理及結果

3.1.1 下墊面特征徑流潛力 下墊面特征徑流潛力是確定集雨工程位置的重要參數。采用SCS-CN進行產流計算，首先確定參數CN，它由前期土壤濕度（AMC）、土地利用及水文土壤組（HSG）決定。SCS-CN模型AMC分為3級，分別代表干（AMCⅠ）、平均（AMCⅡ）及濕（AMCⅢ）3種狀態；將水文土壤組分為A、B、C、D四種類型。前期土壤濕度：根據研究區多年月平均降雨量，結合所依托課題土壤含水量實測數據和蒸發量結果，劃定6月～8月為平均（AMCⅡ）狀態，1月-5月及9月～12月為干（AMCⅠ）狀態。土地利用：利用L7slc-off衛星影像提取土地利用信息，選用5、4、3波段進行波段組合，配以紅、綠、藍三種顏色生成假彩色合成圖像[14]，采用主成分分析（K-L變換）進行數據壓縮，形成三個組分的影像數據，用于自動識別分類。處理過程分三步：（1）影像配準和幾何精校正；（2）波段的選擇和紅、綠、藍假彩色合成；（3）圖像增強處理。將假彩色影像在ArcGIS 10軟件平臺下進行解譯，得到土地利用矢量數據。水文土壤組：采用ArcGIS 10軟件對土壤類型圖（1：50000）配準后進行矢量化，根據土壤下滲率及其質地，將土壤類型歸并到SCS-CN中的水文土壤組（HSG）分類中。

利用Arcgis 10軟件中的求交（intersect）工具處理土地利用現狀和HSG類型數據；通過查詢美國國家工程手冊第4章給定CN參考值并結合既有研究成果[17，18]，確定AMCⅠ、AMCⅡ狀態下不同土地利用類型-HSG組合對應的CN值，代入公式（4）和（3），得到年徑流量Q，結合多年平均降雨量最終得到徑流潛力（年徑流量/年降雨總量）（表1）。在Arcgis 10軟件平臺下，經過統計分析，將徑流潛力劃分為三個等級，分別是低（<20%）、中（20%～40%）、高（>40%），徑流系數等級為高的占集水區總面積的64.5%，等級為中、低分別占32.2%、3.3%（圖2）。

3.1.2 坡度 坡度直接影響著徑流、地表-地下水交換和地表水運動，是確定集雨工程位置的重要參數。研究區坡度圖由數字高程模型（DEM）生成，將DEM數據導入Arcgis 10，利用水文分析模塊（Hydrology）提取坡度參數；并進行等級劃分，≥0°～0.5°為平原，≥0.5°～2°微斜坡，≥2°～5°緩斜坡，≥5°～15°斜坡，≥15°～35°為陡坡，≥35°～55°峭坡，≥55°～90°垂直壁[14]，并生成坡度圖。

3.1.3 水系及集水區 集水路徑是地表徑流匯集的路徑，是集雨工程措施分部的主要區域和關鍵參數。采用Arcgis 10軟件中的水文分析模塊（Hydrology）對研究區DEM數據進行填洼（fill）、流向（flow direction）及水流累積量（flow accumulation）分析處理后，生成集水路徑和集水區空間分布圖，并將水系和集水區分成4個等級（圖3）。

3.2 集雨工程位置確定

通過分析徑流潛力空間分布圖、坡度、水系及集水區劃分圖，結合已有集雨工程建設經驗，研究區適宜實施的集雨工程類型有蓄水池、攔水壩及大口井。根據雨水集蓄利用工程技術規范和坡面集水蓄水工程建設對集雨工程一般選址的要求，構建約束集，用來確定不同集雨工程類型的位置。通常約束集的建立需要考慮徑流量、坡度和社會經濟等條件 [11-13]，除上述條件外，該文還考慮了山區流域的土地利用現狀圖、徑流潛力分布圖及水系、需水目標距集雨工程的適宜距離。

研究區居民點分布分散，耕地、園地等需水目標主要分布在居民點周圍；研究區位于山區流域，地形起伏大，集蓄的地表徑流不利于遠距離輸送，因此，對集雨工程的位置與需水目標的適宜距離進行如下界定：一是蓄水池，一般容積在100～150 m3，位于不同水系等級的節點位置，距耕地、園地和居民點的距離宜小于500 m；二是攔水壩，壩高2～4 m，蓄水量5 000～10 000 m3，主要位于流域溝口狹窄區域；三是大口井，井口直徑一般為4～10米，井深20～30米，集蓄的雨水可用于農田灌溉用水、人畜飲水或對地下水補灌，距需水目標，如耕地、園地及居民區距離小于宜200 m。綜上所述，構建了確定潛在集雨工程位置的約束集（表2）和不同集雨工程的規格參數（表3）。

在Arcgis 10軟件平臺下，對徑流潛力、坡度及集水區數據求交（intersect），并以土地利用類型中的農用地和居民區為目標建立200 m、500 m、1 000 m的緩沖區，結合水系圖及集雨工程位置選擇約束集綜合分析，選擇同時滿足約束集中參數值的區域（圖5），結果如下：

（1）潛在蓄水池位置128處；

（2）潛在攔水壩位置47處；

（3）大口井位置65處。

該文采用的SCS-CN 模型、RS 及GIS 確定集雨工程位置的方法及相關參數處理方法也適用于確定其他類型集雨工程的位置，如旱井、塘壩、水窖及澇池等。另外，集雨工程位置選擇約束集的確定有一定的局限性，特別是徑流量等級的劃分，由于不同區域降水量的差異，需要對徑流量等級的劃分進行調整。

4 結論

該文運用分布式水文模型SCS-CN和GIS技術，得到研究區不同下墊面類型的徑流量以及其空間分布、土地利用現狀、坡度分級、集水路徑及集水區等級等空間信息數據；采用ArcGIS 10軟件對空間信息數據綜合處理和分析，結合集雨工程潛在位置選擇約束集，得到適宜修建不同集雨工程的位置。主要結論如下：（1）研究區大部分區域具有較高的徑流潛力，徑流系數等級為高的占集水區總面積的64.5%，等級為中、低分別占32.2%、3.3%；（2）適宜的集雨工程類型有：蓄水池、攔水壩及大口井；（3）適宜修建蓄水池位置128處、攔水壩位置47處

及大口井位置65處。上述結果可有針對性的指導當地雨水資源的開發利用，為流域綜合治理和集雨工程的規劃與設計提供科學依據。

該文采用分布式水文模型SCS-CN、遙感數據處理技術及地理信息系統確定集雨工程潛在位置和相關參數的處理方法也可用于確定其它集雨工程的位置，如旱井、塘壩、水窖及澇池等。在實際應用中發現，該文所采用數字高程（DEM）數據精度存在誤差，對提取到的坡度和子流域的精度有一定影響[19]，對集雨工程位置的確定精度有不利影響。因此，怎樣在現有的數據基礎上，進一步提高集雨工程位置的精度，是本研究下一步的工作重點。

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（責任編輯：吳 婷）