基于SCS水文模型的城市河涌設計洪水計算研究

譚 超，黃本勝，黃峰華，邱 靜，劉 達

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510610；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510610；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510610)

0 前 言

在城市河涌整治設計中，設計洪水計算是確定工程規模的重要依據。對于無流量觀測流域，傳統設計洪水計算方法多采用綜合單位線法[1]及推理公式法[2]并得到廣泛應用，但這兩種方法主要適用于天然河道，而對于城市河涌，由于城市化的下墊面與自然地貌差異較大，傳統計算方法無法反映城市下墊面復雜暴雨產匯流過程。SCS水文模型是美國農業部水土保持局于1954年開發的小流域水文模型，由于其結構簡單、使用方便，對觀測資料要求不高，在小流域工程規劃及防洪、水土保持、城市水文及無資料流域等多種水文研究中得到廣泛應用[3-12]。與以往的水文模型相比，SCS模型可考慮流域中土地利用類型、土壤類型等下墊面因素對降雨徑流的影響，適合于城市下墊面設計洪水計算。

望江瀝是東江的一級支流城市河涌，位于東江下游廣東惠州市惠城區惠州大堤(北堤)的保護范圍內，為東江河谷平原區，集雨面積為17.12 km2，河道平面干流河長8.3 km，該河涌無實測流量觀測站，流域范圍內城市化程度高，為典型城市河涌。本文以望江瀝河涌為例，采用SCS水文模型，根據遙感衛片提取流域下墊面地類信息，通過劃分子流域分區匯流計算望江瀝出口處的設計洪水流量，研究不同下墊面條件的洪水效應，并將計算成果與傳統計算方法進行對比分析。本研究為無徑流觀測資料城市河涌設計洪水計算提供了新思路，同時可供城市河涌防洪排澇規劃設計參考。

1 SCS水文模型設計流量計算

降雨徑流模擬分為產流計算和匯流計算。本文將望江瀝流域根據匯水口劃分若干子流域(集雨面積在1.5 km2以內)，采用SCS模型計算子流域產流量，考慮洪水的坦化和滯后作用；同時通過遙感衛片提取的流域下墊面地類信息給定模型的CN值，將計算得到的子流域出口流量輸入河涌一維水流數學模型，從而計算得到望江瀝流域出口流量過程。

1.1 SCS模型原理

SCS模型是小流域設計洪水模型[12]，該模型綜合考慮了流域降雨、土壤類型、土地利用方式、前期土壤濕潤狀況與徑流的關系。模型假定地面徑流量與潛在徑流量之比等于流域實際入滲量和最大入滲量之比，即：

(1)

式中：F為流域實際入滲量，mm；S為流域最大入滲量，mm；Q為地面徑流量，mm；P為降雨量，mm；Ia為初損雨量，mm。

根據水量平衡原理有：

P=Ia+F+Q

(2)

從而推算得到最終表達式為：

(3)

式中：Q為徑流量，mm；P為一次降雨的降雨總量，mm；S為流域當時的可能最大滯留量，mm。模型設計者引入下式以確定S：

(4)

式中：CN(Curve number)是一個無量綱參數。CN值是SCS模型的主要參數，用于描述降雨-徑流關系，已將前期土壤濕潤程度(Antecedent moisture condition，簡稱AMC)、坡度、土壤類型和土地利用現狀等因素綜合在一起。CN值把流域下墊面條件定量化，用量的指標來反映下墊面條件對產匯流過程的影響。因此，CN值的意義并不限于作為SCS模型的一個重要參數，而是反映降雨前流域特征的一個綜合參數，可以間接地綜合反映人類活動對徑流的影響，也在水文模型參數確定和遙感信息使用之間建立了直接聯系，為解決無資料地區的徑流估算提供了新的手段。

1.2 CN值確定方法

CN值在SCS模型中描述降雨-徑流關系，反映了流域下墊面單元的產流能力。根據模型含義，CN值為土地利用類型、土壤類型、前期土壤濕潤程度等下墊面因素的函數。一般地說，在降雨一定的條件下，產流量較大的土地利用類型、土壤類型、前期土壤濕潤程度,其CN值較大，反之亦然。因此，確定望江瀝流域的CN值是徑流模擬的首要任務。

在理論上，CN取值介于0～100之間，但在實際條件下，CN值在30～100之間變化。根據土壤特性不同，可將土壤劃分為A、B、C、D 4大類，并由此確定其CN值，其主要特征見表1。

表1 水文土壤組定義指標

SCS模型有其特有的土壤分類系統。本文以區域土壤分類方法和土壤分類圖為基礎，對原有土壤分類進行了對應歸并，得到了符合SCS模型的土壤分類結果。因土壤屬性較穩定，將土壤分類結果作為不變值，用于模型計算中。CN值同樣受降雨前的流域內土壤濕潤程度的影響。SCS模型將土壤濕潤程度根據前5 d的總雨量劃分為3類，分別代表干、平均、濕3種狀態(AMCI、AMCII、AMCIII)，不同濕潤狀況的CN值有相互的轉換關系。最終根據SCS模型提供的CN值查算表，充分考慮區域自然條件,參考有關研究者[13]在SCS模型應用中所確定的CN值矩陣，確定了望江瀝流域CN值矩陣，見表2。

表2 望江瀝流域SCS模型CN值(AMCII)

1.3 子流域產流計算

收集望江瀝流域1∶10 000地形圖及排水管網圖，根據排水分區，將望江瀝流域劃分為28個子流域。結合高清衛星圖片提取各子流域下墊面類型和SCS模型CN值，獲得望江瀝流域各子流域土地利用面積和綜合CN值，詳見圖1。

利用《廣東省暴雨徑流查算圖表》選用東江中下游3 d設計雨型(暴雨時段分配)，再利用暴雨參數可算出不同頻率下最大3 d設計暴雨過程。將3 d設計暴雨過程作為SCS模型輸入，計算各子流域產流過程。根據廣東省綜合單位線的相關成果，子流域洪水坦化系數取0.75，按廣東省洪峰流量經驗公式，滯后時間t=0.36×河長^0.68，設計頻率P=5%的各子流域計算成果見圖2。

圖1 望江瀝流域各子流域綜合CN取值

1.4 匯流計算

1.4.1 匯流計算方法

匯流計算建立望江瀝河涌一維水流數學模型，一維水動力計算模型是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態。

(5)

(6)

式中：x、t分別為計算點空間和時間的坐標;A為過水斷面面積；Q為過流流量；h為水位；q為旁側入流流量；C為謝才系數；R為水力半徑；α為動量校正系數；g為重力加速度。

圖2 設計頻率P=5%的各子流域計算成果

1.4.2 參數取值

(1)河道斷面地形資料。望江瀝河道斷面地形資料采用本次用本次整治后設計河道斷面，東江河道斷面地形資料采用2012年的實測資料。

(2)糙率的確定。考慮到整治后的斷面襯砌護坡方式不同，整治后的糙率結合本河道整治后實際情況取值。河道整治后兩岸大部分岸坡采用草皮護坡，并結合景觀分布有灌木、景石等，按天然河道清潔、順直、無沙灘、無潭、有草石情況取值0.032。

(3)河道斷面的劃分。望江瀝河道斷面地形資料采用本次用本次整治后設計河道斷面，共劃分了30個斷面，平均斷面間距約180 m。

1.4.3 計算結果

以各子流域出口流量過程作為一維水流模型匯入源，計算流域徑流在河涌的匯流至流域出口過程。各來水頻率下的設計洪峰流量見表3。

表3 SCS模型設計洪峰流量

2 流域下墊面變化洪水效應

望江瀝流域受人類活動影響較大，隨著城市化的發展，城市用地面積不斷擴大。依據衛星遙感圖片統計，望江瀝流域集雨面積內城市用地面積高達60%，濕地和水體的面積不足5%，因此，該流域已經不是完全的自然流域特性，流域產匯流特性發生了相應變化，應用傳統的綜合單位線和推理公式法在推求城市化進程明顯的區域設計洪峰流量可能存在偏小現象。因此，擬對流域不同下墊面條件對徑流變化進行敏感性分析。

2.1 情景構建

為分析城市化對洪水的響應程度，以城市用地面積為主要情景構建因素，按從無城市用地以10%的比例逐漸遞增的原則，以情景分析方法構建7種情景，見表4。

2.2 洪水響應分析

依據不同下墊面情景類型和3 d設計降雨過程作為SCS模型輸入，再經望江瀝干流水動力學模型匯流演算，計算不同來水頻率條件下望江瀝流域出口設計洪水過程，其中設計頻率P=5%的流域不同下墊面情景的計算成果見圖3。

隨著城市化發展，流域下墊面的“硬化”作用，導致降雨截留和土壤下滲減少，地表匯流加快，洪水陡漲陡落。數據分析表明，洪峰流量與城市用地面積呈正相關；隨著城市用地面積較少，耕地、林地和灌草地面積增加，接近天然流域下墊面情景。

表4 望江瀝流域下墊面變化情景構建

圖3 設計頻率P=5%的流域下墊面變化的洪水計算成果

以洪峰流量為主要分析因子，不同來水頻率下的下墊面變化洪水效應見圖4。從圖、表可知，隨著城市用地面積增加，洪峰流量相應增加，呈現明顯正相關。根據敏感性分析公式，洪峰流量變化率/城市用地變化率的值在0.2以內，屬于不敏感變化。當城市用地面積比例由現狀的61%下降至10%以下，耕地、林地和灌草地面積比例上升至80%以上，此時望江瀝流域下墊面接近自然流域特性，各來水頻率下的設計洪峰流量相對現狀減少20 m3/s左右，平均減少15%。

3 設計洪水成果合理性分析

3.1 與徑流系數法的對比分析

CN值是SCS模型降雨產流計算的主要參數，用于描述降雨-徑流關系，為驗證SCS模型產流計算成果，本研究采用徑流系數法進行對比分析。

徑流系數法主要參數是不同下墊面類型的面積和徑流系數，同時考慮滯蓄能力。下墊面類型的面積見表5，參考了《城市排水工程規劃規范》、《室外排水規范》等文獻，確定了望江瀝流域下墊面的徑流系數和滯蓄能力，其中滯蓄能力是指當降雨量累積到一定水深才能產生徑流，主要影響降雨徑流過程的前期。

圖4 不同來水頻率下的下墊面變化流域洪峰流量響應曲線圖

表5 下墊面類型的主要參數

選取P=5%設計暴雨過程作為輸入，以子流域1～2為例，采用徑流系數法計算設計暴雨在分塊面積上的產流量與SCS模型的對比，徑流過程見圖5，徑流系數法和SCS模型兩種方法模擬降雨產流的效果統計指標見表6。由表6可知，徑流系數法模擬結果相對SCS模型偏大，退水階段兩種方法模擬結果基本一致，兩種方法確定系數高達0.97以上，洪峰誤差13%以內，兩種方法模擬效果是一致的，SCS模型方法計算基本合理。

圖5 徑流系數法與SCS模型在子流域上產流量對比(P=5%)

3.2 與綜合單位線、推理公式法的對比分析

SCS模型計算成果與傳統設計洪水計算方法對比見表7，如表7所示，SCS模型計算設計洪水成果相對傳統方法(綜合單位線法及推理公式法)大20%，這主要是由于SCS模型充分考慮了下墊面變化，匯流較快，洪峰流量較大。

表6 徑流系數法和SCS模型兩種方法模擬統計指標

表7 SCS模型計算成果與傳統設計洪水計算方法對比

從望江瀝流域內土地利用類型來看，流域內城市用地和裸地的面積比例占整個流域的66.8%，且集中分布在流域中下游，流域內排水管網密布，流域的城市化作用明顯。對于傳統應用于自然流域的綜合單位線和推理公式法在推求城市化進程明顯的區域設計洪峰流量可能存在偏小現象。基于SCS模型耦合水動力學方法在產流計算方面充分考慮流域下墊面變化的因素，產流計算相對合理。

4 結 論

對于城市河涌，由于城市化的下墊面與自然地貌差異較大，傳統計算方法無法反映城市下墊面復雜暴雨產匯流過程。本文以惠州望江瀝河涌為例，基于SCS水文模型計算了城市河涌設計洪水，并與傳統設計方法進行對比分析，形成主要結論如下：

(1) 將望江瀝流域根據匯水口劃分若干子流域(集雨面積在1.5 km2以內)，采用SCS模型計算子流域產流量，考慮洪水的坦化和滯后作用；同時通過遙感衛片提取的流域下墊面地類信息給定模型的CN值，將計算得到的子流域出口流量輸入河涌一維水流數學模型，從而計算得到望江瀝流域出口流量過程。該方法能充分考慮流域下墊面對水文模擬的影響，在定量分析區域人類活動對水量影響分析以及流域分布式水文模擬上進行推廣和應用。

(2)隨著城市用地面積增加，望江瀝河涌洪峰流量相應增加，呈現明顯正相關。根據敏感性分析公式，洪峰流量變化率/城市用地變化率的值在0.2以內，屬于不敏感變化。當城市用地面積比例由現狀的61%下降至10%以下，耕地、林地和灌草地面積比例上升至80%以上，此時望江瀝流域下墊面接近自然流域特性，各來水頻率下的設計洪峰流量相對現狀減少20 m3/s左右。

(3)SCS模型計算設計洪水成果相對傳統方法(綜合單位線法及推理公式法)大20%，這主要是由于SCS模型充分考慮了下墊面變化，匯流較快，洪峰流量較大；從望江瀝流域內土地利用類型來看，流域內城市用地和裸地的面積比例大，且集中分布在流域中下游，流域的城市化作用明顯。對于傳統應用于自然流域的綜合單位線和推理公式法在推求城市化進程明顯的區域設計洪峰流量可能存在偏小現象。基于SCS模型耦合水動力學方法在產流計算方面充分考慮流域下墊面變化的因素，產流計算相對合理。

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