基于SCS-CN模型的烏魯木齊市水資源預測研究

楊愿玲

（烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000）

地表徑流是水循環過程重要組成部分，也是干旱荒漠帶生態可持續演替的關鍵因素之一，地表徑流資源的估算對平衡綠洲水資源用水結構與供需具有重要意義。SCS-CN水文模型是建立于大量的流域水文徑流數據基礎上的經驗模型之一[1]，模型考慮了區域地表覆被-土壤-氣候等綜合要素，根據不同地區地理特征差異給出相關參數，其計算流程簡易，在縣域[1]、景觀[2]、樣方[3]等尺度上均取得成功應用。

烏魯木齊地處我國西北與中亞地區聯結的節點上，深居歐亞大陸腹地。受西伯利亞高壓控制，氣候干燥少雨，偶爾西風環流強勁帶來一定的海洋水汽，區域氣候冬季寒冷漫長、夏季炎熱短促，降水量約為194 mm。區域地下水發育良好、埋藏較淺，蘊藏量達0.77億m3，是區域生活用水重要來源之一；地表水資源主要來源于冰雪融水，達9.3億m3。本文以烏魯木齊市67年來地表徑流資源數據為基礎，建立烏市地表水資源SCS-CN預測模型，對烏市1951年～2017年徑流量進行預測。

1 SCS-CN模型原理

SCS-CN模型是美國科學工作者對全國5000多個流域的降水-徑流資源數據匯總統計分析建立的經驗模型，后為美國農業部水土保持局(USDA-SCS)廣泛推廣使用，在世界不同地區地表徑流資源預測中取得良好效果。該模型原理I，見下式:

式中:F為地表水分入滲量；S為潛在滯蓄能力；Q為地表徑流量；Ia為降雨量的初損；P為降雨量。

依據水量平衡公式:

原理II，初損量是土壤潛在最大滯蓄量的一部分，即:

式中:λ表示初損系數，是表征區域水文土壤綜合條件的無量綱參數，值域介于0～0.4之間；S為可由另一參數CN計算得來。

CN是區域水文-土壤-地形等綜合環境的表示參數，美國水土保持局基于全國地理環境特征進行歸類劃分，分成4個組分:A、B、C、D，其地表水資源滲透能力以此降低。CN值則基于本區環境現狀，參照《NationalEngineering Handbook》中的第九章土壤質地、土地利用、降水條件的描述查表先獲取CNII(一般條件下取值)，然后對照本區土壤含水量等性質，厘定其干旱條件下(CNI)、濕潤條件下(CNIII)的取值，計算公式如下[4～5]:

2 模型擬合度評價

為量化模型對地表徑流資源擬合精度，采用評價絕對誤差（MAE）、模型效率系數（RMSE）、皮爾遜相關系數（R）、等 3個指標進行精度評測。其計算公式如下:

式中:Fobs、Fpre分別為洪水過程實際值與模型預測值；n為時段數；MAE表征模擬值偏離實際值的情況，其值越大，表明模型信度越低。

式中:Fmean表示洪水過程量的平均值，Ef為模型效率系數，其值域小于1，當其越接近于1，說明模型模擬值與真值十分吻合，模型效率高，反之模型效率低。

R值介于-1～1之間，通常其越接近于1，表明預測值與實測值正相關性越好，模型精度越高。

3 資料來源與處理

以烏魯木齊市地表水資源為預測目標，其時間序列為1951年～2017年的年值數據。地表徑流為區域水資源中除去地下水與地表水中重復計算部分，并且不包含國境徑流量。通過Matlab編程完成預測，并運用Excel計算模型擬合度等相關參數。

4 結果與分析

4.1 區域地表徑流資源與降水量年值序列特征

如圖1所示，1951年～2017年烏魯木齊市地表水資源呈波動增加趨勢，其最高值為2017年的11.00億m3，最低值出現在1952年的7.99億m3，平均值為9.23億m3，變異系數達49.67%，屬于中等程度變異。地表水資源總量呈現明顯的增加趨勢，其傾向斜率為0.4989億m3/a，在0.05水平上顯著。烏魯木齊市近67年來降水量的變化形式為(y=0.5376x+153.93，R2=0.5871)，在0.05水平上顯著，表明區域降水量增加趨勢十分明顯，其中最低值出現在1966年，僅為144.43 mm，最高值為2012年的210.02 mm，平均值為172.38 mm。區域降水量增加的趨勢可能得益于全球氣候變化，導致北冰洋的西風環流增強帶來較多的水汽，這也一定程度上增加了地表徑流。相關性分析表明，二者之間的相關性系數達0.74(P＜0.05)，呈顯著正相關，表明區域降水量與地表徑流資源呈同頻變化。

圖1 1951年～2017年烏魯木齊市地表水資源與降水量隨時間變化趨勢

4.2 SCS-CN模型參數設置與運行結果

區域土壤中沙土、粘土含量超過40%，土壤透水性強，根據此等土壤性狀特征，以及全區低密度的植被覆蓋度，設置初損系數λ的取值為0.20。經查驗《美國國家工程手冊》第九章內容，確定區域土壤水文組為C類，土壤濕度為干旱條件，則其對應的CNII取值為78；將其帶入公式(6～7)進行計算，最后依據公式(3)，得到烏魯木齊市地表水資源預測值，其結果見圖2。不難發現，預測值與實際值十分吻合，其波動變化與綜合演變趨勢一致，表明該預測結果基本合理，具有一定可行性。

圖2 基于SCS-CN模型的烏魯木齊市地表水資源預測值

4.3 SCS-CN模型精度評價

為量化SCS-CN模型對烏魯木齊市地表水資源模擬精度，采用公式(8～10)中的方法，計算了相關的指示參數，并繪制烏魯木齊市地表水資源預測值與實際值相關性圖 (圖3)。可知，在95%的信度區間內，預測值與實際值相關性良好，相關系數R為0.946，R2為0.895，并且達到顯著水平 (P＜0.05)。另外，其MAE值為0.1785億m3，僅為平均水平的1.92%，RMSE為0.2145億m3，表明殘差極小。其模型效率系數表明，模型效率達0.793，接近于1，表明模擬效率高，擬合精度可靠，具有良好的適用性。

圖3 烏魯木齊市地表水資源預測值與實際值相關性

5 結論

中長期水資源預測是水資源管理與合理規劃的重要研究內容之一，鑒于水資源時間序列變化具有突變性、隨機性的特點，采用了SCS-CN生態水文模型，模型考慮了區域降水量這一重要的環境要素，因而能夠較好地擬合水資源變化趨勢。研究結果顯示，烏魯木齊市降水量與地表水資源均呈增加的同頻變化趨勢，該結果可為區域水資源管理工作提供借鑒。此外，SCS-CN模型結構簡易、可操性強，對烏市水資源預測精度高，值得推廣。