基于SCS—CN和GIS的潛在集雨工程位置確定

摘 要：合理開(kāi)發(fā)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(jì)算流域地表徑流量；應(yīng)用RS技術(shù)獲取土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，在GIS軟件平臺(tái)下對(duì)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、土壤類型、地表徑流量及數(shù)字高程等空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；根據(jù)雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范和坡面集水蓄水工程建設(shè)一般的選址要求，構(gòu)建集雨工程位置選擇的約束集；結(jié)合空間信息和屬性數(shù)據(jù)及約束集，在GIS軟件平臺(tái)下確定潛在的集雨工程的位置。得出結(jié)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(jié)果可用于指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐乇韽搅髻Y源的科學(xué)利用，為山區(qū)流域綜合治理和集雨工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SCS-CN；地理信息系統(tǒng)；徑流潛力；集雨工程；潛在位置

中圖分類號(hào)：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xiàng)目：北京市門(mén)頭溝區(qū)流域治理專項(xiàng)資金項(xiàng)目（YSLY2011016）

作者簡(jiǎn)介：郭曉輝（1979-），女，河南洛陽(yáng)市人，工程師，研究方向?yàn)橛旰槔谩⒘饔蚓C合治理。

通訊作者：王秀茹

雨水是一種重要的水資源，通過(guò)實(shí)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(lái)，出現(xiàn)了針對(duì)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(shù)據(jù)[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(xiàn)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(guī)劃和設(shè)計(jì)[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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模擬精度高及對(duì)輸入數(shù)據(jù)參數(shù)要求不是很高等特性，適用于確定區(qū)域不同下墊面特征的徑流量[6-8]，被廣泛應(yīng)用于潛在集雨工程位置確定。運(yùn)用SCS-CN模型計(jì)算徑流量時(shí)所需的地表信息數(shù)據(jù)常通過(guò)地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）等技術(shù)手段進(jìn)行采集。遙感技術(shù)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(shù)據(jù)來(lái)源有LANDSAT、SPOT及SRTM等。地理信息系統(tǒng)是處理下墊面數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段，特別是GIS的疊置和分析工具，通過(guò)對(duì)土地利用現(xiàn)狀和土壤類型及地形數(shù)據(jù)的處理，能夠得到分布式水文模型所需參數(shù)數(shù)據(jù) [9-10]。近年來(lái)，出現(xiàn)了不少采用水文模型，結(jié)合遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，從徑流量、坡度及社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(wǎng)水系，對(duì)集雨工程位置的確定至關(guān)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(biāo)（如農(nóng)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(shù)。

該文運(yùn)用SCS-CN計(jì)算地表徑流潛力，采用遙感技術(shù)對(duì)LANDSAT數(shù)據(jù)矯正、解譯后，得到流域地表土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；在地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)下，運(yùn)用水文分析模塊對(duì)地形圖數(shù)據(jù)處理后得到流域河網(wǎng)水系、坡度，并進(jìn)行集水區(qū)劃分；以用水目標(biāo)建立多重緩沖區(qū)，進(jìn)而確定一定距離范圍內(nèi)的集雨工程；在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)下綜合處理河網(wǎng)水系、坡度、集水區(qū)及徑流潛力等數(shù)據(jù)，根據(jù)坡面集水蓄水工程和雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范對(duì)選址參數(shù)的要求，構(gòu)建集雨工程位置選擇約束集，在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)下確定流域潛在的集雨工程位置。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市門(mén)頭溝區(qū)西部的清水河流域上游，面積533.65km2，經(jīng)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(fēng)氣候，年平均氣溫東部平原11.7℃，年蒸發(fā)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(xiàn)；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(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)

（1）1990年～2010年水文、氣象數(shù)據(jù)，來(lái)源于北京市門(mén)頭溝氣象局；

（2）L7slc-off衛(wèi)星影像（衛(wèi)星：LANDSAT7；條帶號(hào)：125，行編號(hào)：27；2010-11-02），數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//datamirror.csdb.cn）；

（3）土壤類型及土壤質(zhì)地圖（ 比例尺1∶50000，2010-06），數(shù)據(jù)來(lái)源于北京市土肥信息網(wǎng)（http：//www.bjtf.org/）；

（4）ASTGTM_N39E115C數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)（空間分辨率：30m，2009），數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//datamirror.

csdb.cn）。

2.2 方法

2.2.1 徑流潛力計(jì)算 運(yùn)用SCS-CN計(jì)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(qū)域參數(shù)（0.1≤λ≤0.3），主要受地質(zhì)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(jì)算公式為：

S=25400/CN-254 （2）

式中：CN值為無(wú)量綱參數(shù)，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(jié)合降雨量和蒸發(fā)量確定AMC，結(jié)合土壤和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，CN值取值范圍為0～100[16]，結(jié)合研究區(qū)實(shí)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(tǒng)確定潛在集雨工程位置方法如下：首先，運(yùn)用RS軟件（Erdas imagine 9.1）對(duì)遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)、校正及解譯處理后得到土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；運(yùn)用GIS軟件（ArcGIS 10）對(duì)土壤類型和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、矢量化、坡度和集水路徑提取，得到土壤類型、土地利用現(xiàn)狀、坡度、河網(wǎng)水系及子流域數(shù)據(jù)；其次，結(jié)合流域降雨數(shù)據(jù)，運(yùn)用SCS-CN估算地表徑流量，并在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)下分析其空間分布特征；最后，在地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)下以耕地、園地及居民地為目標(biāo)建立多重緩沖區(qū)，并與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)及徑流潛力數(shù)據(jù)進(jìn)行求交（intersect）分析，結(jié)合水系圖、集水區(qū)及集雨工程位置選擇約束集進(jìn)行選擇分析，得到潛在集雨工程位置。研究流程見(jiàn)圖1。

3 結(jié)果與討論

3.1 專題數(shù)據(jù)處理及結(jié)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(shù)。采用SCS-CN進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，首先確定參數(shù)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(jí)，分別代表干（AMCⅠ）、平均（AMCⅡ）及濕（AMCⅢ）3種狀態(tài)；將水文土壤組分為A、B、C、D四種類型。前期土壤濕度：根據(jù)研究區(qū)多年月平均降雨量，結(jié)合所依托課題土壤含水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和蒸發(fā)量結(jié)果，劃定6月～8月為平均（AMCⅡ）狀態(tài)，1月-5月及9月～12月為干（AMCⅠ）狀態(tài)。土地利用：利用L7slc-off衛(wèi)星影像提取土地利用信息，選用5、4、3波段進(jìn)行波段組合，配以紅、綠、藍(lán)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(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，形成三個(gè)組分的影像數(shù)據(jù)，用于自動(dòng)識(shí)別分類。處理過(guò)程分三步：（1）影像配準(zhǔn)和幾何精校正；（2）波段的選擇和紅、綠、藍(lán)假彩色合成；（3）圖像增強(qiáng)處理。將假彩色影像在ArcGIS 10軟件平臺(tái)下進(jìn)行解譯，得到土地利用矢量數(shù)據(jù)。水文土壤組：采用ArcGIS 10軟件對(duì)土壤類型圖（1：50000）配準(zhǔn)后進(jìn)行矢量化，根據(jù)土壤下滲率及其質(zhì)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(xiàn)狀和HSG類型數(shù)據(jù)；通過(guò)查詢美國(guó)國(guó)家工程手冊(cè)第4章給定CN參考值并結(jié)合既有研究成果[17，18]，確定AMCⅠ、AMCⅡ狀態(tài)下不同土地利用類型-HSG組合對(duì)應(yīng)的CN值，代入公式（4）和（3），得到年徑流量Q，結(jié)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(tái)下，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，將徑流潛力劃分為三個(gè)等級(jí)，分別是低（<20%）、中（20%～40%）、高（>40%），徑流系數(shù)等級(jí)為高的占集水區(qū)總面積的64.5%，等級(jí)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(yùn)動(dòng)，是確定集雨工程位置的重要參數(shù)。研究區(qū)坡度圖由數(shù)字高程模型（DEM）生成，將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arcgis 10，利用水文分析模塊（Hydrology）提取坡度參數(shù)；并進(jìn)行等級(jí)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(qū) 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(qū)域和關(guān)鍵參數(shù)。采用Arcgis 10軟件中的水文分析模塊（Hydrology）對(duì)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)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(qū)空間分布圖，并將水系和集水區(qū)分成4個(gè)等級(jí)（圖3）。

3.2 集雨工程位置確定

通過(guò)分析徑流潛力空間分布圖、坡度、水系及集水區(qū)劃分圖，結(jié)合已有集雨工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，研究區(qū)適宜實(shí)施的集雨工程類型有蓄水池、攔水壩及大口井。根據(jù)雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范和坡面集水蓄水工程建設(shè)對(duì)集雨工程一般選址的要求，構(gòu)建約束集，用來(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)等條件 [11-13]，除上述條件外，該文還考慮了山區(qū)流域的土地利用現(xiàn)狀圖、徑流潛力分布圖及水系、需水目標(biāo)距集雨工程的適宜距離。

研究區(qū)居民點(diǎn)分布分散，耕地、園地等需水目標(biāo)主要分布在居民點(diǎn)周圍；研究區(qū)位于山區(qū)流域，地形起伏大，集蓄的地表徑流不利于遠(yuǎn)距離輸送，因此，對(duì)集雨工程的位置與需水目標(biāo)的適宜距離進(jìn)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(jí)的節(jié)點(diǎn)位置，距耕地、園地和居民點(diǎn)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(qū)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(nóng)田灌溉用水、人畜飲水或?qū)Φ叵滤a(bǔ)灌，距需水目標(biāo)，如耕地、園地及居民區(qū)距離小于宜200 m。綜上所述，構(gòu)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(guī)格參數(shù)（表3）。

在Arcgis 10軟件平臺(tái)下，對(duì)徑流潛力、坡度及集水區(qū)數(shù)據(jù)求交（intersect），并以土地利用類型中的農(nóng)用地和居民區(qū)為目標(biāo)建立200 m、500 m、1 000 m的緩沖區(qū)，結(jié)合水系圖及集雨工程位置選擇約束集綜合分析，選擇同時(shí)滿足約束集中參數(shù)值的區(qū)域（圖5），結(jié)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(guān)參數(shù)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(jí)的劃分，由于不同區(qū)域降水量的差異，需要對(duì)徑流量等級(jí)的劃分進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)論

該文運(yùn)用分布式水文模型SCS-CN和GIS技術(shù)，得到研究區(qū)不同下墊面類型的徑流量以及其空間分布、土地利用現(xiàn)狀、坡度分級(jí)、集水路徑及集水區(qū)等級(jí)等空間信息數(shù)據(jù)；采用ArcGIS 10軟件對(duì)空間信息數(shù)據(jù)綜合處理和分析，結(jié)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(jié)論如下：（1）研究區(qū)大部分區(qū)域具有較高的徑流潛力，徑流系數(shù)等級(jí)為高的占集水區(qū)總面積的64.5%，等級(jí)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(jié)果可有針對(duì)性的指導(dǎo)當(dāng)?shù)赜晁Y源的開(kāi)發(fā)利用，為流域綜合治理和集雨工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

該文采用分布式水文模型SCS-CN、遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)及地理信息系統(tǒng)確定集雨工程潛在位置和相關(guān)參數(shù)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(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該文所采用數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)精度存在誤差，對(duì)提取到的坡度和子流域的精度有一定影響[19]，對(duì)集雨工程位置的確定精度有不利影響。因此，怎樣在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)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(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：吳 婷）