SCS模型在山地丘陵地區山洪預警中的應用

馬進

摘要 基于洛陽地區洛河流域防汛防洪研究，應用徑流曲線模型SCS反映不同土壤和地面覆蓋條件影響產流的特征。此方法簡潔實用，適合在洛陽丘陵山區缺少水文資料的中小流域氣象災害預警業務中使用。本文以洛陽地區洛河流域為研究對象，利用GIS技術結合SCS模型確定CN值和徑流量的空間分布特征，與山地丘陵道路、景點和礦區分布結合，可為山地丘陵地區的旅游、采礦提供山洪災害風險決策服務。

關鍵詞 SCS模型；山洪預警；CN；徑流；山地丘陵地區

中圖分類號 S421 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0168-03

Abstract Based on the study of flood control of Luo River Basin in Luoyang area，the runoff curve model SCS was used to study characteristics of runoff generation under different conditions of covering soil and land. This method was simple and practical for the applying of early warning services for middle and small valley in Luoyang mountainous and hilly area with lack of hydrologic data. In this paper，taking the Luo River Basin in Luoyang area as the research object，combined GIS with the SCS model，the value of CN matrix and the spatial distribution of runoff were determined. With the addition of distribution of hilly roads，scenic spots and mining area，so as to provide decision-making services of mountain torrent disaster for tourism and mining in mountainous and hilly area.

Key words SCS model；flood warning；CN；runoff；mountainous and hilly area

由美國農業部水土保持局研究的徑流曲線模型（soil conservation service，SCS）用來估算資料稀少甚至無資料地區的徑流量和洪峰流量的經驗模型，該模型在降雨和徑流關系上考慮流域下墊面條件，預估降水與徑流的變化。洛陽地區以丘陵山區分布為主且中小河流較多，又受中小流域水文站資料限制，使精細化氣象災害預警十分困難；而SCS模型結構簡單，使用方便，能夠估算水文資料缺失的中小流域徑流量，十分適合在無水文資料的中小流域山洪災害預警分析業務中使用。

目前，國內有大量關于SCS模型的研究和應用。張 衛等[1]為了獲得適合紅壤地區的CN參數，利用江西省德安縣燕家溝流域觀測小區2001—2003年的降雨徑流資料反算CN。然后通過SPSS軟件對降雨量與CN參數進行回歸模擬，得到不同小區的CN模擬函數。周翠寧等[2]為研究北京城市化進程中降雨-徑流關系變化，在溫榆河流域應用SCS模型，對該流域部分實測次降雨-徑流過程及不同頻率年降雨-徑流進行模擬，得出SCS模型在溫榆河流域預測徑流是可行的，相同前期土壤濕潤程度及相同頻率降雨條件下，城市化水平越高，徑流量越大。王瑾杰等[3]以新疆博爾塔拉河上游溫泉流域為例，利用2013年融雪期18場次降雨量、日徑流量及衛星同步觀測基礎數據，基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表溫度-植被指數特征空間反演土壤水分等方法，分別利用參數算法改進后SCS模型與原SCS模型進行徑流模擬。鄭長統等[4]以GIS和RS技術作為獲取流域地貌類型、土壤類型和土地利用方式等空間信息的主要手段，運用實測降雨徑流資料對參數λ進行率定。嘗試通過對地貌結構與λ值關系的分析確定適合喀斯特流域的參數λ，從而建立起喀斯特流域SCS產流模型。

本文根據洛河流域防汛防洪研究需要，利用GIS技術確定洛河流域CN值矩陣和徑流量空間分布特征，為山地丘陵地區山洪預警分析業務服務提供決策依據。

1 SCS模型概述

1.1 SCS基本原理

SCS模型根據區域內土地利用方式、作物耕作方式、土壤類型、前期時段內土壤含水量及降水量等條件，計算區域內地表產流。此模型具有所需參數少、方法簡單、對降水觀測數據要求低等特點，在以后的使用中又對此模型進行演變[5]，美國SCS模型是通過大量實測資料分析得出，基本關系為：

式（1）中，F為實際后損（mm）；S為流域當時最大可能滯留量（mm）；Q為徑流量（mm）；P為降水量（mm）；Ia為初損（mm）。

再次發生降水后，流域內水量平衡方程為：

根據式（1）和式（2）可以得出SCS模型的產流計算公式，采用經驗關系公式Ia=0.2 S，得到常用的徑流方程[6-8]：

曲線數值CN（Curve Number）是根據流域內坡度、植被、土壤類型、土地利用情況等因素確定的一個綜合參數。由公式（3）可知，徑流量Q由降水量P和最大滯留量S決定，而最大滯留量S與區域內土壤類型、降水前土壤濕潤情況、土地利用情況等流域特征有關。S值隨不同流域特征變化而變化，較難取值。所以，SCS模型實際操作中經常通過一個綜合反映降雨前流域特征的無因次參數CN進行S值推求[9]。

S=25 400/CN-254（4）

1.2 參數CN值

流域內CN值在確定土壤類型、土地利用、降水前土壤濕潤情況后，可以根據美國SCS模型CN取值表確定[10]。

洛河流域內土壤類型主要為褐土和棕壤土，為確定CN值需先根據土壤水分的最小滲透率和土壤質地將土壤劃分為A、B、C、D 4類[11]（表1）；流域內前期土壤濕潤程度可參照AMC劃分為3級評判（表2）。綜合考慮流域內前期土壤濕度狀況、水分土壤特征和土地利用，在CN表中查找流域內該處的CN值。并通過公式（5）（6），在已知AMC II條件下的CN值，分別求出AMC I、AMC III條件下的CN值（表2）。

CN I =4.2 CNⅡ/（10-0.058 CNⅡ）（5）

CN Ⅲ=23 CNⅡ/（10+0.13 CNⅡ）（6）

2 基于GIS的SCS模型應用

2.1 研究區域及數據來源

洛河源自陜西洛南縣西北部，東入河南經盧氏、洛寧、宜陽、洛陽、至偃師納入伊河。所研究區域位于河南省洛陽市境內的洛河流域（圖1）。本研究數據來源：洛陽境內洛河流域內洛寧、宜陽縣氣象區域站點的氣象觀測數據；河南省1∶5萬DEM高程數據；由國家地球系統科學數據共享平臺提供1988年河南省1∶20萬土壤類型數據；洛陽境內土地利用數據及洛陽市基礎地理信息數據。

2.2 模型應用

本研究利用GIS技術，運用SCS模型對流域內徑流量進行估算，并獲得流域內徑流量空間分布圖（圖2～6）。具體流程：①使用DEM高程數據進行洛河流域的流域分析，確定所需研究的洛河流域區域邊界。②將1988年河南省1∶20萬土壤類型按照表3重分類為A、B、C、D 4類水文土壤類型。③將洛陽境內土地利用數據按照表3重分類為水田、旱地、園地、草地、林地、居民用地6類。④分別選擇土壤類型和水文土壤2個專題，進行相關屬性的交叉計算操作。⑤根據美國SCS模型CN值表，將土壤類型和水文土壤2個專題交叉對應值重新賦予所對應的CN值，獲取AMC Ⅱ條件下的分布式CN值。⑥分別根據公式（4）（5），計算AMC Ⅰ和AMC Ⅲ條件下的CN值空間分布圖。⑦7月19日前5 d流域內累計降水在35～50 mm，根據表2判斷流域內土壤濕潤條件AMC Ⅲ。導入流域內2016年7月19日降水空間分布圖，根據公式（4）（5）計算出流域內徑流量。

3 結論與討論

SCS模型的應用已在水土保持、防洪、洪水、水利設施規劃等方面日趨成熟，并已經取得良好效果。該模型結構簡單、參數少，而且可以用于無資料地區。隨著現代空間技術的發展，SCS模型應用更加廣泛。CN值作為計算的敏感參數，通過經驗性的綜合反映確定會導致模擬值偏離實際值較大，區域參數的確定是實現區域徑流模擬精確預報的前提。例如，λ通常取0.2，該值來源于美國北部地區降雨-徑流觀測數據的推算，應用于其他地域的模擬精度則需要進行驗證[12]。

基于SCS模型的特點和業務預報的時效性考慮，SCS模型將向簡單化、實用化方向發展。結合GIS技術通過分析流域土壤類型、土地利用類型分布，獲取SCS模型中CN值分布特征，更好地反映了流域下墊面特征。將CN值矩陣和降水空間分布代入計算可以得到矩陣形式徑流量。未來將根據分布式徑流，研究流域內單位區域內的匯流量并且加以驗證，從而在山區、丘陵小流域地區應用SCS模型進行山洪預警。利用SCS模型CN矩陣能夠方便、快捷地提供決策服務。與流域內山地丘陵道路、景點和礦區分布相結合，可以為山地丘陵地區的旅游、采礦提供山洪災害風險決策服務。

4 參考文獻

[1] 張衛，張展羽，楊潔.SCS模型在紅壤土坡地降雨徑流量估算中的應用[J].水土保持通報，2014（5）：124-127.

[2] 周翠寧，任樹梅，閆美俊.曲線數值法（SCS模型）在北京溫榆河流域降雨-徑流關系中的應用研究[J].農業工程學報，2008（3）：87-90.

[3] 王瑾杰，丁建麗，張成，等.基于SCS模型的新疆博爾塔拉河流域徑流模擬[J].農業工程學報，2016（7）：129-135.

[4] 鄭長統，梁虹，舒棟才，等.基于GIS和RS的喀斯特流域SCS產流模型應用[J].地理研究，2011（1）：185-194.

[5] BOUGHTON W C.A review of the U SDA SCS curve number method[J].Journal of Soil Research，1989（27）：511-523.

[6] 王瑾杰，丁建麗，張成.普適降雨-徑流模型SCS-CN的研究進展[J].中國農村水利水電，2015（11）：43-47.

[7] 魯華鋒.SWMM模型中SCS-CN選取在安徽省的適用性研究[J].中國農村水利水電，2014（9）：87-89.

[8] 張建云，何惠.應用地理信息進行無資料地區流域水文模擬研究[J].水科學進展，1998，9（4）：345-350.

[9] 符素華，王向亮，王紅葉，等.SCS-CN徑流模型中CN值確定方法研究[J].干旱區地理，2012（3）：415-421.

[10] MISHRA S K，SINGH V P.Validity and extension of the SCS-CN method for computing infiltration and rainfall-excess rates[J].Hydrological Processes，2004，18（18）：3323-3345.

[11] 李潤奎，朱阿興，陳臘嬌，等.SCS-CN模型中土壤參數的作用機制研究[J].自然資源學報，2013（10）：1778-1787.

[12] 岳健敏，張金池，莊家堯，等.南京毛竹林小流域SCS-CN方法初損率λ取值研究[J].中國水土保持科學，2015（5）：9-15.