基于ArcGIS的山區小流域SCS-CN法徑流研究

葛怡君

(陽光學院，福建 福州 350015)

1 引言

山區流域在持續降雨或暴雨下產生的地表徑流易形成山洪，誘發泥石流，給人民生命財產造成損失[1]。因此，研究山區流域因降雨產生的地表徑流，對預防山洪及其次生災害的防護與應急管理十分重要。然而，山區地勢陡峭起伏，有多樣的蓄水、保水植被，在研究降雨地表徑流時需要精確的地理特征值。利用地理信息系統(GIS)強大的空間分析能力，基于數字地形模型(DEM)可以精確地提取流域水文特征值，這一方法已被成熟地用于地表徑流分析[2]。如劉武等[3]用ArcGIS自動生成降雨徑流等值線,替代了傳統的手工繪制降雨等值線過程,增加了計算精度。

在徑流研究中，徑流曲線法(SCS)是國際上預測無徑流觀測資料地區降水地表產流的主要方法[4]。陳俊明[5]基于SCS法對福州城區計算其地表產流強度的空間分布,進行成災風險空間劃分；SVerma等[6]考慮了活化土壤水分，開發了ASMA-SCS-CN法模擬降雨徑流過程。

許多學者在水文研究時同時使用ArcGIS與SCS-CN法，如張越[7]在對陜西省榆林市子洲縣做山洪災害風險評價時先利用ArcGIS軟件得到災害風險等級分布結果，然后利用SCS-CN模型模擬地表徑流量。陳思[8]基于SCS產流模型、暴雨強度公式、芝加哥降雨過程線模型，以及基于GIS的局部等體積淹沒方法,構建了城市內澇過程模擬模型。然而，對于土地情況復雜的山區小流域，如何利用ArcGIS技術獲得SCS-CN法建立降雨徑流模型時所需的重要且單一參數、CN未詳細闡明。

CN值是SCS-CN法的唯一參數，是影響降雨徑流模型準確性的關鍵因素。本文基于前人研究成果，以意大利某山區小流域為例，應用ArcGIS對流域內部復雜的土地狀況進行分析和地理數據處理，獲得流域的總體曲線值CN，建立SCS-CN模型對產流階段的地表徑流進行分析，可為具有復雜土地情況的山區小流域的徑流研究提供參考。

2 研究區域概況

Trebbia河位于意大利西北部，全長118km，平均流量為40m3/s，面積為1000km2。本文對Gorreto村附近的流域進行降雨徑流的研究。研究流域的降雨數據為當地氣象站點提供的2015年9月13日上午8時30分起至9月14日上午4時15分內每間隔15min的降水量資料。

使用ArcMap軟件工具計算研究流域的數字地形模型圖(DTM)，得出流域的主要特征為：研究流域總面積為8km2,周長為12.04km。

3 流域曲線值CN計算

3.1 流域不同入滲條件區域CN值的確定

為了準確模擬流域中發生的入滲過程，最常用的方法就是定義研究區域內的每種土地用途相對應的CN值。對流域內不同土地區域的劃分編號,根據流域內不同編號的區域根據其自身土地利用情況，植被覆蓋以及如表1所示的水文土壤群HSG等級，確定各區域的CN值如表2所示。

根據表2中研究流域不同區域的CN值，在ArcMap可繪制出CN值地圖如圖1所示。

表1 SCS-CN模型中的HSG

表2 各區域CN值與分類

圖1 CN值地圖

3.2 流域總體CN值的確定

建立降雨徑流模型，需要求出一個研究流域總體的CN值。因此，利用式(1)對表2中的CN值求解加權平均值。

(1)

式(1)中:CNT為流域曲線值；AT為流域總面積，m2;Ai為流域各分區面積m2;CNi為各分區的CN值。

將圖1中應用ArcGIS提取的各個分區的周長與面積數值代入式(1)的計算結果如表3所示，研究流域總體CN值為63。

3.3 SCS-CN徑流曲線法

凈降水量是降水的一部分，它不會保留在表層或滲入土壤，即為徑流。本文使用了美國土壤保護局(現為NRCS)提出的SCS-CN法[9]計算徑流。

基于所得降雨資料，可通過以下公式計算徑流：

(2)

式(2)中:Q為凈降水量 (徑流)，mm；P為累計降水量，mm；Ia為初損,mm,即為被土壤植被截取或入滲的水量，其值由CN值得出,假設:

Ia=0.2×S

(3)

式(3)中S為最大蓄水量，mm。

(4)

利用表3中計算的CN值(CN = 63)代入式(4)計算得到S，再將S代入式3中得到Ia，將Ia、S與研究流域的降雨資料中的累計降水量P代入式(2)，可得到研究流域的降雨徑流模型如圖2所示，直觀地展示了降水量，累積降水量和徑流量隨時間的變化。

根據模型結果，可見降水集中在后半段，最終累計降水為314.4mm，所對應的徑流量為186.70mm。此時，徑流與總降水量之間的比值為0.59，即研究流域約60%的總降水量轉換為徑流，轉換能力較大，在持續降雨與暴雨天氣時需注重山洪的防護。

表3 流域分區的CN值

圖2 SCS-CN法結果

4 結論

使用ArcGIS工具可對復雜土地情況的山區小流域進行內部區域劃分和CN地圖繪制，由地圖中提取的各區域特征值計算出流域總體CN值代入SCS-CN法計算，得到降雨徑流模型對流域徑流進行估算分析。解決復雜山區小流域內部CN值不一的問題，提高SCS-CN法的參數精度和結果的可靠性，為類似情況的山區小流域產流研究提供參考。ArcGIS是水文分析的有效工具，其在產流階段后的匯流階段中可發揮的作用有待進一步的探究。