蘭州新區(qū)SCS徑流模型改進與應(yīng)用研究

張永明 蒲秉華 王鵬全

摘 要：近年來全國氣候異常，由強降雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害已成為城市經(jīng)濟快速發(fā)展面臨的嚴峻水問題之一。因此，以無水文資料地區(qū)——蘭州新區(qū)為研究區(qū)，開展降雨徑流過程模擬研究是十分必要的。首先根據(jù)黃河干支流區(qū)綜合概化時程分配雨型表、《甘肅省暴雨洪水圖集》，利用地方經(jīng)驗公式計算得到研究區(qū)不同頻率的產(chǎn)流量;其次借鑒相關(guān)研究成果，考慮地形地貌特征、下墊面情況，結(jié)合SCS徑流模型及DEM-GIS技術(shù)，劃分流域片區(qū)，以流域片區(qū)中各典型水文斷面為研究單元，構(gòu)建適合蘭州新區(qū)產(chǎn)流計算的模型參數(shù)，并運用LH-OAT方法對模型參數(shù)進行敏感度分析;最后通過對比地方經(jīng)驗公式法和SCS徑流模型的產(chǎn)流成果，經(jīng)科學(xué)分析后認為，模型模擬精度較為理想，符合蘭州新區(qū)實際降雨-徑流過程，推薦研究區(qū)采用SCS徑流模型計算成果。

關(guān)鍵詞：DEM-GIS技術(shù);SCS-CN模型改進;LH-OAT;無水文資料地區(qū);蘭州新區(qū)

Abstract：In recent years， the national climate has been abnormal and floods caused by heavy rainfall have become one of the severe water problems facing the rapid economic development of cities. Therefore， it is very necessary to carry out rainfall-runoff process simulation study with the area without hydrological data， i.e. Lanzhou New District as the research area. Firstly， according to the comprehensive generalized time-history distribution rain pattern table of the main and tributary areas of the Yellow River and the “Atlas of Storm and Flood in Gansu Province”， the local empirical formula was used to calculate the flow rate of the study area at different frequencies; secondly， the relevant research results were used for reference and considering the topographic and geomorphic characteristics and underlying surface conditions， combined with SCS runoff model and DEM-GIS technology the basin area was divided， and the typical hydrological sections in the basin area were used as the research unit， the model parameters suitable for the calculation of runoff generation in Lanzhou New Area were constructed and the LH-OAT method was used to conduct sensitivity analysis on model parameters; finally， by comparing the local empirical formula method and the runoff results of the SCS runoff model， scientific analysis concluded that the model simulation accuracy is relatively ideal， which is consistent with the actual rainfall-runoff process in Lanzhou New Area. Therefore， it is recommended to use the SCS runoff model calculation results in the study area.

Key words： DEM-GIS technology; SCS-CN model improvement; LH-OAT; area without hydrological data; Lanzhou New District

“自然-社會”二元因素對水文循環(huán)規(guī)律造成了很大影響，尤其近幾年，隨著暴雨強度不斷增大，不僅導(dǎo)致城市部分城區(qū)雨水集聚，而且對郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的群眾生命財產(chǎn)造成了不同程度的破壞，因此由強降雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害對城市的影響也成為現(xiàn)今重要的研究課題之一。蘭州新區(qū)徑流的主要來源為流域上游的天然砂溝，洪水主要由暴雨造成，具有峰高、量集中、來勢迅猛、歷時短、沖刷破壞性強的特點[1]，不僅對城市居民造成了較大的影響，而且對城市基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成了一定的威脅，因此蘭州新區(qū)面臨的防洪問題隨著時間的推移將會越發(fā)嚴重。目前蘭州新區(qū)沒有主要河道的歷史洪水資料，雨量觀測資料也十分缺乏，屬于無水文資料地區(qū)。

SCS模型是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局開發(fā)的小流域設(shè)計洪水模型，計算過程簡單，所需參數(shù)較少，資料易于獲取，尤其適用于資料缺乏地區(qū)，并且有效地考慮了流域下墊面的特點，是一種較好的計算小流域降雨徑流量的方法[2]。在我國，許多專家和學(xué)者將此模型應(yīng)用于小流域工程規(guī)劃、流域水土保持、城市徑流、無資料流域的徑流模擬等研究中[3]。筆者通過改進SCS模型，提出適合蘭州新區(qū)的模型參數(shù)，以期為今后蘭州新區(qū)產(chǎn)匯流計算提供一定技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況及資料

1.1 研究區(qū)概況

蘭州新區(qū)是全國第五個、西北地區(qū)第一個國家級新區(qū)，位于隴西黃土高原的西北部，屬青藏高原、內(nèi)蒙古高原和黃土高原的交匯地，南北長約73 km，東西寬約32 km，規(guī)劃總面積1 744 km2，地理坐標為北緯36°17′15″—36°43′29″、東經(jīng)103°29′22″—103°49′46″[4]。蘭州新區(qū)深居內(nèi)陸，屬于大陸性冷溫帶半干旱氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)無常年性天然地表徑流分布，主要溝谷有水阜河、咸水河、堿溝以及龔巴川，主要的水利設(shè)施有引大入秦工程、皋蘭縣西岔電力提灌工程西干渠和水庫。周邊低山及黃土丘陵植被很差，下墊面消納、蓄滯雨水能力較弱，降雨極易產(chǎn)生洪水。此外，蘭州新區(qū)所在流域并沒有主要河道的歷史洪水資料，雨量觀測資料缺乏，氣象信息監(jiān)測與自動傳輸設(shè)施缺位，無法為暴雨洪水的實時監(jiān)測和有效預(yù)警提供服務(wù)，再加上蘭州新區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)現(xiàn)狀防洪系統(tǒng)較為薄弱，若遭遇強暴雨量級的洪水，將面臨極大的洪水災(zāi)害。

1.2 實測水文資料

流域內(nèi)無降雨實測資料時，可采用周邊氣象站點實測資料進行插補。蘭州新區(qū)無任何實測徑流資料，產(chǎn)流計算依據(jù)附近永登、皋蘭、蘭州和中川機場等氣象站點暴雨資料以及《甘肅省暴雨洪水特性研究》（2003年）、《甘肅省暴雨洪水圖集》（1988年）、《甘肅省洪水調(diào)查》（第三冊，黃河流域）、《甘肅省水文圖集》等資料。

依據(jù)經(jīng)驗頻率和暴雨統(tǒng)計參數(shù)，按P-Ⅲ型理論頻率曲線分別對永登、皋蘭、蘭州、中川機場等4個雨量站最大24 h降雨系列進行頻率分析計算，適線均值不做調(diào)整，偏態(tài)系數(shù)CS=3.5CV，求得各站年最大24 h暴雨量，見表1。

2 基于DEM-GIS的水系分析

運用ArcGIS先后對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行填洼、流向分析、匯流累計量分析、河網(wǎng)提取與分級、流域盆地分割與確定，最終得到天然情況下以流域盆地和矢量河網(wǎng)作為背景的集水流域計算數(shù)據(jù)，并根據(jù)研究區(qū)土地利用規(guī)劃圖、蘭州新區(qū)水利建設(shè)規(guī)劃圖等資料，結(jié)合本次集水盆地分析，將蘭州新區(qū)劃分為西片區(qū)、北片區(qū)和盆地中心的城區(qū)（以不同底色加以區(qū)分），如圖1所示。因為蘭州新區(qū)徑流主要來源為流域上游的天然砂溝，洪水主要由暴雨造成，所以選取蘭州新區(qū)上游流域為研究對象，即出山口斷面和正路鄉(xiāng)斷面以北區(qū)域，并提取了各片區(qū)集水面積等流域參數(shù)，成果見表2。

3 經(jīng)驗公式產(chǎn)流計算

利用2004版《甘肅省暴雨特性研究》中點暴雨參數(shù)，結(jié)合流域降雨時—面—深關(guān)系、流域形狀系數(shù)曲線，將不同歷時的設(shè)計點暴雨量經(jīng)點面折減系數(shù)及形狀系數(shù)修正后，得到暴雨點面指數(shù)，計算得到不同頻率的設(shè)計面暴雨量，見表3。由于永登、皋蘭、蘭州、中川機場4個雨量站年最大24 h雨量綜合適線結(jié)果與通過《甘肅省暴雨特性研究》等值線圖查算流域重心處24 h雨量差異較小，同時考慮到《甘肅省暴雨特性研究》中等值線位置以及暴雨參數(shù)的確定是精準的、科學(xué)的、全面的，因此認為暴雨設(shè)計是合理的。

根據(jù)黃河干支流區(qū)綜合概化時程分配雨型表，結(jié)合《甘肅省暴雨洪水圖集》中各分區(qū)產(chǎn)流期平均入滲率，對北片區(qū)、西片區(qū)進行產(chǎn)流計算，結(jié)果見表4（下文將地方經(jīng)驗公式法得到的計算成果簡稱為對比產(chǎn)流量）。

式中：P為降雨總量，mm;R為徑流深，mm;Ia為初損量，即徑流開始前的損失量，主要包括蒸發(fā)、植被截留、地表填洼蓄水等，mm;S為流域當前最大可滯留量，mm，它是后損量的上限;λ為初損系數(shù)，是一個無量綱區(qū)域參數(shù)，λ>0。

由于S的變化范圍很大，不便于取值，因此引入無因次參數(shù)CN來推求S[6]。

CN是反映降雨前流域特征的綜合參數(shù)，反映流域前期土壤濕潤程度、坡度、植被、土壤類型和土地利用狀況的綜合特性，可以較好地反映下墊面條件對產(chǎn)匯流過程的影響[7]。

實際計算過程中，降雨量P為己知量，因此CN值的確定是建立SCS產(chǎn)流模型的關(guān)鍵。《美國國家工程手冊》在第四章中詳細列出了CN值查算表，按照土壤前期濕潤程度、土壤類型和土地利用方式，可查算CN值[8]。

5 模型的應(yīng)用

5.1 參數(shù)λ、CN的敏感性分析

為了定性了解參數(shù)λ、CN在蘭州新區(qū)西、北片區(qū)不同頻率下對產(chǎn)流模擬的影響，利用LH-OAT全局敏感度分析方法[9]對SCS模型進行參數(shù)敏感性分析，分析成果如圖2所示。

分析對比表明：在相同頻率不同水文控制斷面下，SCS模型的兩個參數(shù)中CN是最敏感參數(shù)，且隨著頻率的變化，兩參數(shù)的敏感性始終未發(fā)生改變，即CN>λ;CN、λ值的敏感性隨頻率的不斷增大呈現(xiàn)遞增趨勢;CN值的敏感性變化速率遠大于λ值的，同時隨著頻率的不斷變大，參數(shù)對SCS模型產(chǎn)流結(jié)果影響變大。SCS模型在蘭州新區(qū)運用過程中都是對CN值較λ值敏感，即CN值對SCS模型產(chǎn)流值影響較大。

5.2 CN值

在水文學(xué)中，CN值是一個無量綱參數(shù)[10]。SCS模型中參數(shù)CN使得最后的輸出結(jié)果對該參數(shù)高度敏感，CN值變化±10%就會引起徑流量計算結(jié)果分別變化55%、-45%[11]，因此CN的取值對于準確計算蘭州新區(qū)地表徑流量具有重要影響。利用MODIS衛(wèi)星遙感監(jiān)測土地利用類型，提取了2013年蘭州新區(qū)的土地利用類型，研究區(qū)主要土地利用類型有灌木、草地、基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)用地，見表5。根據(jù)Landsat 8衛(wèi)星觀測波段數(shù)據(jù)，結(jié)合NDVI公式計算植被覆蓋程度，利用2016年7月31日Landsat 8影像，計算出了研究區(qū)各類植被覆蓋面積占比，見表5。研究區(qū)土壤類型主要為灰鈣土（669.21 km2）、栗鈣土（133.16 km2）[12]，根據(jù)SCS模型土壤分類定義表和土壤前期濕潤程度等級劃分標準表，選定研究區(qū)土壤為B類土壤，并根據(jù)蘭州新區(qū)降雨稀少、蒸發(fā)強烈、風(fēng)大沙多等情況，選定研究區(qū)濕潤程度為Ⅱ類。

根據(jù)DEM-GIS技術(shù)提取的片區(qū)面積，考慮輸出成果對CN值的高度敏感性和參數(shù)本身的關(guān)鍵性，結(jié)合按不同植被覆蓋度查表得到的灌木、草地占研究片區(qū)面積的大小，運用面積加權(quán)平均法，計算得到能反映蘭州新區(qū)不同土地利用類型在各流域片區(qū)的平均CN值，分別為69.2、79.7。因為蘭州新區(qū)土壤類型絕大多數(shù)屬灰鈣土，僅有少量栗鈣土等其他土壤，且裸地面積占流域面積比例相對較小，不會對最后結(jié)果造成很大影響，所以裸地仍采用查表所得CN值，即86。調(diào)查蘭州新區(qū)主要農(nóng)作物耕種情況發(fā)現(xiàn)，作物主要分為直行種植、等高種植、等高耕種，查詢CN值查算表并求平均值后得到作物CN值，即76.3。這樣計算滿足了片區(qū)流域在空間上的差異，同時在一定程度上克服了降雨和下墊面條件在空間上的不均勻性對計算結(jié)果造成的影響。

為了解西片區(qū)、北片區(qū)整體下墊面情況，預(yù)測蘭州新區(qū)今后徑流變化趨勢，揭示蘭州新區(qū)土地利用變化條件下集水流域的降雨—徑流關(guān)系，通過面積加權(quán)平均法，計算得到了西片區(qū)、北片區(qū)綜合CN值，即77.3、77.9，見表6。

5.3 初損系數(shù)λ

初損量Ia受土地利用、耕作方式、灌溉條件、枝葉截留、下滲、填洼等因素的影響，它與土壤最大可滯留量S成正比關(guān)系，美國農(nóng)業(yè)部水土保持局在分析了大量試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了二者最合適的比值系數(shù)0.2[13]，即初損系數(shù)λ為0.2。鄧景成等[14]研究分析了位于黃土區(qū)楊青川流域的λ值并提出：草地最適宜的λ值為0.13、裸地最適宜的λ值為0.03。首先，參數(shù)λ=0.2主要適用于美國，導(dǎo)致SCS模型在研究區(qū)的應(yīng)用存在偏差和局限性;其次，我國地域遼闊，土壤土質(zhì)復(fù)雜多樣，特別在干旱區(qū)及半干旱區(qū)尤為明顯，相同土質(zhì)、不同地區(qū)的λ也可能存在較大差異，即λ=0.13、λ=0.03在研究區(qū)的直接使用會對模擬結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此，為使模型計算結(jié)果更加科學(xué)、可信、合理，必須對λ作進一步分析計算。

由于研究區(qū)植被主要為低矮稀疏的灌木草地，因此λ同CN的取值方法類似，通過加權(quán)平均法計算得到：西片區(qū)灌木草地面積與裸地面積的比值為7.18%，λ為0.123 6;北片區(qū)灌木草地面積與裸地面積的比值為2.46%，λ為0.129 8。

6 結(jié)果與分析

采用暴雨歷時為24 h的降雨量，模擬的蘭州新區(qū)各片區(qū)產(chǎn)流量（徑流深）見表7。

基于單因素方差分析方法[15]，逐一分析模擬產(chǎn)流量和對比產(chǎn)流量在相同斷面、不同頻率下總體平均值差異的顯著性，方差分析結(jié)果見表8。在置信度95%情況下，正路鄉(xiāng)斷面、出山口斷面ANOVA檢驗、Bonferroni檢驗、Homogeneity檢驗的Prob值均大于0.05，認為模擬產(chǎn)出值減去對比值為0，充分說明各斷面SCS模型模擬結(jié)果值和根據(jù)主雨峰外雨量同頻率放大所得到的結(jié)果值差異性不顯著，即SCS模型得到的產(chǎn)流結(jié)果基本符合蘭州新區(qū)實際降雨徑流情況。

由于研究區(qū)為無資料地區(qū)，缺乏長系列水文資料佐證最后結(jié)果，因此為更加了解兩種產(chǎn)流計算結(jié)果的優(yōu)劣性，提高單因素方差分析結(jié)果的可信度，增強SCS模型輸出值的科學(xué)性，將模擬產(chǎn)流量、對比產(chǎn)流量（用流量表示）分別與降雨量擬定回歸方程，結(jié)果如圖3所示。分析可得：正路鄉(xiāng)斷面、出山口斷面降雨量—流量回歸方程的斜率和相關(guān)系數(shù)的平方R2均是模擬產(chǎn)流量優(yōu)于對比產(chǎn)流量且相差較小，且模擬產(chǎn)流量小于對比產(chǎn)流量，可以認為模擬產(chǎn)流值精度高于對比產(chǎn)流值精度，同時也間接證明了單因素方差分析法所得成果的準確性。因此，SCS模型得到的產(chǎn)流量具有合理性、可靠性，模擬精度也較為理想。

7 結(jié) 論

運用DEM-GIS技術(shù)，根據(jù)蘭州新區(qū)土地利用類型、植被覆蓋程度，將SCS模型應(yīng)用于蘭州新區(qū)進行徑流模擬，得出的主要結(jié)論如下。

（1）利用LH-OAT全局敏感度分析方法，以蘭州新區(qū)西、北兩片區(qū)為背景，對SCS模型中參數(shù)CN、λ進行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)CN敏感度遠大于λ，且CN的敏感度變化速率也遠大于λ的。

（2）綜合考慮土地利用類型、植被覆蓋程度，結(jié)合面積加權(quán)平均法推薦了適合蘭州新區(qū)不同土地利用類型的CN值以及各流域片區(qū)的綜合CN值。西片區(qū)綜合CN值為77.9、λ值為0.123 6，北片區(qū)綜合CN值為77.3、λ值為0.129 8。同時推薦了正路鄉(xiāng)典型水文控制斷面，頻率為0.33%、1%、2%、5%、10%、20%、30%、40%、50%的產(chǎn)流量（流量）分別為30.5、28.4、17.1、11.0、7.1、3.7、2.1、1.3、0.7 m3/s;出山口典型水文控制斷面，頻率為0.33%、1%、2%、5%、10%、20%、30%、40%、50%的產(chǎn)流量（流量）分別為42.6、35.4、25.3、17.5、12.5、6.9、4.6、3.0、2.1 m3/s。

（3）根據(jù)改進后SCS模型產(chǎn)流成果，運用單因素方差分析法及擬定線性回歸方程分析法，與通過主雨峰外雨量同頻率放大徑流量進行分析對比，得出：改進后的SCS模型能較好地反映蘭州新區(qū)實際降雨徑流過程，模型模擬精度較為理想。

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【責(zé)任編輯 張 帥】