SCS降雨-径流模型在辽宁中部区域的应用研究

周 游

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）



SCS降雨-径流模型在辽宁中部区域的应用研究

周 游

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

摘要：本文引入SCS降雨-径流模型，以辽宁中部区域大洋河流域为例，模拟大洋河2000～2010年径流过程，并结合实测径流数据对比分析SCS降雨-径流模型和传统集总式水文模型在大洋河流域的适用性及模拟精度。研究成果表明：相比于传统集总式水文模型，SCS降雨-径流模型模拟的径流深相对误差均值减少3.59%，确定性系数提高0.142，更适合于辽中地区水文模拟。研究成果可为辽中地区水文模拟提供参考价值。

关键词：SCS降雨-径流模型；模拟；水文模型

1　引言

流域水文模拟对于区域洪水预测预警至关重要，而流域下垫面对于水文模拟的影响较大，传统集总式水文模型不能较好的考虑流域下垫面对水文模拟的影响，在水文模拟精度上具有一定的局限性。因此国内外许多学者展开了对能充分考虑流域下垫面因素的水文模型的研究，并取得一定的成果［1-5］。在这些方法中，美国学者研发的SCS降雨-径流模型由于具有计算简单，模型参数较易获取的特点，被国内学者在不同区域进行相关研究。徐群［6］利用SCS降雨径流模型模拟了鄱阳湖流域的径流过程，研究结果表明SCS降雨径流模型在鄱阳湖流域具有较好的模拟精度。方怒放［7］采用SCS降雨-径流模型在三峡库区进行了应用，模型运用结果表明SCS降雨-径流模型在三峡库区具有较好的模拟精度。程江［8］基于SCS降雨径流-模型模拟了上海城区的暴雨径流过程，研究结果表明SCS降雨-径流可较准确的模拟上海暴雨径流过程。综上研究成果可以说明SCS降雨-径流模型在不同区域的水文模拟都具有较好的精度，但是模型在辽宁中部地区运用较少，特别是在大洋河流域运用成果不多，为此本文引入SCS降雨-径流模型，以辽宁中部地区大洋河流域为例，模拟了大洋河沙里寨水文站以上流域2000～2010年径流过程。

2　SCS降雨-径流模型

SCS曲线法是由美国水土保持局研制的小流域设计洪水模型，来自于对美国境内小流域20余年降雨径流关系的经验分析。

式（1）中：Qsurf表示径流深，mm；Rday表示一次性降雨总量，mm；Ia表示初损，mm，即产生地表径流之前的降雨损失量；S表示流域当时的可能最大滞留量，mm，是后损F上限。

在式（1）中土壤最大蓄水容量S在空间上是分布不均匀的，与流域下垫面（土壤类型、土地利用、管理以及坡度）有关，并且在时间上随土壤水含量变化而变化。S的计算公式为：

其中CN值是无量纲反映降雨前期流域特征的综合参数，该参数将前期土壤湿度、土地利用方式以及土壤类型状况等多种因素综合考虑在一起，该参数即为SCS降雨径流模型考虑流域下垫面对水文模拟计算的影响，而传统集中式水文模型将流域作为一个整体，在考虑流域下垫面对水文模拟影响有所局限，在模型计算时需要运用下列公式进行坡度的校正处理，公式为：式（3）中CN2S表示通过坡度订正后的正常土壤水分条件下CN2值；SLP为流域的平均坡度。流域下垫面的信息数据可以通过收集流域地理信息数据进行获取。

3　模型应用

3.1 研究区域概况

大洋河流域主要为于辽宁省的中部区域，主要分布在辽宁省鞍山市境内，大洋河属于独流如海的河流，河流全长为230.2km，流域面积为6554km2，流域多年平均径流量为3.1×109m3，流域年径流主要集中在7～9月份，降雨空间分布较为不均与，本文以大洋河沙里寨水文站作为研究区域，其中沙里寨水文站以上集水面积为4810km2。近些年来，大洋河流域洪水较多，为需要对流域洪水进行预测预警，需要对流域的水文模拟进行相关研究。

3.2 模型输入数据

模型需要输入的数据包括水文、土地利用、土壤、数字高程等数据，其中数字高程数据下载于中科院地理所共享平台见参考文献［11］；土地利用数据下载于国家空间数据共享平台见参考文献［12］；土壤数据下载于FAO国际联合农业组织提供的土壤类型数据，数据来源见参考文献［13］，基于收集到的地理信息数据，可以获取SCS降雨径流模型中的考虑流域下垫面条件的参数。水文数据收集了大洋河沙里寨水文站2001～2010年水文数据，用于模型参数率定和验证。

3.3 径流模拟

基于沙里寨水文站2001～2010年水文数据，应用SCS降雨-径流模型模拟了大洋河沙里寨水文站以上流域径流量，模拟结果见表1和图1。

表1　两种水文模型模拟对比成果表

图1　模型模拟成果对比图

表1为分别运用SCS降雨径流模型和传统集总式水文模型模拟的大洋河沙量寨水文站以上流域的径流过程，从两种水文模型模拟的结果可以看出SCS降雨径流模型和传统集总式水文模型在大洋河流域模拟具有较好的模拟精度，两个模型模拟的径流深之间的相对误差均小于11%，两种水文模型都适合于大洋河流域的径流模拟。但从两种水文模型模拟的精度可以看出，SCS降雨径流模型在径流深相对误差的值在2.2%～7.56%之间，模拟的径流深相对误差的均值为4.08%，而传统集总式水文模型模拟的径流深相对误差在4.37%～9.83%之间，模拟的径流深相对误差的均值为7.67%，可以看出，相比于传统集总式水文模型，SCS降雨径流模型在径流深相对误差上将误差减少3.59%。其次在流量过程吻合度上SCS降雨径流模型相比于传统集总式水文模型也有较大提高，SCS降雨径流模型模拟的过程确定性系数在0.849～0.881之间，确定性系数的均值为0.862，传统集总式水文模型在过程模拟的确定性系数在0.695～0.768之间，确定性系数的均值为0.720，SCS降雨径流模型相比于传统集总式水文模型，其确定性系数提高0.142，从径流深相对误差和过程确定性系数这两项模型精度指标可以看出，相比于传统的集总式水文模型，SCS降雨径流模型在径流深相对误差和过程确定性系数上均有较大程度的提高和改进。可以看出在大洋河流域SCS降雨径流模型比传统集总式水文模型，更适合于大洋河流域的水文模拟。这主要是因为，SCS降雨径流模型充分考虑流域下垫面（坡度、土地利用、土壤质地）对流域水文模拟的影响，而传统集总式水文模型在流域下垫面考虑有所局限，因此在水文模拟上，SCS降雨径流模型模拟精度要好于传统集总式水文模型。图1为两种水文模拟的径流过程和实测的流量过程之间的对比结果，从图1中可以看出，SCS降雨径流模型模拟的流量过程和实测的流量过程拟合度较好，特别是在峰值流量的拟合度上，而传统集总式水文模型模拟的流量过程和实测的流量过程拟合度要差于SCS降雨径流模型模拟的流量过程和实测流量过程的拟合度。综上可以看出，SCS降雨径流模型由于能充分考虑流域下垫面对水文模拟的影响，更适合于大洋河流域的水文模拟。

4　结论

本文运用SCS降雨-径流模型模拟大洋河流域径流过程，并和实测径流数据对比分析SCS降雨-径流模型和传统集总式水文模型在辽中地区的适用性和模拟精度，研究取得以下结论。

（1）SCS降雨-径流模型和传统集总式水文均适用于大洋河流域径流模拟，模拟精度均符合水文模拟规范要求。相比于传统集总式水文模型，SCS降雨径流模型在径流深相对误差和确定性系数上均有改进，更适合于大洋河流域水文模拟；

（2）相比于传统集总式水文模型，SCS降雨-径流模型具有能充分考虑流域下垫面对水文模拟的影响的特点，因此可在定量分析区域人类活动对水量影响分析以及流域分布式水文模拟上进行推广和应用。

参考文献

［1］周浩.大小凌河地区地下水资源可利用量预测模拟研究［J］.水利技术监督，2015（02）：16-20.

［2］陈昌军，郑雄伟.水文模型参数不确定性分析方法探讨［J］.水利规划与设计，2012（03）：13-15 +59.

［3］任国源.填洼损失量计算在海河流域洪水预报中的应用［J］.水利规划与设计，2014（09）：39-41.

［4］袁艺，史培军.土地利用对流域降雨-径流关系的影响—SCS模型在深圳市的应用［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2001（01）：131-136.

［5］房孝铎，王晓燕，欧洋.径流曲线数法（SCS法）在降雨径流量计算中的应用——以密云石匣径流试验小区为例［J］.首都师范大学学报（自然科学版），2007（01）：89-92 +102.

［6］徐群.不同降雨条件和土地利用变化对军山湖流域非点源污染负荷的影响［D］.南昌大学，2012.

［7］方怒放.小流域降雨—径流—产沙关系及水土保持措施响应［D］.华中农业大学，2012.

［8］程江，杨凯，刘兰岚，李博.上海中心城区土地利用变化对区域降雨径流的影响研究［J］.自然资源学报，2010（06）：914-925.

［9］刘泉.汉江中游小流域水土—养分流失过程与调控研究［D］.中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心，2013.

［10］孙艳群.渭河流域陕西片降雨与径流特性研究［D］.西安建筑科技大学，2005.

［11］DEM数据：httP：//srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inPutCoord.asP

［12］土地利用数据：httP：//westdc.westgis.ac.cn/data/1cad1a63-ca8d-431a-b2b2-45d9916d860d/

［13］土壤数据：httP：//faostat.fao.org/

作者简介：周 游（1982—），男，工程师。

收稿日期：2015-08-31

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.012

中图分类号：TV213.9

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）03-0031-03