SCS模型在山地丘陵地区山洪预警中的应用

马进

摘要 基于洛阳地区洛河流域防汛防洪研究，应用径流曲线模型SCS反映不同土壤和地面覆盖条件影响产流的特征。此方法简洁实用，适合在洛阳丘陵山区缺少水文资料的中小流域气象灾害预警业务中使用。本文以洛阳地区洛河流域为研究对象，利用GIS技术结合SCS模型确定CN值和径流量的空间分布特征，与山地丘陵道路、景点和矿区分布结合，可为山地丘陵地区的旅游、采矿提供山洪灾害风险决策服务。

关键词 SCS模型；山洪预警；CN；径流；山地丘陵地区

中图分类号 S421 文献标识码 A 文章编号 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

由美國农业部水土保持局研究的径流曲线模型（soil conservation service，SCS）用来估算资料稀少甚至无资料地区的径流量和洪峰流量的经验模型，该模型在降雨和径流关系上考虑流域下垫面条件，预估降水与径流的变化。洛阳地区以丘陵山区分布为主且中小河流较多，又受中小流域水文站资料限制，使精细化气象灾害预警十分困难；而SCS模型结构简单，使用方便，能够估算水文资料缺失的中小流域径流量，十分适合在无水文资料的中小流域山洪灾害预警分析业务中使用。

目前，国内有大量关于SCS模型的研究和应用。张 卫等[1]为了获得适合红壤地区的CN参数，利用江西省德安县燕家沟流域观测小区2001—2003年的降雨径流资料反算CN。然后通过SPSS软件对降雨量与CN参数进行回归模拟，得到不同小区的CN模拟函数。周翠宁等[2]为研究北京城市化进程中降雨-径流关系变化，在温榆河流域应用SCS模型，对该流域部分实测次降雨-径流过程及不同频率年降雨-径流进行模拟，得出SCS模型在温榆河流域预测径流是可行的，相同前期土壤湿润程度及相同频率降雨条件下，城市化水平越高，径流量越大。王瑾杰等[3]以新疆博尔塔拉河上游温泉流域为例，利用2013年融雪期18场次降雨量、日径流量及卫星同步观测基础数据，基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表温度-植被指数特征空间反演土壤水分等方法，分别利用参数算法改进后SCS模型与原SCS模型进行径流模拟。郑长统等[4]以GIS和RS技术作为获取流域地貌类型、土壤类型和土地利用方式等空间信息的主要手段，运用实测降雨径流资料对参数λ进行率定。尝试通过对地貌结构与λ值关系的分析确定适合喀斯特流域的参数λ，从而建立起喀斯特流域SCS产流模型。

本文根据洛河流域防汛防洪研究需要，利用GIS技术确定洛河流域CN值矩阵和径流量空间分布特征，为山地丘陵地区山洪预警分析业务服务提供决策依据。

1 SCS模型概述

1.1 SCS基本原理

SCS模型根据区域内土地利用方式、作物耕作方式、土壤类型、前期时段内土壤含水量及降水量等条件，计算区域内地表产流。此模型具有所需参数少、方法简单、对降水观测数据要求低等特点，在以后的使用中又对此模型进行演变[5]，美国SCS模型是通过大量实测资料分析得出，基本关系为：

式（1）中，F为实际后损（mm）；S为流域当时最大可能滞留量（mm）；Q为径流量（mm）；P为降水量（mm）；Ia为初损（mm）。

再次发生降水后，流域内水量平衡方程为：

根据式（1）和式（2）可以得出SCS模型的产流计算公式，采用经验关系公式Ia=0.2 S，得到常用的径流方程[6-8]：

曲线数值CN（Curve Number）是根据流域内坡度、植被、土壤类型、土地利用情况等因素确定的一个综合参数。由公式（3）可知，径流量Q由降水量P和最大滞留量S决定，而最大滞留量S与区域内土壤类型、降水前土壤湿润情况、土地利用情况等流域特征有关。S值随不同流域特征变化而变化，较难取值。所以，SCS模型实际操作中经常通过一个综合反映降雨前流域特征的无因次参数CN进行S值推求[9]。

S=25 400/CN-254（4）

1.2 参数CN值

流域内CN值在确定土壤类型、土地利用、降水前土壤湿润情况后，可以根据美国SCS模型CN取值表确定[10]。

洛河流域内土壤类型主要为褐土和棕壤土，为确定CN值需先根据土壤水分的最小渗透率和土壤质地将土壤划分为A、B、C、D 4类[11]（表1）；流域内前期土壤湿润程度可参照AMC划分为3级评判（表2）。综合考虑流域内前期土壤湿度状况、水分土壤特征和土地利用，在CN表中查找流域内该处的CN值。并通过公式（5）（6），在已知AMC II条件下的CN值，分别求出AMC I、AMC III条件下的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模型应用

2.1 研究區域及数据来源

洛河源自陕西洛南县西北部，东入河南经卢氏、洛宁、宜阳、洛阳、至偃师纳入伊河。所研究区域位于河南省洛阳市境内的洛河流域（图1）。本研究数据来源：洛阳境内洛河流域内洛宁、宜阳县气象区域站点的气象观测数据；河南省1∶5万DEM高程数据；由国家地球系统科学数据共享平台提供1988年河南省1∶20万土壤类型数据；洛阳境内土地利用数据及洛阳市基础地理信息数据。

2.2 模型应用

本研究利用GIS技术，运用SCS模型对流域内径流量进行估算，并获得流域内径流量空间分布图（图2～6）。具体流程：①使用DEM高程数据进行洛河流域的流域分析，确定所需研究的洛河流域区域边界。②将1988年河南省1∶20万土壤类型按照表3重分类为A、B、C、D 4类水文土壤类型。③将洛阳境内土地利用数据按照表3重分类为水田、旱地、园地、草地、林地、居民用地6类。④分别选择土壤类型和水文土壤2个专题，进行相关属性的交叉计算操作。⑤根据美国SCS模型CN值表，将土壤类型和水文土壤2个专题交叉对应值重新赋予所对应的CN值，获取AMC Ⅱ条件下的分布式CN值。⑥分别根据公式（4）（5），计算AMC Ⅰ和AMC Ⅲ条件下的CN值空间分布图。⑦7月19日前5 d流域内累计降水在35～50 mm，根据表2判断流域内土壤湿润条件AMC Ⅲ。导入流域内2016年7月19日降水空间分布图，根据公式（4）（5）计算出流域内径流量。

3 结论与讨论

SCS模型的应用已在水土保持、防洪、洪水、水利设施规划等方面日趋成熟，并已经取得良好效果。该模型结构简单、参数少，而且可以用于无资料地区。随着现代空间技术的发展，SCS模型应用更加广泛。CN值作为计算的敏感参数，通过经验性的综合反映确定会导致模拟值偏离实际值较大，区域参数的确定是实现区域径流模拟精确预报的前提。例如，λ通常取0.2，该值来源于美国北部地区降雨-径流观测数据的推算，应用于其他地域的模拟精度则需要进行验证[12]。

基于SCS模型的特点和业务预报的时效性考虑，SCS模型将向简单化、实用化方向发展。结合GIS技术通过分析流域土壤类型、土地利用类型分布，获取SCS模型中CN值分布特征，更好地反映了流域下垫面特征。将CN值矩阵和降水空间分布代入计算可以得到矩阵形式径流量。未来将根据分布式径流，研究流域内单位区域内的汇流量并且加以验证，从而在山区、丘陵小流域地区应用SCS模型进行山洪预警。利用SCS模型CN矩阵能够方便、快捷地提供决策服务。与流域内山地丘陵道路、景点和矿区分布相结合，可以为山地丘陵地区的旅游、采矿提供山洪灾害风险决策服务。

4 参考文献

[1] 张卫，张展羽，杨洁.SCS模型在红壤土坡地降雨径流量估算中的应用[J].水土保持通报，2014（5）：124-127.

[2] 周翠宁，任树梅，闫美俊.曲线数值法（SCS模型）在北京温榆河流域降雨-径流关系中的应用研究[J].农业工程学报，2008（3）：87-90.

[3] 王瑾杰，丁建丽，张成，等.基于SCS模型的新疆博尔塔拉河流域径流模拟[J].农业工程学报，2016（7）：129-135.

[4] 郑长统，梁虹，舒栋才，等.基于GIS和RS的喀斯特流域SCS产流模型应用[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.

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[7] 鲁华锋.SWMM模型中SCS-CN选取在安徽省的适用性研究[J].中国农村水利水电，2014（9）：87-89.

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[12] 岳健敏，张金池，庄家尧，等.南京毛竹林小流域SCS-CN方法初损率λ取值研究[J].中国水土保持科学，2015（5）：9-15.