应用SCS 模型模拟清丰水流域产汇流量

徐刘凯，王全金，向速林

（华东交通大学环境工程系，江西南昌330013）

径流曲线模型（soil conservation service，SCS）是美国农业部水土保持局在上世纪50年代提出的流域水文模型[1]，具有所需资料简单易取、对观测数据要求不是很严格等特点，能够客观描述不同土地利用方式、土壤类型、前期土壤含水量及流域水文、气象资料条件下的地表径流过程，对于小流域径流预报具有较强的能力[2]。SCS模型在美国及其他一些国家的流域工程规划、水土保持及防洪、城市水文、土地房屋的洪水保险及无资料流域的多种水文问题等诸多方面得到广泛的应用，取得了较好的效果[3]。Karl Auerswald等利用回归方法得出研究区域的CN值再计算径流量。Hrimali等采用RS和GIS技术并结合SCS-CN法计算模拟地表径流[2]。中国在20世纪80年代开始研究并应用SCS模型[4]，不同的学者将SCS模型直接或稍加改进后应用于所研究区域，均获得了理想的结果。沈健聪（1987）将SCS模型应用于四川峨眉径流实验站万善桥小流域，并对产流计算作了改进。晋华等[3]（2003）将SCS模型应用于岚河流域的产汇流计算，取得了较高的精度。周翠宁（2008）将SCS模型应用于北京温榆河流域的降雨-径流关系中，得到了较好的效果。本文根据清丰水流域下游岗前水文站的水文资料对SCS模型进行参数率定和模拟验证，从而分析探讨SCS模型应用于该流域产、汇流量模拟的可行性及其精度。

1 SCS模型简介

1.1 SCS模型的产流部分[5-8]

美国SCS模型通过分析大量实测资料，得出降雨-径流基本关系为

式中：F为实际后损，mm；S为流域当时的最大可能滞留量，mm；Q为径流量，mm；P为降雨总量，mm；Ia为初损，mm。

又有次降雨后，流域的水量平衡方程：

根据（1）式和（2）式可以得出SCS模型的产流计算公式：

CN是反映降雨前流域特征的一个综合参数，它和流域前期湿润状况、坡度、植被、土壤类型和土地利用现状等有关。其中，前期湿润状况分为三级，AMCⅠ为干旱情况，AMCⅡ为正常情况，AMCⅢ为湿润情况，具体划分如表1所示。而SCS模型中的土壤类型分为4类，见表2。

表1 流域前期土壤湿润程度等级Tab.1 Soil moist degree of early stage in the river basin

表2 SCS模型中土壤的分类Tab.2 Soil classification in SCS model

1.2 SCS模型的汇流部分[9-13]

SCS模型采用一条统一的无因次单位线来计算径流过程。模型的单位线洪峰流量用下述经验公式计算：

式中：qp为单位线洪峰流量，m3·s-1；A为流域面积，km2；Q为净雨量，mm；tc为汇流时间，h。tc通过滞时法求得：

其中：L是滞时，h；l是水流流程，m。

2 SCS模型在清丰水流域的应用

2.1 清丰水流域概况

清丰水，又称清丰山溪，发源于江西省清江县和丰城市交界的山区，属于赣江流域和鄱阳湖水系，其流域范围在赣东大堤与抚西大堤之间，主河长115.4 km，岗前站以上集水面积2313 km2。清丰山溪为芗、丰、秀、槎、白土、槠山水六条河流的总称，抚河干流改道后，通过南昌县上洲李至岗前新开7 km的排洪道，经由棠墅港抚河故道八字脑入鄱阳湖。流域属于亚热带湿润季风型气候，气候温和，年平均气温在17℃左右，雨量充沛，多年平均降水量为1 688.7 mm，降水多集中在4～6月。流域大致呈南北走向，域内形似扇形，河床比降为3.39%。流域内地带性土壤是红壤（63.9%），耕作土主要是水稻土（17.8%），另外还有红壤性土（9.7%）、黄壤（4.9%）、紫色土（2.2%）以及其他类型的土壤（1.5%）[14]。土地利用类型以林地（61.1%）为主，其次为耕地（27.7%）、水体（4.7%）、草地（4.3%）、建筑用地和未用地（2.2%）[14]。

岗前水文站是鄱阳湖区清丰水流域的区域代表站，位于江西省南昌县广福镇吴石村，东经115°58′，北纬28°21′。观测项目有水位、流量、降水量。参考陈华、郭生练等[15]的清丰山流域防洪调度决策系统，制作水系概化图如图1所示。

图1 清丰山溪流域水系概化图Fig.1 The generalized water system graph of Qingfeng water basins

2.2 产流计算

鄱阳湖平原的土壤主要红壤和水稻土，属于粘壤土，CN参数可选C类土壤。根据SCS模型CN值表，结合其他学者在鄱阳湖地区和赣江流域的研究成果以及清丰山溪流域实际的降雨径流资料，确定水文条件中等时，不同土地利用方式的CN值，再根据以下公式确定AMCⅡ和AMCⅢ，结果见表3。

表3 清丰水流域不同土地利用方式的CN值Tab.3 CN values of different land-using in Qingfeng water basins

表4 岗前站降雨径流监测分析资料Tab.4 Analysis material of rainfall runoff monitoring in Gangqian Station

应用SCS模型模拟岗前站1989－2002年15场典型降雨洪水过程，如表4所示，其中洪水、降雨的开始结束时间以及洪峰时间，都以月日时的格式提供，其监测年份为对应峰号的前四位数字。一般认为，应用SCS模型进行径流模拟时，计算径流量与实测径流量的相对误差在15%以内为合格，反之为不合格。但直接模拟后发现误差较大，这主要是由于清丰山溪流域面积相对较大且中上游的水库改变了流域的自然水文特性。所以借鉴洪林在《SCS模型在流域尺度水文模拟中的应用》所采用的检验方法，以相对误差小于30%为评定标准。考虑到所选的径流过程主要集中在雨季，流域的植被覆盖度较高，下渗水量较多，即初损较大，故将Ia提高到0.25S，产流模拟结果见表5。结果显示，模型模拟的产流量有4场不合格，11场合格，合格率为73%，基本满足参数率定的要求[16]。

表5 清丰水流域径流模拟计算与实测值比较Tab.5 Comparison of runoff simulation and measured value in Qingfeng water basin

2.3 汇流计算

为进一步验证其正确性，选择上述资料中11场单峰型降雨径流过程进行模拟，汇流模拟结果见表6。同样以相对误差30%为合格标准，结果显示，模型模拟的峰值流量有3场不合格，8场合格，合格率为73%。在所选的11场降雨-洪峰实测资料中，模拟发现计算峰值流量全部超过实测峰值流量，分析认为这主要是由于紫云山和潘桥两个大型水库以及金桥、店下和攸珞等中型水库对径流的拦截调蓄作用，削减了洪峰流量。同样，可能由于水库的调蓄作用人为地改变了洪峰的峰现时间，使得模拟值和实测值相差较大。虽然清丰山溪的峰现时间不适合用SCS模型验证，但得到的降雨-径流规律足以用来估算鄱阳湖地区的降雨径流量，从而为该区域的农业非点源污染负荷估算提供有效数据。

表6 汇流计算表Tab.6 Confluence calculation

3 结语

通过对清丰水流域实测的降雨径流资料的分析研究，提出了适合清丰水流域不同AMC等级、不同土地利用方式的CN值，并对Ia值进行了率定，同时利用SCS模型模拟了清丰水流域的产、汇流量。模拟结果表明，参数率定后的SCS模型基本满足应用精度要求，对小流域产、汇流量的模拟具有一定的可行性。本研究的开展为探索鄱阳湖地区降雨径流规律提供了重要参考依据。

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