SCS模型在黑林地区的应用研究

栾承梅，王 军，仇少鹏

（1.江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；2.河海大学，江苏 南京 210098）

0 引言

气候变化和人类活动对水文水资源的影响是当前水文学研究的热点问题。在人类活动与气候变化的共同影响下，产汇流下垫面发生很大变化，洪水归槽速度加快，区域的产汇流关系发生变化，因此急需重新分析现状条件下的产汇流关系。目前，国内外对于无资料地区产汇流的研究主要偏重于地貌水文学方法和水文模型方法。

本文主要针对黑林流域，建立参数识别不依赖于水文资料的降雨产流模型和地貌参数与瞬时单位线参数之间的定量关系，从而建立无资料地区的水文模型，并对黑林流域历史洪水进行模拟研究。

1 区域概况

黑林流域位于江苏省连云港市赣榆县西北部青口河上游，流域面积为183.2 km2，干流长度为17 km，干流平均比降为2.90‰，流域平均宽度为11 km，流域平均比降为36.9‰，属于山丘型小流域。流域内黑林水文站修建于1976年7月，是小塔山水库入库控制站。小塔山水库集水面积为386 km2，总库容2.81亿m3，属于大（Ⅱ）型水库。黑林流域主河道上有多个滚水坝，对天然来水具有一定的调节作用。

本文采用网络共享平台提供的30m×30mDEM资料和中国科学院土地资源调查的1:10万土地利用数据，土壤数据采用第二次全国土地调查的1:100万土壤数据，水文资料采用洙边、黑林、清水涧三站1976～2012年共37年降雨资料，以及黑林水文站1976～2012年共37年流量资料。

黑林流域水文站点信息及资料年限表见表1，黑林流域及站点分布见图1。

表1 黑林流域水文站点信息及资料年限表

图1 黑林流域及站点分布图

2 研究方法

2.1 SCS产流模型

SCS模型是美国农业水土保持局（Soil Conservation Service）于1954年根据美国自然地理状况和水文气象条件所研发的小流域设计洪水模型，因模型参数简单，需要资料易获取而得到较为广泛的应用[1-2]。

SCS曲线法的计算公式为：

式中：Qsuf为累计径流量或净雨（mm）；Rday为第i天的降雨量（mm）；Ia为初损，包括地表蓄水、截留和产流前的下渗（mm）；S为持蓄参数（mm），持蓄参数由于土地利用、土壤类型、管理措施和坡度的不同空间变化，由于土壤含水量的不同时间变化。

式中：CN为模拟日的曲线数。

初损Ia通常估计为0.2S，则式（2）变为：

2.2 Nash单位线

纳希（J.E. Nash）1957年提出了一个假设，即流域对地面净雨的调蓄作用，可用n个串联的线性水库的调节作用来模拟[3-4]，由此推导出Nash瞬时单位线的数学表达式：

式中：u（t）为瞬时单位线；n为线性水库的个数，无因次；K为线性水库的蓄量常数，具有时间因次。

Nash模型中的参数n是一个取决于霍顿地貌参数的汇流参数，它主要反映流域面积、形状和水系分布特点对流域汇流的影响，其计算公式如下：

式中：RB、RL、RA分别为流域水系的分叉比、河长比和面积比，一般统称为霍顿地貌参数，可进行如下计算：

Nash模型中的参数K反映了水动力扩散作用对流域汇流的影响，其计算公式如下：

式中：Ω为流域的斯特拉勒（Strahler）级别，即河系中最高级别的河流的级别；LΩ为河系中最高级别的河流的长度（km）；λΩ-1为河源至Ω-1级河流末端处的λ值；VΩ为流域出口断面的流速（m3/s）；α为流域形心至流域出口断面的距离与流域长度的比值；m为反映河道纵剖面特性的综合参数，根据实际资料分析，其值一般在1～1.2之间。

3 研究实例

本文采用黑林流域1976～2011年降雨径流资料，采用网络共享平台免费提供的DEM资料、土地利用成果数据和土壤数据，运用ArcGIS软件的水文分析模块提取研究区域的基础信息、产流参数CN以及地貌瞬时单位线参数，进而模拟黑林流域的产汇流过程。

3.1 数字流域构建

运用ArcGIS软件的水文分析模块，提取黑林研究区域基础信息，结果如图2（a）～图2（d）所示。

图2（a） 黑林流域DEM图

图2（b） 黑林流域流向图

图2（c） 黑林流域流向累积图

图2（d） 黑林流域水系提取图

3.2 土地利用及土壤数据处理

利用黑林流域边界，裁切对应的土地利用和土壤类型，从而可得研究区土地利用和土壤类型分布图，如图3～图4所示。

图3 黑林流域土地利用分布图

图4 黑林流域土壤类型分布图

3.3 产流参数CN的提取

根据黑林流域土壤和土地利用空间分布资料，采用ArcGIS中的重分类功能，计算不同土壤类型和不同土地覆盖类型的权重，参考表2的各类土壤覆盖类型及土壤类型对应的CN取值，计算研究流域的综合CN值。

3.4 地貌瞬时单位线参数提取

采用ArcGIS中的水文分析模块，分别提取黑林流域的流域面积、河流分级、不同级别对应的河数、平均河长、平均面积等基本信息，在此基础上，利用地貌定律，计算RB、RL和RA。所提取的基本信息见表3。

结合推求不同雨强条件下对应的瞬时单位线参数n和K，推求瞬时单位线。在此基础上，利用S曲线进行时段转换，从而得到任意时段长的时段单位线。以2007年为例，瞬时单位线如图5所示。

图5 瞬时单位线图

表2 不同土壤类型和土壤覆盖类型对应表

表3 黑林流域信息提取成果表

3.5 模拟结果

通过产汇流计算，以1977年～2008年逐日平均洪水过程为例，进行洪水模拟，得到的结果如图 6（a）～图6（h），纵坐标单位均为m3/s。

图6 1977～2008年汛期洪水模拟过程

4 结论

（1）通过1977～2008年历史洪水模拟，结果显示本次研究提出的模型模拟的洪水过程线与实测过程线拟合较好，且洪峰、洪量误差较小，表明本次建立的模型模拟洪水过程符合实际情况。

（2）本次研究模拟洪水过程线与实测过程中有些地方水量差距较大，一般为30%左右，调查表明黑林以上有多个拦河坝，致使该区降雨与洪水之间对应关系受到干扰。

（3）本次研究模拟的历史洪水过程线，部分场次在前汛期和后汛期的模拟结果较差，主要表现为实测过程有降雨不产流，故在日常预报作业和水量分析计算过程中要甄别雨水情情况。