基于ArcGIS的山区小流域SCS-CN法径流研究

葛怡君

(阳光学院，福建 福州 350015)

1 引言

山区流域在持续降雨或暴雨下产生的地表径流易形成山洪，诱发泥石流，给人民生命财产造成损失[1]。因此，研究山区流域因降雨产生的地表径流，对预防山洪及其次生灾害的防护与应急管理十分重要。然而，山区地势陡峭起伏，有多样的蓄水、保水植被，在研究降雨地表径流时需要精确的地理特征值。利用地理信息系统(GIS)强大的空间分析能力，基于数字地形模型(DEM)可以精确地提取流域水文特征值，这一方法已被成熟地用于地表径流分析[2]。如刘武等[3]用ArcGIS自动生成降雨径流等值线,替代了传统的手工绘制降雨等值线过程,增加了计算精度。

在径流研究中，径流曲线法(SCS)是国际上预测无径流观测资料地区降水地表产流的主要方法[4]。陈俊明[5]基于SCS法对福州城区计算其地表产流强度的空间分布,进行成灾风险空间划分；SVerma等[6]考虑了活化土壤水分，开发了ASMA-SCS-CN法模拟降雨径流过程。

许多学者在水文研究时同时使用ArcGIS与SCS-CN法，如张越[7]在对陕西省榆林市子洲县做山洪灾害风险评价时先利用ArcGIS软件得到灾害风险等级分布结果，然后利用SCS-CN模型模拟地表径流量。陈思[8]基于SCS产流模型、暴雨强度公式、芝加哥降雨过程线模型，以及基于GIS的局部等体积淹没方法,构建了城市内涝过程模拟模型。然而，对于土地情况复杂的山区小流域，如何利用ArcGIS技术获得SCS-CN法建立降雨径流模型时所需的重要且单一参数、CN未详细阐明。

CN值是SCS-CN法的唯一参数，是影响降雨径流模型准确性的关键因素。本文基于前人研究成果，以意大利某山区小流域为例，应用ArcGIS对流域内部复杂的土地状况进行分析和地理数据处理，获得流域的总体曲线值CN，建立SCS-CN模型对产流阶段的地表径流进行分析，可为具有复杂土地情况的山区小流域的径流研究提供参考。

2 研究区域概况

Trebbia河位于意大利西北部，全长118km，平均流量为40m3/s，面积为1000km2。本文对Gorreto村附近的流域进行降雨径流的研究。研究流域的降雨数据为当地气象站点提供的2015年9月13日上午8时30分起至9月14日上午4时15分内每间隔15min的降水量资料。

使用ArcMap软件工具计算研究流域的数字地形模型图(DTM)，得出流域的主要特征为：研究流域总面积为8km2,周长为12.04km。

3 流域曲线值CN计算

3.1 流域不同入渗条件区域CN值的确定

为了准确模拟流域中发生的入渗过程，最常用的方法就是定义研究区域内的每种土地用途相对应的CN值。对流域内不同土地区域的划分编号,根据流域内不同编号的区域根据其自身土地利用情况，植被覆盖以及如表1所示的水文土壤群HSG等级，确定各区域的CN值如表2所示。

根据表2中研究流域不同区域的CN值，在ArcMap可绘制出CN值地图如图1所示。

表1 SCS-CN模型中的HSG

表2 各区域CN值与分类

图1 CN值地图

3.2 流域总体CN值的确定

建立降雨径流模型，需要求出一个研究流域总体的CN值。因此，利用式(1)对表2中的CN值求解加权平均值。

(1)

式(1)中:CNT为流域曲线值；AT为流域总面积，m2;Ai为流域各分区面积m2;CNi为各分区的CN值。

将图1中应用ArcGIS提取的各个分区的周长与面积数值代入式(1)的计算结果如表3所示，研究流域总体CN值为63。

3.3 SCS-CN径流曲线法

净降水量是降水的一部分，它不会保留在表层或渗入土壤，即为径流。本文使用了美国土壤保护局(现为NRCS)提出的SCS-CN法[9]计算径流。

基于所得降雨资料，可通过以下公式计算径流：

(2)

式(2)中:Q为净降水量 (径流)，mm；P为累计降水量，mm；Ia为初损,mm,即为被土壤植被截取或入渗的水量，其值由CN值得出,假设:

Ia=0.2×S

(3)

式(3)中S为最大蓄水量，mm。

(4)

利用表3中计算的CN值(CN = 63)代入式(4)计算得到S，再将S代入式3中得到Ia，将Ia、S与研究流域的降雨资料中的累计降水量P代入式(2)，可得到研究流域的降雨径流模型如图2所示，直观地展示了降水量，累积降水量和径流量随时间的变化。

根据模型结果，可见降水集中在后半段，最终累计降水为314.4mm，所对应的径流量为186.70mm。此时，径流与总降水量之间的比值为0.59，即研究流域约60%的总降水量转换为径流，转换能力较大，在持续降雨与暴雨天气时需注重山洪的防护。

表3 流域分区的CN值

图2 SCS-CN法结果

4 结论

使用ArcGIS工具可对复杂土地情况的山区小流域进行内部区域划分和CN地图绘制，由地图中提取的各区域特征值计算出流域总体CN值代入SCS-CN法计算，得到降雨径流模型对流域径流进行估算分析。解决复杂山区小流域内部CN值不一的问题，提高SCS-CN法的参数精度和结果的可靠性，为类似情况的山区小流域产流研究提供参考。ArcGIS是水文分析的有效工具，其在产流阶段后的汇流阶段中可发挥的作用有待进一步的探究。