SCS模型及其研究進展*

劉家福,蔣衛(wèi)國,占文鳳,周紀

(1.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院,吉林四平,136000;2.北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京100875)

流域水文模型是針對流域上發(fā)生的水文過程進行模擬所建立的數(shù)學(xué)模型。美國農(nóng)業(yè)部水土保持局(Soil Conservation Service,SCS)于 1954年開發(fā)的SCS模型[1],是目前應(yīng)用最為廣泛的流域水文模型之一。SCS模型能夠客觀反映土壤類型、土地利用方式及前期土壤含水量對降雨徑流的影響,其顯著特點是模型結(jié)構(gòu)簡單、所需輸入?yún)?shù)少,是一種較好的小型集水區(qū)徑流計算方法。近年來,SCS模型在水土保持與防洪、城市水文及無資料流域的多種水文問題等諸多方面得到應(yīng)用,并取得了較好的效果[2-10]。

SCS模型最初是針對小流域水文過程設(shè)計的模型,對大、中尺度流域水文過程的模擬計算沒有涉及。國外學(xué)者對SCS模型進行改進,以適應(yīng)大、中尺度流域的徑流計算,獲得了較好的研究成果[8-10]。與國外相比,我國對SCS模型的應(yīng)用研究起步較晚,目前大多是移用或修正國外的模型,并取得了初步成果[4,11-16]。介紹SCS模型的基本原理,對近年國內(nèi)外關(guān)于該模型的研究進展進行了回顧與總結(jié),指出了SCS模型尚存在的問題。在此基礎(chǔ)上,對SCS模型研究的發(fā)展趨勢進行了展望,以期為我國的地表徑流研究提供借鑒。

1 SCS模型的基本原理

SCS模型的建立基于水平衡方程以及兩個基本假設(shè),即比例相等假設(shè)和初損值-當時可能最大潛在滯留量關(guān)系假設(shè)。水平衡方程是對水循環(huán)現(xiàn)象定量研究的基礎(chǔ),用于描述各水文要素間的定量關(guān)系。

式中:P——總降雨量(mm);Ia——初損值(mm),主要指截流、表層蓄水等;F——累積下滲量(不包括Ia)(mm);Q——直接徑流量(mm)。

比例相等假設(shè)是指地表徑流Q與總的降雨量P及入滲量和當時可能最大滯留量比值相等。

式中:S——當時可能最大滯留量(mm)。

初損值—當時可能最大滯留量關(guān)系假設(shè)可表示如式(3)。

式中:λ——區(qū)域參數(shù),主要取決于地理和氣候因子[17]。λ可表達為λ=atp,其中a為 Horton常數(shù);tp——降水時刻到地表徑流形成的時段,λ的取值范圍為0.1≤λ≤0.3。

比例相等假設(shè)可用圖1[18]表示。當λ=0.2時,根據(jù)式(1)和式(2)可推導(dǎo)出SCS-CN模型。

為計算S,引入一個參數(shù)CN土壤最大蓄水能力[3-5,11,13,19-20,25]。

式中:S——土壤最大蓄水能力;CN——曲線數(shù)值,是一個無量綱參數(shù),理論取值范圍是0～100,實際應(yīng)用中取值范圍是40～98[11],主要根據(jù)美國國家工程手冊第4章列出CN值查算表進行計算[19]。上述公式表明,集水區(qū)的徑流量取決于降雨量與降雨前集水區(qū)的土壤最大蓄水量,而土壤最大蓄水量又與集水區(qū)的土壤質(zhì)地、土地利用方式和降雨前的土壤濕潤狀況有關(guān)(AMC);曲線數(shù)值法通過一個經(jīng)驗性的綜合反映上述因素,只要求出CN值,即可求得Q。

2 國內(nèi)外研究進展

2.1 研究現(xiàn)狀

自開發(fā)成功以來,SCS模型被廣泛應(yīng)用于美國及其他國家[20-23],且在近年來發(fā)展迅速。對SCS模型的研究報道總結(jié)后發(fā)現(xiàn),近年來國外關(guān)于SCS模型應(yīng)用研究可劃分為以下3個方面。

圖1 各參數(shù)比例假設(shè)示意圖

(1)地表徑流估算。Karl Auerswald等利用回歸方法得出研究區(qū)域的CN值再計算徑流量[24]。H rim ali等采用 RS和GIS技術(shù)并結(jié)合SCS-CN法計算模擬地表徑流[25]。Bhuyan等根據(jù)前5天的降雨量判斷土壤濕潤狀況,在此基礎(chǔ)上對CN值進行修訂,進而預(yù)測模擬地表徑流量[26]。Geetha等綜合考慮CN的季節(jié)性變化和日存儲的蒸散估計變量,利用SCS-CN方法研究模擬徑流量的產(chǎn)生[27]。上述針對地表徑流的計算方法,都是對CN值進行修定并計算徑流量。雖然這些方法的精度有所提高,但并不具有較強的推廣性,即針對特定流域所建立的CN值方法很難推廣應(yīng)用到更小或者更大的流域尺度上。

(2)模型參數(shù)改進。在這方面較成功的研究包括M ishra和Singh及Sahu等的報道。M ishra和Singh綜合考慮了蒸散量,改進了初損估計值方法,對大尺度降雨徑流進行估算[21,28-29]。Sahu等綜合考慮了降水強度和前5 d的降雨量,對SCS-CN中的初損值進行了改進[30]。這些針對模型參數(shù)改進的研究,并沒有對CN值參數(shù)進行修定,而僅僅是通過判斷研究區(qū)屬于哪種土壤濕潤狀況,然后根據(jù)查找表來確定CN值;通過引入蒸散量的參數(shù)及對初損值進行改進,是對大尺度徑流計算的一種有益嘗試,模型參數(shù)修改實質(zhì)上并未解決大尺度地表徑流計算精度的問題。

(3)SCS與其他模型集成。Pandey等利用A rc-ViewSWAT 2000(AVSWAT 2000)工具對SCS-CN進行改進,能滿足日、月、季節(jié)性地表徑流的估算[31]。Mishra等利用SCS-CN與USLE(通用土壤流失方程)結(jié)合,擴展了SCS-CN模型對流域產(chǎn)沙模型的估算,研究了中尺度(大范圍)的降雨-產(chǎn)沙量,對產(chǎn)沙量的計算精度得到提高[32]?？偟恼f來,目前關(guān)于SCS模型與其他模型集成方面的研究還很少。

我國關(guān)于SCS模型的研究主要集中于對不同研究區(qū)域的案例分析[3-5,13,15,33-36]。如史培軍[5]等采用SCS模型對深圳市降雨徑流過程進行模擬,分析不同土地利用方式對城市徑流的影響。羅利芳等[36]以陜西安塞降雨徑流資料為基礎(chǔ),計算不同下墊面條件下的曲線數(shù)(CN)值大小。張秀英等[2]利用降雨徑流觀測數(shù)據(jù)反算CN,模擬CN與降雨量、前5 d降雨量和坡度的關(guān)系,并對徑流模擬結(jié)果進行檢驗。張美華等[15]利用SCS模型對密云石匣試驗小區(qū)進行降雨徑流量估算。周翠寧[13]等利用曲線數(shù)值法在北京溫榆河流域降雨-徑流關(guān)系中的應(yīng)用研究。上述研究都是針對小流域進行的,計算徑流精度較高,并建立了針對研究區(qū)的CN值,對我國建立CN值數(shù)據(jù)庫有一定的促進作用,但對于中尺度地表徑流估算效果不顯著,不能很好的進行估算。在中尺度徑流模擬計算方面,彭定志結(jié)合MODIS遙感數(shù)據(jù)對改進的SCS日模型進行參數(shù)確定,對漢江牧馬河等8個流域進行長時間系列水文過程模擬,研究和探討SCS模型的適用性,為開展無資料地區(qū)的水文預(yù)報進行了一定的嘗試[37]。魏文秋[11]、王白陸[16]分別對SCS模型進行改進,模型計算精度得到明顯提高,但僅限于小流域的范圍,在大中尺度徑流方面的研究還未深入開展。

2.2 模型發(fā)展與改進

SCS模型最初是針對小流域區(qū)域設(shè)計的。隨著研究的深入,SCS模型被逐漸應(yīng)用到大中區(qū)域,國外學(xué)者針對SCS模型的特點進行改進[8-10,17,21,38-41]。

表1 不同時期發(fā)展和改進的SCS模型

表1列出了近年來對SCS模型主要發(fā)展與改進。模型1-3進行徑流計算,并沒有考慮Iaf的影響,Iaf表示降水在到達土壤表面時Ia的部分損失量,Iaf均為0。模型1[38]是最初始徑流量模型,模型2[39]用初始SCS模型基礎(chǔ)上,綜合考慮了干燥狀態(tài)下的當時可能最大滯留量,當前土壤水分及農(nóng)作物參數(shù)。模型3[8-10]是Mishra和Singh對模型1進行改進,對當時可能最大滯留量、靜態(tài)下滲率、田間持水量參數(shù)引入到模型中;前3個模型從不同的參數(shù)指標進行了修定,精度得到提高。M ichel等在模型2和模型3的基礎(chǔ)上,假設(shè)Ia等于 Iaf,建立模型4與模型5[40]。在模型3和模型5中,S被用來表示最大持水能力,可以得到,在飽和狀態(tài)下,相較于S低值區(qū),S值大,M值相對也大。針對在不同地區(qū)地理時空變量,這種結(jié)論是不適合的。比如在沙地地區(qū),產(chǎn)生較少的徑流量,S值大,在飽和狀態(tài)下,顯示高的土壤濕潤狀況;相較于黏土地區(qū)S值小,這與實際情況不符。為了解決這個問題,M ishra和Singh對模型進行了進一步的改進,SCS-CN-SMS模型,如表1中模型6[17-18,41]。模型6是SCS-CN模型與土壤水分平衡方程結(jié)合(SCSCN-SMS),用來解釋在干旱和飽和狀態(tài)下土壤水分變化的影響;基于土壤水分平衡方程的SCS模型,在徑流量估算和土壤水分估算有所提高?？偟膩碚f,研究區(qū)域限于小流域,大中尺度的流域徑流計算也有類似研究,但效果并不顯著,與其他模型的集成研究研究也不夠深入。

3 存在的問題

(1)時空尺度是水文過程模型中必須考慮的因素。研究表明:滯留量、CN值等均存在顯著的時間變化特征。SCS模型并未沒有考慮時間變量,必然會影響到模型的精度。此外,雖然SCS模型進行了改進并在一定的中尺度區(qū)域進行研究,但CN值受地區(qū)性影響較大,因此某一地區(qū)的CN值未必能在另一地區(qū)使用;影響CN值的前期土壤含水量僅分3級(AMCI,AMCII,AMCIII),太粗略,致使CN值發(fā)生變率[11]。土壤分類具有一定的任意性,在一個流域上建立的模型很難推廣應(yīng)用到更小或者更大的流域尺度上。因此,如何對SCS模型及其參數(shù)進行尺度轉(zhuǎn)換,是需要深入探討解決的問題。

(2)SCS模型計算模擬徑流量,盡管參數(shù)少,使用方便,但模型的精度有待進一步提高。模型中CN值通過一個經(jīng)驗性的綜合反映確定,受土地利用類型、土壤質(zhì)地和降雨前的土壤濕潤狀況的影響,因此任何參數(shù)的改變的都會影響CN取值。公式中規(guī)定的Ia與S、S與CN的關(guān)系是經(jīng)驗性的,并有地區(qū)性影響;經(jīng)驗?zāi)Ｐ投紩嬖诓煌潭鹊牟蛔?就降雨因素來說,它只考慮了降雨量,而沒有考慮進其它降雨特征的影響,而實際上,徑流量不僅受降雨量的影響,還受降雨強度、雨型等因素的影響,這就不可避免地造成計算值和實測值間的差異[5,36]。

4 發(fā)展趨勢

SCS模型是近年來發(fā)展較為迅速的模型,隨著現(xiàn)代空間技術(shù)的快速發(fā)展,SCS模型得到廣泛應(yīng)用?？v觀其研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景,SCS模型研究發(fā)展趨勢可以歸納為:

(1)遙感(RS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)與SCS模型的結(jié)合。作為一種信息源,RS技術(shù)可以提供土壤、植被、地形、土地利用和水體等許多有關(guān)下墊面條件的信息。GIS可以存儲、處理、分析和顯示地理數(shù)據(jù)。如何有效地將RS、GIS與SCS模型緊密結(jié)合,增加模型的信息源,提高模型的模擬預(yù)報精度和預(yù)見期,是今后發(fā)展的一個趨勢。

(2)SCS模型的最初設(shè)計主要是針對小流域的流域水文過程模擬,僅考慮了下墊面中土地利用等因素在數(shù)量上的變化,如何表征土地利用空間結(jié)構(gòu)變化對降雨-徑流關(guān)系的影響是今后研究的一個方向;由于大、中區(qū)域多源數(shù)據(jù)獲取成為可能,大、中尺度流域的徑流模擬研究也是今后深入研究的課題。

(3)在利用SCS模型估算流域徑流量,CN值是計算的關(guān)鍵;不同的研究區(qū)域,CN值也有所不同。而在進行降雨-徑流計算式,對CN值的選取存在一定的困難;如何將各地區(qū)的CN值建立起來,建立CN值數(shù)據(jù)庫,將是今后工作研究的一個重點。

(4)隨著技術(shù)及多學(xué)科的快速發(fā)展,SCS模型與其他模型的集成應(yīng)用是今后發(fā)展的主要方向。

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