利用與GIS相結(jié)合的SCS-CN方法估算降雨徑流潛力

許 璐，曹廣超，魏星濤

?

利用與GIS相結(jié)合的SCS-CN方法估算降雨徑流潛力

許 璐1,2，曹廣超1，魏星濤1,2

(1.青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室 青海 西寧 810008；2.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008)

有限數(shù)據(jù)區(qū)域的徑流預(yù)測對于防洪、徑流預(yù)測和水管理等水文應(yīng)用來說至關(guān)重要。徑流曲線法（SCS-CN）是判斷特定區(qū)域降雨形潛在成徑流量常用的有效方法。文章在使用ArcGIS 10.2版（地理信息系統(tǒng)軟件）和徑流曲線法，對中國祁連山南坡降雨形成地表徑流量進(jìn)行了估算。本研究詳細(xì)闡述了土地利用與土地覆蓋變化（LUCC）、水文土壤組、日降雨量等三個因素對區(qū)域內(nèi)所形成徑流量的影響。結(jié)果表明，地表徑流量較小，植被消耗了大部分降雨量。這也說明祁連山的植被覆蓋率較高，土壤持水能力較好。

降雨；徑流曲線法；地表徑流；GIS

地表徑流是當(dāng)降雨量高于土壤滲透量時的產(chǎn)物，是水循環(huán)的重要組成部分，它以流動的形式存儲了地球上大部分的淡水資源[1]，對地表徑流的研究有利于地區(qū)水資源與土地管理。本文采用的徑流曲線法( soil conservation service-curve number method, SCS-CN)是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局( USDA SCS)于20世紀(jì)50年代開發(fā)的用于估算地表徑流的數(shù)學(xué)模型，該模型計算過程簡單，所需參數(shù)較少[2]，徑流曲線法是目前國際上預(yù)測無徑流觀測資料地區(qū)降水地表產(chǎn)流的主要方法，國內(nèi)外專家學(xué)者均對其進(jìn)行了大量研究。

Ponce 和 Hawkins等人以經(jīng)驗數(shù)據(jù)為支撐，基于徑流曲線數(shù)CN通過暴雨降水深度直接估算徑流量[3]；Rutkowska和Banasik等人稱，徑流曲線法的應(yīng)用應(yīng)基于對CN值的概率性，以及最大潛在持水量的深入了解[4]。Rejani等人結(jié)合地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使用徑流曲線法模型對印度南部瓦朗加爾的半干旱小流域的日徑流量進(jìn)行了估算[5]。Suribabu和Bhaskar將徑流曲線法與Green-Ampt入滲模型結(jié)合，評估了城市發(fā)展對地表徑流的影響，研究發(fā)現(xiàn)在同緯度下，土地覆蓋/使用的變化對長時間暴雨的影響大于短時間暴雨[6]。

姚磊等人采用了徑流曲線法，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)，來模擬北京市不同城市功能區(qū)域的潛在地表徑流量[7]。且國內(nèi)眾多學(xué)者分別研究了黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域[8]、巢湖流域[9]、澎家河灘流域[10]等地區(qū)的地表產(chǎn)流量的估算，結(jié)果顯示均能夠較好的模擬出該區(qū)域的降雨產(chǎn)流量。由于徑流曲線法簡單、易操作、只需少量數(shù)據(jù)，多個常用水文模型都引入了這一方法來模擬地表徑流。基于以上研究成果本研究采用了徑流曲線法，在“3S”技術(shù)的支持下預(yù)測不同土壤濕度條件下祁連山南坡的降雨徑流量。

一、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域位于青藏高原、黃土高原、蒙新沙漠相接處的祁連山脈南坡，處于北緯36°43’至39°6’，東經(jīng)98°6’至102°41’，其中包括黑河上游和大同盆地，海拔為2 286-5 210 m之間，總面積約為2.4 萬km2。研究區(qū)內(nèi)地形起伏較大，主要山脈都為西北—東南走向，復(fù)雜的地貌特點造就了復(fù)雜多樣的植被類型，主要的植被類型有高山草甸（草原）、灌叢、針葉林等。該研究區(qū)是典型的高原大陸性氣候，冬季漫長，夏季短暫，干濕分明，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差較大，年均氣溫為-2.2℃，年降水量約為400 mm左右，其中80%的降水發(fā)生在植被生長的五月至九月，氣溫及降水量的垂直變化明顯，雨熱同期。土壤類型多樣，大約有12個土壤類型，26個子類，呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布。土壤貧瘠、有機(jī)物含量低。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2.數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)土地使用/覆蓋數(shù)據(jù)來自ESA/CCI土地利用網(wǎng)（http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/），將其投影轉(zhuǎn)換為WGS84/ Albers Equal Area Conic投影，使用研究區(qū)矢量圖進(jìn)行圖像空間裁剪，根據(jù)研究需要將其重采樣至空間分辨率為500×500 m。研究區(qū)域的土壤數(shù)據(jù)來自青海省土地利用和土地覆蓋物分類系統(tǒng)的國家土地生態(tài)遙感監(jiān)測。土壤包括栗色土、黑鈣土、石灰性灰褐土、石灰性潮土、石質(zhì)土、東部地區(qū)的鈣石土、褐土、石灰性灰褐土、草甸潮土、西部地區(qū)高山凍土。使用研究區(qū)矢量圖進(jìn)行圖像空間裁剪，根據(jù)研究需要將其重采樣至空間分辨率為500×500 m，再采用地理信息系統(tǒng)軟件包制作了研究區(qū)域的底圖、水文土壤圖和土地使用圖用于進(jìn)一步分析。

本文使用的降雨數(shù)據(jù)采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn）提供的2000-2015年的祁連山南坡周邊地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點的月降水量資料。根據(jù)各氣象站點的空間信息，采用ArcGIS的Geostatistical Analyst模塊對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離權(quán)重空間插值，獲取與土地利用數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的氣象數(shù)據(jù)柵格圖像。根據(jù)研究區(qū)矢量圖，剪取祁連山南坡地區(qū)的月降水柵格圖像。

3.研究方法

（1）地表徑流估算

通過將地理信息系統(tǒng)與徑流曲線法相結(jié)合，對地表徑流進(jìn)行了估算。徑流曲線法廣泛用于判斷長期（持續(xù)）水文模擬模型中的直接地表徑流。采用了地理信息系統(tǒng)來創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫，體現(xiàn)水域的水文體征。研究區(qū)域的底圖、土地使用和土壤覆蓋均采用地理信息系統(tǒng)創(chuàng)建。改進(jìn)的不透水面層、植被和土壤粒級用以計算每個像素單元的復(fù)合曲線數(shù)（CN），同時也采用了地理信息系統(tǒng)的疊置工具。將日降雨量數(shù)據(jù)庫納入分析，來估算直接徑流。所得結(jié)果可以用于研究區(qū)域的水資源管理。

（2）基于地理信息系統(tǒng)的徑流曲線法

本研究中對地表徑流的模擬采用了徑流曲線法模型，基礎(chǔ)是水平衡方程，基本形式如下：

式中：P為總降水量（mm），Ia為原始退流（mm），F(xiàn)為實際累積入滲量（mm），Q為直接地表徑流（mm）。

采用了兩個基本假設(shè)：一是累積入滲量F與潛在最大持流量S的比等于實際直接地表徑流Q與最大潛在地表徑流的比。第二個假設(shè)關(guān)系是原始退流Ia等于潛在最大持流量。徑流曲線法的數(shù)學(xué)公式如下：

式中：Q為直接地表徑流（mm），P為總降水量（mm），Ia為原始退流（mm），S為徑流開始后的潛在最大持流量（mm）。

根據(jù)1954年的可用降雨-徑流測定方法，此模型曾將原始退流（Ia）設(shè)定為常等于最大潛在持流量（S）的20%，對其進(jìn)行了分析，可作為原始退流比用于估算直接徑流，即當(dāng)λ = 0.2時，徑流曲線法模型公式如下：

式中：Q為直接地表徑流（mm），P為總降水量（mm），S為潛在最大持流量（mm），而S與曲線數(shù)的關(guān)系如下：

式中：CN（curve number）稱為曲線數(shù)，是無量綱參數(shù)，體現(xiàn)了形成地表徑流的能力。重要的是獲取準(zhǔn)確體現(xiàn)區(qū)域潛在徑流量的CN估值。本文采用了《美國國家工程手冊》表第9章的CN值，通過將土地覆蓋和土壤數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法確定了曲線數(shù)。徑流曲線法通常使用表1所列曲線數(shù)。

表1 AMCⅡ狀態(tài)下的曲線數(shù)值檢索表

徑流曲線法的曲線數(shù)是表示土壤土壤容納水入滲能力、土地使用和前期土地濕度條件的函數(shù)。美國水土保持局將土壤分為四個水文土壤組，即A組、B組、C組和D組。表2呈現(xiàn)了相關(guān)的潛在徑流量和最終入滲率。

表2 徑流曲線模型的水文土壤組

（3）前期土壤水分（ARC）

土壤含水量衡量的是土壤中水的含量。計算土壤中含有多少水分對大量實際應(yīng)用都有幫助，其中包括改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率、評估干旱和洪水狀況、甚至是估計地下水供給。曲線數(shù)表示水域的平均濕潤狀況。在估算直接徑流時，基于表3所示5天的前期降水量范圍，根據(jù)前期土壤水分狀態(tài)對CN值進(jìn)行了調(diào)整。

表3 前期濕度狀態(tài)類型

注：生長期是5月至9月，休止期是1月至4月、10月至12月。

如果平均濕度狀態(tài)為CN2，則對CN1（干燥狀態(tài)）和CN3（潮濕狀態(tài)）進(jìn)行調(diào)整，公式如下所示：

二、數(shù)據(jù)處理與分析

1.祁連山脈南坡降雨時空分布特征

根據(jù)祁連山脈南坡11個雨量觀測站記錄的降雨數(shù)據(jù)，如圖2所示。可以看處，在這些不同的降雨年份中，2005年的降水量大于2000年，而2015年的降水量也普遍大于2010年。

圖2 不同年份的降雨分布

2.土壤和土地使用/土地覆蓋時空分布特征

將土壤組分類數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入ArcGIS 10.2，繪制圖3。根據(jù)不同的土壤質(zhì)地和土壤最低入滲率，徑流曲線法模型將水文-土壤組分為四類：A、B、C、D。圖3呈現(xiàn)了本研究的水文-土壤分組。土地使用/土地覆蓋圖的繪制采用了所采集數(shù)據(jù)中16種可用的分類，如圖3所示。

圖3 土壤和土地使用/覆蓋圖

3.土壤和土地使用/土地覆蓋疊置圖

對祁連山脈南坡的土壤和土地使用/土地覆蓋進(jìn)行了疊置分析，得出各水文土壤組的土地使用分類如圖4所示。

圖4 2000年土壤和土地使用/土地覆蓋疊置圖

三、結(jié)果與分析

使用曲線數(shù)、土壤和土地使用/土地覆蓋圖疊置的結(jié)果、各雨量觀測站記錄的日降雨量等所有參數(shù)數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2中通過徑流曲線模型計算出了2000、2005、2010、2015年的總地表徑流量，繪制了徑流量地圖進(jìn)行對比，同時也分析了一些區(qū)域的典型特征。

從圖5可以看出，2000年的地表徑流和其中3個不同特點的部分。由于研究區(qū)域的地表植被覆蓋率高，早期和后期降雨損失較大，甚至大多數(shù)區(qū)域的地表降雨徑流量少于0。在第1部分，地圖下半部分展示了降雨的差異，可以清楚地看到，降雨量是影響地表徑流的主要原因。在第2部分，從3個地圖的疊加得出，如果降雨量少，只有C類土壤區(qū)域會產(chǎn)生地表徑流。此外，圖3說明，降水量大的區(qū)域，徑流不一定大，但有永久冰雪的區(qū)域必定有徑流。

從圖6可以明顯看出，2005年的降雨量普遍高于2000年，所以2005年的地表徑流大于2000年?？傮w來看，這說明降雨量大時，徑流也大。圖7中的大圖部分與圖6道理相同，且第1部分的土地使用/覆蓋圖清楚地表明，在同樣降雨量的條件下，草本植被區(qū)域的徑流大于其它植被區(qū)域。第二部分的紅圈表示水體，這里的降雨量小但地表徑流相對較大。

圖5 2000年地表徑流及分析

圖6 2000年和2005年地表徑流對比

圖7 2010年和2015年地表徑流對比

四、結(jié)論

估算地表徑流可以用來為所研究區(qū)域規(guī)劃適當(dāng)?shù)乃Y源和土地管理。地表徑流的結(jié)果為我們提供了數(shù)據(jù)，用以節(jié)約水資源、判斷土壤的持水能力。研究說明了哪一種植被更有利于持水。徑流曲線法是預(yù)測特定降雨活動中直接徑流量的一種常用簡單方法，對于根據(jù)預(yù)測降雨量進(jìn)行土地使用規(guī)劃，以及和土壤、水資源和植被覆蓋的精細(xì)管理具有重要意義。農(nóng)業(yè)部可以通過這一方法來提高滲入率，以適當(dāng)?shù)墓?jié)約改善生產(chǎn)。

[1]王英，黃明斌.徑流曲線法在黃土區(qū)小流域地表徑流預(yù)測中的初步應(yīng)用[J].中國水土保持科學(xué)，2008，6（06）：87-91+97.

[2]周淑梅，雷廷武.黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域SCS-CN方法初損率取值研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（20）：4240-4247.

[3]董文濤，程先富，張群，趙陽，韓平.SCS-CN模型在巢湖流域地表產(chǎn)流估算中的應(yīng)用[J].水土保持通報，2012，32（03）：174-177+187.

[4]范營營，胡鐵松.SCS-CN模型的改進(jìn)及在澎家灘流域的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2009（12）：11-14.

Estimation of Rainfall Runoff Potential by SCS-CN Method Combined with GIS

XU Lu1,2，CAO Guang-chao1，WEI Xing-tao1,2，YUAN Jie1,2

(1. Key Laboratory of Natural Geography and Environmental Process of Qinghai Province, Xining, Qinghai 810008, China. 2. Qinghai Normal University, Xining, Qinghai 810008, China)

The rainfall prediction of finite data region is important for the hydrological application, such as flood prevention, rainfall prediction and water management. The runoff curve method (SCS-CN) is a commonly used effective method for judging the potential formation of rainfall in a given area. This article uses ArcGIS version 10.2 (geographic information system software) and runoff curve method to estimate the surface runoff from rainfall on the southern slope of Qilian Mountain. This study elaborates in detail the effects of land use and land cover change (LUCC), hydrological soil groups, and daily rainfall on the formation of runoff in the area. The results show that the surface runoff is not large and most rainfall has been consumed by vegetation, which indicates that Qilian Mountain has high vegetation coverage and good water holding capacity.

Rainfall, SCS-CN, surface runoff, GIS

TV213.9

A

1008—6129（2018）03—0098—07

2018—04—16

許璐（1993—），女，河北邢臺人，青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室2015 級碩士研究生。