scs模型在流域水文模型中的應(yīng)用綜述

scs模型在流域水文模型中的應(yīng)用綜述

流域水文模型是模擬流域內(nèi)發(fā)生的水文過程的數(shù)學(xué)模型。美國農(nóng)業(yè)部水土保持局(SoilConservationService,SCS)于1954年開發(fā)的SCS模型,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。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(jìn)行改進(jìn),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。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[4,11,12,13,14,15,16]。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(jìn)展進(jìn)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(jìn)行了展望,以期為我國的地表徑流研究提供借鑒。1土壤最大滯留量模型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(dāng)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。P=Ia+F+Q(1)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(dāng)時可能最大滯留量比值相等。QP?Ia=FS(2)QΡ-Ιa=FS(2)式中:S——當(dāng)時可能最大滯留量(mm)。初損值—當(dāng)時可能最大滯留量關(guān)系假設(shè)可表示如式(3)。Ia=λS(3)式中:λ——區(qū)域參數(shù),主要取決于地理和氣候因子。λ可表達(dá)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表示。當(dāng)λ=0.2時,根據(jù)式(1)和式(2)可推導(dǎo)出SCS-CN模型。{Q=(P?0.2S)2(P+0.8S)P≥0.2SQ=0P＜0.2S(4){Q=(Ρ-0.2S)2(Ρ+0.8S)Ρ≥0.2SQ=0Ρ＜0.2S(4)為計算S,引入一個參數(shù)CN土壤最大蓄水能力[3,4,5,11,13,19,20,25]。S=25400CN?254(5)S=25400CΝ-254(5)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,主要根據(jù)美國國家工程手冊第4章列出CN值查算表進(jìn)行計算。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2.1其他國家自開發(fā)成功以來,SCS模型被廣泛應(yīng)用于美國及其他國家,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。(1)對模擬地表徑流的預(yù)測KarlAuerswald等利用回歸方法得出研究區(qū)域的CN值再計算徑流量。Hrimali等采用RS和GIS技術(shù)并結(jié)合SCS-CN法計算模擬地表徑流。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(jìn)行修訂,進(jìn)而預(yù)測模擬地表徑流量。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。上述針對地表徑流的計算方法,都是對CN值進(jìn)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)對于降雨徑流的估計在這方面較成功的研究包括Mishra和Singh及Sahu等的報道。Mishra和Singh綜合考慮了蒸散量,改進(jìn)了初損估計值方法,對大尺度降雨徑流進(jìn)行估算。Sahu等綜合考慮了降水強度和前5d的降雨量,對SCS-CN中的初損值進(jìn)行了改進(jìn)。這些針對模型參數(shù)改進(jìn)的研究,并沒有對CN值參數(shù)進(jìn)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(jìn)行改進(jìn),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)中尺度地表徑流模型的應(yīng)用研究Pandey等利用ArcViewSWAT2000(AVSWAT2000)工具對SCS-CN進(jìn)行改進(jìn),能滿足日、月、季節(jié)性地表徑流的估算。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。總的說來,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[3,4,5,13,15,33,34,35,36]。如史培軍等采用SCS模型對深圳市降雨徑流過程進(jìn)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。張秀英等利用降雨徑流觀測數(shù)據(jù)反算CN,模擬CN與降雨量、前5d降雨量和坡度的關(guān)系,并對徑流模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗。張美華等利用SCS模型對密云石匣試驗小區(qū)進(jìn)行降雨徑流量估算。周翠寧等利用曲線數(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的SCS日模型進(jìn)行參數(shù)確定,對漢江牧馬河等8個流域進(jìn)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(jìn)行了一定的嘗試。魏文秋、王白陸分別對SCS模型進(jìn)行改進(jìn),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土壤水分模型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(jìn)行改進(jìn)[8,9,10,17,21,38,39,40,41]。表1列出了近年來對SCS模型主要發(fā)展與改進(jìn)。模型1-3進(jìn)行徑流計算,并沒有考慮Iaf的影響,Iaf表示降水在到達(dá)土壤表面時Ia的部分損失量,Iaf均為0。模型1是最初始徑流量模型,模型2用初始SCS模型基礎(chǔ)上,綜合考慮了干燥狀態(tài)下的當(dāng)時可能最大滯留量,當(dāng)前土壤水分及農(nóng)作物參數(shù)。模型3是Mishra和Singh對模型1進(jìn)行改進(jìn),對當(dāng)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(biāo)進(jìn)行了修定,精度得到提高。Michel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。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,Mishra和Singh對模型進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn),SCS-CN-SMS模型,如表1中模型6。模型6是SCS-CN模型與土壤水分平衡方程結(jié)合(SCS-CN-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土地文化遺產(chǎn)(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(jìn)行了改進(jìn)并在一定的中尺度區(qū)域進(jìn)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。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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。4建立流域水文過程模擬模型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。縱觀其研究現(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