scs模型在流域水文模型中的應用綜述

scs模型在流域水文模型中的應用綜述

流域水文模型是模擬流域內發(fā)生的水文過程的數(shù)學模型。美國農業(yè)部水土保持局(SoilConservationService,SCS)于1954年開發(fā)的SCS模型,是目前應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構簡單、所需輸入參數(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。國外學者對SCS模型進行改進,以適應大、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,對近年國內外關于該模型的研究進展進行了回顧與總結,指出了SCS模型尚存在的問題。在此基礎上,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,即比例相等假設和初損值-當時可能最大潛在滯留量關系假設。水平衡方程是對水循環(huán)現(xiàn)象定量研究的基礎,用于描述各水文要素間的定量關系。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。QP?Ia=FS(2)QΡ-Ιa=FS(2)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系假設可表示如式(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。比例相等假設可用圖1表示。當λ=0.2時,根據式(1)和式(2)可推導出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,實際應用中取值范圍是40～98,主要根據美國國家工程手冊第4章列出CN值查算表進行計算。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)的土壤質地、土地利用方式和降雨前的土壤濕潤狀況有關(AMC);曲線數(shù)值法通過一個經驗性的綜合反映上述因素,只要求出CN值,即可求得Q。2國內外研究2.1其他國家自開發(fā)成功以來,SCS模型被廣泛應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后發(fā)現(xiàn),近年來國外關于SCS模型應用研究可劃分為以下3個方面。(1)對模擬地表徑流的預測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技術并結合SCS-CN法計算模擬地表徑流。Bhuyan等根據前5天的降雨量判斷土壤濕潤狀況,在此基礎上對CN值進行修訂,進而預測模擬地表徑流量。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生。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,改進了初損估計值方法,對大尺度降雨徑流進行估算。Sahu等綜合考慮了降水強度和前5d的降雨量,對SCS-CN中的初損值進行了改進。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用研究Pandey等利用ArcViewSWAT2000(AVSWAT2000)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。Mishra等利用SCS-CN與USLE(通用土壤流失方程)結合,擴展了SCS-CN模型對流域產沙模型的估算,研究了中尺度(大范圍)的降雨-產沙量,對產沙量的計算精度得到提高?？偟恼f來,目前關于SCS模型與其他模型集成方面的研究還很少。我國關于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,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)據反算CN,模擬CN與降雨量、前5d降雨量和坡度的關系,并對徑流模擬結果進行檢驗。張美華等利用SCS模型對密云石匣試驗小區(qū)進行降雨徑流量估算。周翠寧等利用曲線數(shù)值法在北京溫榆河流域降雨-徑流關系中的應用研究。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,彭定志結合MODIS遙感數(shù)據對改進的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)的水文預報進行了一定的嘗試。魏文秋、王白陸分別對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土壤水分模型SCS模型最初是針對小流域區(qū)域設計的。隨著研究的深入,SCS模型被逐漸應用到大中區(qū)域,國外學者針對SCS模型的特點進行改進[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。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是最初始徑流量模型,模型2用初始SCS模型基礎上,綜合考慮了干燥狀態(tài)下的當時可能最大滯留量,當前土壤水分及農作物參數(shù)。模型3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。Michel等在模型2和模型3的基礎上,假設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,這種結論是不適合的。比如在沙地地區(qū),產生較少的徑流量,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對模型進行了進一步的改進,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(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。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值通過一個經驗性的綜合反映確定,受土地利用類型、土壤質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的關系是經驗性的,并有地區(qū)性影響;經驗模型都會存在不同程度的不足;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。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)代空間技術的快速發(fā)展,SCS模型得到廣泛應用?？v觀其研究現(xiàn)狀及應用前景,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)技術與SCS模型的結合。作為一種信息源,RS技術可以提供土壤、植被、地形、土地利用和水體等許多有關下墊面條件的信息。GIS可以存儲、處理、分析和顯示地理數(shù)據。如何有效地將RS、GIS與SCS模型緊密結合,增加模型的信息源,提高模型的模擬預報精度和預見期,是今后發(fā)展的一個趨勢。(2)SCS模型的最初設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構變化