改进的SCS模型在济南小清河流域洪水模拟中的应用

改进的SCS 模型在济南小清河

流域洪水模拟中的应用

喻海军，黄国如

（华南理工大学 土木与交通学院，广州，510640）

摘要：在深入分析SCS 模型的基本原理及其结构的基础上，对SCS 模型进行了适当的改进，利用济南市小清河黄台桥以上流域的实测水文资料率定其参数。在不改变SCS 模型产汇流结构的前提下，通过对小清河流域1996年至2007年降雨径流资料的分析，建立了前期影响雨量a P 和流域当时的最大可能滞留量S 的相关关系，确定了计算S 的经验公式，率定了模型的汇流参数和无因次单位线。将改进后的SCS 模型应用于济南市小清河流域，计算精度较为理想，可用于济南市小清河流域洪水预报。

关键词：小清河流域；SCS 模型；CN 值

SCS 模型是美国农业部水土保持局（Soil Conservation Service ）提出的小流域降雨径流模型，目前在国内外得到了广泛地应用，并在不断改进和完善之中。SCS 模型最大的优点是模型能够将影响径流的因素，包括土壤类型、土地利用和处理方式、流域表面状况、前期降雨等综合成单一参数考虑。虽然SCS 模型发展之初主要是用于农业小流域暴雨径流预测，但它后来发展速度很快，超过其原先设定的研究目标，现已广泛地应用于各种土地覆被类型，诸如小流域工程规划、流域水土保持、防洪减灾、城市水文、洪水保险及无资料地区径流预报等多种水文问题，取得了较好的效果[1-8]。我国在20世纪80年代就有介绍SCS 模型的文献[1]，后来很多学者对SCS 模型进行了较为系统地研究[2-4]，并针对研究流域的实际情况，对该模型进行了若干改进以适应流域特征，取得了较好的模拟效果[5-7]。由于SCS 模型结构较为简单，模型参数较少，使得该模型具有较强的区域性，本文在不改变SCS 模型产汇流结构的前提下，利用实测降雨径流资料对模型产流和汇流计算方法进行改进，以获得精度良好的模拟精度。

1 SCS 模型基本方法

1.1 SCS 模型的产流结构

美国农业部水土保持局通过大量的资料分析，总结出流域降雨径流关系为[1]：

()⎪⎩⎪⎨⎧<=≥+-=S P R S P S

P S P R 2.0 02.08.02.02

（1） 式中：P 为降雨量（mm ）；R 为径流量（mm ）；S 为流域当时的最大可能滞留量（mm ）。

SCS 模型通过参数CN 来推求S ，即

25425400

-=

CN

S （2）

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（200801033），华南理工大学中央高校基本科研业务费专

项资金资助（2009ZM0051，2009ZM0044）。

作者简介：喻海军（1988－），男，湖北孝感人，在读博士生，主要从事水文水资源研究。 通讯作者：黄国如（1969-），男，教授，主要从事水文水资源研究。

2

上式中的CN 是反映降雨前流域特征的一个综合参数，与流域土地利用、土壤类型、前期土壤含水量等因素有关，美国国家工程手册给出了详细的CN 值查算表。 1.2 SCS 模型的汇流结构

在汇流计算中，SCS 模型采用一条统一的无因次单位线计算出流过程线。模型用下述经验公式求单位线洪峰流量：

p

p t FR

q 208.0=

（3） 式中：p q 为净雨为25.4mm 的单位线洪峰流量（m 3/s ）；F 为流域面积（km 2） ；R 为净雨量；p t 为峰现时间（h ），p t 由下式计算：

()5

.07

.08.070694.25 ,35 ,32y S l L L t t t c c p +=== （4）

式中：c t 为汇流时间（h ）；L 为洪峰滞时（h ）；l 为流域自分水岭沿主河槽的水流长度

（m ）；y 为流域平均坡（%）。

由无因次单位线转化为时段单位线时，净雨时段D 的大小用下式计算：

c t D 133.0= （5）

根据流域的实际情况，由式（3）、式（4）和式（5）可求得p q 、p t 和D ，用p q 和p t 可将无因次单位线转化为有因次单位线。利用产流公式可求出每一时段D 内的径流量R ，与单位线相乘，按叠加原理可求得出流过程[1]。

2 济南小清河流域概况

小清河流域位于山东省境内，干流位于泰沂山北麓的山前平原与北部黄河冲积平原交接地带，发源于济南诸泉。小清河流域由40%的山丘、50%的山前平原和10%的湖泊洼地组成。地貌区划自南而北主要分为低山丘陵构造剥蚀区和山前平原侵蚀堆积区。整个研究区地势南高北低，平原向东北缓倾，黄河自西南向东北穿越本区，沿黄两岸形成带状洼地。本文研究区域主要为小清河黄台桥以上流域，面积为323km 2。

小清河流域多年平均降水量为619.7mm ，属于半湿润半干旱地区。降水年际变化较大，年内分配不均，降水主要集中在汛期6-9月，占全年降水量的50%-70%。暴雨一般出现在7月、8两个月份，历时为1-2d 。造成本流域暴雨的主要天气系统是气旋、切变线、锋面、低涡等温带天气系统及热带天气系统中的台风、东风波等。流域洪峰主要发生在7-9月，尤其集中在8月。洪水的产生多数是由于前期长历时的连续性降水，再遇集中性暴雨，干流和支流同时产生洪水，从而导致干流发生较大洪水所致。

黄台桥以上小清河流域有7个雨量站资料可供利用，用泰森多边形求各雨量站的面积权重，由各雨量站的面积权重加权计算出流域降雨量P 。小清河黄台桥以上流域各雨量站的控制面积以及权重如表1所示。流量取黄台桥水文站资料。

表1 各雨量站的控制面积及权重

雨量站 刘家庄 吴家铺 邵而 东红庙 兴隆 燕子山 黄台桥 控制面积(km 2)

40.1 52.2 32.1 53.5 59.3 54.2 31.8 面积权重

0.124

0.162

0.099

0.166

0.183

0.168

0.099

3 改进的SCS 模型在济南小清河流域的应用