SCS-CN

GIS在scs-cn模型中应用现状和短期发展的探讨刘力真【摘要】GIS即地理信息系统(Geographic Information System),经过了40年的发展,到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术,并且得到了极广泛的应用.因其对地理数据的处理能力,GIS的发展极大地推动了考虑物理特性和下垫面变化的水文流域模型的改进与创新.本文基于GIS的最新发展成果,阐述GIS在scs-cn模型中的应用现状,分析应用效果,预测短期发展方向.【期刊名称】《山东商业职业技术学院学报》【年(卷),期】2010(010)004【总页数】4页(P88-90,110)【关键词】GIS;地理信息系统;scs-cn;水文模型【作者】刘力真【作者单位】山东省水利科学研究院,山东,济南,250013【正文语种】中文【中图分类】TP183Abstract: Having experienced 40 years development,GIS,which is the abbreviation of geographic infor mation system,has grown into a fairly developed technology and gained very popular application.Due to itsprocessing power of geographic infor mation,the development of GIS promotes the refor mation and innovation of drainage area model ofphysical characteristics and under-surface change.Based on the latest achievement of GIS,this thesis exemplifies the application of GIS in SCS-CN model,analyses the effect of application,and predicts its shortter m development.Key words: GIS;SCS-CN model传统的地理科学以现代化的计算机系统为平台,收集大量的地理信息资料,结合信息处理方法,产生了地理信息系统。

作者简介王婉婉（1999—），女，安徽宿州人，硕士研究生，从事水文水资源实验研究。

通信作者周超（1990—），男，安徽无为人，工程师，从事水文水资源实验研究。

收稿日期2023-10-28基于改进SCS-CN 模型的降水径流预测王婉婉1周超2杜富慧1王振龙2（1河北工程大学，河北邯郸056021；2安徽省（水利部淮委）水利科学研究院五道沟水文实验站，安徽蚌埠233000）摘要本文利用淮北平原五道沟实验站1972—2021年降水径流106场实测资料，以径流曲线模型（SCS-CN ）为基础，确定了该地区的径流曲线数（CN 值），对模型参数进行了敏感性分析，引入降水量与前期影响雨量优化模型主要参数（CN 值），验证期（2010—2021年）借助模型效率系数E 、R 2及RE 对传统SCS-CN 模型及改进后模型进行可靠性检验。

结果表明：（1）降水量P 和初损率λ为定值时，CN 值越大，对径流预测结果的影响越大；计算径流量Q 随初损率λ的增大呈减小趋势；随着CN 值增大，计算径流量Q 及初损率λ对CN 值的变化敏感性越低；当降水量越大时，初损率λ对降水量的敏感性越低，初损率λ的取值对计算径流结果的影响可以忽视。

（2）参数优化后的SCS 模型中的R 2=0.864，E =0.780，模型总体平均相对误差为26.67%，标准SCS-CN 模型的R 2=0.782，E =0.230，模型总体平均相对误差为366.67%，改进后模型评价指标均高于标准SCS-CN 模型，对研究区的径流预测更具有适用性。

关键词径流曲线模型；降水径流；前期影响雨量；初损率中图分类号TV121+.1；S164文献标识码A文章编号1007-7731（2024）01-0100-06地表径流作为水文循环的关键部分，是集雨灌溉的主要来源[1-2]，但其会加剧土壤侵蚀、水源污染、洪涝灾害以及养分流失等[3-4]，开展径流水文模拟研究，是进行产流预报、土壤侵蚀预报的重要基础。

SCS模型中CN值的优化率定方法——以天山北坡云杉森林为例李伯騛;常顺利;张毓涛【期刊名称】《中国农村水利水电》【年(卷),期】2018(0)8【摘要】利用SCS模型可以计算出已知CN值流域的径流量,但由于地形条件、降水特性存在差异,适用于不同流域的CN值较难获取。

以乌鲁木齐河流域板房沟林场为试验区,利用2009-2014年的各类径流观测小区降水-径流量观测数据反算出CN值范围,然后以理论产流曲线与实测降水-产流曲线的拟合度对CN值进行优化筛选,最后以留一交叉验证法对CN值进行率定,从而得到各林分条件下径流观测小区的最优CN值。

结果表明:(1)天山林区不同林分条件下的径流观测小区CN值都大于74;(2)CN值与林分郁闭度显著相关(P<0.05)。

提出了一种获取干旱区山地林区CN值的改进型方法,此方法将有助于SCS模型及CN值在我国的应用。

【总页数】5页(P72-76)【关键词】SCS模型;CN值;径流观测小区;云杉森林;天山【作者】李伯騛;常顺利;张毓涛【作者单位】新疆大学资源与环境科学学院绿洲生态教育部重点实验室;新疆林科院森林生态研究所【正文语种】中文【中图分类】TV121【相关文献】1.径流曲线数模型(SCS-CN)参数λ在黄土丘陵区的率定 [J], 张钰娴;穆兴民;王飞2.SCS-CN模型中C N值的空间移用效果研究 [J], 余娇娇;王加虎;王冬;梁菊平;赵永超3.淮河上游流域SCS_CN模型初损取值与CN值确定方法的研究 [J], 黄兆欢;刘阳;张银雪;曾天;王欣;张友静4.黄土丘陵区不同盖度生物结皮对坡面产流及SCS-CN模型CN值的影响 [J], 谷康民;杨凯;赵允格;高丽倩;孙会;郭雅丽5.SCS-CN径流模型中CN值确定方法研究 [J], 符素华;王向亮;王红叶;魏欣;袁爱萍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

径流曲线数(SCS-CN)模型估算黄土高原小流域场降雨径流的改进王红艳;张志强;查同刚;朱聿申;张建军;朱金兆【期刊名称】《北京林业大学学报》【年(卷),期】2016(38)8【摘要】径流曲线数(SCS-CN)是预测场降雨地表径流常用的水文模型之一,由于其基本假设合理、参数易于获得而被广泛应用。

然而,由于流域径流的形成受广泛存在空间或时间异质性的地形、地貌、土壤、气象、植被以及土地利用等多种因素的影响,按照标准径流曲线数模型估算的场降雨径流与实测径流相差可能很大。

因此,针对特定区域、特定流域对该模型进行相应的修正是提高其径流预测精度的有效途径。

本文于晋西黄土区吉县蔡家川分别以农田草地、人工林和次生林为主的3个典型小流域为对象,将2004—2011年实测的场降雨径流数据分为模型参数率定期(2004—2009年)和验证期(2010—2011年),对比标准SCS-CN模型和修正的SCS-CN模型(包括降雨量修正,降雨量与降雨强度修正,降雨量、降雨强度和初损率优化修正)预测场降雨径流的可靠性。

结果表明:1)标准SCS-CN预测小流域场降水径流时,精度极差,模型拟合效率系数(E)均小于0;2)采用降雨量修正CN值预测流域地表径流精度优于标准模型,但对于小径流事件而言,预测结果会偏大,对于大径流事件,预测结果会偏小;3)基于优化降雨强度修正因子β和初损率λ模型可以提高以农田草地和人工林为主2个小流域的径流预测精度。

对于以次生林为主的流域而言,仅通过降雨量修正CN值即可提高模型的预测精度,E可达0.79。

反映流域储水特征的初损率λ,人工林为主的流域最小,为0.069,农田草地为主的流域次之,为0.189,次生林为主的流域,为0.200,表明次生林流域具有较好的储水效果。

【总页数】9页(P71-79)【关键词】SCS-CN;降雨;地表径流;黄土高原【作者】王红艳;张志强;查同刚;朱聿申;张建军;朱金兆【作者单位】北京林业大学水土保持学院;山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站【正文语种】中文【中图分类】S715.5【相关文献】1.基于SCS模型的小流域降雨径流估算及实例分析 [J], 杨星明;2.黄土高原小流域次降雨径流深预报模型 [J], 王浩;张光辉;张永萱;耿韧;栾莉莉3.黄土高原小流域水土保持林空间配置对场降雨径流影响的模拟 [J], 张建军;纳磊;张波;张瑞4.基于地理信息的SCS模型及其在黄土高原小流域降雨-径流关系中的应用 [J], 刘贤赵;康绍忠;刘德林;张晓萍5.径流曲线数模型(SCS-CN)在荒漠草原典型小流域山洪计算中的应用分析 [J], 彭云;王明新;刘迪;赵义平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

奎屯河流域春季融雪期SCS-CN模型参数取值方法王瑾杰;丁建丽;张喆;邓凯;陈文倩;张成【摘要】Water resources are key factors of ecological environmental security in northwest arid region of China.They are also the most important factors for socio-economic development against the background of global warmer,especially in arid regions.It is necessary for arid regions to calculate total water resources because it can provide a reference for the government with which 1o formulate strategies.Water resources may have a large area and be supplied by runoff from mountain snowmelt and precipitation.The goal of this paper was to determine the suitable method to simulate runoff in arid areas.The Soil Conservation Service Curve Number (SCS-CN) developed by the U.S.Department of Agriculture National Resources Conversion Service (NRCS) is the most popular and widely applied model for direct runoff estimation.This method was modified by accounting for the static portion of infiltration and the antecedent moisture.This model has stimulated a great deal of discussion among scientists and hydrologists.The model is based on the water balance equation and curve number CN,which is derived from the tables given in the National Engineering Handbook for catchment characteristics,such as soil texture,land use,hydrologic condition,and initial soil moisture condition.Based on the spatiotemporal differences among watersheds,international and domestic academics have developed different methods to improve the SCS-CN model.One option is to improveits mechanism and another is to improve the parameter calculation methods.Because there is considerable scope to improve the SCS-CN model,we discuss a parameter algorithm to improve the method for snowmelt and precipitation mix and large-scale basins in arid regions as a solution to a major problem.This study focused on the Kuitun River Valley.We explored the adoption of an SCS model runoff simulation in arid and semi-arid regions with snow-melt and rainfall in spring by modifying the calculation method of SCS model parameters.To satisfy the characteristic of mix supplied runoff,precipitation was revised to represent the sum of rainfall and snowmelt.The snowmelt was calculated by the degree-day model.This was the first time MODIS satellite products with approximately 1 km resolution were used to invert the Land Surface Temperature and Normalized Difference Vegetation Index.Then,we used the surface temperature/vegetation index (Ts/VI) constructed in a 2D scatter plot.The combined soil moisture absorption balance principle was used to calculate the moisture-holding capacity of soil.We used cluster analysis to modify the initial abstraction computing methods.The calibration and validation periods of Nash-Sutcliffe efficiency were 0.92 and 0.64,respectively.Relative errors were 0.7％ and-1.3％,respectively.This indicated that the improved model was effective in simulating spring runoff in the Kuitun River ing remote sensing parameter information technology to improve the SCS model can indirectly implement data conversion from point to plane.Establishing a database of the initial abstraction can improve the precision in effectively simulatingrunoff in large-scale basins in arid and semi-arid regions.To circumvent the bottleneck caused by lack of data,reference to simulated runoff can be used under similar basin conditions in datalacking regions.%水资源是保障我国西北干旱半干旱地区生态环境安全的关键因素.以新疆奎屯河流域为例,通过修正SCS模型土壤持水量及初损率参数计算方法,寻找适用于干旱半干旱地区山区典型流域春季融雪期径流模拟模型,为流域掌握水资源量及生态用水提供决策依据.与以往研究不同之处在于:首先,引入度-日模型修正降水量参数,以满足流域降雨-融雪混合补给径流特征.其次,利用多期MODIS数据驱动的Ts/VI特征空间理论结合土壤水分吸收平衡原理计算土壤持水量参数(S);再运用聚类分析法对初损率(λ)取值方法进行改进.通过参数算法改进后的SCS模型,参数率定期和验证期纳什效率系数和相对误差系数分别为0.92和0.64,0.7％和-1.5％.结果表明:1)参数算法改进后SCS模型能实现奎屯河流域春季融雪期日径流模拟.2)利用遥感大尺度地表信息参数化技术反演SCS模型参数,实现了遥感数据为SCS模型提供大尺度空间数据的同时,间接实现了模型参数由点状数据向面状数据转化的可能;3)初损率(λ)多组取值法可有效提高干旱半干旱地区大尺度流域径流模拟精度.【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2017(037)013【总页数】10页(P4456-4465)【关键词】奎屯河流域;融雪期;SCS-CN模型;参数算法改进;遥感【作者】王瑾杰;丁建丽;张喆;邓凯;陈文倩;张成【作者单位】新疆大学生态学博士后流动站,乌鲁木齐830046;新疆交通职业技术学院,乌鲁木齐831401;新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐830046;新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐830046;新疆大学生态学博士后流动站,乌鲁木齐830046;新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐830046;新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐830046;新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐830046;新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐830046;新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐830046;新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐830046;新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐830046;新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐830046;新疆交通职业技术学院,乌鲁木齐831401【正文语种】中文中国西北部干旱半干旱地区河流主要发源于山区,地表径流主要由高山带冰(川)雪融水、中山森林带降水和低山带基岩裂隙水等组成。

普适降雨-径流模型SCS-CN的研究进展王瑾杰;丁建丽;张成【期刊名称】《中国农村水利水电》【年(卷),期】2015(0)11【摘要】如何提高径流预报能力对洪水灾害和水资源有效开发利用具有极其重要的意义。

然而,地表径流模拟受自然和人为因素影响,决定了径流模拟的变化性和复杂性。

SCS-CN模型作为现行普适性降雨-径流模拟的重要工具,在结构和参数方面具有明显优势,但由于模型所需参数的不确定性使模型存在一定容错能力,从而影响模型预报精度。

因此,从介绍模型原理及改进方法入手,以参数率定的新视角对全球不同流域尺度的SCS-CN模型应用研究进行总结和回顾,分析对比参数优化算法的优缺点,剖析模型内部结构和外部机理存在的不足,从而预估模型未来发展趋势向简单实用化和复杂化机理化两个方面发展。

【总页数】6页(P43-47)【关键词】SCS-CN模型;参数率定;地表径流模拟【作者】王瑾杰;丁建丽;张成【作者单位】新疆大学资源与环境科学学院;新疆大学绿洲生态教育部重点实验室;新疆交通职业技术学院【正文语种】中文【中图分类】P333.2【相关文献】1.利用与GIS相结合的SCS-CN方法估算降雨径流潜力 [J], 许璐;曹广超;魏星涛2.基于多卫星降雨产品和多降雨径流模型的西江流域径流集合模拟 [J], 舒鹏; 熊立华; 陈石磊; 查悉妮3.基于前期雨量和降雨历时的SCS-CN模型改进 [J], 吴艾璞;王晓燕;黄洁钰;黄静宇;王俊;李泽琪4.径流曲线数(SCS-CN)模型估算黄土高原小流域场降雨径流的改进 [J], 王红艳;张志强;查同刚;朱聿申;张建军;朱金兆5.基于改进线性光谱解混和SCS-CN模型的广州主城区降雨产流模拟 [J], 许剑辉;赵怡;钟凯文;刘旭拢因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

降雨径流模型的原理
降雨径流模型是一种用于描述和预测降雨过程中径流的产生、运动和汇流的数学模型。

其基本原理可概括为以下几个步骤：
1. 降雨输入：首先需要获得降雨数据作为模型的输入。

降雨数据可以来自气象站点观测、卫星遥感、雷达图像等多种途径获得。

2. 降雨产流过程：降雨在地表上的产流过程包括产流前期、产流中期和产流后期。

产流前期是指降雨刚开始时，由于地表土壤的蓄水容量尚未饱和，雨水主要以入渗和蓄水方式消耗；产流中期是指降雨较长时间后，土壤蓄水容量饱和，地表径流开始形成；产流后期是指降雨停止后，地表径流逐渐消失。

3. 产流的计算：根据不同的降雨径流模型，可以使用不同的计算方法来估计产流量。

常见的降雨径流模型包括SCS-CN模型、单位线模型、水库模型等。

4. 汇流过程：在整个流域内，降雨径流根据地势高低和河网形态等因素，通过汇流过程向低洼地区集结，最终形成汇流径流。

汇流过程可以用一维或二维的水动力学方程来描述。

5. 模型参数的确定：降雨径流模型中包含一些参数，如入渗能力、蓄水容量、地形坡度等，这些参数的确定通常是通过统计观测数据、试验和经验法进行估计。

通过以上步骤，降雨径流模型能够较准确地预测出降雨过程中的径流产生和运动情况，对水文预报、洪水预警等方面具有重要的应用价值。

第34卷第4期2023年7月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.4Jul.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.04.008分布式SCS-CN 有效降雨修正模型建立及应用申红彬1,徐宗学2,曹㊀兵3,王海周1(1.华北水利水电大学河南省水圈与流域水安全重点实验室,河南郑州㊀450045;2.北京师范大学城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京㊀100875;3.东营市水务局,山东东营㊀257091)摘要:为解决SCS-CN 模型改进后方程结构复杂的问题,基于SCS-CN 标准模型,经与SCS-CN 改进模型比较,引入有效降雨修正系数建立SCS-CN 有效降雨修正模型,并对城市低影响开发复杂区域综合考虑LID 设施蓄存容积对降雨径流的影响,构建基于水文响应单元的分布式SCS-CN 有效降雨修正模型,以北京双紫园小区为例开展降雨径流模拟与效果检验㊂分析SCS-CN 有效降雨修正模型,当对修正系数取值等于1.0时其等同于标准模型,当对修正系数取值小于1.0时其等效于改进模型;修正系数表征了径流系数随降水量增大而变化趋向稳定的极限值㊂模型应用结果表明,分别对渗透地表有效降雨修正系数取值等于1.0与小于1.0,两者对不同场次降雨径流深的计算值与实测值散点均位于45ʎ线附近㊁符合较好,确定性系数与Nash-Sutcliffe 效率系数值分别为0.91与0.83㊁0.92与0.91,后者效果优于前者,说明对渗透地表有效降雨修正系数取值小于1.0能够有效提高模拟效果㊂关键词:SCS-CN 模型;有效降雨;修正系数;分布式;低影响开发中图分类号:TV121.1㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)04-0553-09收稿日期:2022-12-28;网络出版日期:2023-05-24网络出版地址:https :ʊ /kcms2/detail /32.1309.P.20230523.1809.004.html基金项目:国家自然科学基金资助项目(52239003);城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室开放基金资助项目(HYD2019OF02)作者简介:申红彬(1981 ),男,河南安阳人,讲师,博士,主要从事水文学㊁河流动力学方面的研究工作㊂E-mail:hongbinshen 2012@ 随着城市化的快速发展,特别是低影响开发(Low Impact Development,LID)和海绵城市建设的稳步推进,地表下垫面种类日趋多样,LID 设施作用日渐突出,降雨径流规律更为复杂㊂如何对变化环境下城市的降雨径流过程进行模拟,是当今水文学,特别是城市水文学研究的重点与难点[1]㊂SCS-CN(Soil Conservation Service Curve Number)模型是美国农业部水土保持局于1954年开发研制的一款降雨径流模型[2],因结构简单㊁输入参数较少㊁对观测数据要求不高,在城市降雨径流模拟㊁流域水土保持等多个方面得到了广泛的应用,且特别适用于资料相对缺乏的地区㊂不过,在SCS-CN 模型的应用与发展过程中,如何对其进行改进与完善始终是研究的热点与难点问题㊂SCS-CN 模型形式较多,其标准模型的建立主要基于水量平衡方程以及2个基本假设:地表径流量与可能最大径流量的比例和累计入渗量与当时可能最大滞留量的比例相等;初损值与当时可能最大滞留量成比例关系㊂模型参数主要有当时可能最大滞留量(或曲线数)和初损系数,方程结构相对简单㊂对于SCS-CN 标准模型的改进主要包括:①模型参数的率定与修正㊂如考虑前期降雨㊁坡度等对当时可能最大滞留量(或曲线数)的影响,分析初损系数的变化范围与区域特征等[3-4]㊂②模型的分布式改进与应用㊂如以栅格为基本单元,建立分布式的SCS-CN 模型,并探讨模型参数的尺度效应[5-6]㊂③模型假设条件与内部结构的改进㊂如将累计入渗量分解为静态与动态下渗量,并引入前期土壤水分改进累计入渗量与当时可能最大滞留量的比例关系等[7-10]㊂其中,对SCS-CN 模型的分布式改进与应用是重要的发展方向,更适用于下垫面组成与产流规律复杂的流域㊂模型假设与内部结构的改进有助于进一步增强模型的理论基础,有效提高模型的精度,但往往会使模型参数增加,方程结构形式更趋复杂㊂因此,在SCS-CN 标准模型简单方程结构的基础上,如何通554㊀水科学进展第34卷㊀过引入修正系数即可实现模型改进,并建立相应的分布式模型,成为一个有待研究的问题㊂本文基于SCS-CN 标准模型,经与SCS-CN 改进模型比较,引入有效降雨修正系数,提出建立SCS-CN 有效降雨修正模型;对于城市LID 复杂区域,构建基于水文响应单元的分布式SCS-CN 有效降雨修正模型,以北京双紫园小区为例对其降雨径流过程进行模拟应用㊂1㊀模型建立1.1㊀SCS-CN 标准模型及其改进模型简介SCS-CN 标准模型以水量平衡方程为基础:P =I a +F +R(1)并结合2个基本假设:R P -I a =F S(2)I a =λS (3)联合式(1) 式(3)推导,可以得到地表径流深的计算公式如下:R =(P -I a )2P -I a +S =(P -λS )2P -λS +S (4)式中:P 为降水量,mm;I a 为初损量,mm;F 为累计下渗量,不包括I a ,mm;R 为地表径流深,mm;λ为初损系数,主要取决于地理与气候因子,取值范围为0.1~0.3,一般取均值为0.2;S 为当时可能最大滞留量,是累计下渗量的上限,mm㊂在λ=0.2条件下,由式(4)可知当时可能最大滞留量与降水量㊁径流深具有如下关系:S =5(P +2R -4R 2+5PR )(5)式(5)是利用降雨径流资料对当时可能最大滞留量的反推,最终取算术平均值㊂在实际计算中,由于当时可能最大滞留量数值变化范围很大,为便于取值,引入量纲一参数径流曲线数(CN),两者转换关系为S =25400N C -254(6)式中:N C 为CN 值,受到土壤类型㊁前期湿度㊁植被状况㊁坡度以及土地利用等因素影响,理论取值范围为0~100,实际变化范围为40~98㊂现有对于CN 值取值的主要步骤包括[11]:①根据土壤下渗或产流能力,进行水文组分类(分为A㊁B㊁C㊁D 4类);②结合土地利用类型㊁植被覆盖与水文状况(分为好㊁中㊁差3类)等,查SCS 手册选取CN 值;③考虑土壤前期湿润程度(AMC)影响,引入前期降水指数(API,至少前5d 累计降水量),分级(分为AMC Ⅰ级/干旱㊁AMC Ⅱ级/正常和AMC Ⅲ级/湿润)换算与取值;④考虑坡度影响,对CN 值进行坡度修正㊂不过,由于CN 值变化规律复杂,往往还需调整优化㊂SCS-CN 改进模型是在标准模型式(1)的基础上,进一步将累计下渗量分解为静态下渗量与动态下渗量[2,7-10],如图1所示,并将假设条件式(2)改写为:R P -I a -F c =F d S(7)F c =f c t (8)经过联合推导,可以得到地表径流深的计算公式如下:R =(P -I a -F c )2P -I a -F c +S =(P -λS -F c )2P -λS -F c +S(9)式中:F c 为静态下渗量,mm;F d 为动态下渗量,mm;f c 为静态下渗速率,mm/min;t 为产流后降雨历时,min㊂㊀第4期申红彬,等:分布式SCS-CN 有效降雨修正模型建立及应用555㊀图1㊀SCS 模型比例相等假设示意Fig.1Diagram of the proportionality hypothesis of the SCS model 1.2㊀SCS-CN 有效降雨修正模型的建立比较SCS-CN 标准模型式(4)与改进模型式(9),后者因引入静态下渗量参数而变得复杂㊂不过,从本质上来看,式(4)中的(P -I a )与式(9)中的(P -I a -F c )均可视为有效降雨,后者数值明显小于前者㊂因此,通过引入有效降雨修正系数,可以将两者统一表示如下:R =[κ(P -λS )]2κ(P -λS )+S (10)式中:κ=(P -λS -F c )/(P -λS ),为有效降雨修正系数㊂式(10)即为SCS-CN 有效降雨修正模型㊂其中,当κ=1.0时,式(10)为SCS-CN 标准模型式(4);当κ<1.0时,式(10)等效于SCS-CN 改进模型式(9)㊂基于SCS-CN 有效降雨修正模型式(10),经过推导,可以得到径流系数的变化方程:1α=P κ(P -λS )1+S κ(P -λS )[](11)式中:α为径流系数㊂根据式(11),当P ңɕ时,P /(P -λS )ң1㊁αңκ㊂因此,κ表征了径流系数随降水量增大而变化趋向稳定的极限值㊂实测资料表明[12],对于渗透地表,其径流系数随降水量增大而变化趋向稳定的极限值一般小于1.0㊂如设降雨产流后的平均降雨强度为Iᶄ,则可将式(10)中的κ表示为κ=P -λS -F c P -λS =Iᶄt -f c t Iᶄt =1.0-f c Iᶄ(12)式中:Iᶄ为降雨产流后的平均降雨强度,mm /min㊂对于不同场次降雨,为简化计算,对Iᶄ可取为不同场次降雨产流后平均降雨强度的平均值㊂对于均匀降雨过程,当降雨强度与下渗速率相等时,地表开始产流㊂以产流时刻为初始时刻,结合Hor-ton 土壤下渗模型,有:f =(f 0-f c )exp(-βt )+f c(13)S =ʏ+ɕ0(f 0-f c )exp(-βt )d t =1β(f 0-f c )(14)I =f 0(15)式中:f 为下渗速率,mm /min;f 0为产流开始时下渗速率,mm /min;β为变化速率,1/min;I 为均匀降雨强556㊀水科学进展第34卷㊀度,mm /min㊂考虑到产流时刻I =f 0,相应有:P -λS -F c =It -f c t =ββ+f c /S (P -λS )(16)将式(16)代入式(12),可以得到均匀降雨条件下κ的计算表达式为κ=ββ+f c /S (17)从式(17)可以看出,在均匀降雨条件下,κ主要与下垫面土壤的下渗特性参数有关㊂1.3㊀分布式SCS-CN 有效降雨修正模型的构建对于由多种下垫面组成的复杂流域,为反映降雨㊁下垫面等条件空间分布不均的影响,建立分布式模型是重要的发展方向㊂以往多采用对不同类型下垫面CN 值按面积比例进行加权平均的方法(式(18))[13],并应用于SCS-CN 模型,但最终效果仍为集总式模型,难以深入描述流域不同类型下垫面的产流贡献与变化规律㊂N C,a =ðmj =1A j A N C,j ()(18)式中:N C,a 为流域综合CN 值;N C,j 为不同种类下垫面CN 值,m 2;A 为汇流区域总面积,m 2;A j 为不同种类下垫面面积,m 2;j 为不同种类下垫面编号;m 为下垫面种类数量㊂现有流域离散化的方法主要有单元网格㊁山坡单元㊁自然子流域㊁水文响应单元㊁等流时面积单元㊁典型单元面积㊁分组响应单元及其组合等[14]㊂比较来看,水文响应单元是在自然子流域划分的基础上,进一步结合土地利用方式㊁植被类型和土壤类型,划分为下垫面特征相对单一和均匀的离散响应单元,更为符合SCS-CN 模型CN 取值的分类思路㊂对于城市LID 复杂区域,可以按下垫面种类㊁LID 设施及其组合划分为不同类型的水文响应单元(如需汇流计算还要考虑空间位置进一步细分),构建分布式SCS-CN 有效降雨修正模型㊂其中,需要说明如下:①分别对不透水地表㊁渗透地表及LID 设施进行水文响应单元划分及编号㊂②对于不透水地表,累计下渗量F =0,降雨径流损失主要为地表填洼损失,更宜采用Linsley 公式进行模拟;对于渗透地表及LID 设施,可以构建基于SCS-CN 有效降雨修正模型的分布式模型㊂③对于有些LID 设施,需考虑其蓄存容积对降雨径流的影响[15]㊂例如对下凹绿地等,在计算底部土壤下渗产流后,还需考虑上部下凹容积对产流的蓄存作用,下凹容积蓄满外溢后的水流方为下凹绿地降雨径流㊂④对于有些不透水地表,也需考虑中端蓄水池㊁蓄水罐等蓄水设施对地表径流的蓄存作用㊂具体方程如下:Rᶄ=ðm i =1Aᶄi A P -Δmax,i 1-exp -P Δmax,i ()[]-D i {},㊀㊀P ȡ13Δmax (19)Rᵡ=ðn j =1Aᵡj A [κj (P -λS j )]2κj (P -λS j )+S j -D j{}(20)R =Rᶄ+Rᵡ(21)式中:R ᶄ为不透水地表径流深,mm;R ᵡ为渗透地表及LID 设施径流深,mm;m 与i ㊁n 与j 分别为不透水地表㊁渗透地表及LID 设施划分水文响应单元类型数量㊁编号;Aᶄi 为i 单元面积,m 2;Δmax,i 为i 单元最大填洼损失量,mm;D i 为i 单元蓄水设施蓄存容积,mm;Aᵡj 为j 单元面积,m 2;κj 为j 单元有效降雨修正系数;S j为j 单元当时可能最大滞留量,mm;D j 为j 单元LID 设施蓄存容积,mm㊂2㊀应用案例2.1㊀研究区概况北京双紫园小区是北京市最早开展雨水利用的示范工程之一㊂该小区位于海淀区双紫支渠南侧㊁北洼路㊀第4期申红彬,等:分布式SCS-CN有效降雨修正模型建立及应用557㊀西侧,由3栋塔楼㊁1栋排楼以及一些配套建筑物组成(图2(a)),总面积约2.3hm2,其中建筑屋顶面积约0.6hm2,道路㊁庭院㊁停车场面积约10hm2,绿地面积约0.7hm2(表1)[16],土壤类型为重壤土,稳定下渗率为0.3mm/min㊂小区汇流区域分为屋顶(包括2栋塔楼,汇流面积约1350m2)与道路(包括不透水/透水路面㊁绿地㊁庭院㊁停车场等,汇流面积约15088m2)㊂2004年9月,基于LID理念,小区对地表下垫面进行了升级改造㊂具体改造措施包括:①增铺透水铺装,相应面积由880m2增至4582m2;②绿地下凹改造,将小区内绿地下挖5cm,对于一些下挖难度较大的绿地,则用石埂圈围,使其达到下凹绿地的效果㊂图2㊀小区平面布置与降雨径流监测方案示意Fig.2Plane layout and rainfall-runoff monitoring scheme in the study area表1㊀小区土地利用类型及面积百分比统计表Table1Statistics of land use types and area percentage土地利用类型下垫面属性面积/m2占总面积百分比/%主要建筑物屋顶不透水地表337114.2配套建筑物屋顶不透水地表258811.1道路㊁庭院㊁停车场不透水㊁渗透混合地表1038744.1绿地渗透地表725430.6总面积不透水㊁渗透混合地表23600100.02.2㊀降雨径流监测数据北京双紫园小区在地表下垫面改造前后均开展有降雨径流实际监测㊂其中,降雨监测采用自记式雨量计进行连续监测,仪器安装在住宅楼顶部,相关数据直接记录在存储卡上,记录间隔时间为1min,每隔一定时间人工去现场通过数据线连接电脑读取;径流监测采用 液位计+三角堰 测量方法,分别在屋顶与道路管道末端安装三角堰(图2(b))并配置液位计,对水位及流量过程进行连续监测,液位计数据自动存储在系统内,记录间隔时间为1min,每隔一定时间人工去现场通过数据线连接电脑读取㊂基于液位计量测水位过程数据,通过堰前水位与流量关系曲线换算为流量过程;对不同场次降雨流量过程,通过时间积分,可以得到场次降雨径流量,径流量与汇流面积相除可以转化为径流深㊂图3为收集㊁整理得到的双紫园小区地表下垫面改造前后道路汇流区域的降雨㊁径流监测数据,共计有558㊀水科学进展第34卷㊀51场有效降雨㊁径流数据㊂其中,地表下垫面改造前为18场,降水量为8~51mm,径流深为0~14mm;改造后为33场,降水量为5~88mm,径流深为0~12mm,径流削减效果明显㊂另外,图中还给出根据前5d 累计降水量对不同场次降雨土壤前期湿润程度的判别结果㊂可以看出,除个别情况外,多数情况下土壤前期湿润等级为AMC Ⅰ级㊂图3㊀道路汇流区域降雨㊁径流监测数据Fig.3Rainfall and runoff monitoring data of the road watershed 3㊀模型应用结果3.1㊀模型效果评价指标分别采用确定性系数(R 2)与Nash-Sutcliffe 效率系数(E NS )对模型效果进行量化评价[17-18]㊂其中,确定性系数是评价模拟效果最为基本的评价指标,变化范围为0~1.0;Nash-Sutcliffe 效率系数是判定残差与实测值数据方差相对量的标准化统计值,变化范围为-ɕ~1.0;两者数值越趋近于1.0说明模型精度越高,当E NS ɤ0时说明模拟值与实测值存在较大偏差㊂相应计算公式分别为:R 2=ðn i =1R c,i -1n ðn i =1R c,i ()R o,i -1n ðn i =1R o,i ()[]2ðn i =1R c,i -1n ðni =1R c,i ()2ðn i =1R o,i -1n ðn i =1R o,i ()2(22)E NS =1-ðn i =1(R c,i -R o,i )2ðn i =1R o,i -1n ðn i =1R o,i ()2(23)式中:R o,i 为径流深实测值,mm;R c,i 为径流深计算值,mm;i 为序号;n 为样本容量㊂3.2㊀模拟结果与讨论基于分布式SCS-CN 有效降雨修正模型,并对渗透地表分别取κ=1.0与κ<1.0(具体率定),对双紫园小区不同场次降雨径流进行模拟,包括参数率定㊁模型应用与验证:(1)参数率定㊂以小区地表下垫面改造前道路汇流区域的降雨㊁径流监测数据为基础,开展模型参数率定,结果如表2所示㊂其中,对于曲线数CN 值的率定,首先,根据式(5)反推计算当时可能最大滞留量,并取算术平均值约为50.5mm,相应CN 值约为83;其次,通过查阅SCS 手册,并根据土壤前期湿润等级,㊀第4期申红彬,等:分布式SCS-CN有效降雨修正模型建立及应用559㊀初步选定绿地㊁透水铺装等下垫面CN值;最后,对不同类型下垫面CN值进行优化调整,并要求不同类型下垫面CN值按面积加权平均值在83左右㊂另外,不透水道路最大填洼损失值(Δmax)较大,是由于其相连地下管网末端安装有三角堰,形成一定的蓄水空间,这里进行了综合考虑㊂(2)模型应用与验证㊂基于表2中的模型参数,结合小区地表下垫面改造后道路汇流区域的降雨㊁径流监测数据,开展分布式SCS-CN有效降雨修正模型的应用与验证,结果如图4所示,相应确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数值同列于表2㊂表2㊀模型参数与效果评价统计表Table2Statistics of model parameters and performance evaluation results下垫面种类模型参数模型效果评价指标κ面积比例κ=1.0κ<1.0改造前改造后λN CΔmax/mm D/mm R2E NSκ=1.0κ<1.0κ=1.0κ<1.0不透水道路绿地普通绿地下凹绿地透水铺装 0.390.14 301.00.710.540.540.2721.00.700.070.320.27850100.910.920.830.91图4㊀分布式SCS-CN有效降雨修正模型径流模拟值与实测值比较Fig.4Comparison between the simulated and measured runoff using the distributed SCS-CN model with revised effective precipitation ㊀㊀综合图4与表2可以看出,基于分布式SCS-CN有效降雨修正模型,并对渗透地表有效降雨修正系数分别取值等于1.0与小于1.0,两者对双紫园小区不同场次降雨径流深的模拟值与实测值散点均位于45ʎ线附近㊁符合较好,确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.91与0.83㊁0.92与0.91,后者效果优于前者,说明对渗透地表有效降雨修正系数取值小于1.0能够有效提高模拟效果㊂后期,应在前述有效降雨修正系数计算表达式(12)㊁(17)的基础上,进一步深入分析不同降雨与下垫面土壤下渗条件对κ值变化的影响㊂4㊀结㊀㊀论本文基于SCS-CN标准模型,经与SCS-CN改进模型比较,通过引入有效降雨修正系数,构建SCS-CN 有效降雨修正模型及其分布式模型,并开展模型应用与效果检验,得到主要结论如下:(1)对于SCS-CN有效降雨修正模型,当对修正系数取值等于1.0时,其等同于标准模型,当对修正系数取值小于1.0时,其等效于改进模型;修正系数表征了径流系数随降雨量增大而变化趋向稳定的极限值㊂560㊀水科学进展第34卷㊀(2)对于城市低影响开发复杂区域,综合考虑低影响开发设施蓄存容积对降雨径流的影响,构建了基于水文响应单元的分布式SCS-CN有效降雨修正模型㊂(3)应用分布式SCS-CN有效降雨修正模型,分别对渗透地表有效降雨修正系数取值等于1.0与小于1.0,两者对不同场次降雨径流深的模拟值与实测值散点均位于45ʎ线附近㊁符合较好,确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数值分别为0.91与0.83㊁0.92与0.91,后者效果优于前者,说明对渗透地表有效降雨修正系数取值小于1.0能够有效提高模拟效果㊂参考文献:[1]任梅芳,徐宗学,庞博.变化环境下城市洪水演变驱动机理:以北京市温榆河为例[J].水科学进展,2021,32(3): 345-355.(REN M F,XU Z X,PANG B.Driving mechanisms of urban floods under the changing environment:case study in the Wenyu River basin[J].Advances in Water Science,2021,32(3):345-355.(in Chinese))[2]刘家福,蒋卫国,占文凤,等.SCS模型及其研究进展[J].水土保持研究,2010,17(2):120-124.(LIU J F,JIANG W G,ZHAN W F,et al.Processes of SCS model for hydrological simulation:a review[J].Research of Soil and Water Conserva-tion,2010,17(2):120-124.(in Chinese))[3]雷晓玲,邱丽娜,魏泽军,等.基于SCS-CN模型在山地海绵城市不同下垫面径流预测的优化及应用[J].中国农村水利水电,2021(11):49-52,57.(LEI X L,QIU L N,WEI Z J,et 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revised coefficient after a comparison between the standard SCS-CN model and the improved model.Furthermore,for the complex area with low impact development(LID)in a city,a distributed SCS-CN-REP model was developed based on a hydrological response unit division in which the effects of the LID facilityᶄs storage capacity on rainfall-runoff are also considered.Finally,taking the Shuangzi residential district in Beijing City as a study area,the rainfall-runoff is simulated and compared using the distributed SCS-CN-REP model.An analysis of the SCS-CN-REP model showed that when the revised coefficient is1.0,it is equivalent to the standard model, when the revised coefficient is smaller than1.0,it is equivalent to the improved model.In essence,the revised coefficient is a limit value of the runoff coefficient varied with the increase in precipitation.The distributed SCS-CN-REP model application results demonstrated that the calculated runoff depth values are in good agreement with the measured values.The determination coefficients and Nash efficiency coefficient are0.91and0.83when the adopted value of the revised coefficient for permeable surfaces is1.0,and are0.92and0.91when the adopted value is less than1.0.The effects of the latter model are better than the former,indicating that the simulation effect can be effectively improved when the adopted value of the revised coefficient for permeable surfaces is less than1.0in the distributed SCS-CN-REP model.Key words:SCS-CN model;effective precipitation;revised coefficient;distributed;low impact development∗The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52239003)and the Opening Foundation of Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology(No.HYD2019OF02).。