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SCS月水文模型构建及其应用?
王渺林1，3 郭生练2 易 瑜3
（1 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101； 2 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072；
3 长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，重庆 400014）
摘要：本文以SCS水文模型为基础，建立了SCS月水量平衡模型，模型结构简单，模拟结果说明模型具有较高的模拟精度。最后以赣江流域为例，应用SCS月水量平衡模型分析了气候变化对赣江流域水资源的影响。
关键词：SCS模型；水资源；赣江流域；气候变化；影响评估
1 引 言
研究气候变化和异常对我国水资源及水分循环的影响，一方面将为国民经济的发展，特别是为农业生产的可持续性发展、水资源的有效利用和调配等提供决策依据；另一方面将针对短期气候异常对水资源的影响，即洪涝和干旱做出评估分析，提出决策建议。此项研究在防洪减灾、趋利避害、促进国民经济和社会发展等方面都具有非常重要的意义。
为研究气候变化和异常对水文水资源的影响，使用的水文模型要能同大气环流模型相兼容。研究中出现较多的是月水量平衡模型，它结合流域土壤中的含水量变化分析，以水量平衡原理为理论基础，将各个水文过程或变量之间的关系概化成经验函数或表达式来模拟流域水文过程。与其他概念性水文模型相比，月水量平衡模型具有结构简单，参数较少，而且对资料的要求不高，易于推广和应用等优点。
赣江是长江鄱阳湖水系最大的一条河流，流域集水面积80000km2，地处东南季风带，气候温和，降水丰沛，年平均降水量1400-1800mm，季节分配不均匀，4- 6月的降雨量占年雨量的50％，洪水多发生在5-6月，7-8月受台风影响，也可能出现较大洪水。本文以SCS水文模型为基础，建立了SCS月水量平衡模型，并应用SCS月水量平衡模型分析了气候变化对赣江流域水资源的影响。
2 SCS月水文模型的建立
2.1 流域水量平衡
概化流域水量平衡示意图见图1。 降雨 蒸散发
?
王渺林，男，中国科学院地理科学与资源研究所，博士生，长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，工程师。
地表径流 土壤含水带 壤中流 图1概化流域水量平衡示意图
土壤含水带中水量的平衡可由下面的微分方程来表达，
dzdt?P(t)?SR(z,t)?SSR(z,t)?E(PET,z,t) （1）
式中， z为土壤含水量（mm），P为有效降雨量（mm），SR为地表径流（mm），SSR为壤中流（mm），E为实际蒸散发（mm）。
2.2 地表径流
由SCS模型，降雨—径流最终关系为：
SR?(P?0.2S)P?0.8S2 （2）
式中，S为流域当时的可能滞留量（mm），P为降雨量（mm），SR为地表径流（mm）。 式（2）是目前许多情况下实际使用的SCS产流公式，其中，S值的变化幅度很大，不便于取值。为解决这个问题，模型制作者引入一个无因次参数CN，称为曲线号码（Curve number），并规定如下关系：
S?254(100CN?1) （3）
CN是反映降雨前流域特征的一个综合参数，它与流域前期土壤湿润度、坡度、植被、土壤类型和土地利用现状等因素有关，CN的变化值在0~100之间。
2.3 壤中流
壤中流的计算是以土壤含水量z乘以一个壤中流系数a ，
SRR?az （4）
2.4 实际蒸散发
Schreiber(1904)认为在长期的水量平衡中，实际蒸散发量E(t)与蒸散发能力PET(t)的比值是降雨量P(t)与蒸散发能力PET(t)比值的函数，
E(t)PET(t)?P(t)PET(t)[1?exp(?PET(t)P(t))] (5)
依据此原理，实际蒸散发量可由下式计算， E(t)?c?P(t)?[1?exp(?EP(t)P(t))] (6)
式（5）、（6）中E(t)代表月实际蒸散发，PET(t)为蒸散发能力，EP(t)为月平均蒸发皿观
测值，P(t)代表月降水量。这样，模型有三个参数：CN、a 、c。
设z(t-1)为t月初土壤含水量，这样，第(t+1)个月初的土壤含水量z(t)为， z(t)?z(t?1)?P(t)?E(t)?SR(t)?SSR(t) （7）
3 模型在赣江流域上的模拟结果分析
从赣江干流选择四个控制站：栋背、吉安、峡江、外洲，用所建SCS月水量平衡模型模拟各站月径流过程。表1给出各站控制流域面积、模型参数、率定期和校核期的模型效率系数（R2）和径流总量相对误差（RE）。另外还考虑了年最大流量模拟误差Rem。可以看出赣江流域各站率定期和校核期的模型效率系数R2较高，相对误差RE和年最大流量模拟相对误差Rem较小，模拟精度较高，且参数值稳定。
表1 赣江干流各测站模拟结果 测 站 名 称 栋 背 吉 安 峡 江 外 洲
面积 (km2) 40231 56223 62724 80948
模型参数
CN a c 88.5 90.1 90.3 89.3
0.380 0.284 0.351 0.338
1.270 1.486 1.124 1.214
率定期效率 R2(%) RE(%) 93.46 93.24 90.11 88.24
-0.01 1.80 0.03 0.02
校核期效率 极值 R2(%) RE(%) Rem 89.19 90.34 88.70 88.07
-1.19 -3.46 -0.97 -5.88
-0.2 2.12 4.19 4.30
4 气候变化影响分析
参考国内外的一些研究成果和有关资料，确定一些未来的气候变化情景值，作为气候变化敏度分析的依据。本文假定未来降水变化分为-20%、-10%、0、10%、20%五种情况，未来气温变化分为0?C、1?C、2?C、3?C四种情况，两两组合成未来气候变化的20种假想情景。
选择以下几种水资源变量为代表，分析水资源对气候变化的敏感性：（1）年径流量；（2）年蒸发量；（3）土壤含水量；（4）汛期水量；（5）枯水期水量；（6）月最大水量；（7）水资源量。
在未来气候变化的20种假想方案下，计算外洲站各水文变量对气候变化的响应值（表2）。表2列出气温升高1°C情景下外洲站水资源变量变化百分率，可以看出，当气温升高1°C、降水增加10%时，水资源量增加14.28%，汛期水量将增加12.86%；降水减少10%，水资源量减少16.31%，汛期水量将减少16.43%。当降水不变时，气温升高1°C，水资源量将减少1.81%，汛期水量减少1.64%。这说明水资源对降雨的敏感性远大于对气温的敏感性。表3列出不同气候变化情景下外洲站水资源量的变化幅度。以上结果说明，水资源量、年径流量、汛期水量、枯水期水量、年最大水量对气候变化极为敏感，而年蒸发量、流域土壤含水量对气候变化则不太敏感。对流域其他站进行如上类似分析，气候变化下各水资源变
量的变化幅度与表2、3所列结果接近。
表2 气温升高1?C情景下外洲站水资源变量变化百分率 降水 变化 -10% 0 +10%
表3 不同情景下外洲站水资源量的变化幅度（%）
降水变化 +20% +10% 0 -10% -20%
参考文献
[1] 陈英、刘新仁，气候变化对淮河流域水资源的影响，河海大学学报，Vol.24, No.5, 1996。 [2] 张建云、章四龙、朱传保，气候变化与流域径流模拟，水科学进展，1996年第7卷增刊。
[3] 熊立华、郭生练、付小平、王渺林，两参数月水量平衡模型的研制及其应用，水科学进展，1996年第7卷增刊。
[4] 张世法、王建生、黄国标等，气候变化对京津唐地区水资源影响与对策研究，水科学进展，1996，7（1）。 [5] 王渺林，郭生练. 月水量平衡模型比较分析及应用. 人民长江，第31卷第6期，2000年6月，32-33。 [6] 詹道江，叶守泽. 工程水文学，中国水利水电出版社，2000年。
年 径流量 -16.31% -1.81% 14.28%
年 蒸发量 -1.58% 2.78% 5.91%
土壤 含水量 -15.59% -1.73% 11.32%
汛期 水量 -16.43% -1.64% 12.86%
枯水 水量 -16.89% -1.36% 14.68%
最大 水量 -15.98% -0.92% 15.14%
水资 源量 -16.31% -1.81% 14.28%
气温不变 28.12% 15.53% 0 -15.11% -28.11%
气温+1°C 27.36% 14.28% -1.81% -16.31% -29.07%
气温+2°C 26.88% 11.88 -2.86% -17.23% -30.03%
气温+3°C 25.73% 10.57% -3.69% -17.97% -31.73%
第一作者简介：王渺林 （1975-），男，安徽黄山人，中国科学院地理科学与资源研究所，博士生，长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，工程师，从事流域水沙模拟和水环境研究。发表论文10余篇。
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