基于RS和GIS的SCS-CN方法估算Ozat流域径流量
Dipesh B. Chavda1Jaydip J. Makwana2*， Hitesh V. Parmar3.， Arvind N. Kunapara2和Girish V. Prajapati2
1贾那加德农业大学农业工程与技术学院农业机械与动力系，印度贾那加德
2贾那加德农业大学RTTC水土管理卓越中心，贾那加德，印度
3.贾那加德农业大学农业工程与技术学院水土工程系，印度贾那加德
http://dx.doi.org/10.12944/CWE.11.1.26
流域径流量估算是水工设施设计、水库运行和水土流失防治措施的前提。水资源规划与管理是干旱半干旱区面临的一个重要而关键的问题。受几种地理形态参数和特定流域土地利用变化影响的流域径流可以显著影响径流量和径流速率。研究了几种估算集水区地表径流量的方法，但最常用的是曲线数法。本研究采用基于RS和GIS的曲线数方法，对位于印度古吉拉特邦朱纳加德的Ozat集水区的两个地点(Ozat-2和Zanzesri)的地表径流和水的可用性进行了估计。ozat流域的权重曲线数为73.00。两个流域的径流计算值与观测值的相关系数均较好。本研究发现，在半干旱区，将scs曲线数法与RS和GIS相结合，可以成功地模拟降雨径流和估算总地表水。
径流估计;曲线数量;RemoteSensing;GIS;半干旱区
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查达D. B, Makwana J. J, Parmar H. V, Kunapara A. N, Prajapati G. V.基于RS和GIS的Ozat流域径流估算方法。当代世界环境2016;11(1)DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.11.1.26
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查达D. B, Makwana J. J, Parmar H. V, Kunapara A. N, Prajapati G. V.基于RS和GIS的Ozat流域径流估算方法。生态学报，2016;11(1)。可以从://www.a-i-l-s-a.com/?p=13583
介绍
印度的农业系统需要改进管理战略，以提高粮食生产方面的自给自足水平。由于气候变化、人口增长和人为水土退化，极端水文气象事件的发生增加，在不久的将来可能会对农业系统造成更严重的影响。粮食产量的增加只能来自四种来源，如获取当地雨水、农业的横向扩张、粮食进口或低热量饮食(Rockstrom和Barron, 2007)。在印度，水的主要来源是降水，有效的感知对农业至关重要。有效降水直接转化为径流。一个分水岭包括一块土地，其径流通过一个单一的出口。有许多模型来发展降雨-径流关系。在常规模式中，只需要水文气象数据。传统的基于表格和图表的复合神经网络估算径流的方法耗时且繁琐。为了克服这些问题，SCS-CN方法与rs和GIS相结合，可以快速准确地估算复合CN和准确估算径流(Zhan and Huang, 2004; Xu, 2006).
传统的scs曲线数法被广泛用于估算直接径流量。美国农业部开发了scs曲线编号方法。由于其简单性，这成为小流域最流行的方法(Mishra和Singh, 2002)。庞塞和霍金斯(1996)在对其概念和实证基础进行批判性检查后，解释了其概念及其能力，缺点和用途，并提供了未来的研究领域。Grove et al.(1998)讨论了曲线数变化对暴雨径流深度估算的影响，评价了曲线数的空间变异性对径流估算的影响。Pradhan等人(2010)使用SCS模型，使用土地利用/土地覆盖、土壤图和降雨值来估算径流。Murmu和Bis(2012)使用SCS- CN方法估算了Damodar子集水区的径流。Nohegar et al.(2013)利用RS和GIS技术找到了流域的加权曲线数。Dhawale(2013)开展了一个案例研究，突出了GIS和RS在SCS-曲线数法估算达尔瓦迪流域直接地表径流中的作用。本研究的目的是确定集水区的重量曲线数，并估计位于印度古吉拉特邦Junagadh的Ozat集水区的两个地点(Ozat-2和Zanzesri)的地表径流。
研究区域
本研究选取的Ozat流域位于印度古吉拉特邦，位于北纬21°08′01”至东经70°18′12”之间(图1)。总集水区面积1409.16公里2．研究区气候为西南季风，平均降雨量为921毫米。该地区降雨稀少且不稳定，季风总降雨量的80%发生在7月至8月。研究区的主要作物有花生、棉花、芒果等。
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方法
实现本研究目标和目的的方法如图2所示，图2显示了模型开发的流程图。模型开发中涉及的各个步骤如下:
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曲线编号法
曲线数法是由美国农业部(USDA)土壤保持局(SCS)开发的估算直接径流量的方法。scs曲线数法是基于降雨量P (mm)和径流Q (mm)之间的关系(USDA-SCS 1985)。
其中S (mm)为最大潜在保留率。初始抽象(I一个)和最大潜在留存率(S)一个防湿成分(AMC)II、III和I =0.1S一个=0.3S为AMC I. Bhattacharya(1998)发现I一个=0.2S在印度不同类型的土壤、降雨和土地覆盖条件下的几个流域已经产生了良好的结果。
在本研究中，首先计算直接径流深度，以消除初始抽象。最大潜在滞留量与降雨量的实证组合，基于I一个= 0.2S为
最大潜在截留(S)随前缘土壤湿度和其他变量的变化而变化，采用曲线数值计算。最大潜在保留率S与曲线数CN的关系为:
CN (Curve number)是无量纲的，取值范围是0 ~ 100。根据土地利用/土地覆被、土壤类型和前含水率计算的曲线数。曲线数值越高，说明该层不透水。如果曲线数值为100，则表示所有降雨都导致了径流。
地表水收集
不同集水结构的有效地表水蓄积量可计算为:
V = c. a. h（６）
式中，V =结构所能容纳的水量，A =淹没面积(m2)，H =最大水深(m)， C =存储容量常数。
结果与讨论
欧扎集水区专题地图
利用ArcGIS软件，在GIS环境下对研究区流域界线图、流域格局/网络图、土地利用图、土壤图进行数字化处理。
土地利用图
Ozat集水区土地利用图主要分为农用地、建筑用地、森林、牧场、荒地和水体六大类。土地利用类别如图3和表1所示。
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图3:Ozat集水区土地利用图 点击此处查看图 |
表1:Ozat流域的土地使用面积
老不 |
土地使用 |
区域,km² |
百分比(%) |
1 |
农业 |
1004.79 |
71.30 |
2 |
荒地 |
115.26 |
8.18 |
3. |
组合 |
16.15 |
1．15 |
4 |
森林 |
225.29 |
15.99 |
5 |
其他人 |
19.94 |
1．42 |
6 |
水体 |
27.73 |
1.97 |
总计 |
1409.16 |
100.00 |
|
土壤地图
土壤质地图显示，流域大部分地区自然补给能力较差。然而，平坦的地形有利于更多的入渗机会时间，导致大量的径流水进入土壤表面以下。土壤图如图4所示。
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用曲线数法估算径流
曲线数法利用实测降雨数据和Ozat流域加权曲线数估算地表直接径流量。scs曲线数法考虑了农田的土地利用、土壤覆盖、前期水分条件和湿度等特征参数来估算该地区的产量。这些参数用于计算Ozat流域的曲线数，如表2所示。曲线数表示复杂风暴在特定时期的径流潜力。
表2:欧扎集水区土地利用及加权曲线数
老不。 |
土地使用 |
区域,平方公里 |
CN |
加权曲线数 |
1 |
农业、行 |
968.31 |
78 |
73.0 |
2 |
果园 |
84.23 |
54 |
|
3. |
落叶林(湿/干) |
138.28 |
44 |
|
4 |
同胞荒地 |
77.16 |
86 |
|
5 |
建筑和农场 |
84.77 |
74 |
|
6 |
牧场 |
49.43 |
69 |
|
总计 |
1402.18 |
|||
AMC |
我 |
2 |
3 |
|
CN |
54 |
73 |
87 |
计算出曲线数值后，用方程计算最大潜在保留率S。4.3.综合考虑前5天降水的前期水分状况、最大潜在滞留量和日径流量资料，估算了日径流量。计算了Ozat流域不同地点的径流量，表3和图5给出了2011年的总降雨量、计算径流量和径流量百分比。
表3:利用曲线数技术估算径流
老不。 |
坝址 |
降雨(毫米) |
径流(毫米) |
径流(%) |
1 |
Zanzesri |
833 |
242.58 |
29.12 |
2 |
Ozat 2 |
850 |
221.92 |
26.11 |
平均 |
841.5 |
232.25 |
27.615 |
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为了验证曲线数法的性能，利用MS Excel将计算的日径流量与观测的日径流量数据进行绘图，建立两者之间的关系。使用不同的模型来寻找数据的最佳相关系数。2011年，不同地点(如Zanzesri和Oz)的日径流量观测值和计算值之间的决定系数分别为0.77和0.51，如图6和7所示。
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地表水收集
在Vanthlitaluka，由朱纳加德灌溉部、古吉拉特邦土地开发公司、朱纳加德地区农村发展局和非政府组织建造了许多集水结构。从Vanthlitaluka的各个部门、机构或非政府组织收集集水结构的数量、各自的储水量等信息，得出不同集水结构收集的地表水总量如表4所示。
表4:地表水收集
老不。 |
集水结构 |
最大水深(米) |
存储容量(MCM) |
总径流量 (罗马数字) |
1 |
Zanzesri |
9.81 |
9.79 |
7.00 |
2 |
Ozat 2 |
5.00 |
27.71 |
218.72 |
总计 |
- |
37.5 |
225.72 |
结论
降雨径流模拟对水资源规划和管理具有重要意义。本文采用传统的曲线数法，结合RS和GIS对Ozat流域两个集水区上游的地表径流量和流量进行了估算。在RS和GIS环境下，利用提取的土地利用、土壤类型、排水等地形态数据进行曲线数估算。本研究发现，曲线数法与环境遥感和GIS相结合可以显著提高模型的性能。本研究还发现，GIS是编制专题地图作为scs曲线数法输入的有效工具。利用GIS求出了2011年欧扎集水区前汛期ii型降水的加权曲线数，得到了73。Ozat集水区赞则斯里坝实测径流量与计算径流量的最大决定系数为0.77。2011年主要集水结构产生的总地表水为37.5 MCM，不同集水结构通过的总径流为225.72 MCM。值得注意的是，SCS-CN方法是为湿润集水区制定的，但它被发现是适合于古吉拉特邦半干旱地区的方法。总体而言，本研究发现曲线数法结合RS和GIS技术环境，对于模拟降雨径流和估算地表总径流是非常有效和准确的。
参考文献
- Dhawale, A. W.(2013)。基于RS和GIS的达尔瓦迪流域径流估算机械工程学报，2016，(6):444 - 444。
- Grove, M.， Harbor, J.和Engel, B.(1998)。复合曲线数与分布曲线数:对风暴径流深度估计的影响。水利学报，34(5):1015-1023。
CrossRef - Mishra, s.k.和Singh, V. P.(2002)。基于SCS CN的水文模拟软件包，小流域水文数学模型及其应用。pp-391-464。
- Murmu, S.和Biswas, S.(2012)。遥感与GIS技术在SCS模型流域径流估算中的应用。国际女性工程师和科学家网络(Inwes)区域会议论文集，印度新德里。
- Nohegar, A.， Bodaghi, M.， Kamali, A.， Ghashghaee, N.和Ghaemi, S.(2013)。遥感技术与GIS在西胡兰流域径流估算中的应用。国际科学技术进步研讨会，阿巴斯港，伊朗。
- 庞塞，v.m.和霍金斯，r.h.(1996)。径流曲线数:是否达到成熟期?[j] .水文工程学报，1(1):11-19。
CrossRef - Pradhan, R.， Pradhan, M. P.， Ghose, M. K.， Agarwal, V. S.和Agarwal, S.(2010)。基于遥感和GIS的东锡金新塔姆及其周边地区降雨径流估算。地球科学进展，21(3):466-476。
- Rockstrom, J.和Barron, J.(2007)。雨养系统的水生产力:在容易缺水的大草原上的挑战概述和机会分析。灌溉科学，25:299-311。
CrossRef - USDA-SCS。（1985).国家工程手册，第4节-水文。华盛顿特区。
- 徐爱玲(2006)。基于GIS技术的曲线数计算新方法。ESRI第26届国际水资源用户会议。
- 詹晓燕，黄明林(2004)。ArcCN-Runoff:一个用于生成曲线数和径流图的ArcGIS工具。环境建模与软件。19:875-879。
CrossRef
