基于GIS的SCS径流模型开发以西山小流域为例毕业设计.doc

滨江学院毕业设计题 目 基于gis的scs径流模型开发 以西山小流域为例 院 系 滨江学院 专 业 地理信息系统 学生姓名 张全统 学 号 20102316036 指导教师 罗庆洲 职 称 副教授 二一四 年 五 月 二十五 日目 录1.引言42.scs模型原理42.1 scs模型基本原理52.2 cn值的影响因素及确定方法52.2.1 cn值的影响因素52.2.2 cn值的确定52.3发展趋势73.研究区域及系统需求分析73.1研究区域与数据预处理73.2 需求分析与gis二次开发技术应用94.系统设计与实现104.1系统开发环境104.2系统数据库设计104.3 系统功能设计11 4.3.1系统功能结构划分114.4系统实现与运行效果11 4.4.2系统运行13（1）地图基本操作13（2）cn值查询操作13 降雨径流查询计算功能144.5系统应用155.结论与展望165.1 结论165.2 展望17参考文献：17致谢18基于gis的scs径流模型开发 以西山小流域为例张全统1（1. 南京信息工程大学滨江学院大气与遥感系 江苏 南京210044）摘 要：随着社会的发展，在当今社会利用地理信息技术收集，分析气象数据成为了一种不可逆的趋势。scs模型是目前应用较为广泛的地表径流模型之一。本文应用gis二次开发技术，采用scs模型计算西山小流域的径流量。首先剖析了scs模型的基本原理，在此基础上分析了西山小流域径流计算的需求，然后采用基于visual basic语言与esri mapobjects控件进行scs模型的降雨径流计算系统开发，该系统能够实现地图基本操作、cn值查询、径流量计算的功能。该系统为研究地区的径流量估算以及水文分析起到了一定的辅助决策作用。关键词：scs模型；径流计算；gis二次开发；小流域researching the development of scs model in runoff simulationzhang quantongcollege of binjiang nanjing university of information science & technology，nanjing 210044，china abstract:with the development of society, in todays society the use of geographic information technologies to collect, analyze meteorological data has become an irreversible trend. scs model is one of the more widespread application of surface runoff models. in this paper, the secondary development of gis technology, using scs model xishan small watershed runoff. first analysis of the basic principles of scs model, on the basis of the analysis of the needs of small watershed runoff xishan calculated, and then conducted using scs rainfall-runoff model for the development of computing systems based on visual basic language and esri mapobjects control, the system can achieve the basic operation of the map, cn value queries runoff calculation function. the system for the study area and the hydrological analysis to estimate runoff played a secondary role in the decision-makingkey words：scs model；runoff calculation；gis secondary development；small watershed1.引言 随着经济社会以及信息技术产业的飞速发展，运用地理信息技术对自然资源资源及生态环境进行及时、准确、全方位的动态监测是一种不可逆转的趋势。scs模型1就是一种降雨径流计算系统，该模型最初是由美国农业部水土保持局研究出来的。目前scs模型广泛的应用在美国及其他一些国家, 并且获得了不错的效果2-5。中国在1980年后也开始了解并使用scs模型。然而，在模型的使用过程中，大多学者都是根据降雨和径流的数量关系, 结合小流域实验观测资料进行相关的统计分析，很少在模型结构中考虑降雨和流域下垫面构造不均等( 如在该流域的土地利用方式、土壤类型、土壤的湿软情况和土地覆盖率等特征) 。随着经济社会的发展，土地利用方式和强度对流域产汇流的影响成为当前水文科学领域研究的热点，如何采取有效的方法揭示土地利用变化对流域径流变化及产汇流机制的影响成为目前亟待解决的问题。通常研究土地利用变化对流域径流的影响，需获取土地利用类型，流域下垫面资料以及气象和水文资料。对于水文、气象资料较缺乏的流域，若用普通的水文模型( 如径流系数法、等时线法、单位过程线法) 很难对流域径流过程进行模拟。其中最重要的土地利用类型数据，地形参数是通过地理信息数据处理得到的结果。这种面状的遥地理信息与水文模型很少直接或间接将土地利用情况，土壤湿度特征等作为影响因素在模型应用中加以考虑。因此，基于地理信息建立水文模型对流域径流过程进行模拟用来提高准确度成为一种必然的趋势。本文将scs模型应用于西山小流域寻求该地区的降雨径流的变化情况，并开发基于scs模型的gis的降雨径流计算系统，且系统可以提供查询某年、某月等某段时间上的径流量查询。同时运用模型对当地降雨径流情况进行模拟，在一定程度上为揭示该地区不同土地利用条件下流域的降雨-径流关系及水文分析提供理论依据和科学方法。2.scs模型原理自scs模型被开发成功之后，scs模型就被普遍的运用于美国等7-10其他欧洲国家，并且在近年来获得迅速地发展。我们从对scs模型的发展研究报告总结可以看出来其研究方向主要有下面3个方向：（1）地表径流估算，先得到研究流域的cn值再通过cn值与产流的关系算出径流量11。例如，通过该流域的前五天的降雨情况估算当天的土壤湿润情况从而更加精确cn值。这种方法虽然可以对结果的准确率有所提高但是对于更大流域的推广并不适宜。（2）改进scs模型的参数，考虑到了雨水的蒸发量。例如综合考虑前五天的降雨量，改进scs模型中的初期损失12，然而这些并没有对cn值进行再精确，所以也较大流域的计算式的精度有待提高。（3）scs模型与其他系统集成，主要是利用其他工具对scs模型进行改进从来提高模型的功能和适用范围。例如，利用areviewswat2000对scs模型进行改进，使模型能够满足对不同时期的地表径流的估算8。scs模型最初的设计目的是用来分析小流域降雨径流估算的。但是伴随着国外学者的研究深入，一些中大区域流域也逐渐采用了scs模型。scs模型的优点在于使用简单，精确度高，且只需要一个参数即降雨前流域下垫面的径流曲线数（cn值）。虽然scs模型比较适用于小流域地区，但是我们的研究区域西山小流域正属于小流域地区，故采用scs模型。2.1 scs模型基本原理在scs模型中只有一个参数：曲线数值（ curve number， 通常称之为cn值），所以scs模型又被称为scs-cn法。cn13,14随土壤类型，土地利用方式，土壤湿润度的不同而不同，在不同的降雨过程中cn的取值还受前期土壤含水量的影响（一般以前五天的降雨总量为判断依据）。 因此scs模型应用的重心是在cn值确定的上。等到相应的cn值之后我们可以通过以下公式大致计算出流域的产流情况。scs模型产流公式： （1） 式中：r表示产流深；i表示降雨量；s表示潜在的最大降雨损失，即降水初期可能存在的降雨与径流的差值；ia最初的降雨损失、包括地洼蓄、影响植物截留、降水和蒸发损失的土壤入渗。初期损失ia并不是固定的，表现在该地区的前期降雨量对此次降水损失的影响，scs模型的制作者从美国农业集水区的研究数据和经验将公式近似确定： （2） 但是这种近似的关系不是确定的，在不同情况下是可以改变的，比如在城市集中的地区大量的不透水的地面和透水地面组合会降低初期降水损失，或不透水地面是一个洼地那么就可以储蓄一部分降水，截取一部分径流就会增大初期降水损失。如果不采用这种近似的经验公式，那么就要根据降水对该流域的个个下垫面建立新的i与s或者i与cn的关系。s可以根据cn值（曲线数值）建立关系，计算公式为： （3）从以上公式（1）（2）（3）可以看出，径流量的计算最关键的是cn值得确定。2.2 cn值的影响因素及确定方法2.2.1 cn值的影响因素影响scs模型总cn值（曲线数值）的因素主要是由流域下垫面的渗水情况决定的所以主要的因素有：土壤类型、土地利用状况、土壤湿润度以及该地区的前期降水清况。2.2.2 cn值的确定（1）前期湿润情况的确定 考虑到前期土壤湿度对降水产流流的影响，为此入了前期降水指数api（antecedent precipitation index），即前五天的降雨总和。然后从前期降水情况，将土壤的湿度条件（antecedent moisture condition ，简称amc）分为三级：amc1为干旱条件，amc2为正常，amc3为湿软。具体的划分依据如下表 ：表1 前期土壤湿润度分类amc前五天降雨总量 mm生长期休闲期135.653.327.9一般情况下不同土地利用类型cn值库中的cn值为amc2情况下的cn值，因此cn值又称为cn2值，所以我们可以通过前期土壤湿润程度分别计算amc1与amc3情况下所对应的的cn1与cn3的值。cn1、cn3的计算公式： (4) (5) 式中的cn2为正常条件下的cn值（2）根据资料确定反推当地cn值 由于研究的流域区域的降水资料年限和区域产流的情况不同，所以应选取较长年限的降水资料切典型的区域进行研究，根据降雨量i与产流深r之间的关系计算出s，将公式（2）带入公式（1），在根据公式（3）s与cn之间的关系反推出cn值。本文研究的西山小流域所采用的cn值该地区中等湿度条件下的cn值。具体参数如下表2。表2 西山小流域中等湿度条件下不同土地利用类型和土壤类型下单cn值abcd不透水面100100100100菜园32577279茶园32577279道路98989898果园32577279旱地70768286荒草地39657580建筑用地61768486林地30557077裸地42708085水体98989898水田69737783桃园32577279幼林地35 607075早园竹36627175竹园325870762.3 gis技术在scs模型中应用在scs模型使用的关键之处在于cn值的确定，由于gis可以提供精准的下垫面数据，所以能大大的提高cn值反应下垫面情况的准确性，同样gis与遥感数据、卫星影像等的结合应用，为流域模型的分段分块提供了数据依据。综上，所以本文中所采用的的方法是利用visual basic语言与esri mapobjects控件开发基于gis的scs模型的降雨径流计算系统。3 研究区域及系统需求分析3.1研究区域与数据预处理本文的研究区域为西山小流域地区，该地区位于杭州市西南方向20公里左右的地区，流域面积2.86km2该区地处中北亚热带过渡区属于亚热带季风气候。该地气候较为湿润，地区年均降水量在10001500毫米之间，年雨日在120150天之间，且降雨量的时间变化率较大。年暴雨主要集中在6、7月份。空间数据预处理： 运用arcmap对西山小流域地区的土地利用类型图和土壤图进行分析:首先将西山小流域地区的土地利用类型图与土壤类型图进行叠置分析得到该地区的水文单元图，然后在水文单元图的属性表中新加入一列列名为landuse（土里利用类型）的字段并输入各个水温单元的土地利用类型、一列列名cn字段并输入各个水文单元的cn值和一列列名为面积（area）的字段，之后运用字段计算器计算出各个水文单元的面积，最后按土地利用类型对图层进行分级。西山小流域的土地利用类型如下图1所示，土壤类型如下图2所示。 图1 西山小流域地区土地利用类型图2 西山小流域地区土壤类型图3.2 需求分析与gis二次开发技术应用 由于近些年来气候变化明显，降雨的时间分布变得不均匀。为了了解该地区土地利用变化条件下流域的降雨-径流关系及水文预报提供理论依据和科学法，所以需要能够明确看出西山小流域地区的土地利用类型分级图和降雨径流数据信息。现在存在当地从1951年到2010年的降雨数据信息，由于降雨数据的时间跨度大且数据量较大，所以人工处理这些数据难度较大且容易出错。鉴于以上的情况，为了能够快速处理数据并计算出相应的降雨径流数据所以需要设计一个基于gis的二次开发系统。系统的具体需求有以下几个方面：（1）载入西山小流域地区地图，河流分布图；（2）实现对地图的放大、缩小、移动等操作；（3）可以查询当地的cn值；（4）可以实现与当地的降雨数据进行连接并实现对降雨的查询以及对特定的一天或一段时间上的径流计算功能。gis的二次开发主要能够分为如下两类：（1）宿主型二次开发指基于gis平台软件上进行应用系统开发。（2）基于gis组件的二次开发大多数gis软件产商都提供商业化的gis组件。由于单纯的二次开发很容易受到gis工具提供者的限制较大，于是联合gis软件工具与当今可视化开发语言的集成式二次开发是当下gis二次开发的主流，它的优势在于既可以最大程度的利用gis工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的效率、方便等编程优点，集两者的长处，不但能极大地提升应用系统的开发效率，而且应用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更友好的用户界面，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于维护、易于移植。由于上述的优点我们本次西山小流域降雨径流计算系统的设计采用了vb+mo的开发模式。4.系统设计与实现4.1系统开发环境软件环境：操作系统：windows 7，开发语言：microsoft visual basic 6.0 ，开发控件：mapobjects，数据库：microsoft office access。硬件环境：pc（cpu：i5-3317 ；内存：8g）由于本次设计的系统复杂性并不高并且vb语言相对于其他的语言更加易懂方便操作所以本次的开发语言采用vb。mapobjects（简称mo）是全球最大的gis厂商esri公司gis系列产品中重要的组成部分，是一组提供应用开发人员使用的制图与gis功能的控件，它是由一个activex控件（axmap控件）和一系列可编程对象组成。在标准的windows编程环境下，能够与其他图形、多媒体、数据库的开发技术无缝的组成完全独立的应用系统，用户可以使用vb，vc和vb.net等平台进行嵌入式二次开发。由于mo有很强大的图形能力以及相对简单的操作而且可以与多种开发语言和开发平台进行无缝连接。鉴于以上的优点所以本次径流计算系统设计采用vb+mo的方式。4.2系统数据库设计(1)空间数据储存与管理 由于本次系统开发所用到的土地利用类型图、土壤类型图都是含有空间地理要素的，由于shapefile没有拓扑数据结构，因此占用硬盘空间小且容易读写处理，所以本次空间数据都采用shapefile数据格式。(2)其他数据储存与管理本次系统开发所用到的其他数据有水文单元的属性表数据和access数据库中的降雨量数据。水文单元属性表结构和降雨量表结构分别如下表3、表4所示。表3 水文单元属性表结构字段名描述数据类型fid编号object idsoil_group土壤类型stringss最大降雨损失doublearea面积doublecn径流曲线数值doublelanduse土地利用类型string表4 降雨量表结构字段名描述数据类型station id站台号文本recorddate日期日期precipitation降雨量数值数据库运行于维护数据库投入运行后，不断地对数据库进行测试，对不正常的数据进行修正与删除以保障数据库的正常运行。4.3 系统功能设计4.3.1系统功能结构划分本系统的功能主要有以下几个方面：（1）实现对地图的一些基本操作（放大、缩小、移动、全图）。（2）查询当地的cn值表。（3）输入固定降雨量计算产生的径流量（4）根据日期选择一天或一段时间，然后查询降雨量并计算出对应的径流量。系统功能的结构划分图如下图3所示降雨径流计算系统cn值查询地图基本操作降雨查询径流计算缩小移动全图放大一天降雨径流计算一段时间降雨径流计算图3 降雨径流计算系统功能的结构划分图4.4系统实现与运行效果4.4.1 系统的主要实现利用vb和mo对系统进行设计，总共需要4个窗体：第一个窗体作为系统的登陆界面；第二个窗体为系统主界面；第三个窗体为系统查询与计算界面；第四个窗体为cn值表查询。 登陆界面设计：在窗体中加入command按钮同时插入图片作为背景得到登陆界面设计如下图4所示。图4 西山小流域降雨径流计算系统登陆界面设计图第二个窗体为系统的主界面，在窗体中添加toolbar控件并添加放大、缩小、移动、查询、cn按钮。同时在窗体中加入map控件并设置属性导入西山小流域地区土地利用图和河流图，加入legend控件用来之后通过代码将legend与map相联然后通过legend显示图层情况，然后分别在toolbar以及map下进行代码编辑实现用户对地图的一些基本操作，最终得到的主界面效果图如图5所示。图5 西山小流域降雨径流计算系统主界面form3为径流查询计算窗体，该窗体含有command控件、text控件、label控件、adodc控件以及dt picker控件。通过设置adodc1控件链接数据库并选中数据文件（database.ldb）当中的降雨量（precipitation）表，并将dt picker的数据来源选择为adodc1。然后分别在from_load 、command1、command2、command3下进行代码编辑，最终可以实现降雨查询与一天或者一段时间的径流计算。from4为cn值查询窗体，该窗体中有adodc控件和datagrid控件，首先设置adodc1属性链接到access数据库，然后将datagrid控件的数据来源设置为adodc1控件，将西山小流域地区的cn值表导入到datagrid当中并显示出来。如下图6、7所示 图6 径流计算界面设计 图7 cn值查询界面设计4.4.2系统运行（1）地图基本操作通过toolbar上的按钮我们可以实现对地图的一些基本操作，如：放大、缩小、移动、全图。操作效果如图8，图9所示。 图8 放大效果 图9 移动效果示意图（2）cn值查询操作通过点击toolbar上的cn值按钮可以查询西山小流域地区中等湿润条件下的cn值。效果如下图10所示。图10 cn值查询操作降雨径流查询计算功能 为了满足当地对特定一天和一段时间的径流计算，所以本系统既可以查询某一天的降雨并输出相应的径流量，同时也可以查询一段时间的降雨总量并输出相应的径流总量。（1） 某天或输入固定降雨量计算径流量 输入任意降水量查询中等湿润条件下的的径流量，如在图6所示的计算模块中在降雨量对话框中输入降雨量1，或者在按日期查询模块中选择任意一天的降雨量则输出泾流量如下图11所示。图11 径流计算功能效果（2） 计算一段时间的降雨量在图6所示的按日期查询模块中选择一段时间则可以输出径流总量，如：计算2010年12月产生的径流总量。效果如下图12所示图12. 一段时间内的径流计算4.5 系统应用运用该系统我们可以对西山小流域地区的径流变化状况进行统计，展示这一年里径流变化情况，并对这种变化进行分析，如统计2008年里每个月份的径流量的变化情况得到如下图13所示的月径流变化走势图。图13. 2008年各月径流量走势图从上图中我们可以看出在2008年径流在6，7月份达到峰谷且远远地高于其他时期，其他月份的径流产生量都相对平缓。这一点很符合当地的亚热带季风气候：降雨大都集中在每年的6，7月份同时在这其间产生的径流量也达到峰值。 同样我们也可以对十年里的每年径流量进行统计，如统计2000年到2009年这十年里的年径流总量情况，通过excel我们可以制作如下图14所示的径流总量走势图。图14 20002009年径流总量走势图 从上图中我们可以发现从2000年到2009这些年中径流变化的总体上是相对平缓的其中在2002至2003年之间变化的最为显著。 同样通过对2000-2009年的径流总量和当地的区域面积我们可以得到当地的径流系数分布折线图如下图15所示图15 2000-2009年径流系数分布折线图从径流系数曲线图我们可以看出西山小流域地区的径流系数主要是分布在0.4左右。 本论文的侧重点在于西山小流域降雨径流计算系统的开发，由于在实际情况中各种参数与系统本次采用的参数有所区别所以上述图表中的数据必然会与实际数据有所差别。在后期的工作中还需对参数进行调整使系统的准确度进一步提高。5.结论与展望5.1 结论（1）西山小流域降雨径流计算系统在开发过程中利用了西山地区的降雨数据，并通过良好的用户界面向用户展示全面的功能，包括展示小西山流域地区的土地利用类型，基础信息查询，降雨数据查询，径流量计算等。本系统可以通过excel绘制多年的径流总量走势图，或者某一年里各月径流量走势图，通过分析径流量的变化可以进一步的研究降雨与径流的关系。同时也为当地的水文分析起到了一定程度上的辅助作用。（2）本次开发采用的是集成式gis二次开发，这种开发模式是随着近年来计算机技术的发展而产生的。通过本次开发过程可以发现集成式gis开发有以下优势：集成式gis具有标准的集成式平台，各个组件不但可以灵活、自由的重组，而且具有友好可视化的界面和使用方便的标准接口。5.2 展望 scs模型是近年来发展较为迅速的一种水文模型，随着现代空间技术的快速发展，scs模型得到广泛应用。本次系统设计将scs模型运用到了vb+mo的二次开发当中，再往后的研究里可以将本系统与其他平台连接，如：可以直接输出降雨量的月、年变化曲线图，径流量的月、年变化曲线，进一步为径流量估算以及水文分析提供辅助的决策作用。 参考文献：1scs national engineering handbooks.hydrology,section4.soil conservation service us department of agriculture，washington,dc,1956.2 mealless am,shihsf. spatially distributed storm run2 off depth estimation using landsat images and gisj.computers and electronics in agriculture,2002, 37:1732183.3bosznaym m. generalization of scs curve number meth2odsj. joumal of irrigation and drainage engineering，1989，155(1) :1392144.4 mishra sk,singhvp. scs2cnmethodpart - 1:deriva2tionof scs2cnbasedmodelsj. acta geophys 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