（市政工程专业论文）渭河流域陕西片降雨与径流特性研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 渭河流域陕西片降雨与径流特性研究 专业：市政工程 硕士生：孙艳群 指导教师：王晓昌教授 摘要 近年来，渭河流域陕西片发展较快，大量的生活污水和工业废水未经处理就直 接排入渭河水体；受自然条件及气候影响，流域内的降雨量较少，产流量及能够汇 入渭河的径流量也相对较少，渭河流量逐年减少。随着排放入河的污染负荷的增加 及河流水体自净能力的降低，渭河水体严重污染。在控制污染负荷排放的同时，也 要保证河流基本流量，提高水体自净能力，改善渭河水体的污染现状。由于降雨和 径流是影响河流流量的两个主要因素，因此探明这两个因素与渭河流量的关系意义 重大。本论文运用经验频率曲线的方法进行降雨模拟，深入分析渭河流域陕西片的 降雨特性；同时采用g i s 与s c s 模型相结合的方式进行径流模拟，完成对渭河流域 陕西片的径流特性研究。 采用经验频率曲线模拟不同概率下的年降雨量，并依据降雨量与降雨天数的线 性关系模拟月内连续降雨天数及曰降雨量。降雨模拟结果表明，p = 5 0 的年降雨量 为5 6 7 m m ，p = 1 0 和p = 9 0 的年降雨量分别为7 3 6 和4 0 9 m m ；年内降雨量主要 集中在6 9 月，占年降雨量的5 7 ，最多连续降雨天数是1 7 天，在p 为0 0 1 时 连续降雨1 7 天的降雨量为1 6 5 7 m m 。 无资料或者少资料地区的径流模拟是水文学研究的一个重要课题。采用s c s 模 型模拟径流变化，应用地理信息系统( g i s ) 分析地理信息参数，将土壤类型、土 地利用方式以及前期土壤湿润程度等空间数据与属性数据结合确定s c s 模型参数。 径流模拟结果能较好地反映渭河流量的变化趋势。影响经流量的主要因素是降雨量 和连续降雨天数，其次，土壤湿润程度和地面坡度对径流量的影响也较大。土壤越 湿涧地面坡度越大产生的径流量越大。 关键词：渭河流域陕西片，降雨，径流，g i s ，s c s 模型 论文类型：基础研究 西安建筑科技大学硕士学位沦文 t h ec h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho n r a i n f a l la n dr u n o f fi ns h a n n x io fw e i h er i v e rb a s i n s p e c i a l t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ： s u ny a n q l m t u t o r ：p r o f e s s o rw a n gx i a o c h a n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs h a a n x ia r e aa l o n g s i d et h ew e i h er i v e r , p l e n t yo f i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n dd o m e s t i es e w a g ed i s c h a r g ei n t ot h er i v e rw i t h o u tt r e a t m e n t a t t h es a m et i m e ，f o rt h en a t u r a ic o n d i t i o na n dc l i m a t e ，w i t ht h er e s u l to ft h el i t t l ea r e a r a i n f a l la n dt h e 】i t t l er l n o f fi nw e i h er i v e r , r i v e rs e l f p u r i f i c a t j o nd e s c e n d s ，a n dt h e w a t e rq u a l i t yb e c o m e sw o r s e t oi m p r o v et h es e l f - p u r m c a t i o na b i l i t ya n dp o l l u t i o n s i t u a t i o no fr i v e rw a t e r , c o n t r o lt h ep o l l u t i o nl o a da n de n s u r et h er i v e rb a s i cf l o wa r et w o i m p o r t a n tw a y s i ti sm e a n i n g f u lt of i n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w of a c t o r sa n d t h er u n o f fo f ，e i h er i v e r , w h i c ha r er a i n f a l la n dp a t h w a y e x p e r i e n c e - f r e q u e n c yc u r v e w a su s e di nt h es i m u l a t i o no fr a i n f a l lt oa n a l y s i st h er a i n f a nc h a r a c t e r i s t i co ft h i sa r e a ； r u n o f fw a ss i m u l a t e db ya s s o c i a t i o no fs c sm o d e la n dg i st e c h n o l o g y ，t os t u d yt h e p a t h w a yi d e n t i t y e x p e r i e n c e f r e q u e n c yc u r v ew a su s e di n t h es i m u l a t i o no fr a i n f a l la td i f f e r e n t p r o b a b i l i t y ，a n da c c o r d i n gt ot h el i n e a rd e p e n d e n c er e l a t i o nb e t w e e nr a i nc a p a c i t ya n d r a i n i n gd a y s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h er a i nc a p a c i t yi so n l y5 6 7m mw h e npi s 5 0 ，t h er a i nc a p a c i t ya r e7 3 6m ma n d4 0 9 r a mw h e npa r e 1o a n d9 0 ，a n df b c u s b e t w e e nj u n ea n ds e p t e m b e rt h a tt a k e s5 7 o ft h et o t a la n n u a lr a i n f a l l t h em o s to f c o n t i n u u mr a i n i n gd a y si s1 7 a n dt h ea m o u n to ft h er a i n f a l li s1 6 5 7m mw h e npi s o 0 1 i ti sa ni m p o r t a n ts t u d yo nt h ea r e ap a t h w a yw h e r ei sl a c ko fd a t aa n di n f o r m a t i o n w i t ht h es c sm o d e lp a r a m e t e rc a l c u l a t e db yt h ea g r o t y p e ，t h ef a c t o r so f s i n gm o d eo f l a n da n dt h el e v e lo fs o i lw e t n e s sw i t ht h eh e l po fg i sa r eu s e dt oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r o fs c sm o d e l r u n o f fs i m u l a t i o ns h o w st h a tp r e c i p i t a t i o nr a i n f a l ld i r e c t l ya f f e c t st h e 西安建筑科技大学硕士学位论文 r u n o f fu s u a l l y , a n dt h el e v e lo fs o i lw e t n e s sa n dg r o u n dl i n eg r a d i e n ta f f e c tt h er u n o f f o b v i o u s l yw h e nc o n t i n u u mr a i n i n go rc o n t i n u u md r o u g h t k e yw o r d s ：w e i h er i v e rb a s i ni ns h a a n x i ，r a i n f a l l ，r u n o f r , g i s ，s c sm o d e l p a t e rt y p e ：f u n d a m e n t a ls t u d y 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 、 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 ，论文作者签名：刁小掂群 关于论文使用授权的说明 日期：埘，；p 5 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定)， 论文作者签名：与b 掐，许 导师签 请将此页附在论文首页。 日期：2 彬x 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景与课题来源 第一章概述 渭河是关中第一大河，发源于甘肃省渭源县的鸟鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西三 省，至陕西潼关入黄河，是黄河最大支流。随着渭河流域工农业生产的飞速发展及 人民生活水平的不断提高，大量的工业废水、生活污水未经处理就近排入河道，导 致渭河水体污染逐年加重，水环境质量不断恶化，已成为全国少有的严重污染河流， 几乎散失了作为可利用水资源的价值。 本课题是西安建筑科技大学与日本九州大学的合作项目“黄河水资源合理开发 利用”( 日本科学技术振兴事业团国际合作项目) 的部分研究内容。在确定渭河流域 主要污染源的基础上，应用地理信息系统( g i s ) 在空间数据输入与处理方面的优 势，分析影响渭河水质的主要因素，包括气候、水文、土壤特性、土地利用、区域人 口、经济及农业发展、污染源分布等，建立渭河流域的g i s 数据库，建立空间与属 性数据的统一框架，实现流域内自然、地理环境的拟合。 1 2 研究流域概况 1 2 1 研究范围 本论文的研究范围是渭河流域陕西片，包括宝鸡市、咸阳市、西安市、渭南市 嘤市及其所辖地斟2 1 ，渭河横穿陕西关中地区，西起渭河宝鸡峡水库，东至潼关港 l l 镇，河长3 6 0 k m 。 1 2 2 渭河水质现状 渭河流域陕西片地处陕西中部，是陕西省政治、经济、文化中心。但是由于流 域的经济快速发展、人口增加、用水量剧增和排污量不断增大，致使渭河水环境严 重恶化，5 ，6 1 。 图1 1 是渭河干流1 3 个常年水质监测断面1 9 9 1 2 0 0 0 年b o d 5 、0 0 的年平均监 测结果。由图可以看出，对于b o d 5 ，除了上游断面w i 为1 1 l 类、断面w 4 为类、 断币lw 3 、w 5 、w 6 、w 1 0 为v 类水质外，其余7 个断面均超过了地表水环境质量 v 类水质标准；对于d o ，除了上游w 1 、w 4 断面为i 类水质，其余1 1 个断面基本 西安建筑科技大学硕士学位论文 满足i i i 类水质。以上监测数据表明渭河水质主要为有机型污染。w 1 ，w 2 w 13 为环保局在渭河的取样点，依次为林家村、卧龙寺桥、虢镇桥、常兴桥、兴平、南 营、咸阳铁桥、天江人渡、耿镇桥、新丰镇大桥、沙王渡、树园、潼关吊桥。 釜譬篁荽警害呈誓雪茎耋坌耋 s a m p l e 4 5 4 0 3 5 o3 0 营2 5 苗2 0 墓t 5 1 0 5 o ；譬翟￥警呈釜譬霉堇三堇詈 s a m d l e 图1 - 1 渭河1 9 9 0 2 0 0 0 年平均d o 、b o d s 1 - 2 3 工业分布 渭河流域陕西片是工业布局最密集的地区，称之为“工业走廊”。工业主要集中 在西安、咸阳、宝鸡。军工、机械、电子、纺织等传统加工工业占优势。此外，能 源、石化医药、建材、食品、轻工、冶金、有色金属等工业在国内也有一定的地位 和竞争力刚】。2 0 0 0 年全区工业总产值1 4 6 0 亿元，占全省工业总产值的8 2 ；国内 生产总值1 4 4 7 亿元，占全省国内生产总值的8 7 。西安高新技术开发区、西安经 济技术开发区和杨凌农业高新技术产业示范区等3 个国家级开发区发展迅速，成为 全省新的经济增长点。 图卜2 是渭河流域陕西片工业企业分布图。由图可以看出，工业企业主要集中 在渭河于流附近，有一些分布在支流千河、洛河及泾河附近。这些工业企业的工业 废水就近排入河道内。西安、宝鸡、咸阳三市附近的点比较密集，说明这些城市附 近的工业企业比较多，排放入河的工业废水相对也较多，导致这些城市附近的渭河 干流水质严重污染。 l - 2 4 人口分布 渭河流域陕西片属于平原盆地，人口密度大，用水集中，用水量大，生活污水 排放量大，污染负荷大。图卜3 是渭河流域陕西片人口分布图。由图可以看出，人 口密度沿渭河两岸最大，特别是西安及成阳两市附近，人口尤其密集i 4 j 。 0 8 6 4 2 0 ：，暑占。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图1 - 2 研究流域工业企业分布图 图1 - 3 研究流域人口分布图 1 2 5 农业灌溉 渭河流域陕西片农业发达，是我国历史上大规模发展农田灌溉的地区之一。因 为渭河的滋润，这里已经成为旱涝保收的宝地。据统计，九大灌区年灌溉需水量为 3 8 1 6 亿1 1 1 3 ，从地表水年引水量为2 3 1 2 亿m 3 ；灌区内现有耕地2 6 3 0 万亩，占全省 耕地面积的5 6 ；有效灌溉面积1 4 7 0 万亩，占全省有效灌溉面积的7 5 ；农业总 产值2 9 4 8 亿元，占全省的6 4 ；粮食总产量7 5 8 9 万吨，占全省总产量的6 8 1 4 , 6 1 。 1 2 6 气象 渭河流域陕西片属于温暖带半湿润大陆性气候。太阳辐射量约为1 1 0 1 2 0 千卡 c m 2 年，日照时数2 1 4 4 2 4 4 0 小时，平均气温1 2 1 3 6 ，无霜期2 1 3 2 2 6 天， 可以保证作物7 8 个月的正常生长需要。年平均降雨量5 0 0 - - 7 0 0 r a m ，降雨年际变 化大，年内分布不均匀。图1 4 是渭河流域陕西片1 9 9 0 2 0 0 0 年年均降雨量变化趋 西安建筑科技大学硕士学位论文 势。由图可以看出，以宝鸡市为例，1 9 9 0 年降雨量达到7 8 9 m m ，而1 9 9 5 年只有 3 7 8 m m ，相差两倍多。图1 5 是渭河流域陕西片1 9 9 0 2 0 0 0 年月均降雨量变化趋势。 由图可以看出，冬春夏干旱，秋季易涝，6 9 月的降雨量约占全年总降雨量的6 5 ，且多以暴雨形式出现【4 ，”。 + 西安一宝鸡十咸阳* 渭南 1 0 0 0 8 0 0 童6 0 0 = 4 0 0 2 0 0 0 1 9 9 01 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 7t 9 9 81 9 9 9 2 0 0 0 y e a r 图1 - 4 研究流域1 9 9 0 - 2 0 0 0 年降雨量图 图1 - 6 研究流域1 9 9 0 2 0 0 0 月平均降雨量图 1 2 7 水文 渭河流经宝鸡、成阳、西安、渭南等地市，流域面积3 3 8 万1 2 ( 不包括泾河、 洛河) 。北岸大支流有金岭河、千河、漆水河、石川河、泾河、洛河。南岸支流较多， 沿秦岭素有7 2 峪之称，较大支流有石头河、黑河、沣河、灞河等【4 l 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 泾河发源于宁夏泾源县，从长武进入陕西省，经高陵县陈家滩汇入渭河。张家 山水文站多年平均径流量为2 0 亿m 3 ，陕西省境内自产径流量4 3 亿m 3 。总流域面 积4 5 5 万k m 2 ，省内河长2 7 5 k m ，流域面积o 9 2 万k m 2 。每年泾惠渠从泾河引水2 5 亿m 3 ，甘肃、宁夏引水1 2 亿m 3 。省内主要支流有黑河、达溪河和三水河等。 洛河发源于陕西省定边县白玉山，在大荔县汇入渭河。洛河状头水文站多年平 均径流量8 7 2 亿m 3 。流域面积2 6 9 万k m 2 ，河长6 8 0 3 k m 。主要支流有周水、芦河 和沮水河等。 1 2 8 土壤、植被 渭河流域陕西片土壤类型比较复杂，主要有楼土、褐土、黄绵土、黑垆土等。 楼土是关中地区主要的农业土壤，广泛分布于渭河各级阶地与黄土台塬。褐土分布 于渭河平原南北低山丘陵地的一种自然土壤。黄绵土主要分布于黄土台塬及黄土塬 沟壑区。 渭河流域陕西片生物多样性比较丰富。渭河平原区以人工生态系统为主体，农 作物和人工林较多；而平原南北两侧的山地以森林生态系统为z # e 4 , 8 1 。 1 2 9 水资源 渭河流域陕西片多年平均水资源总量为8 2 0 3 亿立方米，其中地表水7 3 6 9 7 亿 立方米，地下水5 3 4 1 亿立方米，重复量4 5 0 8 亿立方米【2 a o a h 。按水资源总量多年 平均量计算，人均、亩均水资源量远低于全国人均、亩均水资源量，属于水资源贫 乏地区，为资源型缺水区，也有工程性缺水和污染性缺水问题。 表1 - 1 关中不同保证率下的水资源总量表 p ( o o ) 2 0 5 0 7 59 5 q ( 亿立方米： 9 4 9 87 7 5 56 1 5 84 4 5 0 1 3 研究目的与意义 随着经济的发展，渭河流域的工业、农业高速增长，人口飞速膨胀，大量的生 活污水、工业废水排入渭河及其支流，降低了渭河水体的自净能力，造成了水质的 严重污染及恶化。影响渭河水体污染的主要因素是污染负荷的排入量及河流流量。 污染负荷的排入量大部分是由人为因素造成的，可以根据流域内人口、工业和农业 等因素的现状及发展状况预测产生的污染负荷的变化情况：而影响河流流量的主要 刚素是降雨量及径流量。 西安建筑科技大学硕士学位论文 本论文通过对研究区域的降雨及径流进行模拟，预测河流流量的变化趋势。 若将模拟结果与污染负荷解析相结合，即可进一步预测渭河水质的变化趋势； 或在水质达标的基础上确定渭河水体能够接纳的污染物的最大负荷量。 1 4 研究内容 本论文的研究内容主要包括两部分： ( 1 ) 渭河流域陕西片的降雨模拟 降雨模拟按照从年降雨模拟到月降雨模拟再到日降雨模拟的过程进行。 ( 2 ) 渭河流域陕西片的径流模拟 利用降雨与径流的关系进行径流模拟，同时考虑影响降雨与径流关系的其他因 素( 土壤类型、土地利用方式、前期土壤水分条件等) ，应用g i s 对模拟所需基础 数据进行数字化处理。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第二章国内外研究现状综述 随着工业的发展，河流流量对城市的发展显得尤为重要。与河流流量有关的研 究内容也越来越广泛了，从河流流量的影响因素到河道内水流的运动模型，各个方 面进行了大量研究。影响河流流量的两个主要自然因素降雨和径流也被广泛的关注 着，其中降雨与径流关系的研究较多，而降雨模拟的研究相对较少。 2 1 降雨模拟研究现状 降雨资料是水文计算、水利计算等方面广泛应用的基础资料。采用历史观测值 建立降雨的统计模型，并通过模拟计算对未来的情况进行预测、预报，具有重要的工 程意义。 从国内外研究现状来看，对暴雨的研究较多，主要是利用暴雨强度公式推求多 少年一遇的最大暴雨强度，或是对降雨特性的分析，通过对降雨特性的分析，估计 未知年的降雨变化情况，而对降雨模拟的研究却是少之又少。 2 2 径流模拟研究现状 随着点源污染的治理，非点源污染在水体污染中的地位日益引起人们的重视。 大量的非点源污染物( 如泥沙、氮、磷等) 随降雨径流进入水库、湖泊，引起地表水 体水质的恶化，导致水体富营养化现象十分普遍，直接影响到水体的生态、经济和 社会功能1 1 , 2 , 1 0 , 1 4 , 15 。 有关研究表明，在治理非点源污染的过程中，根据降雨径流是非点源污染物的 产生和运移的动力这一关键因素，可以在运移途径中设置截留浊或滞留池、多水塘 系统等人工湿地系统截流降雨径流，从而滞留污染物。径流的影响因素包括降雨量、 土壤类型、土地湿润程度以及地面覆盖物等。这些影响因素又决定着径流速度及降 雨量。降雨量又决定着土地湿润程度及径流量。这些因素相辅相成，互相影响 1 4 】。 在国际上，将研究流域作为面状因素的研究已经越来越受到重视，并发展了水 文、水质模型及相应的计算机处理软件。自7 0 年代中后期以来，随着对非点源( 面 状冈素) 污染物理化学过程的深入和对非点源过程的广泛监测，机理模型逐渐成为 非点源模型开发的主要方向，其中著名的有城市暴雨径流污染s w m m 、s t o r m ， 流域模型a n s w e r s 和h s p 等。进入9 0 年代，流域的管理模型和流域污染风险评 价模型成为这一时期的应用模型研究的最新突破点。 西安建筑科技大学硕士学位论文 目前国内外对降雨径流的研究越来越多1 9 , | 1 , 1 2 , 1 3 ) 。其中美国水土保持局的s c s 模型应用最多，该模型的优点是，所需参数少，简单易行，能够应用于少资料或者 无资料地区 1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 ：1 1 。 新技术地理信息系统( g i s ) 的应用推进了流域的污染、径流的模拟、预测和 管理决策。国外从2 0 世纪8 0 年代就将g i s 融入到各种模型中，我国基本上是在进 入8 0 年代以来才逐渐认识到污染问题的严重性，从而有很多人研究河流水质，但对 河流流域进行模拟时，只将河流作为一个现状要素，将整个流域作为面状因素考虑 的很少 1 5 , 1 6 j 。 国内对渭河的研究基本只是调查流域内产生的污染负荷量，以及在一定保证率 下的入河污染负荷量，而对渭河流域的产流量模拟很少。从文献上看，较多的是调 查了已知年的渭河源头流量和入黄河流量以及对流量的变化趋势的分析 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 。 2 3g i s 的应用 g i s 就是地理信息系统( g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n s y s t e m ) ，是近十年来发展起 来的一门综合应用系统，它能把各种信息向地理位置和有关的视图结合起来，并把 地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、c a d 技术、遥感、g p s 技术、i n t e r n e t 、 多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体，利用计算机图形与数据库技术来采集、存 储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据。这样，可根据用户需 要将这些信息图文并茂地输送给用户，便于分析及决策使用 2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 , 3 3 】。 地理信息系统( g i s ) 在最近的3 0 多年内取得了惊人的发展，在水环境及其水 文学方面的应用主要有：水文预报。降雨径流及河道汇流模型，短期定量和定性预 报，长期预报，无资料地区水文模型，实时预报系统；洪水模型。实时洪水调度， 洪泛区及洪泛区管理，洪水淹没标注，洪水监测，洪灾损失评估，防洪策略，洪灾 保险，防洪法律和法规，洪水对泥沙，污染及生态的影响；全球水文循环。全球 气候模型，分布式物理水文模型，土壤一埴被大气转换模型，土地利用对水文循 环的影响，水文规律的变异性：城市水文学。城市排水系统，排水系统管理，城 市降雨径流模型，城市暴雨洪水模型，城市水系统模型；水资源模型。不确定性 条件下的水资源规划，流域模型，地区水资源管理和可持续发展，社会一经济一文 化模型，地表水一地下水交互模型；水质和污染。水质监测，水质模型，暴雨洪 水和污染管理模型，城市暴雨和水质管理，水和废水处理技术。 g i s 的应用越来越广泛，尤其是在水质及水文方面。目6 口在国外g i s 已经应用 西安建筑科技大学硕士学位论文 到各个方面，而在国内的应用还比较少，我们还没有认识到g i s 强大的功能。g i s 是种具有空间数据存贮、编辑、分析和显示物理数据对应的空间位置及其属性等 方面的数据管理和处理功能，并附有较强分析和计算工具的汁算机软件系统。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第三章本论文的研究方法 3 1 降雨模拟的研究方法 国内外对降雨模拟的研究较少，基本是利用暴雨强度公式推求多少年一遇的最 大暴雨强度，缺少可以直接利用的模拟方法。还有就是对降雨特性的分析，通过对 降雨特性的分析，估计未知年的降雨变化情况。 本论文采用绘制经验频率曲线的方法进行降雨模拟。经验频率曲线是根据年降 雨量与出现频率的关系将降雨量与其出现的频率点绘在坐标纸上，根据点群分布趋 势，目估出一条光滑的曲线，这就是年降雨量的经验频率曲线。利用经验频率曲线 可以计算不同概率下的降雨量【5 j 。 3 2 径流模拟的研究方法 结合现国内外对径流模拟的研究现状，本文采用s c s 模型与g i s 相结合的方法 进行径流模拟。应用g i s 对流域的土壤类型、土地利用形式及植被统计，并通过g i s 确定s c s 模型参数，来进行模拟计算。径流模拟的技术路线示意图如图3 - 1 所示。 军军军 军e 莩 图3 - 1 径流模拟的技术路线图 莩 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 1 表明，径流模拟首先需要建立完整的g i s 基础数据库。基础数据包括空 间数据( 土壤类型以及土地利用方式) 和属性数据( 前期土壤湿润程度和降雨量) ， 并通过不同途径建立g i s 数据库：对土地利用卫星遥感图像进行处理后建立土地利 州方式数据库；对土壤类型专题地图进行扫描和数字化处理后建立土壤类型数据库； 对降雨量数据通过键盘录入建立前期土壤湿润程度数据库。 s c s 方法又称美国水土保持局曲线数值法( c u r v en u m b e rm e t h o d ) 。它最早 见于5 0 年代中期美国水土保持局编写出版的水土保持手册一书，该方法是美国 水土保持局基于对自然集水区降雨径流关系近2 0 多年的研究成果的总结，它是以在 2 m 4 m = s m 2 的试验小区上进行的降雨模拟试验结果为基础研制的。 最初建立模型的主要目的是对不同土地利用方法、不同耕作方式、不同土壤类 型、不同前期土壤含水量以及不同降雨条件下的地表产流进行定量评价，其核心内 容是在土地利用方式和水土流失控制措施改变后对径流行为的影响作出相应的定性 与定量相结合的综合评价。 由于该模型简单易行，所需参数少，加之对观测数据的要求并不严格，所以该 方法自问世后，便在水文各个领域得到了广泛应用，并成为国际上最通用的一种确 定集水区域径流量的方法。 s c s 模型就是应用上面提到的土壤类型、土地利用方式以及前期土壤湿润程度 这三个前期条件确定模型参数的。在确定参数的时候应用g i s 将土壤类型、土地利 用方式以及前期土壤湿润程度的空间数据与属性数据结合，确定模型的参数。最后 利用模型的参数及降雨量的资料模拟出径流量f 3 ”。 鹾安建筑科技大学硕士学位论文 ! 鼍皇! ! ! = ! ! 竺墨! ! ! 皇! 詈皇! ! ! 詈曼! 鼍曼! ! ! 竺s ! ! 兰- 4 1 降雨量数据选取 第四章降雨模拟 在渭河流域陕西片，已有户县、彬县、西安市三个雨量站1 9 9 0 2 0 0 2 年舅降雨 量数据资料，对三个雨量站连续1 3 年的年降雨量及月平均降雨量数据进行了分析比 较，分别见图4 1 和图4 - 2 。 9 9 01 9 9 2 1 9 9 41 9 9 6 1 9 9 82 0 0 02 0 0 2 y e a r 图4 - 11 9 9 0 2 0 0 2 年三个雨量站年降雨量变化 由图4 1 可以看出1 3 年中三个雨量站的年降雨量变化趋势基本相同，数值略有 不同，但相差不大。 1 2 0 - 0 1 0 0 0 8 0 0 曼6 0 0 。4 0 0 2 0 0 o 0 + 西安( 哪)+ 彬县( 岫) + 户县( 衄) 图4 - 2 三个雨量站1 3 年月平均降雨量变化 咖 咖 伽 瑚 o ( 昌嚣 1 f 西安建筑科技大学硕士学位沦文 由图4 - 2 可以看出三个雨量站的连续1 3 年月平均降雨量变化趋势基本相同，且 数值相差不大。 为了模拟方便，假定研究区域内降雨均匀，降雨模拟时选取西安市雨量站降雨 量数据。又因为西安市地处陕西省中部，又是陕西省的省会，户县处于西安市境内， 而彬县在陕西省的北部，所以选择话安市雨量站降雨量数据进行降雨模拟对研究区 域具有一定的代表性。 4 2 年降雨量模拟 4 2 1 绘制年降雨量的经验频率曲线 根据已有的西安市雨量站5 9 年( 1 9 3 2 1 9 7 5 、1 9 8 5 2 0 0 2 ) 的年降雨量数据( 表 4 - 1 ) ，从大到小排列并计算相应值出现的频率，绘制经验频率曲线，进行年降雨量 模拟，具体经验频率曲线的绘制步骤及年降雨量的模拟在下面介绍。 在绘制经验频率曲线的时候，先将5 9 年的年降雨资料按照降雨量值由大到小的 顺序排列，然后分别计算大于或者等于对应降雨量出现的频率，利用下面公式( 4 1 ) 来计算： p ：l 1 0 0 门+ 1 ( 4 1 ) m ：降雨量在整个序列的排列位置； n ：降雨资料的总项数。 例如1 9 9 0 年，降雨量为4 5 8 5 m m ，由大到小的排列位置是4 7 ，那么出现大于 或等于4 5 8 5 的概率为 p ：旦1 0 0 ：l 1 0 0 ；7 8 3 3 3 r + 15 9 + 1 最后将降雨量作为纵坐标，将大于或等于它出现的频率作为横坐标点绘在坐标 纸上，用添加趋势线的办法，添加一条与这些点能够连成的光滑曲线最接近的、误 差较小的一条曲线，这条曲线即为经验频率曲线5 1 。 表4 - 11 9 3 2 2 0 0 2 年西安市年降雨量数据 y ， q ( m m ) y r q ( m m ) y rq ( m m )y q ( m m ) 1 9 3 2 2 8 5 21 9 4 7 5 6 2 6 1 9 6 2 5 5 8 11 9 8 96 2 6 5 1 9 3 35 2 7 71 9 4 86 1 2 4 1 9 6 3 5 9 4 91 9 9 04 5 8 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 9 3 45 8 3 71 9 4 97 6 0 01 9 6 47 8 3 8 1 9 9 l6 1 2 、9 1 9 3 56 1 7 71 9 5 06 5 8 11 9 6 55 6 1 21 9 9 25 3 9 4 1 9 3 63 8 8 21 9 5 l5 2 8 11 9 6 64 8 8 01 9 9 34 4 0 7 1 9 3 76 0 8 91 9 5 28 0 1 61 9 6 75 4 2 71 9 9 45 3 1 1 1 9 3 88 1 7 21 9 5 35 5 3 91 9 6 86 2 9 41 9 9 53 1 2 2 1 9 3 94 6 4 41 9 5 46 3 7 71 9 6 94 0 9 61 9 9 66 9 9 4 1 9 4 06 2 6 21 9 5 55 9 2 o1 9 7 06 6 3 31 9 9 73 6 2 o 1 9 4 l4 4 6 01 9 5 65 8 5 91 9 7 15 5 5 71 9 9 86 0 0 5 1 9 4 24 5 6 71 9 5 77 4 4 61 9 7 25 2 6 o1 9 9 9 5 8 9 5 1 9 4 36 4 0 ，71 9 5 88 4 0 61 9 8 54 9 1 22 0 0 05 3 9 0 1 9 4 44 8 0 81 9 5 93 8 6 11 9 8 64 0 2 8 2 0 0 l4 0 5 9 1 9 4 55 4 8 41 9 6 05 6 4 61 9 8 7 6 0 8 6 2 0 0 2 4 0 6 4 1 9 4 67 0 1 51 9 6 16 2 2 91 9 8 86 5 8 3 1 0 0 0 8 0 0 口 羞6 0 0 4 0 0 2 0 0 ol o2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 p ( ) y = 一0 0 0 1 5 x 3 + 0 2 2 8 6 x 2 1 3 2 9 9 x + 8 4 7 9 7 图, 1 - 3 年降雨量分布经验频率曲线 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 2 2 计算不同概率下的年降雨量 选取较常用的几个频率，0 0 1 、o 1 、l 、5 、1 0 、2 5 、5 0 、7 5 、9 0 、 9 5 、9 9 矛n9 9 9 ，利用上面得到的经验频率曲线方程： q = 一0 0 0 1 5 p3 + 0 2 2 8 6 p2 1 3 2 9 9 p + 8 4 7 9 7 分别计算列表如下( 4 - 2 ) 4 3 月降雨模拟 表4 - 2 不同概率对应的年降雨量 p ( ) q ”( m m y r ) 0 0 1 8 4 7 8 4 o 18 4 6 6 4 18 3 4 9 0 57 8 7 ，0 0 l o7 3 6 3 4 2 56 3 4 9 3 5 05 6 7 0 2 7 5 5 0 3 6 l 9 0 4 0 9 2 2 9 53 6 1 6 2 9 93 1 6 4 3 9 9 93 0 5 3 3 4 3 1 月降雨量变化趋势 月降雨量的模拟依据是已知年份的月降雨量变化规律。图4 - 4 是西安市连续1 3 年的月降雨量变化趋势。由图可以看出，各年的月降雨量变化趋势大体相同，一些 月份( 1 月、2 月、3 月、1 2 月) 的降雨量差别不大，如一月份的降雨量数值在0 13 6 m m 之间变化，但有些月份( 5 月、7 月、】1 月) 的降雨量值差别较大，例如7 月除了2 0 0 2 年降雨量为5 7 r n m 外，值在4 0 8 0 的较多，还有个别的在1 2 0 17 0 之 m j 。通过上述分析，本文采用月平均降雨量进行月降雨量模拟。 西安建筑科技大学硕士学位论文 一1 9 9 0 - 一1 9 9 1 一1 9 9 2 一1 9 9 3 * 一1 9 9 4 o 1 9 9 5 + 一1 9 9 6 1 9 9 7 甘一1 9 9 8 一1 9 9 9 - 矗一2 0 0 0 一厶_ 2 0 0 1 口2 0 0 2 1234567891 01 l1 2 m o n t h 图4 - 4 西安市1 9 9 0 2 0 0 2 年月降雨量变化趋势 4 3 2 月平均降雨量变化趋势 图4 - 5 是西安市1 9 9 0 - - 2 0 0 2 年连续1 3 年的月平均降雨量。由图4 5 可以看出， 降雨主要集中在6 9 月，占年降雨量的一半以上，降雨集中，易产生洪涝灾害。但 年降雨量较少，全年降雨总量仅为5 0 0 - - 7 0 0 n u n 。 l o o 0 8 0 o o6 0 0 口4 0 0 2 0 o o o l23456789 1 0l l1 2 m o n t h 图4 - 5 西安市1 3 年月平均降雨量变化趋势 4 3 3 月降雨量模拟 在前述年降雨量模拟得出的不同概率对应的年降雨量基础上，按照月平均降雨 颦变化趋势的分布形式，模拟概率分别为o 0 1 、0 1 、l 、5 、1 0 、2 5 、5 0 、 o o o o o 0 0 0 o o 5 0 5 o 5 o 5 o 0 7 5 2 o 7 5 2 0 l i 1 、耳目、1 f ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 5 、9 0 、9 5 、9 9 * 1 19 9 9 所对应的年降雨量下的月降雨量。图4 - 6 是不同概 率的月降雨量模拟结果。 4 4 日降雨量模拟 图4 - 6 不同概率的月降雨量模拟结果 4 4 1 月内降雨天数统计 由于降雨是自然现象，其随机性很大，目前国内外对确定降雨日的研究几乎没 有。在前述月降雨量模拟的基础上，只能预测不同概率下的月降雨量，不能确定具 体的每日的降雨量，但可以根据多年的日降雨量数据统计月内降雨天数，按照数理 统计的方法计算各降雨量值出现的概率。本论文采用统计月内降雨天数的方法，模 拟不同概率下的各月内出现的降雨天数及每次降雨的降雨量。 表4 3 是西安市1 9 9 0 2 0 0 2 年连续1 3 年的月内降雨天数统计结果。可以看出， 1 月、2 月、3 月、1 1 月、1 2 月的降雨天数较少，6 月、7 月、8 月、9 月的降雨天 数较多，从这几个月的降雨量来看，1 、2 、3 、1 i 、1 2 月的降雨量较少，6 、7 、8 、 9 月的降雨量较大，如前所述，6 、7 、8 、9 这几个月的降雨量几乎占了全年降雨量 的1 2 甚至达到了2 3 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表4 - 31 9 9 0 。2 0 0 2 年西安市月内降雨天数统计结果 y r j a nf e bm a r a p rm a y j u nj u l a u gs e p o c tn o vd e c 1 9 9 04961 0691 2891 052 1 9 9 l341 39 9 l o 59 7625 1 9 9 200971 01 371 12 11 044 1 9 9 3 75981 11 01 01 091 083 1 9 9 4 1 2 61 021 2 76 】o969 j 9 9 521546581 141 1l1 1 9 9 6 55681 l1 01 11 0991 10 1 9 9 7149844839482 1 9 9 8321 l51 461 31 461 01 l 1 9 9 9 0o371 11 0841 31 34l 2 0 0 0654651 l61 2 1 11 3 1 0 4 2 0 0 l66o931 289l s1 2 l 9 2 0 0 253551 3866874 6 从上面的分析，降雨天数少的月份降雨量也少，降雨天数多的月份降雨量也大， 这样认为降雨量和降雨天数存在着一定的关系，所以做年降雨量与年降雨天数的散 点图和月降雨量和月降雨天数的散点图。 图4 7 是西安市1 9 9 0 2 0 0 2 年连续1 3 年的年内降雨天数与年降雨量的对应关系。 可以看出，年降雨量与年内降雨天数接近线性关系。 8 0 0 6 0 0 e 4 0 0 2 0 0 0 2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 0 d a y 图4 0 西安市1 3 年年内降雨天数与年降雨量关系 月降雨天数与降雨量的对应关系图以降雨量较大，降雨天数较多的八月份为例。 图4 - 8 是西安市1 9 9 0 2 0 0 2 年连续1 3 年的平均月降雨天数与年降雨量的对应关系， 西安建筑科技大学硕士学位论文 可以看出，月降雨量和月内降雨天数接近线性关系。 1 5 0 1 2 5 1 0 0 7 5 5 0 2 5 o d a y 图4 _ 8 西安市1 3 年8 月平均降雨天数与月平均降雨量关系 44 2 月内降雨天数模拟 按照年降雨量与年内降雨天数的线性比例关系，月降雨量与月内降雨天数也符 合相同的线性比例关系，即： q 自d - y - ：自= q p d p 式中：q 十自：月平均降雨量； d + 。：与q 日相对应的月的平均降雨天数； q r ：不同概率下的月平均降雨量( 月份与q + * 的月份相对应) ； d p ：不同概率下的与q p 相对应的月降雨天数。 模拟不同概率的月降雨量对应的降雨天数。表4 4 是不同概率的月内降雨天数 模拟结果。 4 4 3 月内连续降雨n 天的概率 从现实意义上来看，模拟连续降雨的降雨天数及降雨量的意义要大于模拟日降 雨的意义，可以帮助我们做好洪涝的预防、河流流量的预测以及水质的估测，这样 就可以估计河流污染物的排入量，从而对做好工业生产计划具有一定的帮助。 根据西安市1 9