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Ｏ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 4.4.2.1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 today's 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CN[13,14]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1<35.6<12.7235.6—53.312.7—27.93>53.3>27.9一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) 。