基于SCS模型的雨洪淹没模拟分析 | Needle作品集制作指南vol.03

基于SCS模型的雨洪淹没模拟分析

SCS模型

（图1）SCS模型与经验公式
SCS模型是由美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service) 基于经验提出，最初用于预测在农业用地小型流域降雨所累积的径流深度。在经过改进后可用于小流域水文预报，即在给定降雨量下（极端降雨量）计算径流深度（累计雨水体积）。
其中Q代表地表最大径流量（mm），P代表降雨量（mm），Ia为径流产生前被植被、洼地等拦截的初损雨水量（mm），S为径流产生前的潜在的入渗量（mm）。
初损量Ia通过大量数据推倒为潜在入渗量S的1/5。
S则与参数CN有关。CN为反应流域特性的综合参数，与土壤和用地类型有关。本文中为了简化计算，不考虑降雨前土壤湿度，CN值取对应用地类型的经验值。
SCS模型最初是针对洪水和暴雨设计的，只用于估算中小流域 、 降雨历时不超过 24 小时的单次降雨事件产生的径流量，对于流域的面积大小也有一定的要求。由于洪水淹没是整个动态过程，因此在划分流域时划分得越小，利用短时间内的降雨量求得的洪水淹没范围则越能反应整体的过程。
想要进一步了解SCS模型优劣可以参考这篇论文：刘兰岚.降雨产流计算中径流曲线法(SCS模型)局限性的探讨[J].环境科学与管理,2013,38(05):64-68.
综上所述，为了得到特定流域在极端降雨时所淹没的范围，需要数据1. 24小时（or 1小时）内极端降雨量2. 数字高程（DEM、DTM等）3. 用地信息

数据来源
1.ASTER GDEM V3类型 30 m分辨率数据集2.ESRI 10M Land Cover3.REGIONAL VARIATION IN EXTREME RAINFALL VALUES. GEO REPORT No. 115. GEOTECHNICAL ENGINEERING OFFICE CIVIL ENGINEERING DEPARTMENT THE GOVERNMENT OF THE Hong Kong SPECIAL ADMINISTRATIVE REGION

雨洪淹没模拟分析
本文使用的软件版本为ArcGIS Pro 2.80， 利用到的工具ArcGIS和ArcGIS Pro均有。使用到的工具（组）有：1. Spatial analyst Tools - Hydrology2. Spatial analyst Tools - Extraction - Extract by Mask3. Conversion Tools - Raster To Polygon4. Conversion Tools - To CAD - Export to CAD5. Spatial analyst Tools - Surface - Contour List6. Data Management Tools - Mosaic To New Layer7. Data Management Tools - Projections and Transformation - Project Raster8. Data Management Tools - Generalization - Dissolve9. analysis Tools - Overlay - Union10. 3D analyst Tools - Area and Volume - Surface Volume
第一步：通过DEM得到该地区的流域

（图2）1. 在ArcGIS Pro中加载下载好的DEM数据（ASTGTMV003_N22E114、ASTGTMV003_N22E113），使用Mosaic To New Layer将两个DEM数据进行拼合，并将Environments中的空间坐标系转换为Hong Kong 1980 Grid，命名为hk80_dem

（图3.1、图3.2）2. 加载clip_mask，使用工具Fill填充上一步拼接的DEM数据，设置Environments中的Processing extend为clip_mask，输出为Fill

（图4）3. 使用工具Flow Direction计算流向，输出为FlowDir

（图5）4. 使用工具Flow Accumulation计算累计流量，输出为FlowAcc

（图6）5. 使用工具Greater Than，输出为Flow275000

（图7）6. 使用工具Stream link，输出为link

（图8）7. 使用工具Watershed，输出为watershed

（图9）8. 使用工具Raster To Polygon，将watershed转换为shp格式，命名为watershedshp

关于每一步的原理可参考官方手册：https://desktop.arcgis.com/en/arcmap/10.3/tools/spatial-analyst-toolbox/an-overview-of-the-hydrology-tools.htmhttps://pro.arcgis.com/en/pro-app/2.8/tool-reference/spatial-analyst/an-overview-of-the-hydrology-tools.htm
第二步：统计各流域内用地类型面积、综合CN系数、极端降雨量对应的雨水体积

（图10.1、图10.2、图10.3）1. 加载下载好的land cover文件，使用工具Project raster，将其坐标系投影为Hong_Kong_1980_Grid，再利用工具Extract by mask裁剪投影后的文件hk80_lc，命名为landcover，最后再利用工具Raster To Polygon将其转换为shp格式，命名为lchp

（图11.1、图11.2、图11.3、图11.4、图11.5、图11。6）2. 打开lchp的数据表可以看出转换为矢量的用地类型数据每种用地编号对应了无数的小元素，和预期不符。我们利用工具Dissolve将所有同种用地类型的元素合并成为一个，再新增一个字段CN，给每类用地赋予CN值，为计算该流域的综合径流系数做准备

（图12）3. 为了计算每一个流域的淹没区域，需要利用计算出的流域watershed_shp裁剪出对应流域的DEM。利用model builder建立批量裁剪的模型，快速裁剪出对应流域的DEM，得到以流域号命名的若干DEM

（图13.1、图13.2、图13.3、图13.4）4. 为了得到每个流域中的不同的用地类型的面积，利用工具Union将watershed_shp和lc_shp_dissolve链接，则可以将不同用地划分到不同的流域当中，命令为lcwatershed。为了得到不同用地类型的面积，打开属性表，新增一个area字段，area表头右键，选择Calculate geometry，计算得到对应的面积

（图14）5. 复制整张表格到EXCEL，筛选出对应流域的所有用地类型数据，这里以流域5为例。依次计算流域总面积，每种用地类型百分比，综合径流系数（综合径流系数=∑（用地类型百分比*对应用地类型的CN值）），潜在入渗量S，地表最大径流量Q，10年一遇、50年一遇、100年一遇24h 雨水累计总体积V（地表最大径流量*流域总面积）
第三步：反复对比利用工具Surface Volume计算出的体积与极端降雨累计总体积，得到对应的淹没高度

（图15.1、图15.2）14. 得到累计总体积后，返回到ArcGIS Pro中，利用工具Surface Volume，载入流域5对应的DEM，输入预计高度值，计算得到指定平面高度与平面下方DEM部分之间的体积，与在EXCEL中计算得到的总体积进行对比，大于总体积则缩小输入的预计高度值，小于则增加输入的预计高度值，反复计算对比直至两者数值接近，并同理计算50年一遇、100年一遇的高度值

（图16）15. 若DEM精度足够，可直接利用工具Reclassify将对应的淹没高度分离出来；若DEM精度不够，无法直接按对应的淹没高度对DEM进行Reclassify，可通过工具Contour list直接生成对应高度的等高线，这里以工具Contour list为例

（图17.1、图17.2、图17.3）16. 打开生成的等高线的属性表，增加Text字段命名为Layer，按属性选择对应高度的等高线，修改Layer的值，最后利用工具Export to CAD导出等高线，在cad/rhino/AI等进一步处理，将对应淹没区域的等高线相互连接闭合，形成该区域雨洪模拟分析图