基于SCS模型的雨洪淹沒模擬分析

SCS模型

（圖1）SCS模型與經(jīng)驗(yàn)公式
SCS模型是由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局(Soil Conservation Service) 基于經(jīng)驗(yàn)提出，最初用于預(yù)測在農(nóng)業(yè)用地小型流域降雨所累積的徑流深度。在經(jīng)過改進(jìn)后可用于小流域水文預(yù)報(bào)，即在給定降雨量下（極端降雨量）計(jì)算徑流深度（累計(jì)雨水體積）。
其中Q代表地表最大徑流量（mm），P代表降雨量（mm），Ia為徑流產(chǎn)生前被植被、洼地等攔截的初損雨水量（mm），S為徑流產(chǎn)生前的潛在的入滲量（mm）。
初損量Ia通過大量數(shù)據(jù)推倒為潛在入滲量S的1/5。
S則與參數(shù)CN有關(guān)。CN為反應(yīng)流域特性的綜合參數(shù)，與土壤和用地類型有關(guān)。本文中為了簡化計(jì)算，不考慮降雨前土壤濕度，CN值取對應(yīng)用地類型的經(jīng)驗(yàn)值。
SCS模型最初是針對洪水和暴雨設(shè)計(jì)的，只用于估算中小流域 、 降雨歷時(shí)不超過 24 小時(shí)的單次降雨事件產(chǎn)生的徑流量，對于流域的面積大小也有一定的要求。由于洪水淹沒是整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，因此在劃分流域時(shí)劃分得越小，利用短時(shí)間內(nèi)的降雨量求得的洪水淹沒范圍則越能反應(yīng)整體的過程。
想要進(jìn)一步了解SCS模型優(yōu)劣可以參考這篇論文：劉蘭嵐.降雨產(chǎn)流計(jì)算中徑流曲線法(SCS模型)局限性的探討[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2013,38(05):64-68.
綜上所述，為了得到特定流域在極端降雨時(shí)所淹沒的范圍，需要數(shù)據(jù)1. 24小時(shí)（or 1小時(shí)）內(nèi)極端降雨量2. 數(shù)字高程（DEM、DTM等）3. 用地信息

數(shù)據(jù)來源
1.ASTER GDEM V3類型 30 m分辨率數(shù)據(jù)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

雨洪淹沒模擬分析
本文使用的軟件版本為ArcGIS Pro 2.80， 利用到的工具ArcGIS和ArcGIS Pro均有。使用到的工具（組）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：通過DEM得到該地區(qū)的流域

（圖2）1. 在ArcGIS Pro中加載下載好的DEM數(shù)據(jù)（ASTGTMV003_N22E114、ASTGTMV003_N22E113），使用Mosaic To New Layer將兩個(gè)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合，并將Environments中的空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為Hong Kong 1980 Grid，命名為hk80_dem

（圖3.1、圖3.2）2. 加載clip_mask，使用工具Fill填充上一步拼接的DEM數(shù)據(jù)，設(shè)置Environments中的Processing extend為clip_mask，輸出為Fill

（圖4）3. 使用工具Flow Direction計(jì)算流向，輸出為FlowDir

（圖5）4. 使用工具Flow Accumulation計(jì)算累計(jì)流量，輸出為FlowAcc

（圖6）5. 使用工具Greater Than，輸出為Flow275000

（圖7）6. 使用工具Stream link，輸出為link

（圖8）7. 使用工具Watershed，輸出為watershed

（圖9）8. 使用工具Raster To Polygon，將watershed轉(zhuǎn)換為shp格式，命名為watershedshp

關(guān)于每一步的原理可參考官方手冊：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：統(tǒng)計(jì)各流域內(nèi)用地類型面積、綜合CN系數(shù)、極端降雨量對應(yīng)的雨水體積

（圖10.1、圖10.2、圖10.3）1. 加載下載好的land cover文件，使用工具Project raster，將其坐標(biāo)系投影為Hong_Kong_1980_Grid，再利用工具Extract by mask裁剪投影后的文件hk80_lc，命名為landcover，最后再利用工具Raster To Polygon將其轉(zhuǎn)換為shp格式，命名為lchp

（圖11.1、圖11.2、圖11.3、圖11.4、圖11.5、圖11。6）2. 打開lchp的數(shù)據(jù)表可以看出轉(zhuǎn)換為矢量的用地類型數(shù)據(jù)每種用地編號對應(yīng)了無數(shù)的小元素，和預(yù)期不符。我們利用工具Dissolve將所有同種用地類型的元素合并成為一個(gè)，再新增一個(gè)字段CN，給每類用地賦予CN值，為計(jì)算該流域的綜合徑流系數(shù)做準(zhǔn)備

（圖12）3. 為了計(jì)算每一個(gè)流域的淹沒區(qū)域，需要利用計(jì)算出的流域watershed_shp裁剪出對應(yīng)流域的DEM。利用model builder建立批量裁剪的模型，快速裁剪出對應(yīng)流域的DEM，得到以流域號命名的若干DEM

（圖13.1、圖13.2、圖13.3、圖13.4）4. 為了得到每個(gè)流域中的不同的用地類型的面積，利用工具Union將watershed_shp和lc_shp_dissolve鏈接，則可以將不同用地劃分到不同的流域當(dāng)中，命令為lcwatershed。為了得到不同用地類型的面積，打開屬性表，新增一個(gè)area字段，area表頭右鍵，選擇Calculate geometry，計(jì)算得到對應(yīng)的面積

（圖14）5. 復(fù)制整張表格到EXCEL，篩選出對應(yīng)流域的所有用地類型數(shù)據(jù)，這里以流域5為例。依次計(jì)算流域總面積，每種用地類型百分比，綜合徑流系數(shù)（綜合徑流系數(shù)=∑（用地類型百分比*對應(yīng)用地類型的CN值）），潛在入滲量S，地表最大徑流量Q，10年一遇、50年一遇、100年一遇24h 雨水累計(jì)總體積V（地表最大徑流量*流域總面積）
第三步：反復(fù)對比利用工具Surface Volume計(jì)算出的體積與極端降雨累計(jì)總體積，得到對應(yīng)的淹沒高度

（圖15.1、圖15.2）14. 得到累計(jì)總體積后，返回到ArcGIS Pro中，利用工具Surface Volume，載入流域5對應(yīng)的DEM，輸入預(yù)計(jì)高度值，計(jì)算得到指定平面高度與平面下方DEM部分之間的體積，與在EXCEL中計(jì)算得到的總體積進(jìn)行對比，大于總體積則縮小輸入的預(yù)計(jì)高度值，小于則增加輸入的預(yù)計(jì)高度值，反復(fù)計(jì)算對比直至兩者數(shù)值接近，并同理計(jì)算50年一遇、100年一遇的高度值

（圖16）15. 若DEM精度足夠，可直接利用工具Reclassify將對應(yīng)的淹沒高度分離出來；若DEM精度不夠，無法直接按對應(yīng)的淹沒高度對DEM進(jìn)行Reclassify，可通過工具Contour list直接生成對應(yīng)高度的等高線，這里以工具Contour list為例

（圖17.1、圖17.2、圖17.3）16. 打開生成的等高線的屬性表，增加Text字段命名為Layer，按屬性選擇對應(yīng)高度的等高線，修改Layer的值，最后利用工具Export to CAD導(dǎo)出等高線，在cad/rhino/AI等進(jìn)一步處理，將對應(yīng)淹沒區(qū)域的等高線相互連接閉合，形成該區(qū)域雨洪模擬分析圖