基于GIS和DEM的東江湖流域水文特征分析

摘要：東江湖是湖南省蓄積量最大的一級飲用水湖泊，是國家4A級風(fēng)景旅游區(qū)，旅游資源以山水、濕地、自然景觀為主。為保護(hù)好東江湖濕地，研究基于數(shù)字高程模型（DEM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對整個資興市東江湖流域進(jìn)行了水文模擬分析，提取了水流方向、匯流量、流程、流網(wǎng)、流域界線、流域面積等水文特征。運用ArcGIS 進(jìn)行東江湖子流域的劃分，最終生成了東江湖數(shù)字流域，為東江湖景觀生態(tài)環(huán)境方面的研究提供了數(shù)據(jù)平臺。

關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型（DEM）；水文分析；河網(wǎng)提取

中圖分類號：P333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3531-06

DEM（Digital elevation model，數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)中包含了豐富的地形、地貌、水文信息，能夠反映各種分辨率的地形特征，通過DEM可以提取大量的地表形態(tài)信息，如流域網(wǎng)格單元的坡向、坡度以及單元格之間的關(guān)系等[1]。用DEM進(jìn)行流域分析的工具很多，ArcGIS的水文分析模塊（Hydrology model）是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）為ArcGIS推出的水文分析模塊，主要用于地形和河流網(wǎng)系的提取和分析，實現(xiàn)地形模型可視化。運用地理信息系統(tǒng)（GIS）中Hydrology model來提取水系，國內(nèi)外已開展了大量的工作研究地表水文特性[2-4]。

利用ArcGIS 9.3的水文分析模塊，在DEM的基礎(chǔ)上，通過模擬水流方向、流域匯流能力、河網(wǎng)的自動生成、流域出水口的確定、子集水區(qū)邊界的劃分等過程，提取東江湖流域水文特征信息，并生成東江湖數(shù)字流域模型。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

東江湖位于湖南省資興市南部，地處東經(jīng)113°15′11″-113°36′08″，北緯25°34′09″-26°00′04″。距資興城區(qū)13 km，省322線從公園北面經(jīng)過，公園南面和汝城、宜章兩縣接壤。地處羅霄山脈南端的八面山西坡，南嶺北坡。屬汝桂山脈的一部分，為中低山地貌，地勢東高西低。境內(nèi)山嶺層疊，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，最高海拔1 691 m，最低海拔180 m。東江湖濕地屬湘江水系一級支流耒水上游。資興境內(nèi)河流密布，共有大小河溪404條，總長1 900 km。發(fā)源于桂東的東江水系，經(jīng)汝城從東南入境，境內(nèi)長50 km，經(jīng)東江湖入耒水；發(fā)源于八面山西側(cè)的永樂江水系，流經(jīng)市內(nèi)東北角，境內(nèi)長47 km，經(jīng)東江湖入耒水。參見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)源

DEM是從GLCF網(wǎng)站上下載的數(shù)據(jù)，柵格大小為30 m×30 m，即為900 m2。柵格數(shù)據(jù)形式采用ESRI GRID，橫縱坐標(biāo)的分辨率均為30 m。

2 研究區(qū)水文特征分析

2.1 洼地填補

洼地是高程小于相鄰周邊的點，有些源于DEM生成過程中帶來的數(shù)據(jù)錯誤，另一些則是真實地形（如巖洞等）的表示。洼地是影響流水過程的重要因素。洼地的存在使得在計算水流方向時會出現(xiàn)水流逆流的情況，給以后水流路徑的跟蹤帶來困難[5]。在實際的地表徑流過程中，水往低處流，在填充洼地后，從洼地的最低處流出。因而，在進(jìn)行流域地形分析以前，必須對原始的DEM進(jìn)行洼地的處理。通過對洼地的處理可以生成無洼地DEM，參見圖2。在無洼地DEM中，自然流水可以暢通無阻地流至區(qū)域地形的邊緣。因此，借助無洼地DEM可以對原數(shù)字地區(qū)進(jìn)行自然流水模擬分析。

2.2 水流方向分析

柵格單元的水流方向是指水流流出該單元格的方向。流域內(nèi)各網(wǎng)格流向的確定是利用DEM提取流域地貌特性的關(guān)鍵內(nèi)容，它決定著地表徑流路徑及網(wǎng)格單元間流量的分配[6]。河網(wǎng)、流域面積、分水線、流域內(nèi)各點的匯水面積、后面要討論的流域各點到達(dá)流域出口的匯流時間，都是以各網(wǎng)格的流向為基礎(chǔ)的。當(dāng)一場降雨產(chǎn)生超滲水流，就會形成地表徑流，而地表徑流在流域空間內(nèi)總是要從地勢高處向地勢低處流動，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了模擬地表徑流在整個流域內(nèi)的流動，就要確定水流在每個柵格單元格內(nèi)的流動方向。目前，關(guān)于水流方向的確定主要有6種方法：D8法（或單流向法）、RhO8法、多流向法、Aspect drive法、DMON法和ERS法。其中，應(yīng)用較為廣泛的是D8法和多流向法，參見圖3。

2.3 流程分析

水流長度通常是指在地面上的一點沿水流方向到其流向起點（終點）間的最大地面距離在水平面上的投影長度。目前水流長度的提取方式主要有兩種，一種是順流計算（Downstream），一種是溯流計算（Upstream）[7]。順流計算是計算地面上每一點沿水流方向到該點所在流域出水口最大地面距離的水平投影；溯流計算則是計算地面上每一點沿水流方向到其流向起點間的最大地面距離的水平投影，參見圖4。

2.4 匯流能力分析

在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計算而來的。對每一個柵格來說，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。利用Hydrology下的Flow Accumulation函數(shù)，通過確定所有流入本單元格的累積上游單元格數(shù)目（NIP）來生成流域匯流能力柵格圖（圖5）。

2.5 水流網(wǎng)絡(luò)的提取

目前常用的河網(wǎng)提取方法是采用地表徑流漫流模型計算：首先是在無洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一個柵格的水流方向；然后利用水流方向柵格數(shù)據(jù)計算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數(shù)，即匯流累積量，所得到的匯流累積量則代表在一個柵格位置上有多少個柵格的水流方向流經(jīng)該柵格[8-10]；假設(shè)每一個柵格處攜帶一份水流，那么柵格的匯流累積量則代表著該柵格的水流量?；谏鲜鏊枷?，當(dāng)匯流量達(dá)到一定值的時候，就會產(chǎn)生地表水流，所有那些匯流量大于臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。圖6就是閾值分別為1 000或2 000個網(wǎng)格單元時所提取到的流域水系河網(wǎng)。

2.6 匯水面積閾值與提取河網(wǎng)的關(guān)系

由圖6可知，隨著匯水面積閾值的變化，生成的河網(wǎng)密度及流域級數(shù)、各級河流的長度都發(fā)生了較大的變化。因此對于一個流域來講，應(yīng)該怎樣來確定這個合適的匯水面積的閾值呢？對于一個給定的河網(wǎng)來講，網(wǎng)鏈的坡度S隨著匯水面積A而變化，即S=cAθ，式中c是常數(shù)，θ為尺度指數(shù)，其變化范圍為-0.83～-0.37，平均值為-0.6。在分水線附近坡度很大，匯水面積很小，而在分水線上坡度為無窮大，匯水面積為0。

根據(jù)以上方法，本研究考察的東江湖流域的河網(wǎng)密度與閾值關(guān)系如表1。

由表1可知，當(dāng)閾值小于2 000時，河網(wǎng)密度與閾值曲線變化較大，大于2 000時趨于平緩，最后，本研究選擇2 000作為確定河網(wǎng)的閾值。

2.7 河網(wǎng)分級

河流的級數(shù)按劃分方法可分為Strahler級數(shù)和Shreve級數(shù)。Strahler級數(shù)確定的方法是：當(dāng)上游支流的級數(shù)相同時，則取上游級數(shù)之和；而當(dāng)上游的級數(shù)不同時，則以上游支流的最大級數(shù)作為它的級數(shù)。Shreve的級數(shù)確定的原則是：總是取其上游支流級數(shù)之和作為它的級數(shù)。

利用Strahler級數(shù)確定的方法對河網(wǎng)節(jié)點編碼進(jìn)行級數(shù)編碼。其依據(jù)節(jié)點編號，從最大的編號開始，編號最大的節(jié)點肯定是源點，將它的級數(shù)確定為1，下面一個編號的節(jié)點要么是源點，要么是其下游的節(jié)點，假如它是一個源點，將它的級數(shù)編為1，假如它是節(jié)點，則將其上游的支流的級數(shù)最大值賦給它；如果上游支流的級數(shù)相同，則取值為上游級數(shù)之和。如圖7、圖8所示，整個流域內(nèi)的河網(wǎng)可以分成5級，由河網(wǎng)分級圖可以統(tǒng)計出不同等級的河流長度（表2）。

由表2可知，研究區(qū)域內(nèi)等級為一、二級的河流分布較多，其長度分別為672 km和396 km，分別占了流域河流總長度的48.80%和28.76%。

2.8 流域盆地的確定

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域。它通過對水流方向數(shù)據(jù)的分析確定出所有相互連接并處于同一流域盆地的柵格。流域盆地的確定首先是要確定分析窗口邊緣的出水口的位置，也就是說，在進(jìn)行流域盆地的劃分中，所有的流域盆地的出水口均處于分析窗口的邊緣。當(dāng)確定了出水口的位置之后，也就找出了所有流入出水口的上游柵格的位置。

利用流域盆地分析，可以從很大的一個研究區(qū)域中選擇感興趣的流域并將該流域從整個研究區(qū)域分割出來進(jìn)行單獨的分析。通過這些文件可以方便地對感興趣區(qū)域進(jìn)行提取操作。例如對某一個或者某幾個流域的提取，統(tǒng)計各流域的面積等（圖9）。

2.9 子流域的生成

經(jīng)過上一步得到的流域盆地是一個比較大的流域盆地，在很多的水文分析中，還需要基于更小的流域單元進(jìn)行分析，那么就需要進(jìn)行流域的分割（圖10）。而流域的分割首先是要確定小級別流域的出水口位置。

1）Stream link的生成。Stream link記錄著河網(wǎng)中的一些節(jié)點之間的連接信息（河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)信息）。Stream link的每條弧段連接著兩個作為出水點或匯合點的結(jié)點，或者連接著作為出水點的結(jié)點和河網(wǎng)起始點。通過Stream link的計算，即得到每一個河網(wǎng)弧段的起始點和終止點。同樣，也可以得到該匯水區(qū)域（流域）的出水口。經(jīng)過計算，它將柵格河網(wǎng)在匯合點柵格處分割成河網(wǎng)片段，并將片斷進(jìn)行記錄，在屬性表中除了記錄該片段的ID號之外，還記錄著每個片段所包含的柵格數(shù)，Stream link 的結(jié)果可利用[stream to feature]轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。

2）集水流域的生成。對于低級的集水區(qū)的生成，可以使用[Hydrology]工具集中的[Watershed]工具生成。其思路如下：先確定一個出水點，也就是該集水區(qū)的最低點，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，分析搜索出該出水點上游所有流過該出水口的柵格，直到所有的該集水區(qū)的柵格都確定了位置，也就是搜索到流域的邊界——分水嶺的位置。通過Stream link作為流域的出水口數(shù)據(jù)所得到的集水區(qū)域是每一條河網(wǎng)弧段集水區(qū)域，也就是要研究的最小溝谷的集水區(qū)域，它將一個大的流域盆地按照河網(wǎng)弧段分為一個個小的集水盆地。將流域柵格轉(zhuǎn)換成為矢量圖層，并進(jìn)行符號設(shè)置，得到的結(jié)果如圖11所示。

由河網(wǎng)分級圖及生成的集水流域可以統(tǒng)計出不同等級河網(wǎng)的流域面積（表3）。由表3可知，研究區(qū)域內(nèi)等級為1、2級河網(wǎng)的流域面積較大，其面積分別為1 309 km2和517 km2，分別占流域總面積的54.84%和21.66%。

3 結(jié)論與討論

本研究成功地運用ArcInfo和ArcGIS的水文分析模塊進(jìn)行了資興市東江湖流域數(shù)字高程模型的處理及水文特征分析。對東江湖流域的地表水文特征分析研究的結(jié)果表明，利用DEM模擬的河流水系的空間分布、數(shù)字流域界線與實際分布情況基本相符。為檢驗結(jié)果的精確性，將提取的水流網(wǎng)絡(luò)與Google地球上東江湖流域的河流水系進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，提取的水文特征數(shù)據(jù)與實際情況非常接近，但仍有一定程度的出入，其基本原因有：①由于DEM本身精度有限，所以對最后的計算結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響；②在軟件的計算和使用過程中，由于算法本身的不完善，以及某些參數(shù)設(shè)定的不同，也會對計算結(jié)果產(chǎn)生很大影響。例如Zlimit值的設(shè)定、累積流量閾值的大小，都對最終生成的河網(wǎng)密度和精確度產(chǎn)生非常明顯的影響。

目前，利用DEM數(shù)據(jù)，在GIS平臺支持下可以快速準(zhǔn)確地獲取流域的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)匯流累積單元數(shù)的閾值來生成不同密度的河網(wǎng)。但DEM的空間分辨率、DEM資料生產(chǎn)方式以及不同地形特色等因素對提取結(jié)果有一定影響，同時對集流面積的大小以及提取空間的正確性也需要進(jìn)一步的相關(guān)探討。總體而言，現(xiàn)有的GIS軟件所提供的水文模擬分析功能為在水文地理信息提取河網(wǎng)模擬、流域提取和子流域劃分等方面提供了強大的數(shù)據(jù)處理和分析工具，這些理論、技術(shù)和方法的不斷積淀和創(chuàng)新，為GIS在水利水文計算和分析方面提供了更加成熟的理論基礎(chǔ)和更加廣闊的應(yīng)用前景。

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