GIS環(huán)境下基于DEM流域水文地理信息的提取

張 振，宋亞婭

(1.武警水電第一支隊(duì)，河北 唐山063004;2.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安7100163)

從20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)、空間技術(shù)的迅速發(fā)展及計(jì)算機(jī)圖形理論的迅速完善，水文學(xué)的研究方法也開始產(chǎn)生了根本性的變化，水文學(xué)與計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的交叉形成了數(shù)字水文學(xué)[1－2]。數(shù)字水文學(xué)的發(fā)展，促使流域地形、分水線、河網(wǎng)、子流域的提取和集水面積的計(jì)算等都能通過(guò)數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)，豐富了模型信息，提高了水文模擬的效率。在流域水文模型構(gòu)建中，利用數(shù)字高程模型(DEM)提取流域水文信息是數(shù)字水文學(xué)研究的熱點(diǎn)[3－5]。

國(guó)內(nèi)外眾多研究表明，利用GIS[6]技術(shù)結(jié)合流域數(shù)字高程模型(DEM)提取流域的匯流累積量、水流方向、水流長(zhǎng)度、河網(wǎng)密度、河網(wǎng)分級(jí)、子流域劃分等水文特征信息是一種可行且高效的方法。本文嘗試?yán)肎IS技術(shù)與DEM相結(jié)合，利用水文年鑒提供的水文站點(diǎn)經(jīng)緯度，依據(jù)流域的面積作為控制信息，提取研究流域、流域河網(wǎng)水系并進(jìn)行流域內(nèi)河流分級(jí)處理，利用提取的流域分析流域的主河道長(zhǎng)、流域長(zhǎng)度、流域形狀系數(shù)各級(jí)河流的長(zhǎng)度，為流域的水文設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 流域水文地理信息提取原理與方法

利用ArcGIS10.0軟件及其Hydrology水文擴(kuò)展模塊，提取流域特征信息主要包括以下幾個(gè)步驟:提取流域原始的DEM，對(duì)原始DEM進(jìn)行洼地填充、確定水流方向、計(jì)算匯流累積量、捕捉流域控制點(diǎn)、調(diào)整流域控制點(diǎn)、確定流域控制點(diǎn)、提取研究流域、提取流域河網(wǎng)水系、流域河流分級(jí)、分析流域特征信息。

1.1 流向分析和匯流累積量計(jì)算

原始的DEM柵格數(shù)據(jù)需要進(jìn)行填洼或削峰處理，以消除原始數(shù)據(jù)中的洼地(Sinks)或尖峰(Peaks)，生成連續(xù)水系。利用水文分析模塊中的Sink工具對(duì)原始DEM進(jìn)行預(yù)處理，找出洼地區(qū)域，然后使用Fill工具，對(duì)洼地進(jìn)行填充，生成無(wú)洼地的DEM，削峰的方法與其類似。

ArcGIS10.0水文分析模塊采用D8算法確定水流方向，該算法依據(jù)一個(gè)柵格單元水流總是沿斜坡最陡方向流動(dòng)的原理，其水流總是流向與之相鄰近的8個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)中坡度最陡的單元格，一般用最大距離權(quán)落差(最大坡降法)來(lái)計(jì)算水流方向，生成流向柵格文件。坡度的計(jì)算式如下:

式中，hi為柵格 的單元高程，hj為與柵格i相鄰柵格j的高程，D為柵格i與柵格j之間的中心距離。

在流域中所有柵格點(diǎn)流向都確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)水流方向計(jì)算每個(gè)柵格點(diǎn)上游匯聚到該柵格點(diǎn)的柵格總數(shù)，進(jìn)而得到該柵格點(diǎn)的集水面積，建立流域水流聚集點(diǎn)數(shù)據(jù)模型。

1.2 基于AHT流域的提取

利用ArcGIS10.0中 AHT(ArcGIS Hydro Tools)進(jìn)行子流域的提取。將流域出水口數(shù)據(jù)即水文站地理坐標(biāo)的柵格數(shù)據(jù)，加載到累積流上，利用hydrology工具集中的watershed工具，輸入水流方向數(shù)據(jù)和流域出口點(diǎn)數(shù)據(jù)，即可得到出口點(diǎn)所控制的流域。利用Data Management Tools與Conversion Tools計(jì)算流域面積，若計(jì)算的流域面積與實(shí)測(cè)流域面積差值的絕對(duì)值小于10%，則該流域即為要提取的流域，反之，重新加載流域出口點(diǎn)的柵格數(shù)據(jù)，直到得到滿意的結(jié)果為止。

1.3 基于AHT流域水系的提取及河流分級(jí)

根據(jù)空間分析(Spatial Analyst Tools)中的計(jì)算工具(Con)，利用已建立的柵格流向格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型和水流集聚柵格數(shù)據(jù)模型，設(shè)定合適的閾值，閾值的設(shè)定是河網(wǎng)的提取過(guò)程中關(guān)鍵的一步，直接影響到河網(wǎng)的提取結(jié)果，閾值應(yīng)符合研究區(qū)域地形地貌條件，可以流域的氣候特征進(jìn)行確定。將流域中柵格匯流量大于閾值的柵格點(diǎn)標(biāo)記出來(lái)，就可得到流域水系。

河網(wǎng)分級(jí)就是對(duì)河流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級(jí)別的數(shù)字標(biāo)識(shí)。在ArcGIS10.0的水文分析模塊中，提供 Shreve分級(jí)和 Strahler分級(jí)兩種河網(wǎng)分級(jí)方法。按Strshler的水系系統(tǒng)分級(jí)方法:根據(jù)設(shè)定的集水面積閾值，在整個(gè)流域內(nèi)追索柵格點(diǎn)上游集水面積等于上游集水面積閾值的點(diǎn)，這些柵格點(diǎn)就是水系的起始點(diǎn)，沿著水流方向，追索柵格點(diǎn)上游集水面積大于上游集水面積閾值的點(diǎn)，這些點(diǎn)構(gòu)成水道，當(dāng)追索到水系交匯點(diǎn)時(shí)，完成Ⅰ級(jí)水系的追索。接著從兩個(gè)Ⅰ級(jí)水系的交匯點(diǎn)開始，向下游追索Ⅱ級(jí)水系，以此類推，追索出所有的高級(jí)水系。

運(yùn)用ArcGIS10.0中AHT模塊，利用AHT模塊工具集中Stream Order、Stream to Feature將上一步生成的柵格河網(wǎng)進(jìn)行矢量化，得到矢量形式的河網(wǎng)圖。對(duì)于矢量格式的河網(wǎng)圖，可通過(guò)地圖編輯工具進(jìn)行編輯和修改，以生成符合實(shí)際要求的河網(wǎng)圖。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 流域概況

汀江發(fā)源于武夷山南段東南一側(cè)寧化縣境內(nèi)木馬山北坡，全長(zhǎng)328 km，其中在福建省境內(nèi)285 km，上杭境內(nèi)112 km。汀江支流眾多，大于500 km2以上的支流有:濯田河、桃瀾溪(又名小瀾溪)、舊縣河、黃潭河、永定河、金豐溪6條[7]。圖1為測(cè)站分布示意圖，表1為汀江流域水文測(cè)站信息表。

圖1 測(cè)站分布示意圖

表1 汀江流域水文測(cè)站信息表

2.2 汀江流域觀音橋、官莊等子流域的提取

利用DEM及GIS技術(shù)提取汀江觀音橋流域、官莊流域、上杭流域、濯田流域、陂下流域、楊家坊流域的水文地理信息，為水文資料的移置提供依據(jù)。汀江流域現(xiàn)有的資料有測(cè)站粗略分布圖、年鑒記錄的各水文測(cè)站的集水面積及其經(jīng)緯度。根據(jù)汀江流域6個(gè)水文測(cè)站的的地理坐標(biāo)，依據(jù)其實(shí)測(cè)的集水面積提取汀江流域?qū)?yīng)的6個(gè)子流域。表2為汀江流域觀音橋、官莊等子流域提取集水面積與實(shí)際集水面積比較表，提取結(jié)果如圖2所示。

從表2中可以濯田流域、楊家坊流域用軟件提取的流域面積與實(shí)際量測(cè)的面積數(shù)據(jù)非常接近，相對(duì)誤差都在1%以內(nèi)，說(shuō)明用GIS軟件提取的以上2個(gè)流域與實(shí)際流域非常吻合;觀音橋流域、官莊流域用軟件提取的流域面積與實(shí)際量測(cè)的面積數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，說(shuō)明用GIS軟件提取的以2個(gè)流域與實(shí)際流域比較吻合;其余的相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)，說(shuō)明用GIS軟件提取的流域與實(shí)際流域的誤差在可接受范圍內(nèi)。所以總體上講，利用柵格DEM數(shù)據(jù)，將水文測(cè)站作為控制點(diǎn)，提取的流域從效率和精度上都是可行的，結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

圖2 汀江流域相應(yīng)子流域提取圖

表2 汀江子流域集水面積的提取值與實(shí)際值比較表

2.3 汀江流域觀音橋、官莊等子流域河網(wǎng)的提取及河流分級(jí)

河網(wǎng)是在匯流累積量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。DEM中某柵格點(diǎn)若能形成水系，則需上游有一定的積水區(qū)域，因此在提取河網(wǎng)時(shí)，需要給定一個(gè)集水面積的閥值。集水閥值設(shè)定的大小，將直接決定提取河網(wǎng)的詳細(xì)程度。本文通過(guò)多次試驗(yàn)及研究的需要，利用所生成的匯流柵格圖，設(shè)定生成河網(wǎng)的閾值為1 000個(gè)柵格，這一過(guò)程均在Hydrology模塊下實(shí)現(xiàn)。圖3為汀江6個(gè)水文站點(diǎn)控制子流域的河流分級(jí)圖。

圖3 汀江流域相應(yīng)子流域河流分級(jí)圖

對(duì)汀江6個(gè)子流域的各級(jí)河流進(jìn)行統(tǒng) 計(jì)分析，結(jié)果如表3所示。

表3 汀江子流域的河流統(tǒng)計(jì)表

由表3可以得到，觀音橋流域主河道長(zhǎng)占河流總長(zhǎng)的33.0%，官莊流域主河道長(zhǎng)占河流總長(zhǎng)的48.1%，桃溪流域主河道長(zhǎng)占河流總長(zhǎng)的23.0%，坡下流域主河道長(zhǎng)占河流總長(zhǎng)的22.8%，濯田流域主河道長(zhǎng)占河流總長(zhǎng)的29.1%，楊家坊流域主河道長(zhǎng)占河流總長(zhǎng)的27.8%，需要說(shuō)明的是，這里的河道總長(zhǎng)是1級(jí)河流、2級(jí)河流、3級(jí)河流的長(zhǎng)度總和。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)以DEM為基本的技術(shù)手段，利用GIS軟件，提取了流域的水文地理信息，分析計(jì)算得到了各子流域的長(zhǎng)度、寬度、流域系數(shù)、流域主河道長(zhǎng)，為無(wú)資料地區(qū)水文設(shè)計(jì)時(shí)參證流域的選取提供了相應(yīng)的地形地貌資料。

(2)GIS環(huán)境下基于DEM流域水文地理信息提取的關(guān)鍵是流域集水閥值的取值，不同集水閥值提取的河網(wǎng)不同，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響也就不同。如何確定提取的河網(wǎng)與自然水系相符的集水閥值方法還有待進(jìn)一步研究。

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