基于DEM的北部灣入海河流匯水區(qū)及子流域劃分

麻德明，丁紹昆，謝宜欣

（1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 青島 266100；2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；3.青島市黃島區(qū)水利局 青島 266400）

基于DEM的北部灣入海河流匯水區(qū)及子流域劃分

麻德明1，2，丁紹昆3，謝宜欣3

（1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 青島 266100；2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；3.青島市黃島區(qū)水利局 青島 266400）

文章基于DEM（SRTM Data，90 m分辨率）數(shù)據(jù)模型，借助美國ESRI公司的ARC/INFO軟件中的Arc Hydro模型，采用溯源追蹤的方法，基于陸海統(tǒng)籌的理念，對北部灣入海河流進行水文分析，根據(jù)匯流能力通過設(shè)定閾值提取河網(wǎng)，利用河網(wǎng)和流域出水口劃分匯水區(qū)和子流域，在此基礎(chǔ)上進行疊加分析，計算匯水區(qū)和各子流域的面積，并對精度進行檢驗與評定，為進一步開展基于流域單元的北部灣非點源入海污染總量估算與調(diào)控提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

北部灣經(jīng)濟區(qū)；水文特征；環(huán)境治理；水系流域；水利工程

流域河網(wǎng)水系作為重要的基礎(chǔ)地理信息要素和基本的水文參數(shù)，是描述一個地區(qū)地形地貌和水文特征不可或缺的指標之一。匯水區(qū)及其子區(qū)域的提取往往是水文分析和環(huán)境分析的第一步［1］，如土地利用、土壤侵蝕、污染擴散、水資源保護等分析處理中所使用的大量地形特征數(shù)據(jù)往往是以匯水區(qū)域邊界為基礎(chǔ)。獲取流域河網(wǎng)分布通常有兩種方法：一種是通過實地測量獲?。涣硪环N是基于地形圖提取。這兩種方法相對比較繁瑣，不僅需要大量的人力、物力和財力，而且信息獲取的時間周期長，難以跟上現(xiàn)代信息更新的步伐［2］。隨著地理信息技術(shù)和空間信息科技的發(fā)展和進步，數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）作為一種地形信息表達方式，因其快捷方便的操作與存儲，已廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，尤其是被用來提取流域河網(wǎng)和分析地形對流域徑流的影響。

目前多數(shù)算法都是針對規(guī)則格網(wǎng)DEM，進行河流網(wǎng)絡(luò)、匯水區(qū)及其子流域等地形特征的提取，由于其規(guī)則格網(wǎng)的特性以及相對于矢量數(shù)據(jù)，可更加高效地進行信息提取和空間分析的優(yōu)勢，日益成為水文分析領(lǐng)域普遍采用的方法。從DEM直接獲取河網(wǎng)及相關(guān)流域特征信息是分布式水文模型研究的基礎(chǔ)，隨后陸續(xù)出現(xiàn)提取匯水區(qū)及子區(qū)域、水流方向矩陣、水流網(wǎng)絡(luò)及其他基本水文特征信息的方法［3］，這些方法相對于傳統(tǒng)的手工提取方式，在速度及準確性方面都有明顯提高，尤其是大范圍的匯水區(qū)提取。越來越多的GIS軟件提供從DEM數(shù)據(jù)提取匯水區(qū)域信息的功能，如ESRI公司的Arc Hydro水文分析模型。

1　Arc Hydro模型介紹

Arc Hydro模型由美國得克薩斯大學水資源研究中心研發(fā)，是GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和地表水流模擬相結(jié)合形成的數(shù)據(jù)模型。David R.Maidment博士在2000年舉辦的第20屆年度國際GIS用戶大會的水文GIS預(yù)備會議上，首次提出此模型及其文檔草稿，并于2002年最終完成模型的整體設(shè)計。

Arc Hydro由數(shù)據(jù)模型和工具集兩大組件構(gòu)成，其數(shù)據(jù)模型主要包括5個模塊［4］，即Hydrography module、Network module、Channel module、Drainage module和TimeSeries module。其中，Hydrography是水文地理要素模型，描述流域水系及其地理底圖信息；Network是水文網(wǎng)絡(luò)要素模型，搭建數(shù)據(jù)模型框架，建立要素之間的聯(lián)系，表達河網(wǎng)信息及其連通性；Channel是河道要素模型，分析河流水動力的細部特征并進行三維顯示；Drainage是集水區(qū)要素模型，表達水文地理幾何特征；Time-Series是時間序列要素模型，存儲調(diào)查或監(jiān)測獲得的河流水文數(shù)據(jù)。

2　流域劃分

2.1研究區(qū)概況

廣西北部灣地處中國沿海西南端，位于107°22′E—109°51′E、21°27′N—24°3′N，西起中越邊界的北侖河口，東至與廣東接壤的英羅港，東南與海南省隔海相望［5-6］。沿岸岸線曲折、港灣眾多，主要有鐵山港灣、廉州灣、欽州灣、防城港灣和珍珠灣，形成“大灣套小灣”形勢。隨著北部灣地區(qū)社會經(jīng)濟的發(fā)展，眾多的河口、近海面臨富營養(yǎng)化問題，近岸海域污染不斷加重。因此，掌握入海河網(wǎng)分布以及匯水區(qū)和流域面積，進一步研究入海污染物的總量估算以及對海水水質(zhì)的影響，對實施北部灣污染綜合治理具有重要意義。

廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)入海河流流域面積在50 km2以上的有123條，分別匯成22條干流獨流入海，年徑流總量約250億m3，流域面積約1.6萬km2；南流江、欽江、大風江、北侖河、茅嶺江和防城河6條主要河流年徑流量共約170億m3，年輸沙量約2.4×106t（表1）。

表1　廣西北部灣主要入海河流特征［7-8］

2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文中采用的DEM數(shù)據(jù)是由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的SRTM 90 m分辨率DEM，作為北部灣河網(wǎng)信息提取的基本數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)覆蓋中國全境，精度有1弧秒和3弧秒兩種［9］，目前能夠獲取的中國境內(nèi)SRTM3文件是90 m分辨率的數(shù)據(jù)。

護理干預(yù)完成之后，對兩組患者VAS疼痛度評分比較，觀察組患者的疼痛度顯著低于對照組，患者舒適度情況更高，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表2。

2.3流域劃分方法

從DEM中自動提取流域自然水系是基于水是沿斜坡最陡方向流動的原理，依據(jù)DEM中數(shù)據(jù)點之間的高程差來確定水流方向，然后根據(jù)水流方向計算每一個數(shù)據(jù)點的上游集水區(qū)；再利用集水區(qū)內(nèi)部和集水區(qū)之間的高程數(shù)據(jù)，通過設(shè)置閾值提取所屬水系的高程數(shù)據(jù)點；最后基于水流方向數(shù)據(jù)，從源頭追溯出整個水系，同時劃分子流域，建立河網(wǎng)空間拓撲關(guān)系及編碼。

遵循“先大后小，逐步遞進”原則，按地形的分水線，從規(guī)則格網(wǎng)DEM提取匯水區(qū)域。采用水系地表徑流漫流模型，即借助Arc GIS軟件中的Arc Hydro水文分析模塊［10-12］，先填洼，根據(jù)計算的水流方向和累積流量提取整個DEM區(qū)域內(nèi)河流的匯水網(wǎng)絡(luò)；再按照不同的需要劃分各子流域，完成對流域地形的分割及矢量化，并統(tǒng)計各流域匯水區(qū)面積；最后對提取的河網(wǎng)與通過遙感影像解譯獲取的水系進行疊加分析，并評定精度。具體操作流程如圖1所示。

圖1　匯水區(qū)及子流域劃分流程

2.3.1研究區(qū)域劃分

根據(jù)收集的研究資料，結(jié)合現(xiàn)場踏勘和識別，借助ArcGIS軟件工具，切割出研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)。

2.3.2洼地填充

由于生成DEM數(shù)據(jù)時內(nèi)插的原因以及一些如喀斯特地貌等真實地形的存在，使得DEM表面難免存在著凹陷的區(qū)域，在地表徑流模擬時會得到錯誤或偏差較大的水流方向。因此，在計算水流方向之前，應(yīng)先對DEM進行洼地填充，主要通過Fill工具，生成無洼地DEM。

2.3.3流向確定

地表徑流總是從高地勢流向低地勢，最后匯流到一個出水口入海，因此要科學、準確地識別流域邊界，首先要確定水流在每個柵格單元內(nèi)的流動方向。流向計算基于無洼地DEM，應(yīng)用Flow Direction工具，通過計算中心柵格與相鄰柵格的最大距離權(quán)落差（D8算法），最終生成流向圖。D8算法是假設(shè)單個網(wǎng)格中的水流只有8種可能的流向，即流入相鄰的8個網(wǎng)格中，在3×3的DEM網(wǎng)格上，利用最陡坡度法計算中心網(wǎng)格與領(lǐng)域網(wǎng)格間的距離權(quán)落差，再用網(wǎng)格中心點落差除以網(wǎng)格中心點之間的距離，取距離權(quán)落差最大的網(wǎng)格為中心網(wǎng)格的流出網(wǎng)格，定義該方向為中心網(wǎng)格的流向［7，13-18］。

2.3.4匯流累積量計算

規(guī)則格網(wǎng)DEM每個柵格都代表一定單位的水流量，其特征值表示水流流入其中的周圍柵格數(shù)，反映其匯流能力的強弱。按照水流從高處流向低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域無洼地DEM生成的水流方向柵格數(shù)據(jù)，溯源追蹤計算每個柵格處所流過的水量數(shù)值，得到該區(qū)域的匯流累積量。

2.3.5河網(wǎng)提取

基于匯流累積矩陣，通過設(shè)置閾值，定義某一柵格的特征值大于該閾值時，即匯流面積大于某一面積時，認為其為河網(wǎng)柵格，賦值為1，否則賦值為0，即對柵格二值化，獲得滿足一定條件的水系柵格圖，再對柵格水系進行矢量化，得到矢量河網(wǎng)分布圖。閾值的設(shè)定在河網(wǎng)的提取過程中至關(guān)重要，將直接影響到河網(wǎng)的提取結(jié)果及其等級的劃分，本研究經(jīng)多次試驗比對，設(shè)定閾值為10 000，其單位是柵格數(shù)，其結(jié)果相對較為合理。

2.3.6流域劃分

流域被分水線所包圍，是一個水系的干流和支流所流經(jīng)的整個地區(qū)，通過一個公共的出水口形成一個集中的河流匯水區(qū)域。在計算水流方向結(jié)果的基礎(chǔ)上，執(zhí)行basin命令，自動生成匯水區(qū)。

2.3.7子流域劃分

子流域是匯水區(qū)的一部分，表明流域內(nèi)的從屬關(guān)系，其劃分是水文模擬的關(guān)鍵一環(huán)，也是流域非點源污染的重要研究步驟［19］。本研究基于DEM，根據(jù)河流入?？诘奈恢茫Y(jié)合實際情況，從東到西劃分為15個子流域，包括白沙河流域、龍江流域、南康江流域、大水江流域、三合口流域、南流江流域、五浪江流域、那務(wù)塘水庫流域、大風江流域、欽江流域、茅嶺江流域、防城河流域、江平江流域、長湖江流域和北侖河流域。

2.3.8編碼命名

對整個流域河網(wǎng)和各子流域匯水區(qū)按編碼規(guī)則編碼，按照所在水系名稱命名。

3　匯水區(qū)面積統(tǒng)計

根據(jù)劃分的匯水區(qū)和子流域，并與各市區(qū)劃圖疊加分析，分別計算出流經(jīng)各市匯水區(qū)面積和各入海河流子流域匯水區(qū)面積（表2和表3）。

表2　各入海河流匯水區(qū)面積

表3　入海河網(wǎng)流經(jīng)各市匯水區(qū)面積

4　精度檢驗與誤差分析

為進一步檢驗自動提取的流域河網(wǎng)與實際河網(wǎng)之間的偏差并評定其精度，選擇南流江流域作為實驗區(qū)?；诟叻直媛蔬b感影像人工提取該地區(qū)的河網(wǎng)，并通過幾何糾正或坐標轉(zhuǎn)換，把二者提取的河網(wǎng)及其流域空間分布投影到相同的坐標系下；借助ArcGIS軟件工具進行疊加分析，除個別的細部特征略有偏差外，發(fā)現(xiàn)二者總體吻合性較好。

與2007年出版的《中國水系辭典》［7］上五大河流的流域面積對比分析可知（表4），除防城河流域外，其他流域的相對誤差都在10%以內(nèi)，說明本研究提取河網(wǎng)及其流域邊界的結(jié)果具有較高可信度，此外河流越長、流域面積越大則提取的精度相對越高。與2004年出版的《水力資源復(fù)查成果》（廣西卷）［20］比較可知（表4），除防城河流域外，其他流域的相對誤差都在15%以內(nèi)。防城河流域面積偏差較大的原因：一是90 m分辨率的DEM本身精度不高，導致平坦區(qū)域提取的河網(wǎng)和劃分的流域邊界有一定誤差，流域面積統(tǒng)計就會出現(xiàn)偏差；二是《中國水系辭典》和《水力資源復(fù)查成果》數(shù)據(jù)可能主要統(tǒng)計干流流域面積；三是本研究是針對整個廣西北部灣沿海區(qū)域入海河網(wǎng)及其流域的劃分，河網(wǎng)劃分更加詳細，而且連續(xù)布滿研究區(qū)域，而其他研究的流域面積統(tǒng)計主要針對相對較大的河流，而非廣西沿海全部入海河流，故在流域合并技術(shù)處理上有所不同，也導致流域面積的偏差。此外，根據(jù)比對，防城河流域提取的河網(wǎng)和實際的河網(wǎng)吻合性較高，從總體上來看，本研究提取的河網(wǎng)符合性較好、精度有保證。

表4　與其他研究對比分析

5　結(jié)論與討論

本研究基于90 m分辨率DEM，借助美國ESRI公司的ARC/INFO軟件中的Arc Hydro模型，提取入北部灣河網(wǎng)和匯水區(qū)，在此基礎(chǔ)上劃分15個子流域，對提取的河網(wǎng)精度進行評定和誤差分析，并對各子流域進行面積統(tǒng)計分析，為進一步開展基于流域單元的北部灣非點源入海污染總量估算與調(diào)控提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在提取流域匯水區(qū)的過程中，其閾值作為數(shù)字水系重要參數(shù)，科學設(shè)置十分關(guān)鍵，將直接影響提取整個流域河網(wǎng)特征的結(jié)果。實驗表明，基于90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)提取的北部灣區(qū)域流域河網(wǎng)，當閾值取10 000時，生成的流域河網(wǎng)能夠較好地反映該地區(qū)水系河網(wǎng)。

由于近海區(qū)域地勢較為平坦、河網(wǎng)復(fù)雜、人工對水系干擾較多，加之DEM生成過程中的誤差以及DEM分辨率的限制，所提取的水系會出現(xiàn)一些偏差和錯誤。與真實自然水系相比，其只是對整個流域河網(wǎng)的一種概化描述，會伴隨一些偽特征，存在一定的位置誤差，導致劃分的流域面積與相關(guān)部門研究結(jié)果有一定的出入。下一步將采用更高分辨率的DEM，研究北部灣平坦區(qū)域的細部特征，通過改進河網(wǎng)提取算法等，對河網(wǎng)和匯水區(qū)流域邊界進行修正和精細化處理，使生成的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)更加匹配，提高模擬精度。

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Division of River Catchment and Sub-catchment in Beibu Gulf Based on DEM

MA Deming1，2，DING Shaokun3，XIE Yixin3

（1.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China；3.Huangdao District Water Conservancy Bureau of Qingdao，Qingdao 266400，China）

The research based on DEM（SRTM Data，90m resolution）data model，with the Arc Hydro module of ARC/INFO software，which was developed by United States ESRI Company. By using the method of tracing and tracking，hydrological analysis of the Beibu Gulf rivers was made based on the co-ordination conception.According to the flow ability by setting threshold extracted of river network，the catchment and sub basin was divided by using river network and catchment outlet.Then the area of the catchment and sub-catchment was calculated on the basis of overlay analysis，and the accuracy was tested and assessed.It could provide the necessary basic data to estimate and control the Beibu Gulf non-point source pollution based on watershed unit for further research.

Beibu Gulf economic zone，hydrographic features，Environmental governance，River basin，Water conservancy project

P7

A

1005-9857（2016）09-0099-05

2016-04-08；

2016-07-25

國家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項（2014G18）；海洋公益性行業(yè)科研專項（201305023，201305009，201405028）.

麻德明，助理研究員，博士研究生，研究方向為海島、海岸帶規(guī)劃與綜合管理技術(shù)，電子信箱：mdmwolf@fio.org.cn