水文信息處理系統(tǒng)在新疆地區(qū)的應(yīng)用對比研究

劉 越

新疆地處我國西北內(nèi)陸，水資源短缺是制約這一地區(qū)的主要問題之一。建立完善的水文信息分析處理系統(tǒng)不僅能提高對流域水資源的科學(xué)管控，還能為流域地區(qū)的節(jié)水改造、防汛抗旱等提供重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便做出合理的決策[1-2]。

目前，處理水文信息的方法較多，如DEM法、MapInfo法、GPRS網(wǎng)絡(luò)法、webgis法等[3-8]。對于某一流域地區(qū)而言，如何選擇合適的水文信息處理系統(tǒng)對于該地區(qū)的水文信息化建設(shè)至關(guān)重要。本文以新疆克孜河、葉爾羌河以及克里雅河為例，對比分析了DEM和MapInfo法應(yīng)用于該地區(qū)流域水文信息處理的效果，可為該地區(qū)水文信息化建設(shè)提供理論支撐和指導(dǎo)。

1 水文信息系統(tǒng)

1.1 基于ArcGIS的DEM提取法處理系統(tǒng)

ArcGIS為用戶提供一個可伸縮的、全面的GIS平臺，提供了一套完整的軟件產(chǎn)品，用戶可用其來收集、分析、交流和發(fā)布地理信息。DEM水文信息分析法處理水文信息步驟為：①收集流域地區(qū)資料，包括等高線、特征點、特征線等；②基于DEM法提取流域地區(qū)的地形形態(tài)；③提取流域河網(wǎng)信息；④繪制流域分水嶺；⑤水文信息參量計算；⑥計算結(jié)果的分析和驗證。

1.2 MapInfo法處理系統(tǒng)

MapInfo是美國MapInfo公司的桌面地理信息系統(tǒng)軟件，是一種數(shù)據(jù)可視化、信息地圖化的桌面解決方案。該方法與DEM法類似，一般遵循以下分析步驟：①收集水文信息原始數(shù)據(jù)；②對數(shù)據(jù)進行儲存和采集，即地圖矢量化；③水文信息參量計算；④站點實時信息直觀顯示；⑤分析驗證和做出決策。

2 水文信息系統(tǒng)兩種方法對比分析

2.1 流域面積

DEM系統(tǒng)在基于D8方法、最小坡度及最小給水面積閾值的基礎(chǔ)上，通過填洼和削峰、柵格處理、矢量化處理等關(guān)鍵步驟后，將不同河網(wǎng)信息提取出來，并通過分水嶺提取，即可得到相應(yīng)的流域面積；MapInfo系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)提取過后進行矢量化處理，并通過等值線、等值面、頻率等信息分析，得到相應(yīng)的流域面積及將其它水文信息實時直觀顯示。以克孜河卡拉貝利水文站、葉兒羌河卡群水文站、克里雅河努努買買提蘭干水文站數(shù)據(jù)為例，將1∶25萬的電子等高線數(shù)據(jù)分別輸入兩種系統(tǒng)，得到的流域面積與實測值的對比見表1。從表中可以看到，利用DEM法得到的流域面積較MapInfo法得到的流域面積更接近于實測面積，最大相對誤差僅為1.61%，平均相對誤差為1.4%，而MapInfo法最大相對誤差為4.09%，平均相對誤差為3.52%，可見，DEM系統(tǒng)在流域模擬精確上要高于MapInfo系統(tǒng)。

表1 不同方法提取流域面積精確度對比

2.2 水位

以2016年每月實測水位數(shù)據(jù)為例，分析得到了水文站實測值與系統(tǒng)計算得到的水位對比見圖1。從圖中可以看到，DEM法和MapInfo法均能較好地預(yù)測流域水位的變化趨勢，但是通過仔細對比可以發(fā)現(xiàn)，總體而言，DEM系統(tǒng)預(yù)測精度要高于MapInfo系統(tǒng)，其在三條流域地區(qū)的平均誤差率僅為1.8%，而MapInfo法計算得到的平均誤差率為2.63%。

圖1 兩種方法水位計算值與實測值對比

2.3 流量

對克孜河、葉兒羌河[9]以及克里雅河[10]的年平均流量和徑流量數(shù)據(jù)做分析，得到了實測值與兩種水文系統(tǒng)處理方法計算值的對比見圖2。從圖中可以看到，兩種水文信息系統(tǒng)得到的年均流量和年均徑流量變化趨勢一致，且得到的年均徑流量和流量值大小與實際值相差不大，但DEM法得到的計算值與實測值平均誤差率僅為0.68%，而MapInfo得到的計算值與實測值平均誤差率為1.66%。可見，在DEM水文系統(tǒng)在預(yù)測和計算流量方面的精確度要稍高于MapInfo系統(tǒng)。

圖2 兩種方法流量計算值與實測值對比

2.4 降雨量

以三條流域的季平均降水量為例，分析得到了計算值與實測值之間的關(guān)系見圖3。從圖中可以看到，DEM法和mapinfo法分析得到的季度平均降雨量與實測值十分接近，表明兩者對于預(yù)測分析流域的降雨量具有較高的精度，且兩者的平均誤差率均小于1%（DEM法計算誤差率0.83%，MapInfo法計算誤差率0.67%）。

圖3 兩種方法降雨量計算值與實測值對比

3 討論

水文信息化建設(shè)是各地區(qū)進行流域科學(xué)管理的重要前提，對于流域的防洪抗旱，節(jié)水灌溉等均具有重要意義。基于ARCGIS的DEM分析法和MapInfo法能夠?qū)崿F(xiàn)對原始數(shù)據(jù)強大的處理和運算能力，不僅解決了水文信息統(tǒng)計分析時大量的計算工作，還可以大大提高計算速度和準(zhǔn)確度。同時較傳統(tǒng)的人工計算更直觀形象。本文通過對兩種方法在新疆部分流域的應(yīng)用對比分析，以流域面積、水位、流量和降雨量等計算參數(shù)為對象，可以得出：DEM水文處理系統(tǒng)較MapInfo具有更高的精度和準(zhǔn)確度，更適用于改地區(qū)的水文信息化建設(shè)。

4 結(jié)論

基于新疆部分流域水文數(shù)據(jù)，對DEM水文信息處理系統(tǒng)和MapInfo水文信息處理系統(tǒng)的應(yīng)用效果進行了對比分析，從流域面積、水位、流量和降雨量等參數(shù)的計算精度和準(zhǔn)確度綜合考慮，認(rèn)為DEM水文信息處理法更適用于該地區(qū)的水文信息化建設(shè)，可為該地區(qū)水文信息化建設(shè)提供理論支撐和指導(dǎo)。

[1]章曙明,王志杰,肖重華.干旱區(qū)灌區(qū)水文及其監(jiān)測體系淺議[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2005(4):18-20.

[2]李毅,石豫川,王平,等.基于DEM的吉太曲流域水文信息分析[J].人民黃河,2015,37(9):32-34.

[3]劉廷.基于Microstation平臺和DEM的橫斷面提取方法研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2017(3):54-57.

[4]徐亞菲,李向新,賴金富,等.基于DEM和ArcGIS的水文信息提取方法研究[J].圖書情報導(dǎo)刊,2008,18(6):135-136.

[5]豐亞麗.淺談GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用 [J].水利技術(shù)監(jiān)督,2015,23(4):48-49.

[6]陳新國,操文建,鄒紅梅.基于Google Map的水文測站信息管理系統(tǒng)研究[J].人民長江,2009,40(4):63-64.

[7]范燁.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的水文信息采集系統(tǒng)開發(fā)[D].浙江工業(yè)大學(xué),2014.

[8]梁娟珠,涂平.基于WebGIS的水文信息查詢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].水利信息化,2006(1):26-29.

[9]庫路巴依·吾布力.新疆葉爾羌河水文要素變化特性分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2016(5):41-44.

[10]黃玉英,劉景時,商思臣,等.昆侖山克里雅河冬季徑流及凍土與氣候變化[J].干旱區(qū)研究,2008,25(2):174-178.