基于WMS的吉林永吉流域提取

王曼 陳胤名 楊東巖

摘 要：本文將研究2017年7月13日發(fā)生特大洪災(zāi)的吉林永吉流域，利用WMS軟件，根據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）提取流域水系的原理和方法，提取出該流域的水文特征信息。

關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型；流域建模系統(tǒng)；流域提取；水文特征

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.189

0 引 言

2017年7月13日的強降水天氣，使吉林省吉林市部分縣（市）區(qū)遭遇特大暴雨襲擊，永吉縣溫德河發(fā)生特大洪水災(zāi)害。由于此地區(qū)經(jīng)常發(fā)生洪水災(zāi)害，故以此流域為研究對象，提取流域水系。使用WMS軟件對吉林永吉境內(nèi)的溫德河流域進(jìn)行研究，并輸入7月13日至7月14日的降雨數(shù)據(jù)，模擬此次洪水過程，進(jìn)行災(zāi)害分析。

1 DEM原理

在DEM中提取水系的原理是坡面流模擬原理：水總是沿斜坡方向流動，最終流向高程最低的那個柵格。先計算出DEM中每個高程數(shù)據(jù)點的水流方向，再計算出每個高程數(shù)據(jù)點的上游集水區(qū)，利用上游集水區(qū)的高程數(shù)據(jù)，用累計流量最小值法確定屬于水系的高程點，再根據(jù)水流方向，從流域源頭將所有水系追索出來，并進(jìn)行子流域的劃分，構(gòu)建河網(wǎng)，提取流域特征參數(shù)[1]。主要工作流程包括：輸入DEM、數(shù)據(jù)預(yù)處理、計算水流方向、計算匯流累積量、生成河網(wǎng)、提取子流域、計算流域特征參數(shù)。其中河網(wǎng)的疏密程度取決于最小匯流累積值。

2 流域提取

2.1 流域概況

溫德河流域位于長白山向松嫩平原的過渡地帶，此流域處于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水時空分布很不均勻，多年平均降水量687.6mm，其中6至9月份的降水量約占年降水量的70%左右。吉林永吉縣四面群山環(huán)抱，地勢相對低洼，由于短歷時強降雨，四面山的水急速下來，形成“牤牛水”，城區(qū)內(nèi)經(jīng)常發(fā)生洪水災(zāi)害。2017年7月13號突發(fā)暴雨，導(dǎo)致14號凌晨發(fā)生特大洪水，洪峰達(dá)到3350m3/s。

2.2 DEM數(shù)據(jù)來源

本研究中利用的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)是90m精度的SRTM地形文件，利用gis軟件提取出來，本研究數(shù)據(jù)覆蓋范圍為：東經(jīng)126°22′～126°39′，北緯43°19′～43°48′。

2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

本模型中的DEM是用經(jīng)緯度表示的橢球體坐標(biāo)系，即WGS84地理坐標(biāo)系，要適用于WMS，便要轉(zhuǎn)換為用X、Y坐標(biāo)表示的平面直角坐標(biāo)系，即UTM投影坐標(biāo)系，本文研究中此流域設(shè)定為：北半球、東經(jīng) 125°～130°。

2.4 設(shè)定匯流累積量

區(qū)域內(nèi)每個柵格的流水累積量用匯流累積量來表示。柵格的匯流累積量越大， 表明能夠流入的流量就越多，匯流能力也就越強。匯流累積最小值的大小決定了河網(wǎng)的疏密程度，將上游集水量等于集水最小值的柵格點定義為起始點，河流則是上游集水量大于集水最小值的柵格點，WMS定義河網(wǎng)正是基于這個原理[2]，提取河網(wǎng)需要提取出匯流柵格中所有大于或等于集水最小值的柵格。選取一個合理的最小匯流累積值以過濾對研究無影響的支流，以生成有效的河網(wǎng)。本研究中輸入的最小值為20km?，計算出的流域匯流面積為993.47km?。

2.5 河網(wǎng)生成

WMS 中的河網(wǎng)提取是利用地形參數(shù)化程序 （TOPAZ）完成的，主要步驟有：DEM 預(yù)處理、確定流向、計算匯流面積、提取河網(wǎng)、劃分子流域、確定流域邊界等。

2.6 流域提取

在WMS中輸入Create Outlet Point命令，以設(shè)定流域出口點，本流域的出口點坐標(biāo)為：X：297542.4000、Y：4839204.5000。將該出口點視為終點，向上游提取流域，并利用水流方向，統(tǒng)計出口點上游所有流經(jīng)此點的柵格，并一直檢索到流域邊界，將符合條件的柵格連接在一起，由此劃出流域。本研究流域的出口點在永吉縣中心，口前站附近。

2.7 流域特征參數(shù)提取

WMS可以自動計算出下列特征參數(shù)：流域面積、流域坡度、平均高程等。下表1為本研究中的流域特征參數(shù)值。

3 結(jié) 論

（1）本研究所采用的是90 m精度的高程數(shù)據(jù)，分辨率較低，并且在提取DEM數(shù)據(jù)的過程中也有可能產(chǎn)生誤差，這兩者都會影響結(jié)果。本研究中的吉林永吉流域地形崎嶇不平，屬于山區(qū)，DEM數(shù)據(jù)精度對結(jié)果會影響比較大。

（2）河網(wǎng)提取的精確度取決于最小匯流累積值的設(shè)置，值越小則提取的流域水系越精細(xì)，但會有無意義的支流影響模擬效率；值越大則提取的水系越簡略，但可能會忽略重要的因素。所以要根據(jù)實際情況，謹(jǐn)慎選擇合適的值。經(jīng)過各方面考慮綜合，本研究設(shè)置最小匯流累積值為20km?，模擬結(jié)果可滿足實際應(yīng)用的要求。

（3）利用現(xiàn)有WMS軟件，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取流域特征參數(shù)等水文信息，擁有高效率的優(yōu)點，并且節(jié)約人力成本，但在精確度上還無法確保與某些特殊地形區(qū)域?qū)嶋H河網(wǎng)情況一致，因為會存在一定的誤差。所以基于DEM提取流域特征參數(shù)等水文信息的方法有待進(jìn)一步改良。同時，在此基礎(chǔ)上可結(jié)合MODClark等水文模塊進(jìn)行后續(xù)研究，并且可利用SMS軟件進(jìn)行洪泛模擬，兩者結(jié)合使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝小華，朱建平.基于DEM和WMS的流域特征提取及應(yīng)用[J].江西水利科技，2014，40（02）：135-138.

[2]黃娟，申雙和，殷劍敏.基于DEM的江西潦河流域河網(wǎng)信息提取方法[J].氣象與減災(zāi)研究，2008，31（01）：49-53.

作者簡介：王曼（1994-），女，江蘇鹽城人，碩士，主要從事水利工程的研究。