基于GIS的數(shù)字流域提取和水文網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

吳雯希

（梧州水文中心，廣西 梧州 543002）

隨著“數(shù)字地球”和GIS遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字流域與遙感技術(shù)的結(jié)合為研究和解決水文技術(shù)提供了新手段。近年來，水利行業(yè)先后提出了“數(shù)字流域”“數(shù)字黃河”等概念[1]，將遙感技術(shù)工程與水文分析手段相結(jié)合，利用分布式或半分布式模型，構(gòu)建水文網(wǎng)絡(luò)，描述流域的匯流關(guān)系。

本文以北流河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用ASTER 30MDEM數(shù)字高程，探討流域地理信息特征值和集水面積閾值的影響，建立流域水文網(wǎng)絡(luò)，為流域水文網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北流河是珠江流域西江干流潯江段的一條支流，發(fā)源自北流市平政鎮(zhèn)，流經(jīng)北流市、容縣、藤縣匯入潯江，流域面積9359 km2，河道坡降約為0.47‰，流域中較大支流有：楊梅河、黃華河、義昌河等。流域南高北低，東南及西南方向山峰較多，地表以風(fēng)化花崗巖為主，屬于喀斯特地貌。流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，受季節(jié)性臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴影響為主，每年最大降雨及洪水集中在7～9月。

2 基于DEM數(shù)字流域特征提取

2.1 數(shù)據(jù)來源

北流河流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)從中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站獲取。ASTER是一部高分辨解析地表圖像傳感器，ASTER數(shù)據(jù)特點(diǎn)之一是隨時(shí)隨地地獲取影像，提高分辨能力，在地表繪圖、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面提供了很多可能性。

2.2 數(shù)據(jù)處理

下載的數(shù)據(jù)是通過經(jīng)緯度范圍分類定義的，為確保覆蓋北流河流域，需要下載北緯22°～23°，東經(jīng)110°～111°，共4塊DEM數(shù)據(jù)。通過Arc Tool Box里的數(shù)據(jù)鑲嵌Mosaic To New Raster功能鑲嵌為一塊完整的DEM數(shù)據(jù)，沿著北流河流域邊界裁剪北流河流域DEM數(shù)據(jù)（見圖1），準(zhǔn)確的DEM數(shù)據(jù)是完成水文分析的基礎(chǔ)。

圖1 北流河流域DEM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.1 偽地形填洼

DEM數(shù)據(jù)存在凹陷的洼地，原因是DEM水平和垂直的分辨率有限，雖然采用了分辨率較高的DEM數(shù)據(jù)，仍無可避免這個(gè)問題，需要對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，采用高程疊加的原理將平地形成微坡面（見圖2），可以看到數(shù)據(jù)高程值域發(fā)生變化。

圖2 填洼后的DEM

2.2.2 流向分析

流向是研究水系要素間關(guān)系的基礎(chǔ)，流向決定了流域的匯流關(guān)系。流向分析分為單流向法和多流向法，單流向法最常用的包括D8算法、DEMON算法等。D8算法，即每個(gè)柵格單元向東、東南、南、西南、西、西北、北、東北8個(gè)方向計(jì)算落差，最終確定水流的走向，形成整個(gè)流域的流向矩陣（見圖3）。多流向法則是在單流向的理論基礎(chǔ)上按坡度比例分配給所有柵格單元，按照水流分配權(quán)重的不同形成匯流，適用于地形條件相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域。本文使用D8單流向法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖3 流向方向矩陣圖

圖4 流域流向數(shù)據(jù)

2.2.3 匯流分析

匯流分析是基于水流方向確定的，流向矩陣將每個(gè)單元上的水量疊加，匯流數(shù)值反映了柵格區(qū)域的匯水能力。

2.2.4 水系提取與分級(jí)

柵格匯流累計(jì)成水系，當(dāng)匯流量達(dá)到設(shè)定的閾值，超過閾值的匯水面積就會(huì)形成水系，而剛好等于閾值的柵格被稱為河源[2]。閾值越小，河網(wǎng)越密。因此，對(duì)于閾值的選取必須充分考慮研究區(qū)域的地形條件，否則會(huì)影響后續(xù)匯流模擬的結(jié)果。為了解閾值的影響，本文分別設(shè)定3000、6000、10000、15 000四個(gè)匯流積累閾值生成柵格河網(wǎng)（見圖5）。

圖5 不同閾值下提取的河流網(wǎng)絡(luò)

通過分析，可以看到閾值越小，河網(wǎng)越稠密；但是當(dāng)閾值為10 000以上時(shí)，許多支流并未歸入河網(wǎng)內(nèi)，與實(shí)際河網(wǎng)存在較大出入。閾值大小的選取與土壤地形結(jié)構(gòu)、氣候信息、降雨情況等都有關(guān)系，山地丘陵地貌閾值的選取一般比平原地貌更大，南方由于降雨多、小河流匯流多，一般比北方閾值更大。

一般確定閾值的方法有兩種：一種是河網(wǎng)密度法，建立閾值與河網(wǎng)密度的二階導(dǎo)數(shù)關(guān)系，通過明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定最適閾值范圍；另外一種方法是水系分形法，采用盒維數(shù)法覆蓋河網(wǎng)，建立分維數(shù)和集水柵格單元的相關(guān)關(guān)系，與實(shí)際水系進(jìn)行對(duì)比，得到最接近真實(shí)情況的閾值[2]。本文選用閾值6000的河網(wǎng)進(jìn)行分析。

2.2.5 子流域的劃分

常用的分布式模型都要對(duì)流域進(jìn)行子流域劃分，再根據(jù)流域影響因子的不同，包括流域面積、流域形狀和地形結(jié)構(gòu)、坡度及土地利用情況等將流域劃分為多個(gè)子流域進(jìn)行分析。首先確定流域出水口位置，子流域內(nèi)匯流量最大的柵格單元為子流域出水口，根據(jù)水流方向計(jì)算流向該出水口的所有柵格數(shù)量，所有流到該出水口的范圍組成一個(gè)子流域。圖6為北流河子流域劃分圖。

（1）流域面積。北流河流域共有1784子流域，實(shí)際提取DEM面積8595 km2，子流域平均面積4.82 km2，大于平均面積的子流域358個(gè)，大部分子流域的面積比較小，也反映了該流域水系發(fā)達(dá)，分布較為密集。圖7為流域面積空間分布圖。

圖7 流域面積空間分布

（2）流域坡度。坡度是表示地形起伏的重要指標(biāo)，往往在區(qū)域水文分析中起重要作用。在DEM數(shù)據(jù)中，坡度是通過相鄰柵格單元的最大坡降計(jì)算坡度。流域坡度圖見圖8，由圖8可知，北流河流域最大坡度61.5°，大部分區(qū)域的坡度都在20°以下，地形主要由緩坡構(gòu)成，只有少數(shù)的陡坡分布在匯流出口附近。

圖8 流域坡度圖

（3）河流分級(jí)。為了更好地反映水系機(jī)構(gòu)和形態(tài)，在匯流累積閾值6000的條件下，運(yùn)用Strhler分級(jí)方法分級(jí)。表1為各級(jí)別水系特征。

表1 北流河各級(jí)河流特征

3 水文網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和應(yīng)用

（1）流域水文網(wǎng)絡(luò)。水文網(wǎng)絡(luò)主要是利用地理信息系統(tǒng)提取流域邊界點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系，構(gòu)成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幾何網(wǎng)絡(luò)，從空間地形上研究自然流域水系情況。水文結(jié)點(diǎn)一般是指流域河源點(diǎn)、匯流點(diǎn)以及流域上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)等；水文邊線包括水流線、流域邊界等；水文區(qū)域一般是指邊線所包圍的集水區(qū)。水文網(wǎng)絡(luò)不僅可以統(tǒng)計(jì)各要素的特征值，還可以用于描述不同要素之間的相互關(guān)系?；谒髁飨虻幕A(chǔ)，構(gòu)建各水文節(jié)點(diǎn)、子流域和全流域上下游關(guān)系及匯流關(guān)系。

（2）水文網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。數(shù)字高程模型是建立分布式水文模型的基礎(chǔ)，以柵格單元為計(jì)算單元，將整個(gè)流域劃分為多個(gè)子流域，根據(jù)降雨-徑流、泥沙關(guān)系以及河網(wǎng)水流演算建立分布式流域水文模型，常用的分析模型如新安江模型、SWAT模型、Top-mod?el半分布式模型等，應(yīng)用數(shù)值分析建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時(shí)空關(guān)系或利用馬斯京根法推求凈雨演算匯流過程[3]。

4 結(jié)語

水文網(wǎng)絡(luò)是基于GIS信息處理，利用水文要素點(diǎn)、線、面之間的拓?fù)潢P(guān)系反映流域水文演變規(guī)律。本文以北流河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用Arcgis軟件對(duì)DEM數(shù)字高程處理并提取流域水文特征，分析不同閾值對(duì)流域提取的影響，闡述了地理信息系統(tǒng)的水文特征處理的基本方法，得到河網(wǎng)分布和子流域分布圖，計(jì)算出流域坡度及河流級(jí)別比重分布情況。水文網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建不僅能更加準(zhǔn)確反映流域時(shí)空分布特性，而且對(duì)利用分布式模型研究區(qū)域水文演變特征具有重要意義。