基于DEM數(shù)據(jù)提取水系在文得根水利樞紐中的應(yīng)用

宋桃云，劉可新，郭履敏，范志軍

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京100038；2.內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司文得根樞紐分公司，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

0 引言

數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel簡(jiǎn)稱DEM）是地表系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在全球尺度范圍內(nèi)可免費(fèi)獲取DEM數(shù)據(jù)下，相對(duì)于大比例水系地形圖的流域水系提取辦法，運(yùn)用GIS技術(shù)和DEM數(shù)據(jù)的數(shù)字化提取水系更加精準(zhǔn)。DEM是地表形態(tài)過(guò)程研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手段，不斷提升的數(shù)據(jù)分辨率，且包含了豐富的地理信息，被研究者廣泛應(yīng)用在水文、地質(zhì)、生態(tài)等領(lǐng)域[1，2]。GIS和遙感觀測(cè)技術(shù)發(fā)展較快，研究一個(gè)地區(qū)的地形和地表水系的提取逐漸向著高精度數(shù)字化和自動(dòng)化發(fā)展，利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)水系的數(shù)值化提取是當(dāng)前研究流域水系的熱點(diǎn)[3]。由于實(shí)際地形中存在凹陷、洼地和平緩地帶，DEM處理數(shù)據(jù)過(guò)程中對(duì)于此地帶的柵格單元需要作預(yù)處理[4，5]。網(wǎng)格和閾值的合理選擇對(duì)數(shù)字水系提取影響也較大[6，7]，利用ArcGIS10.2軟件中HydrologicModel模型，進(jìn)行文得根水利樞紐基于DEM數(shù)據(jù)的流域水系提取，選擇合適網(wǎng)格和閾值，為流域水系特征提供參考。

1 研究區(qū)概況

文得根水利樞紐工程壩址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟扎賚特旗音德?tīng)柹嫌?0km，作為內(nèi)蒙地區(qū)的骨干性控制工程，是引綽濟(jì)遼輸水工程的水源工程處。在建的引綽濟(jì)遼工程為大（1）型Ⅰ等工程，是一項(xiàng)從嫩江支流綽爾河引水到西遼河，向沿線城市及工業(yè)園區(qū)供水的引水工程，由文得根水利樞紐和輸水工程兩部分組成。工程施工總工期為56個(gè)月，預(yù)計(jì)2022年9月完工。

2 DEM提取過(guò)程

下墊面的不同和空間降雨分布的不均勻會(huì)帶來(lái)水文要素之間的差異性，利用研究流域的數(shù)字高程模型DEM創(chuàng)建水系關(guān)系，提取水系坡度、水流流向，以及如何匯流，最終得到研究流域的面積等在內(nèi)的空間參數(shù)，利用GIS軟件構(gòu)建整個(gè)水系的數(shù)字河網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

研究中的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云中DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)（http：//www.gscloud.cn/sources），在GDEMV230M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)下載原始數(shù)據(jù)，從原始的DEM提取模擬河網(wǎng)有很多與實(shí)測(cè)河網(wǎng)不一致的地方，主要原因：1）所研究流域的數(shù)據(jù)提取中，一些柵格的高程會(huì)不同，就會(huì)導(dǎo)致上游斷面形成一個(gè)“洼地”，特別是研究區(qū)在山區(qū)、盆地等地形；2）在平原地區(qū)高程差別較小，特別是有些區(qū)域的河道較為密集，這樣提取出來(lái)的模擬河網(wǎng)就與實(shí)際河網(wǎng)不一致。為了使提取到的流域河網(wǎng)更貼近實(shí)際情況，要對(duì)原始DEM進(jìn)行修正。DEM水系提取流程見(jiàn)圖1所示。

圖1 DEM水系提取流程示意圖

2.1 原始數(shù)據(jù)下載

首先得到引綽濟(jì)遼工程中控制點(diǎn)文得根水庫(kù)所在綽爾河流域的位置，根據(jù)經(jīng)緯度下載原始圖片進(jìn)行組合。若流域大概位置及流域大小清楚，就可以判斷組合后的范圍是否包含所研究流域，過(guò)大則可裁剪以提高GIS運(yùn)行速度。

2.2 DEM預(yù)處理

流域水文分析是建立在無(wú)洼地上的DEM數(shù)據(jù)提取水文特征，為了確保提取的流域水系是連續(xù)的，要求一定高程的斜坡且不能有小平原、洼地等地形，但是實(shí)際操作中普遍存在小平原和凹陷洼地，洼地的存在會(huì)阻礙自然水流流向，導(dǎo)致提取發(fā)生錯(cuò)誤，這就要在流域提取之前對(duì)洼地進(jìn)行填洼預(yù)處理，讓凹陷點(diǎn)的高程等于周邊各點(diǎn)的最小高程，得到填洼后的DEM。

水流流向的確定是地表徑流模型的基礎(chǔ)，地表徑流總是從高地勢(shì)向低地勢(shì)流，最后經(jīng)過(guò)流域出口排出，根據(jù)水流方向的確定有單流向法（SFD）和多流向法（MFD）。最常用的單流向法是D8法，通過(guò)計(jì)算中心柵格單元與相鄰8個(gè)柵格的最大距離落差值來(lái)確定，若差為正值，則為流出，否則為流入。有8個(gè)可能的方向值，對(duì)應(yīng)著水可以流入8個(gè)相鄰的網(wǎng)格。

按照最陡坡度原則設(shè)定水流方向，坡度計(jì)算公式為：

式中：hi為柵格單元的高程；hj為相鄰柵格所在單元的高程；D為柵格與柵格中心之間的距離。

按此原則利用流向工具依次計(jì)算所有網(wǎng)格點(diǎn)的流向柵格，便可得到最大水流方向。

2.3 匯流累積量

匯流累積量是其上游所有柵格按照最大坡度的水流方向匯流下來(lái)，匯流累積的數(shù)值越大，地表徑流越容易出現(xiàn)。匯流累積量是通過(guò)在已經(jīng)填洼的DEM基礎(chǔ)上得到。

2.4 水流長(zhǎng)度

水流長(zhǎng)度為計(jì)算沿每個(gè)柵格的流向路徑的上游（下游）距離或加權(quán)距離。

2.5 柵格河網(wǎng)

一旦匯水流量較大達(dá)到一定值，就會(huì)產(chǎn)生地表徑流，當(dāng)匯流量超過(guò)臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就是河網(wǎng)。把平坦區(qū)域的實(shí)際河網(wǎng)進(jìn)行柵格化，將河流流過(guò)的柵格賦值為1，其他則賦值為0，把柵格化的河流進(jìn)行疊加，同時(shí)保持河道所有格網(wǎng)的高程不變，其他非河道上的格網(wǎng)高程值在整體上要添加一個(gè)極小值，即人為使數(shù)據(jù)柵格中平坦區(qū)域的河道與非河道所在格網(wǎng)的高程值出現(xiàn)差值，這樣提取的水系與實(shí)際水系更加吻合。河網(wǎng)提取閾值與河網(wǎng)密度具有極大的相關(guān)性，當(dāng)有提供的流域圖作為參考時(shí)，就比較容易找到合適的閾值范圍。

2.6 流域分割及確定

分水線包圍的區(qū)域稱為水系的流域，所包圍的區(qū)域面積就是流域面積。流域是指一條河流或水系的集水區(qū)域，較大的流域往往是由若干較小的流域所聯(lián)合組成的，而每一個(gè)水系都有自己的特征、自己的匯水范圍，河流從這個(gè)集水區(qū)域獲得水量的補(bǔ)給形成大流域。

1）水系生成

在該集水區(qū)的最低點(diǎn)確定一個(gè)出水口，然后根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)搜索所有經(jīng)過(guò)該出水口的上游柵格，當(dāng)所有的研究區(qū)的柵格都確定了位置，就搜索到流域的邊界，即分水嶺。由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域，計(jì)算后的河網(wǎng)分布見(jiàn)圖2。

圖2 流域河網(wǎng)分布

2）流域水系生成與對(duì)比

對(duì)比利用大比例水系圖為主的流域水系劃分結(jié)果，存在一些無(wú)法避免的缺點(diǎn)，主要是人為影響因素較大，流域面積大小出現(xiàn)誤差，流域水系會(huì)有不連續(xù)現(xiàn)象，見(jiàn)圖3。對(duì)于非平原區(qū)，利用DEM水系提取結(jié)果精度較高，可按照日后工作要求對(duì)多級(jí)水系設(shè)定閾值大小，方便操作，流域邊界呈自然走勢(shì)，比較符合流域自然狀態(tài)。見(jiàn)圖4。

圖3 大比例水系人工劃分的結(jié)果

圖4 文得根水庫(kù)DEM流域水系提取

3 總結(jié)

利用DEM數(shù)據(jù)提取方法對(duì)文得根水利樞紐控制的流域水系進(jìn)行了提取，針對(duì)重要影響因素河網(wǎng)閾值需要合理選擇，最好是在有基礎(chǔ)流域圖信息提供的前提下，這樣便于找到合適的閾值?？梢缘玫搅饔蛎娣e、流域水系等，為文得根水利樞紐建設(shè)工作提供一定依據(jù)，尤其是為今后流域作洪水預(yù)報(bào)相關(guān)研究提供幫助。尤其是為應(yīng)用在山區(qū)具有高程地區(qū)的流域水系提取，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。而根據(jù)大比例水系人工劃分的結(jié)果，所做出的面積可以微調(diào)，但是流域邊界不自然，要根據(jù)實(shí)際工作進(jìn)行調(diào)整。若只是需要得到流域大致范圍則不影響，且大比例水系劃分法較為快捷。所以，要根據(jù)實(shí)際工作需求選擇不同方式得到流域圖。