基于柵格數(shù)據(jù)在水資源評價水資源量計算中的應(yīng)用

孫永壽 李燕

摘要 水資源調(diào)查評價中降水量、地表水資源量計算是水資源評價的重要組成部分，對于監(jiān)測站點稀少、地形起伏差異大、山區(qū)平原相間的地區(qū)來說，通過繪制等值線，量算分區(qū)水資源量，仍是目前水資源評價的主要技術(shù)手段。青海省第三次水資源評價基于影像、DEM等地形數(shù)據(jù)的應(yīng)用，對等值線繪制技術(shù)和水資源量計算方法進行深入分析，并與以往成果進行差異分析，對存在問題和解決辦法進行深入研究，提出柵格化等值線計算水資源量的新方法，通過矢量、柵格數(shù)據(jù)處理，制作數(shù)據(jù)模型，計算區(qū)域水資源量，其評價成果質(zhì)量、精度和效率較以往有明顯提高。

關(guān)鍵詞 等值線柵格;水資源評價;水資源量;差異分析;計算方法;應(yīng)用

中圖分類號 P333? 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）10-0185-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.042

Application of Grid Data in Calculation of Water Resources Quantity in Water Resources Evaluation

SUN Yong-shou，LI Yan （Hydrological and Water Resources Forecast Center of Qinghai Province，Xining，Qinghai 810001）

Abstract The calculation of precipitation and surface water resources is an important part of water resources evaluation in water resources investigation and evaluation. For the areas with few monitoring stations，great difference in topographic relief and alternating mountains and plains，it is still the main technical means of water resources evaluation to measure and calculate the water resources by drawing contour lines. The third water resources assessment of Qinghai Province was based on the application of image，DEM and other topographic data. The drawing technology of contour and the calculation method of water resources were analyzed in depth. The differences between the results and the previous results were analyzed. The existing problems and solutions were studied in depth. A new method of grid contour calculation of water resources was proposed.Through vector and raster data processing，data models were made to calculate regional water resources. The quality，accuracy and efficiency of the evaluation results were significantly improved compared with the past.

Key words Gridding isoline;Water resources evaluation;Water resources;Difference analysis;Calculation method;Application

基金項目 青海省“高端創(chuàng)新人才千人計劃”項目;第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項目（2019QZKK0203-07）。

作者簡介 孫永壽（1979—），男，青海平安人，高級工程師，從事水資源調(diào)查評價、水文水資源研究。

收稿日期 2021-09-02

全國于20世紀(jì)80年代初、21世紀(jì)初相繼開展了2次水資源調(diào)查評價工作。21世紀(jì)以來，受全球氣候變化的影響和下墊面條件的改變，水資源情勢出現(xiàn)了新的變化，2017年中央下發(fā)1號文件，在全國層面部署了水資源調(diào)查評價工作。第三次水資源調(diào)查評價，摸清了61年來水資源變化情況，重點掌握了2001年以來水資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀、水環(huán)境及水生態(tài)狀況，為適應(yīng)新時期水資源規(guī)劃、開發(fā)利用、節(jié)約、保護、管理、水安全保障、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)奠定基礎(chǔ)。近年來隨著青海省三江源保護工程的實施，三江源、祁連山、青海湖國家公園的建設(shè)，對區(qū)域水資源數(shù)量評價精度要求越來越高[1]。

青海省水文站點稀少，如何提高評價精度和質(zhì)量，是目前水資源評價工作面臨的主要問題。水資源評價方法從第一次水資源評價采用傳統(tǒng)的手工繪制等值線，求積儀紙圖量算水資源量，到第二次水資源評價[2]ArcGIS軟件的應(yīng)用，數(shù)據(jù)成果質(zhì)量和精度有了很大的提高。近年來等值線繪制技術(shù)和水資源量計算等方面有很多研究成果[3-9]，呂孫云等[10]對等值線柵格化量算水資源量的方法進行了研究，但對北方站點稀少、地形復(fù)雜區(qū)等值線處理、存在問題及處理方法未進行深入分析。筆者基于青海省第三次水資源評價，對等值線繪制技術(shù)、區(qū)域水資源量計算方法進行深入分析，通過影像、DEM等地形數(shù)據(jù)的應(yīng)用、矢量柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等，提出了精度更高、更高效便捷的水資源量計算方法，為今后水資源評價和水資源公報編制提供很好的借鑒。

1 水資源評價方法

降水量評價主要在單站降水量統(tǒng)計資料的基礎(chǔ)上，通過泰森多邊形法、算術(shù)平均法、繪等值線法計算分區(qū)降水量。地表水資源量評價，對分區(qū)內(nèi)有水文站控制的區(qū)域，用水文站天然河川徑流量，按面積比擬修正為該區(qū)域地表水資源量;對于沒有測站控制的區(qū)域，采用地理條件相似地區(qū)的降水徑流關(guān)系，等值線量算、網(wǎng)格法計算區(qū)域地表水資源量[11-12]。青海省行政區(qū)面積69.7萬km2，境內(nèi)現(xiàn)有各類水文站67處（含黃委、四川、甘肅省站點），雨量站419處，站點稀少且分布不均，大多分布在人口集中的東部湟水地區(qū)，西部及青南地區(qū)站點稀少，全省海拔較高的降水、徑流高值區(qū)基本沒有站點控制。因此，采用泰森多邊形法、算術(shù)平均法等方法，站點及面積代表性不夠、精度不高，故等值線法計算的水資源量更趨于合理，也是目前青海省水資源評價的主要技術(shù)手段。

2 青海省第三次與第二次水資源評價差異分析

2.1 站點差異 青海省

第三次水資源評價由于資料系列延長，對以往評價資料系列較短、未被采用的站點進行了分析應(yīng)用，此外還收集了歷史上短系列站點資料及各縣農(nóng)牧區(qū)劃資料，站點數(shù)量較第二次水資源評價明顯增加。短系列站點資料系列雖短，但能夠反映降水、徑流的空間差異[13-14]，對站點稀少、高山區(qū)等無資料地區(qū)等值線的繪制起到了很好的補充作用，提高了等值線空間分布準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1.1 站點采用情況。

青海省第三次水資源評價共收集水文、氣象及農(nóng)牧區(qū)劃降水站點598處，其中資料系列30年以上的站點176處，其余站點資料系列均在30年以下，站點數(shù)量較第二次水資源評價增加了479處，站網(wǎng)密度大幅提高;徑流站點共收集136處，其中資料系列30年以上的站點53處，10～30年的站點20處，10年以下的站點63處，站點數(shù)量較第二次水資源評價增加了72站，對區(qū)域水量控制精度較第二次水資源評價有大幅提高。

2.1.2 資料處理情況。青海省第三次水資源評價在《青海省水文手冊》[15]資料系列（1956—2013年）基礎(chǔ)上，補充2013年以來的資料并增加了短系列站點，資料系列延長為1956—2016年，對缺測資料，通過選取地域上鄰近、高程一致的站點作為參證站，采用線性相關(guān)法、均值倍比法、面積修正等方法統(tǒng)一延長為1956—2016年。

第二次和第三次水資源評價的主要差異在于對資料的一致性處理，全國第三次水資源調(diào)查評價技術(shù)細則[11]明確指出，河川徑流系列反映2001年以來近期下墊面條件，對受人類活動改變流域下墊面條件導(dǎo)致的入滲、徑流、湖庫蒸發(fā)使徑流量減少無法還原，提出現(xiàn)狀條件下（“向后還原”）水資源評價，按照降水徑流雙累積曲線發(fā)生明顯變化的拐點年份，對拐點年份以前的河川徑流系列進行一致性修正。黃河干流貴德站、循化站受上游龍羊峽、李家峽、公伯峽等大、中型水庫建設(shè)影響，建庫后受水庫蒸發(fā)等影響，就徑流明顯減少的現(xiàn)實狀況，對建庫前天然徑流系列進行了一致性修正。第三次水資源評價貴德站、循化站修正后1956—2016年天然徑流量分別為203.1億、214.4億m3，其第三次水資源評價1956—2000年系列與第二次評價同期水量相比分別減小1.0%、2.2%（圖1）。

2.2 等值線繪制方法差異

青海省地域遼闊，地形差異顯著，如柴達木盆地、青海湖盆地等山區(qū)為降水、徑流產(chǎn)生區(qū)，到達盆地邊緣，降水逐漸減小、徑流下滲甚至消失;黃河干流貴南、澤庫高山平原區(qū)，海拔高，降水量大，流域坡度小，徑流量較小。由于水汽來源、地形坡度對降水徑流的影響，加之水文站點稀少且分布不均，使計算機插值自動繪制的等值線不能滿足精度及合理性檢驗的要求。青海省第三次水資源評價較第二次水資源評價主要差異如下：

（1）結(jié)合衛(wèi)星影像圖、DEM數(shù)據(jù)地形等高線、坡度等數(shù)據(jù)，通過分析降水隨高程變化的關(guān)系，推求資料稀缺地區(qū)及高山區(qū)降水量，提高無資料地區(qū)等值線的控制精度。青海省北部祁連山、東部湟水、西部柴達木等地區(qū)地形高差大，降水垂直分布規(guī)律明顯，祁連山地區(qū)海拔每升高100 m，降水量平均增加19 mm左右;湟水地區(qū)海拔每升高100 m，降水量增加40 mm左右（圖2）;柴達木盆地東、北、南部地區(qū)海拔每升高100 m，降水量分別增加35、12和23 mm。

（2）結(jié)合水汽來源，分析降水經(jīng)向、緯向上平面分布規(guī)律。青海省青南地區(qū)降水站點稀少，地勢較高、地形相對平坦，水平地帶性差異明顯，經(jīng)向上呈現(xiàn)出自東向西隨著經(jīng)度減小而減少，變化范圍在22～47 mm/°，緯向上呈現(xiàn)出自南向北隨著緯度增大而減少，變化范圍在80～112 mm/°（圖3）。

（3）繪制等值線采用站點數(shù)量有所增加，增加了降水、徑流高值區(qū)、低值區(qū)，使等值線區(qū)域分布上更加精細，合理性檢驗時，將降水、徑流等值線對照，使其降水、徑流等值線走勢、高值區(qū)和低值區(qū)位置基本對應(yīng)，并與近年來青海省區(qū)域水資源評價成果[14-15]中的等值線進行對照，對有明顯差異的地區(qū)進行合理性分析及修改，使等值線更加符合空間分布規(guī)律，其精度較以往有明顯提高。黃河下游區(qū)、青海湖地區(qū)DEM及降水、徑流等值線分布差異對比見圖4。

3 柵格化等值線量算水資源量方法

由于站點增加、等值線和分區(qū)成果的進一步細化，加大了量算工作量。矢量等值線計算分區(qū)水資源量涉及大量的幾何量算和數(shù)據(jù)賦值，利用ArcGIS拓撲工具，切割分區(qū)面層，人工賦值計算分區(qū)水資源量的方法，隨機性高、誤差大，且計算方法煩瑣、工作量大、效率低。青海省第三次水資源評價在對ArcGIS軟件ArcToolbox[16]深入分析、實踐的基礎(chǔ)上，將特殊地形區(qū)矢量等值線內(nèi)插處理，生成以像源為單元的柵格數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)據(jù)模型、柵格運算，分析統(tǒng)計計算出區(qū)域水資源量。此方法消除了一切人為因素和判讀誤差，極大地提高了評價精度、工作質(zhì)量和效率。此次以青海湖流域徑流深等值線量算分區(qū)水量為例，介紹該方法的應(yīng)用、存在問題及處理方法，柵格數(shù)據(jù)處理建模過程見圖5。

3.1 等值線矢量數(shù)據(jù)及分區(qū)單元準(zhǔn)備

等值線量算水文站控制流域水量與水文站天然水量進行合理性檢驗時，高值區(qū)、低值區(qū)取值一般高于或低于該條等值線的值（如300 mm等值線高值區(qū)取值可能大于300 mm值;青海柴達木盆地徑流深小于5mm的徑流區(qū)不產(chǎn)流，5mm等值線區(qū)內(nèi)取值為0;青海湖湖區(qū)附近最小等值線為25 mm，湖面水體不產(chǎn)流，取值為0），在計算機等值線柵格化處理時，對于閉合圈或等值線較彎曲部分，內(nèi)插值與最接近的等值線值一致，導(dǎo)致計算結(jié)果和人工量算時產(chǎn)生偏差，因此高值區(qū)、低值區(qū)及水體部分需要添加輔助等值線或?qū)Φ戎稻€進行加密處理。

分區(qū)計算單元以水資源分區(qū)與行政分區(qū)圖層疊加，生成水資源分區(qū)套縣級行政分區(qū)最小單元，計算結(jié)果逐級匯總至各評價單元。此次青海湖流域按水資源四級區(qū)套縣級行政區(qū)10個計算單元進行統(tǒng)計，文件以shape矢量數(shù)據(jù)格式，投影采用Albers等面積投影坐標(biāo)系。

3.2 處理步驟及參數(shù)設(shè)置

3.2.1 等值線轉(zhuǎn)化TIN數(shù)據(jù)。

采用ArcToolbox—3D Analyst Tools—Data Management—TIN—Create TIN工具（圖6），將處理后的矢量等值線轉(zhuǎn)化成TIN數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置：Coordinate System采用Albers等面積投影坐標(biāo);Height Field選取徑流深;Tag Field分區(qū)編號，唯一值不可重復(fù)。

3.2.2 TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成Raster數(shù)據(jù)。

通過3D Analyst Tools—Conversion—From TIN—TIN to Raster工具（圖7），將TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Raster數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置：Output Date Type為FLOAT;Method為NATURAL_NEIGHBORS;Sampling Distance采樣距離選取observations。閾值根據(jù)計算分區(qū)面積大小確定，一般閾值越高，等值線柵格越小，對計算小區(qū)域的精度越高。

3.2.3 分區(qū)單元特征值統(tǒng)計。

通過ArcToolbox—Spatial Analyst Tools—Zonal—Zonal Statistics as Table工具（圖8），按分區(qū)單元統(tǒng)計Raster數(shù)據(jù)內(nèi)各計算分區(qū)面積、最大、最小、平均徑流深等屬性表。參數(shù)設(shè)置：Zone field為第一步分區(qū)數(shù)量編號（Tag Field），其余默認(rèn)。

3.2.4 分區(qū)單元水量計算。

將生成的統(tǒng)計表通過屬性字段（Tag Field）連接至分區(qū)單元矢量數(shù)據(jù)圖層，根據(jù)屬性表中各分區(qū)平均徑流及對應(yīng)的面積，計算出各分區(qū)單元多年平均水資源量（圖9）。

4 柵格等值線量算法問題探討

柵格等值線量算法在快速計算分區(qū)水量的同時，極大地提高了工作效率、質(zhì)量和精度，在青海省第三次水資源評價中發(fā)揮了巨大作用，在徑流等值線繪制誤差控制時，大幅減輕工作量，工作效率明顯提高。

柵格化等值線計算的優(yōu)點：每個柵格像源點均按等值線內(nèi)插一個降水量、徑流值，對于給定分區(qū)矢量面層，即可快速統(tǒng)計運算出分區(qū)平均降水量、徑流，并計算出分區(qū)水資源量，較以往利用ArcGIS拓撲工具，人工賦值計算水資源量的方法更高效、精度更高、誤差更小。

數(shù)據(jù)處理存在問題及處理方法：高值區(qū)、低值區(qū)取值和最高、最低等值線為同一個值，如取高于或低于等值線值時，需添加輔助線;彎度較大的等值線不能按兩條相鄰等值線等距內(nèi)插，可加密等值線或增加輔助線解決;湖泊及徑流深小于5 mm不產(chǎn)流的低值區(qū)，需增加0值輔助線;水文站等值線合理性檢驗時，上下游分區(qū)面不能重復(fù)、疊加，需按上下游區(qū)間或最小分區(qū)單元計算，逐級累加至上一級分區(qū)單元。

5 結(jié)語

水資源評價及年度水資源公報作為水文部門的一項基礎(chǔ)性和常規(guī)性工作，需定期開展，水資源公報則每年進行水資源評價。水文資料是水資源評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，隨著站點數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)量越來越大，計算工作任務(wù)越來越重，而對水資源公報等數(shù)據(jù)成果質(zhì)量、發(fā)布時效性要求也越來越高，因此，水文數(shù)據(jù)快速成果化迫在眉睫。

矢量和柵格數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的2種最基本的形式，矢量數(shù)據(jù)點、線、面的表現(xiàn)形式在GIS中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在大比例尺制圖中充分利用它精度高的優(yōu)點。隨著RS廣泛的應(yīng)用和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，計算機性能的提高，克服了柵格數(shù)據(jù)量大的缺點，以像源為單元的柵格數(shù)據(jù)可極大地提高GIS空間數(shù)據(jù)處理分析計算能力，在圖形的代數(shù)運算、空間統(tǒng)計分析、GIS模型建立等方面發(fā)揮更大的作用，在水資源分析評價中得到很好的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，水資源支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的地位越來越重要，以往水資源評價方法已不適應(yīng)目前精細化水資源評價及時效性需要，因此，借助遙感、DEM等地形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)等值線去人工化，探索一種更簡便、高效、精度更高的水資源量計算方法，將水文數(shù)據(jù)快速成果化是今后重點研究的方向。

參考文獻

[1] 青海省水利廳.青海省水資源公報[R].2001-2019.

[2] 青海省水文水資源勘測局.青海省水資源評價報告[R].2006.

[3] 劉武，懷志軍.ArcGIS在繪制降雨徑流等值線過程中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟，2015，21（7）：118-120.

[4] 馮宇鵬，李婕，馮德光.一種輔助繪制降水量等值線圖的方法探討[J].水文，2013，33（4）：75-79.

[5] 李學(xué)輝，余守龍，谷桂華，等.復(fù)雜地形氣候區(qū)降水量等值線繪制方法研究[J].水利水電快報，2019，40（11）：15-19.

[6] 黨磊，王子佳，王光磊.基于ArcGIS不同插值方法制作水文要素等值線[J].東北水利水電，2020，38（1）：35-36，41.

[7] 金棟梁，孔祥林.徑流等值線繪制方法探討[J].人民長江，2005，36（7）：36-37.

[8] 劉武.探討ArcGIS在計算區(qū)域水資源量中的應(yīng)用[J].水利科學(xué)與寒區(qū)工程，2020，3（4）：153-154.

[9] 宮云趙，李振苓，劉本寶.青島市分區(qū)地表水資源量計算與分析[J].人民長江，2020，51（S2）：68-70.

[10] 呂孫云，陳金鳳，王政祥.基于ARCGIS量算法在水資源評價中的應(yīng)用[J].人民長江，2008，39（17）：27-29，52.

[11] 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.全國水資源調(diào)查評價技術(shù)細則[R].2017.

[12] 謝平，陳廣才，雷紅富，等.變化環(huán)境下地表水資源評價方法[M].北京：科學(xué)出版社，2009：88-89.

[13] 段水強.小尺度徑流空間差異性及成因探索：以青海省黃南州為例[J].水科學(xué)進展，2016，27（1）：11-21.

[14] 段水強，孫永壽.青海省黃南、果洛、玉樹藏族自治州水資源時空分布特征與演化研究[M].西寧：青海人民出版社，2018.

[15] 李其江.青海省水文手冊[M].西寧：青海人民出版社，2018.

[16] 湯國安，劉學(xué)軍，閭國年，等.地理信息系統(tǒng)教程[M].北京：高等教育出版社，2007.