基于ArcSWAT的瀏陽河壩流域面積提取

楚 貝，張 杰，劉思妍，李康勇，張 勇，蔣發(fā)芝，廖滿軍

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

水文設(shè)計(jì)及工程規(guī)劃最為基礎(chǔ)的工作即工程斷面的集雨面積量取，在傳統(tǒng)水文設(shè)計(jì)中，量取集雨面積一般是在1∶10 000地形圖上勾出分水嶺進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這種方式在流域面積特別大的情況下，統(tǒng)計(jì)工作繁瑣耗時(shí)，而勾畫分水嶺所需地形圖資料也必須足夠完整，在地形圖資料不是很充分的情況下，往往會(huì)影響整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)程。因此，假如有一款分析軟件能直接提取出工程斷面的集雨面積，將能大大地提高水文設(shè)計(jì)的工作效率。

1 ArcSWAT模型介紹

ArcSWAT擴(kuò)展模塊是SWAT模型在ArcGIS平臺(tái)上的圖形用戶界面[1]。SWAT是一個(gè)大、中尺度流域比例模型，其模塊組成包括氣候、水文、土壤侵蝕、土地覆被及土地利用、管理措施等。本研究僅應(yīng)用水文模塊里ArcSWAT的流域劃分模塊功能，對(duì)長沙縣江背鎮(zhèn)金洲村瀏陽河壩集雨面積進(jìn)行提取。

2 研究區(qū)域介紹

瀏陽河位于湖南省東部，是湘江的一級(jí)支流，水系發(fā)源于羅霄山脈的大圍山北麓，其北源大溪河為正源，集水面積1 302 km2，河長86.8 km，平均坡降1.62‰；南源名小溪河，集水面積765 km2，河長108 km，平均坡降2.35‰。南北兩源在雙江口匯合后始稱瀏陽河，流向大致自東向西，流經(jīng)瀏陽市、長沙縣市共40個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在長沙市的陳家屋場匯入湘江。流域全長共222km，流域面積4 665 km2，河流坡降為0.573‰。瀏陽河源頭至大溪河小溪河交匯處楊潭鄉(xiāng)（現(xiàn)高坪鄉(xiāng)）雙江口河段為上游；雙江口至鎮(zhèn)頭市河段為中游；瀏陽河下游從鎮(zhèn)頭市起始。見圖1。

圖1 瀏陽河流域水系圖

研究區(qū)為瀏陽河干流三汊河渡口上游100 m處攔河壩，因水毀需要進(jìn)行修復(fù)。研究區(qū)位于瀏陽河下游，流域面積較大，缺乏可用研究區(qū)域1∶10 000地形圖。

3 利用ArcSWAT提取集雨面積

為驗(yàn)證ArcSWAT模型提取集雨面積的精度，先采用雙江口水文站和榔梨水文站集雨面積資料進(jìn)行驗(yàn)證，再采用驗(yàn)證后的模型提取瀏陽河攔河壩的集雨面積數(shù)據(jù)。

3.1 DEM數(shù)據(jù)的獲取

DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）是進(jìn)行流域模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其精度直接影響著模擬結(jié)果的好壞。目前，DEM的獲取方法有很多，包括NASA提供的ASTER GDEM、NASA和NIMA聯(lián)合測量提供的STRM（Shuttle Radar Topography Mission）等，其中，ASTERGDEM全球空間分辨率為30 m，是世界上迄今為止可為用戶提供的最完整的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)，本次采用的即為ASTERGDEM。

實(shí)際應(yīng)用研究中，研究區(qū)域往往覆蓋了一定坐標(biāo)范圍的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用研究中，需根據(jù)研究區(qū)域的范圍，對(duì)DME數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括拼接、裁切等操作，以便獲取研究區(qū)域的數(shù)據(jù)。本次瀏陽河攔河壩流域的繪制采用柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切操作。

3.2 投影轉(zhuǎn)換

從ASTERGDEM上下載的DEM數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)為1984年世界大地坐標(biāo)系WGS84，為球面坐標(biāo)，需將地球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面投影坐標(biāo)，即投影轉(zhuǎn)換。本次采用Albers等級(jí)圓錐投影進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。

3.3 集雨面積提取

3.3.1 河網(wǎng)生成

閾值決定了河流的源頭并直接決定生成的河網(wǎng)形態(tài)。在提取流域河網(wǎng)的過程中，選取不同的集水面積閾值將得到不同的河網(wǎng)，集水閾值越大，則提取的河網(wǎng)越稀疏，反之，則提取的河網(wǎng)密集。因此集水面積閾值的大小在很大程度上決定著模擬河網(wǎng)與真實(shí)河網(wǎng)的吻合程度。ArcSWAT模型一般會(huì)根據(jù)流域大小，自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)參考集水面積閾值來，該閾值基本能保證模擬的精度，因此，本研究選取模型提供的集水面積閾值進(jìn)行河網(wǎng)生成。

3.3.2 匯水區(qū)出水口的確定

本研究設(shè)置榔梨水文站、瀏陽河攔河壩2處流域出水口，分別進(jìn)行兩次模擬，提取出該兩個(gè)斷面的集水面積。

榔梨水文站位于湖南省長沙市黎托鄉(xiāng)川河村（東經(jīng)113°5′，北緯28°10′），瀏陽河河口附近。該站控制瀏陽河流域面積為3815km2，占瀏陽河流域面積80%以上。

3.3.3 集水面積提取

1）成果驗(yàn)證。榔梨水文站集水面積提取成果見圖2，榔梨水文站提取的集雨面積與實(shí)際集雨面積對(duì)比成果見表1。

表1 榔梨水文站流域面積提取成果對(duì)比表

圖2 榔梨水文站集雨面積提取成果圖

從表1可以看出，ArcSWAT提取出榔梨水文站集雨面積與實(shí)際集雨面積基本一致，相對(duì)誤差僅為0.26%，該模型提取精度較高。

2）瀏陽河壩集水面積提取。根據(jù)驗(yàn)證成果，重新進(jìn)行模擬，提取出瀏陽河壩集雨面積為3439km2。見圖3。

圖3 瀏陽河攔河壩集雨面積提取成果圖

4 結(jié) 論

1）利用ArcSWAT流域劃分功能，實(shí)現(xiàn)了榔梨水文站流域面積的提取及計(jì)算，與實(shí)際流域面積對(duì)比，相差0.26%，證明了該方法提取流域面積具有可行性及可靠性。

2）根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知，該模型可用于無地形圖地區(qū)的集雨面積提取，能較好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。