基于DEM流域河網(wǎng)水系提取和面雨量計算研究

曾廣旭 曾月明 夏侯斌 謝葦華

摘要 基于DEM高程數(shù)據(jù)和ArcGIS 10.2工具軟件，分析了贛江峽江樞紐流域水系的數(shù)據(jù)預(yù)處理、水系提取和面雨量計算的原理、過程和方法，通過水系的提取確定流域控制范圍，為流域降水監(jiān)測、面雨量計算和預(yù)報預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 DEM；ArcGIS；水系提取；面雨量；峽江樞紐

中圖分類號：TV125 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

在精細(xì)化的流域面雨量實況監(jiān)測和預(yù)報預(yù)測預(yù)警氣象服務(wù)中，對流域河網(wǎng)的水系特征、流域水系、流域邊界和地形地貌特征等信息進(jìn)行分析十分重要，流域河網(wǎng)的提取是流域面雨量計算、預(yù)報和水文模型建立的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-3]?；贏STER GDEM 30 m分辨率高程DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2工具軟件實現(xiàn)峽江水利樞紐贛江流域的河網(wǎng)提取。

1 流域水系提取研究

1.1 研究區(qū)概況

峽江水利樞紐位于吉安市峽江縣，處于贛江流域中游，水域從上游而下流經(jīng)泰和縣、吉安縣、吉州區(qū)、青原區(qū)等縣（區(qū)），有烏江、孤江等支流匯流至峽江水利樞紐流域，是集船舶運(yùn)輸、洪水防護(hù)、水利發(fā)電等于一體的梯級控制性水利樞紐。流域集雨區(qū)地形以丘陵為主，南高北低，東西兩邊地勢高。該流域?qū)賮啛釒鹆晟絽^(qū)濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，全年雨量豐沛，近30年年均降雨量1 570.0 mm，但降水量的時空分布不均勻，年降水量的72%集中在3—8月，其中，汛期4—6月雨量占年降雨量的43%。

1.2 數(shù)據(jù)源和預(yù)處理

使用ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，投影為GCS_WGS_1984，數(shù)據(jù)范圍為113.99°～116.00°E，25.99°～28.00°N，數(shù)據(jù)值域范圍為-105～2 128 m，比例尺為1∶25萬，其垂直精度和水平精度分別為30、20 m。

DEM數(shù)據(jù)因分辨率精度等會形成偽洼地現(xiàn)象，偽洼地會對準(zhǔn)確計算水流方向產(chǎn)生一定的影響[4-5]。因此，在計算確定水流方向前，先對偽洼地的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將中心點(diǎn)逐個與緊鄰周邊點(diǎn)的高程值進(jìn)行比較，當(dāng)中心點(diǎn)高程值比緊鄰周邊高程值小時，則將中心點(diǎn)的值修改為緊鄰周邊點(diǎn)的最小值，將洼地柵格填平，保證所有柵格的水流方向通暢，重新生成具有一定流向無洼地的DEM高程數(shù)據(jù)（圖1）。洼地填充通過ArcGIS水文分析中的填洼工具實現(xiàn)。

1.3 水系的提取

1.3.1 確定水流方向 流域河網(wǎng)水系的提取首先應(yīng)獲取水流方向，運(yùn)用D8算法計算（圖2）得到水流方向，在3×3九方柵格中，用中心柵格與其緊相鄰的8個方向柵格的高程值進(jìn)行計算，得出8個方向的距離權(quán)重坡度。如果是上下左右4個緊相鄰的柵格，其距離權(quán)落差坡度用計算到的高程差數(shù)值除以1.0；如果是4個斜角上相鄰的柵格，其距離權(quán)落差坡度用計算到的高程差數(shù)值除以1.414，用計算出的距離權(quán)落差逐個進(jìn)行比較，判斷出水流的方向。如果距離權(quán)落差的值＞0，則該柵格單元為流出，如果＜0，則柵格單元為流入。

1.3.2 計算匯流累積量 以流向數(shù)據(jù)柵格為輸入，計算水域內(nèi)匯流的累積柵格圖。其方法是先掃描每個DEM柵格單元，在流向矩陣的指導(dǎo)下追蹤流向，直至流向到達(dá)DEM區(qū)域的邊界，從而得出整個DEM區(qū)域的徑流累積量。通過ArcGIS水文分析中的流量工具。計算生成匯流累積柵格圖后，即可觀察所形成的河流網(wǎng)絡(luò)。

1.3.3 提取流域柵格 利用ArcGIS中的柵格計算器工具，將匯流累積柵格圖作為輸入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計算和處理[6]。在柵格計算器工具使用條件分析SetNull（參數(shù)1，參數(shù)2）語句，將柵格圖中滿足條件的柵格值設(shè)置為NoData，輸出所需徑流累計量的河網(wǎng)柵格。SetNull（參數(shù)1，參數(shù)2）有2個參數(shù)，參數(shù)1表示需要設(shè)置為NoData的條件，條件為true時返回NoData，條件為false時返回參數(shù)2指定的柵格。通過SetNul（“Flow_Accumulation” ＜ 閾值，”Flow_Accumulation”），分別設(shè)置柵格匯流閾值為1 000、3 000、5 000，輸出流域河網(wǎng)與地形圖疊加，并與實際進(jìn)行比較，最終確定閾值為3 000與實際最為接近（圖3）。

1.3.4 河網(wǎng)柵格矢量化 以生成的閾值為3000的流量柵格數(shù)據(jù)作為輸入，運(yùn)用ArcGIS水文分析中的河流鏈接工具，首先獲取到每個河網(wǎng)弧段的始末點(diǎn)，并計算出匯水區(qū)的出流點(diǎn)。其次，使用斯特拉勒方法對河網(wǎng)進(jìn)行分級，為每個河流分配1個級別值。最后，將流量柵格圖矢量化，使用gird_code字段中的唯一值繪制直觀顯示的河網(wǎng)（表1、圖4）。

1.3.5 提取流域 使用編輯工具標(biāo)注河網(wǎng)的匯流點(diǎn)（傾瀉點(diǎn)），采用捕捉傾瀉點(diǎn)的工具對河網(wǎng)流域進(jìn)行分析，捕捉河網(wǎng)流域內(nèi)累積流量最大的柵格點(diǎn)確定傾瀉點(diǎn)，再以傾瀉點(diǎn)為中心，一定距離范圍內(nèi)搜索累積流量最大的柵格點(diǎn)，并將傾瀉點(diǎn)移動至此處。使用分水嶺工具進(jìn)一步處理流域，提取出流域的分水嶺，得到贛江峽江樞紐流域圖（峽江樞紐至石虎塘航電樞紐段）（圖5）。通過ArcGIS計算出的峽江樞紐至石虎塘航電樞紐段控制的水系流域面積為1.63萬 km2。

2 流域面雨量計算分析

提取出的峽江樞紐至石虎塘航電樞紐段的水系流域包括永豐、吉水、吉州區(qū)、青原區(qū)、吉安縣、安福、永新和泰和北部部分區(qū)域。將在峽江樞紐水系流域內(nèi)的174個雨量站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息導(dǎo)入ArcGIS，采用泰森多邊形法計算各站點(diǎn)所影響的泰森多邊形區(qū)域的面積，用多邊形包含的雨量站的降雨強(qiáng)度表示多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度，按照174個雨量站點(diǎn)的泰森多邊形區(qū)域面積占比和實測雨量值計算流域內(nèi)面雨量（表2、圖6、圖7）。

面雨量=

式中，m表示雨量站的個數(shù)；Ri表示單個站點(diǎn)的降雨量；Ai表示單個站點(diǎn)泰森多邊形的面積；A表示流域的總集水區(qū)面積。

3 結(jié)束語

利用DEM數(shù)據(jù)和ArsGIS提取的峽

江樞紐至石虎塘航電樞紐段的水系網(wǎng)與現(xiàn)實中的流域水系和集水區(qū)面積進(jìn)行驗證比較。結(jié)果表明：制作提取的水系網(wǎng)和集水區(qū)面積具有較強(qiáng)的一致性，但也有少量的偏差，存在偏差的原因主要如下：一是DEM垂直和水平數(shù)據(jù)的精度還不夠高，影響了數(shù)據(jù)的處理結(jié)果；二是ArcGIS軟件使用和計算中，其參數(shù)的設(shè)定有一定的影響，如匯流累積閾值的設(shè)定對水系提取的密度和精度均有影響。

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Research on Water System Extraction and Surface Rainfall Calculation of River Network Based on DEM Basin

—Taking XiaJiang Hub Basin of Ganjiang River as An Example

Zeng Guang-xu et al（Ji’an Meteorological Bureau， Ji’an， Jiangxi 343000）

Abstract Based on DEM elevation data and ArcGIS 10.2 tool software， the principles， processes， and methods of data preprocessing， water system extraction， and surface rainfall calculation in the Ganjiang Xiajiang River Hub watershed were analyzed. By extracting the water system， the control range of the watershed was determined， providing a scientific basis for accurate and precise precipitation monitoring， surface rainfall calculation， and prediction and warning in the watershed.

Key words DEM; ArcGIS; Water system extraction; Surface rainfall; Xiajiang hub