丑述仁，高微微;于占超;王 超;李 明

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127;2.東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院草地研究所，吉林 長(zhǎng)春130024;3.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026)

近年來(lái)，GIS技術(shù)的引進(jìn)，為水文科學(xué)的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。尤其是在數(shù)據(jù)管理、空間分析及其可視化的顯示和制圖的卓越功能。DEM是數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)簡(jiǎn)稱，是流域地形、地物識(shí)別的重要原始資料。DEM的原理是將流域劃分為m行n列的四邊形，計(jì)算每個(gè)四邊形的平均高程，然后以二維矩陣的方式存儲(chǔ)高程。由于DEM數(shù)據(jù)能夠反映一定分辨率的局部地形特征，因此通過(guò)DEM數(shù)據(jù)可提取大量的地表形態(tài)信息，這些信息包含流域網(wǎng)格單元的坡度、坡向以及單元格之間的關(guān)系等［1］。同時(shí)根據(jù)一定的算法可以確定地表水流路徑、河流網(wǎng)格和流域的邊界。DEM在水利科學(xué)方面的應(yīng)用，其突出優(yōu)勢(shì)是描述流域地形，包括流域邊界、坡度、坡向、河網(wǎng)識(shí)別等。從目前利用DEM提取流域特征的現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)外更多的研究好似側(cè)重于局部小流域的實(shí)驗(yàn)和探索，Horton、Strahler和 Shreve等都對(duì)流域的結(jié)構(gòu)提出了自己的見(jiàn)解，Shreve等提出“具有一個(gè)根的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)流域”模式［2］。本文采用的方法是對(duì)匯流累積量進(jìn)行分級(jí)，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)定一個(gè)合適的值，從而達(dá)到對(duì)中等流域的劃分。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

富縣位于黃土高原南部，洛河中上游子午嶺林區(qū)。東依黃龍山系于宜川、洛川相鄰、西依子午嶺與甘泉合水、寧縣相接，南依隆坊塬與黃陵相靠，北緣丘陵溝壑與志丹、甘泉、延安相連。東西長(zhǎng)111.0 km，南北寬73.7 km，總面積4 181.57 km2，轄14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。主要地貌類型有4種，一是河谷階地，包括羅河及其支持葫蘆河川道，占全縣總面積7.29%。二是高原溝壑，包括全縣中部及東南部的交道塬、中指塬和寺仙塬一級(jí)塬間溝壑，占全縣總面積的20.5%。三是丘陵溝壑，分布在高原溝壑區(qū)以北及以西的廣大林區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，占全縣總面積的58.88%。四是土石低，主要分布在縣西與甘肅交界的子午嶺林區(qū)，占全縣總面積的13.33%。富縣屬中緯度半干旱地區(qū)，太陽(yáng)輻射能比較豐富，年日照時(shí)數(shù)2 032～2 428 h，年平均氣溫 7.1℃ ～9.0℃，無(wú)霜期平均 130 d，年平均降水量500～600 mm.主要種植作物有小麥、玉米、水稻等。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

DEM被認(rèn)為是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內(nèi)插的原因以及一些真實(shí)地形(如采石場(chǎng)或科斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域。這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流模擬時(shí)，由于低高程?hào)鸥竦拇嬖?，從而使得在進(jìn)行水流流向計(jì)算時(shí)得到不合理的或錯(cuò)誤的水流方向，因此，在進(jìn)行水流方向的計(jì)算前，應(yīng)該首先對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼，得到無(wú)洼地DEM。這樣才能保證從DEM數(shù)據(jù)中提取的水系是連續(xù)的。

本研究采用的DEM預(yù)處理對(duì)方法采用的是Jenson和Domingue與1988年提出的洼地處理方法［3］，該方法應(yīng)用前景最為廣泛，主要包括兩個(gè)部分:洼地填平處理與平坦柵格增高處理。

圖1 DEM柵格預(yù)處理流程圖

1.2.2 流向的確定

水流方向是指水流離開(kāi)每一個(gè)柵格單元的指向，即水流離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的指向，即水流離開(kāi)單元的最大坡度方向，他決定著地表徑流的方向及網(wǎng)格單元間流量的分配，是基于DEM的分布式水文模型的一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題［4］。目前，關(guān)于水流方向的確定主要有6種方法:D8方法、Rh08方法、多流向法、Aspect drive方法、DEMON方法和ERS方法。應(yīng)用比較廣泛的是D8方法和多流向法［5］。

D8方法首先將網(wǎng)格X的8個(gè)鄰域網(wǎng)格編碼，流向便可以用其中的一個(gè)值來(lái)確定，格網(wǎng)方向的編碼如圖2。

圖1網(wǎng)格中(1)，(2)，…，(8)表示 X的 8個(gè)鄰居;1，2…，128表示X的指向。例:如果格網(wǎng)X的水流流向向左邊，其水流方向被賦值16.本文確定流向的思想是:從流域的出口出發(fā)向流域上游搜索，逐個(gè)確定每個(gè)網(wǎng)格的流向。每個(gè)網(wǎng)格的流向不僅要考慮它向周圍8個(gè)鄰居的坡度，同時(shí)要從全流域整體的思想出發(fā)，保證每個(gè)格網(wǎng)水流流到流域出口。兩個(gè)網(wǎng)格間坡度計(jì)算公式1如下

Slopei為某個(gè)網(wǎng)格同它周圍的第i個(gè)鄰居間的坡度;E、Ei為網(wǎng)格及鄰居的高程;DD為兩網(wǎng)格間的距離同1，2，3，4號(hào)鄰居的距離就是網(wǎng)格的邊長(zhǎng)，同5，6，7，8號(hào)鄰居的距離是網(wǎng)格的邊長(zhǎng)乘以。

圖2 水流方向編碼

1.2.3 匯流累積量

匯流累積量數(shù)值矩陣表示區(qū)域地形每點(diǎn)的流水累積量。在地表徑流模擬過(guò)程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。匯流累積量的基本思想是:以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點(diǎn)處有一個(gè)單位的水量，按照自然水流從高處流向地處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算每點(diǎn)處流過(guò)的水量數(shù)值，便得到了該區(qū)域的匯流累積量。

基于無(wú)洼地水流方向的計(jì)算，得到水流方向方向數(shù)據(jù)計(jì)算匯流累積量。如圖3所示，之后在ARCGIS中提取累積匯流量網(wǎng)格，如圖4所示:

1.2.4 河流網(wǎng)絡(luò)的生成

設(shè)定閾值，不同級(jí)別的河谷對(duì)應(yīng)不同的閾值，不同區(qū)域相同級(jí)別的溝谷對(duì)應(yīng)的閾值也是不同的［6］。所以在設(shè)定閾值時(shí)，應(yīng)通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和利用現(xiàn)有地形圖等資料輔助檢驗(yàn)的方法來(lái)確定。利用Map Algebra工具集中的Multi Map Output工具中的CON命令進(jìn)行有條件查詢可得到柵格河網(wǎng)，根據(jù)所設(shè)定的閾值對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行判斷，其中匯流量大于閾值的柵格，其屬性值賦為1，而小于或者等于閾值的柵格設(shè)置為無(wú)數(shù)據(jù)。最后對(duì)柵格河網(wǎng)矢量化。另外，對(duì)生成的矢量化河網(wǎng)數(shù)據(jù)還可用的高級(jí)編輯工具進(jìn)行平滑處理。河網(wǎng)分級(jí)是對(duì)一個(gè)線性的河流網(wǎng)絡(luò)用數(shù)字標(biāo)識(shí)的形式劃分級(jí)別。在地貌學(xué)中，河流的分級(jí)依據(jù)河流的流量、形態(tài)等因素進(jìn)行。不同級(jí)別的河網(wǎng)所代表的匯流累積量不同，級(jí)別越高的河網(wǎng)，其匯流累積量越大。在ArcGIS提供的水文分析中，有兩種常用的河網(wǎng)分級(jí)方法:Strahler分級(jí)和Shreve分級(jí)。

圖3 匯流累積量

圖4 累積匯流量網(wǎng)格

1.2.5 流域盆地和流域的生成

先確定出水點(diǎn)，即該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向，分析搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過(guò)該出水口的柵格，一直搜索到流域邊界，根據(jù)匯流累積量網(wǎng)格生成watershed圖和流域盆地圖。

圖5 流域劃分結(jié)果圖

2 結(jié)果與分析

生成的watershed圖轉(zhuǎn)換為矢量，得到最終的結(jié)果圖，如圖5:中等流域劃分的關(guān)鍵是在生成匯流累積量時(shí)Map Algebra工具集中的single Map Output Algebra工具中的CON命令設(shè)置的值。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)這里的值設(shè)置為20000生成的河流流域較為合理。

3 結(jié)論與討論

ArcGIS軟件中的Hydrology工具為水利工作者提供了多種水文信息提取的功能，可以完成累積量、水流長(zhǎng)度、河網(wǎng)提取、流域劃分等多項(xiàng)水文分析任務(wù)。該工具模塊下各水文處理工具所采用的算法是科技工作者共同努力和他們對(duì)已有知識(shí)的繼承和發(fā)展的結(jié)果。通過(guò)不斷地實(shí)踐應(yīng)用證明，這些算法都是相對(duì)成熟、有效的，并且隨著基于DEM提取流域特征技術(shù)的不斷發(fā)展和完善。利用DEM提取流域水文特征在提高工作效率的同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)提取的精度，這對(duì)于數(shù)字流域的建設(shè)、農(nóng)業(yè)工程的規(guī)劃和水資源管理等方面都具有十分重要的指導(dǎo)意義。DEM中等流域的劃分主要是描述流域地形，包括流域劃分和自流域邊界的確定，河網(wǎng)的識(shí)別和提取。隨著基于DEM提取流域特征技術(shù)的完善和發(fā)展，也為進(jìn)一步提高中等流域的劃分。本文首先對(duì)DEM進(jìn)行填洼運(yùn)算，然后確定每個(gè)柵格單元的水流方向，再根據(jù)個(gè)柵格單元的水流方向，計(jì)算匯流累積量，通過(guò)設(shè)定一個(gè)合適的閾值，得到一個(gè)適合于中等流域的匯流累積量網(wǎng)格。之后通過(guò)匯流累積網(wǎng)格，在此基礎(chǔ)上生成流域，就得到了適宜于中等流域的河流劃分結(jié)果。

［1］Band L E.Topographical partition of watersheds with digital elevation models［J］.Water Resources Resources，1986，(2):15 － 24.

［2］Shreve R L.Infinite topogically random channel networks［J］.Journal of Geology，1967，75:178 －186.

［3］Strahler A N，Quantitative anaysis of watershed geomorphology［J］，Trans.Am.Geophys.Union，1957，38(6):913 － 920.

［4］魏國(guó)，姜海，黃介生等.GIS環(huán)境下基于 DEM的流域分析［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006，(10):13.

［5］高鑫磊.GIS環(huán)境下基于DEM的流域自動(dòng)提取方法［J］.北京水務(wù)，2009，(2):345.

［6］朱紅春，劉海英，湯國(guó)安等.基于DEM的流域地形因子提取與量化關(guān)系研究——以陜北黃土高原的實(shí)驗(yàn)為例［J］.測(cè)繪科學(xué)，2007，32(2):138－139.