劉 濤，趙金梅，宮東海，錢(qián)小將

(湖北省京山縣國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北京山431899)

地表徑流是地貌形成的外營(yíng)力之一，徑流的產(chǎn)生過(guò)程及其水文特征是所在流域的地質(zhì)、地貌、氣候等眾多因素作用的綜合反映。河網(wǎng)結(jié)構(gòu)是反映流域地形特征的基本骨架，是通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接在一起的多條河段所構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于描述自然狀態(tài)下的水系狀況。裂點(diǎn)是河谷縱剖面從緩坡轉(zhuǎn)為陡坡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

溝谷裂點(diǎn)是河谷縱剖面從緩坡轉(zhuǎn)為陡坡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與溯源侵蝕作用下溝道坡度的突變部位相對(duì)應(yīng)。裂點(diǎn)的產(chǎn)生主要受地質(zhì)構(gòu)造、河床巖性以及河流溯源侵蝕等因素的影響，如果地質(zhì)條件長(zhǎng)期穩(wěn)定，則裂點(diǎn)不容易產(chǎn)生;一點(diǎn)發(fā)生侵蝕基準(zhǔn)面下降或者地質(zhì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地殼上升，河流就會(huì)發(fā)生溯源侵蝕，并會(huì)因此形成新的河谷。于是在新的河谷與未發(fā)生溯源侵蝕的老河谷交匯的地方，河床坡度突然變大，形成新的裂點(diǎn)。裂點(diǎn)以上的河段沒(méi)有被侵蝕作用下切，尚未發(fā)育成階地，而裂點(diǎn)以下的河段則因河流的下切作用形成階地或者谷中谷。除地質(zhì)構(gòu)造外，巖性的差異或者地質(zhì)構(gòu)造的斷裂，也可能導(dǎo)致差別侵蝕而在河流上生成裂點(diǎn)。

在河流縱剖面形態(tài)上，河流裂點(diǎn)的發(fā)育是瞬態(tài)不均衡地貌系統(tǒng)最為典型的特征之一。裂點(diǎn)上下，河流坡度往往表現(xiàn)為快速的由小變大，并且裂點(diǎn)會(huì)伴隨河流縱剖面的不斷向均衡狀態(tài)調(diào)整而持續(xù)向上游遷移，同時(shí)控制整個(gè)裂點(diǎn)的發(fā)育處谷底的侵蝕過(guò)程。

1 裂點(diǎn)特性分析

在河流縱剖面上，河流裂點(diǎn)主要表現(xiàn)為上凸異常部位，而相應(yīng)的裂點(diǎn)上下河道坡度則表現(xiàn)為快速的由小變大。裂點(diǎn)處往往形成急流或瀑布。裂點(diǎn)的形成與河流的溯源侵蝕、地質(zhì)構(gòu)造和巖性有關(guān)。在地殼長(zhǎng)期穩(wěn)定條件下，裂點(diǎn)難以形成，地殼抬升或侵蝕基準(zhǔn)面下降，使河流產(chǎn)生溯源侵蝕，并形成新的河谷，它與未被溯源侵蝕的老河谷交替的地方，河床坡度突然增加，形成裂點(diǎn)。在裂點(diǎn)以上的河谷未被下切，階地尚未發(fā)育。而裂點(diǎn)以下的河谷，已被下切產(chǎn)生階地或谷中谷。因巖性差異或構(gòu)造斷裂，在河流縱剖面上，也能發(fā)生差別侵蝕從而形成裂點(diǎn)。

溝谷裂點(diǎn)對(duì)溝谷網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育具有重要的影響作用，是河谷縱剖面上的坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在河谷縱剖面上沿水流方向由緩坡轉(zhuǎn)為陡坡。溝谷裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)著溯源侵蝕作用下溝道坡度突變的部位。

如圖1所示，在河流縱剖面上，河流裂點(diǎn)主要表現(xiàn)為上凸異常部位，而相應(yīng)的裂點(diǎn)上下河道坡度則表現(xiàn)為快速的由小變大。

圖1 裂點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

沖溝侵蝕基準(zhǔn)面下降導(dǎo)致溝谷從侵蝕基準(zhǔn)面附近溯源下切侵蝕，在溯源侵蝕所達(dá)到的地方，溝床剖面上形成裂點(diǎn)。侵蝕基準(zhǔn)面每下降一次，溝床中就能形成一個(gè)裂點(diǎn)，裂點(diǎn)隨溯源侵蝕發(fā)生后退遷移。

2 裂點(diǎn)提取思路分析

溝谷節(jié)點(diǎn)、溝谷源點(diǎn)等水文特征點(diǎn)具有明顯的幾何特征:溝谷源點(diǎn)位于河流的源頭，是徑流的起點(diǎn);溝谷節(jié)點(diǎn)指在某個(gè)流域內(nèi)表征各級(jí)河流與上級(jí)河流的交匯點(diǎn)，同時(shí)還是水流量發(fā)生劇烈變化的關(guān)鍵點(diǎn)位。因此可以利用這些特征對(duì)溝谷源點(diǎn)和溝谷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行提取。

溝谷裂點(diǎn)位于河段中部或者與溝谷節(jié)點(diǎn)重合，不像溝谷節(jié)點(diǎn)、溝谷源點(diǎn)那樣具有明顯的幾何特征和水流量躍遷的特點(diǎn)。因此溝谷裂點(diǎn)的提取不能采用其他水系特征點(diǎn)的提取思路。

溝谷裂點(diǎn)的提取主要借鑒D8算法通過(guò)匯流累積量提取水系的思路。根據(jù)裂點(diǎn)的特性，裂點(diǎn)的能量相較于其他的點(diǎn)的能量較大，因此可以通過(guò)能量的匯集來(lái)求得能量的點(diǎn)。

能量匯流分析的思路是:首先對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，DEM數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)都持有一份能量，并且利用ArcGIS提取流向(Flow Direction)得到流向矩陣。流向矩陣中標(biāo)注了每個(gè)柵格點(diǎn)能量流動(dòng)的方向(即流向)，同時(shí)對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，求出DEM的坡度。

用3×3窗口依次進(jìn)行掃描，每個(gè)點(diǎn)將其的能量傳遞到FlowDirection所指向的點(diǎn)，但不是簡(jiǎn)單的進(jìn)行傳遞，而是需要考慮高差的影響。高差越大，勢(shì)能就越大，傳遞到下一點(diǎn)的能量也就越大。如圖2所示，假設(shè)在某一DEM中，柵格點(diǎn)1處的流向指向柵格點(diǎn)2，且柵格點(diǎn)1與柵格點(diǎn)2之間的高程差為Δh，則柵格點(diǎn)1需傳遞到柵格點(diǎn)2的能量為Δh·E0(假設(shè)柵格點(diǎn)1中原有的初始能量為1，用E0表示)，但柵格點(diǎn)2不能完全接收柵格點(diǎn)1傳過(guò)來(lái)的能量，而是只接收未被消耗的能量(消耗的能量即用于溝谷侵蝕的那部分能量)。如圖中所示，θ1為柵格點(diǎn)2的坡度，θ2為柵格點(diǎn)3的坡度，則柵格點(diǎn)2接收的能量為柵格點(diǎn)1傳遞過(guò)來(lái)的能量在柵格點(diǎn)2處切向的投影，而消耗的能量為柵格點(diǎn)2處法向的投影，θ3=θ2－θ1，因?yàn)镋0=1，所以柵格點(diǎn)2處消耗的能量可以簡(jiǎn)化為Δh·sinθ3，接收到的能量可以簡(jiǎn)化為 Δh·cosθ3。按照該方法對(duì)每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行窗口分析。

圖2 能量匯流分析示意圖

3 裂點(diǎn)提取實(shí)驗(yàn)

鑒于以上分析，本文采用如下流程進(jìn)行裂點(diǎn)提取:

首先對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，得到流域的坡度數(shù)據(jù);再對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，提取流向數(shù)據(jù);對(duì)DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、流向數(shù)據(jù) 進(jìn)行窗口分析。由于分析時(shí)流向數(shù)據(jù)，因此窗口分析結(jié)果中，水系線(xiàn)上每個(gè)柵格點(diǎn)的值都對(duì)應(yīng)在該點(diǎn)消耗的能量，即用來(lái)侵蝕的能量。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 能量累積分析結(jié)果

對(duì)窗口分析的結(jié)果，即水系線(xiàn)上能量累積數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)，通過(guò)設(shè)置合理的閾值，選出能量消耗大的點(diǎn)，這些能量大的點(diǎn)即為溝谷裂點(diǎn)。對(duì)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行重分類(lèi)，將裂點(diǎn)部分賦值為1，非裂點(diǎn)部分賦值為 NoData。

此時(shí)部分能量消耗大的點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在DEM數(shù)據(jù)的邊界上，由于位于DEM數(shù)據(jù)邊界上的裂點(diǎn)是錯(cuò)誤的，所以像圖中邊界的點(diǎn)應(yīng)予以剔除。把柵格形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量格式的點(diǎn)文件后，剔除位于邊界上的偽裂點(diǎn)之，疊加DEM匯流分析結(jié)果綜合分析后最終提取出符合要求的裂點(diǎn)。如圖5所示。

圖5 剔除邊界上的偽裂點(diǎn)

結(jié)合DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)正，可以發(fā)現(xiàn)上述方法提取的裂點(diǎn)，均位于水系線(xiàn)上，并且都處于坡度變化較大的位置上，符合裂點(diǎn)的特征要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從河流的能量累積特征出發(fā)，基于DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行河網(wǎng)裂點(diǎn)的提取實(shí)驗(yàn)，所提取的裂點(diǎn)具有較高的精度。并且此方法效率高、耗時(shí)少，具有一定的優(yōu)越性，為水文地貌研究中裂點(diǎn)的提取提供了一種參考思路。

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