宋桃云，劉可新，郭履敏，范志軍

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038；2.內(nèi)蒙古引綽濟遼供水有限責(zé)任公司文得根樞紐分公司，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

0 引言

數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel簡稱DEM）是地表系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在全球尺度范圍內(nèi)可免費獲取DEM數(shù)據(jù)下，相對于大比例水系地形圖的流域水系提取辦法，運用GIS技術(shù)和DEM數(shù)據(jù)的數(shù)字化提取水系更加精準(zhǔn)。DEM是地表形態(tài)過程研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手段，不斷提升的數(shù)據(jù)分辨率，且包含了豐富的地理信息，被研究者廣泛應(yīng)用在水文、地質(zhì)、生態(tài)等領(lǐng)域[1，2]。GIS和遙感觀測技術(shù)發(fā)展較快，研究一個地區(qū)的地形和地表水系的提取逐漸向著高精度數(shù)字化和自動化發(fā)展，利用DEM數(shù)據(jù)對水系的數(shù)值化提取是當(dāng)前研究流域水系的熱點[3]。由于實際地形中存在凹陷、洼地和平緩地帶，DEM處理數(shù)據(jù)過程中對于此地帶的柵格單元需要作預(yù)處理[4，5]。網(wǎng)格和閾值的合理選擇對數(shù)字水系提取影響也較大[6，7]，利用ArcGIS10.2軟件中HydrologicModel模型，進行文得根水利樞紐基于DEM數(shù)據(jù)的流域水系提取，選擇合適網(wǎng)格和閾值，為流域水系特征提供參考。

1 研究區(qū)概況

文得根水利樞紐工程壩址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟扎賚特旗音德爾上游90km，作為內(nèi)蒙地區(qū)的骨干性控制工程，是引綽濟遼輸水工程的水源工程處。在建的引綽濟遼工程為大（1）型Ⅰ等工程，是一項從嫩江支流綽爾河引水到西遼河，向沿線城市及工業(yè)園區(qū)供水的引水工程，由文得根水利樞紐和輸水工程兩部分組成。工程施工總工期為56個月，預(yù)計2022年9月完工。

2 DEM提取過程

下墊面的不同和空間降雨分布的不均勻會帶來水文要素之間的差異性，利用研究流域的數(shù)字高程模型DEM創(chuàng)建水系關(guān)系，提取水系坡度、水流流向，以及如何匯流，最終得到研究流域的面積等在內(nèi)的空間參數(shù)，利用GIS軟件構(gòu)建整個水系的數(shù)字河網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

研究中的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云中DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)（http：//www.gscloud.cn/sources），在GDEMV230M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)下載原始數(shù)據(jù)，從原始的DEM提取模擬河網(wǎng)有很多與實測河網(wǎng)不一致的地方，主要原因：1）所研究流域的數(shù)據(jù)提取中，一些柵格的高程會不同，就會導(dǎo)致上游斷面形成一個“洼地”，特別是研究區(qū)在山區(qū)、盆地等地形；2）在平原地區(qū)高程差別較小，特別是有些區(qū)域的河道較為密集，這樣提取出來的模擬河網(wǎng)就與實際河網(wǎng)不一致。為了使提取到的流域河網(wǎng)更貼近實際情況，要對原始DEM進行修正。DEM水系提取流程見圖1所示。

圖1 DEM水系提取流程示意圖

2.1 原始數(shù)據(jù)下載

首先得到引綽濟遼工程中控制點文得根水庫所在綽爾河流域的位置，根據(jù)經(jīng)緯度下載原始圖片進行組合。若流域大概位置及流域大小清楚，就可以判斷組合后的范圍是否包含所研究流域，過大則可裁剪以提高GIS運行速度。

2.2 DEM預(yù)處理

流域水文分析是建立在無洼地上的DEM數(shù)據(jù)提取水文特征，為了確保提取的流域水系是連續(xù)的，要求一定高程的斜坡且不能有小平原、洼地等地形，但是實際操作中普遍存在小平原和凹陷洼地，洼地的存在會阻礙自然水流流向，導(dǎo)致提取發(fā)生錯誤，這就要在流域提取之前對洼地進行填洼預(yù)處理，讓凹陷點的高程等于周邊各點的最小高程，得到填洼后的DEM。

水流流向的確定是地表徑流模型的基礎(chǔ)，地表徑流總是從高地勢向低地勢流，最后經(jīng)過流域出口排出，根據(jù)水流方向的確定有單流向法（SFD）和多流向法（MFD）。最常用的單流向法是D8法，通過計算中心柵格單元與相鄰8個柵格的最大距離落差值來確定，若差為正值，則為流出，否則為流入。有8個可能的方向值，對應(yīng)著水可以流入8個相鄰的網(wǎng)格。

按照最陡坡度原則設(shè)定水流方向，坡度計算公式為：

式中：hi為柵格單元的高程；hj為相鄰柵格所在單元的高程；D為柵格與柵格中心之間的距離。

按此原則利用流向工具依次計算所有網(wǎng)格點的流向柵格，便可得到最大水流方向。

2.3 匯流累積量

匯流累積量是其上游所有柵格按照最大坡度的水流方向匯流下來，匯流累積的數(shù)值越大，地表徑流越容易出現(xiàn)。匯流累積量是通過在已經(jīng)填洼的DEM基礎(chǔ)上得到。

2.4 水流長度

水流長度為計算沿每個柵格的流向路徑的上游（下游）距離或加權(quán)距離。

2.5 柵格河網(wǎng)

一旦匯水流量較大達(dá)到一定值，就會產(chǎn)生地表徑流，當(dāng)匯流量超過臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就是河網(wǎng)。把平坦區(qū)域的實際河網(wǎng)進行柵格化，將河流流過的柵格賦值為1，其他則賦值為0，把柵格化的河流進行疊加，同時保持河道所有格網(wǎng)的高程不變，其他非河道上的格網(wǎng)高程值在整體上要添加一個極小值，即人為使數(shù)據(jù)柵格中平坦區(qū)域的河道與非河道所在格網(wǎng)的高程值出現(xiàn)差值，這樣提取的水系與實際水系更加吻合。河網(wǎng)提取閾值與河網(wǎng)密度具有極大的相關(guān)性，當(dāng)有提供的流域圖作為參考時，就比較容易找到合適的閾值范圍。

2.6 流域分割及確定

分水線包圍的區(qū)域稱為水系的流域，所包圍的區(qū)域面積就是流域面積。流域是指一條河流或水系的集水區(qū)域，較大的流域往往是由若干較小的流域所聯(lián)合組成的，而每一個水系都有自己的特征、自己的匯水范圍，河流從這個集水區(qū)域獲得水量的補給形成大流域。

1）水系生成

在該集水區(qū)的最低點確定一個出水口，然后根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)搜索所有經(jīng)過該出水口的上游柵格，當(dāng)所有的研究區(qū)的柵格都確定了位置，就搜索到流域的邊界，即分水嶺。由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域，計算后的河網(wǎng)分布見圖2。

圖2 流域河網(wǎng)分布

2）流域水系生成與對比

對比利用大比例水系圖為主的流域水系劃分結(jié)果，存在一些無法避免的缺點，主要是人為影響因素較大，流域面積大小出現(xiàn)誤差，流域水系會有不連續(xù)現(xiàn)象，見圖3。對于非平原區(qū)，利用DEM水系提取結(jié)果精度較高，可按照日后工作要求對多級水系設(shè)定閾值大小，方便操作，流域邊界呈自然走勢，比較符合流域自然狀態(tài)。見圖4。

圖3 大比例水系人工劃分的結(jié)果

圖4 文得根水庫DEM流域水系提取

3 總結(jié)

利用DEM數(shù)據(jù)提取方法對文得根水利樞紐控制的流域水系進行了提取，針對重要影響因素河網(wǎng)閾值需要合理選擇，最好是在有基礎(chǔ)流域圖信息提供的前提下，這樣便于找到合適的閾值?？梢缘玫搅饔蛎娣e、流域水系等，為文得根水利樞紐建設(shè)工作提供一定依據(jù)，尤其是為今后流域作洪水預(yù)報相關(guān)研究提供幫助。尤其是為應(yīng)用在山區(qū)具有高程地區(qū)的流域水系提取，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。而根據(jù)大比例水系人工劃分的結(jié)果，所做出的面積可以微調(diào)，但是流域邊界不自然，要根據(jù)實際工作進行調(diào)整。若只是需要得到流域大致范圍則不影響，且大比例水系劃分法較為快捷。所以，要根據(jù)實際工作需求選擇不同方式得到流域圖。