孫永壽 李燕

摘要 水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中降水量、地表水資源量計(jì)算是水資源評(píng)價(jià)的重要組成部分，對(duì)于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)稀少、地形起伏差異大、山區(qū)平原相間的地區(qū)來說，通過繪制等值線，量算分區(qū)水資源量，仍是目前水資源評(píng)價(jià)的主要技術(shù)手段。青海省第三次水資源評(píng)價(jià)基于影像、DEM等地形數(shù)據(jù)的應(yīng)用，對(duì)等值線繪制技術(shù)和水資源量計(jì)算方法進(jìn)行深入分析，并與以往成果進(jìn)行差異分析，對(duì)存在問題和解決辦法進(jìn)行深入研究，提出柵格化等值線計(jì)算水資源量的新方法，通過矢量、柵格數(shù)據(jù)處理，制作數(shù)據(jù)模型，計(jì)算區(qū)域水資源量，其評(píng)價(jià)成果質(zhì)量、精度和效率較以往有明顯提高。

關(guān)鍵詞 等值線柵格;水資源評(píng)價(jià);水資源量;差異分析;計(jì)算方法;應(yīng)用

中圖分類號(hào) P333? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2022）10-0185-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.042

Application of Grid Data in Calculation of Water Resources Quantity in Water Resources Evaluation

SUN Yong-shou，LI Yan （Hydrological and Water Resources Forecast Center of Qinghai Province，Xining，Qinghai 810001）

Abstract The calculation of precipitation and surface water resources is an important part of water resources evaluation in water resources investigation and evaluation. For the areas with few monitoring stations，great difference in topographic relief and alternating mountains and plains，it is still the main technical means of water resources evaluation to measure and calculate the water resources by drawing contour lines. The third water resources assessment of Qinghai Province was based on the application of image，DEM and other topographic data. The drawing technology of contour and the calculation method of water resources were analyzed in depth. The differences between the results and the previous results were analyzed. The existing problems and solutions were studied in depth. A new method of grid contour calculation of water resources was proposed.Through vector and raster data processing，data models were made to calculate regional water resources. The quality，accuracy and efficiency of the evaluation results were significantly improved compared with the past.

Key words Gridding isoline;Water resources evaluation;Water resources;Difference analysis;Calculation method;Application

基金項(xiàng)目 青海省“高端創(chuàng)新人才千人計(jì)劃”項(xiàng)目;第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目（2019QZKK0203-07）。

作者簡(jiǎn)介 孫永壽（1979—），男，青海平安人，高級(jí)工程師，從事水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、水文水資源研究。

收稿日期 2021-09-02

全國于20世紀(jì)80年代初、21世紀(jì)初相繼開展了2次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作。21世紀(jì)以來，受全球氣候變化的影響和下墊面條件的改變，水資源情勢(shì)出現(xiàn)了新的變化，2017年中央下發(fā)1號(hào)文件，在全國層面部署了水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作。第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)，摸清了61年來水資源變化情況，重點(diǎn)掌握了2001年以來水資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀、水環(huán)境及水生態(tài)狀況，為適應(yīng)新時(shí)期水資源規(guī)劃、開發(fā)利用、節(jié)約、保護(hù)、管理、水安全保障、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)奠定基礎(chǔ)。近年來隨著青海省三江源保護(hù)工程的實(shí)施，三江源、祁連山、青海湖國家公園的建設(shè)，對(duì)區(qū)域水資源數(shù)量評(píng)價(jià)精度要求越來越高[1]。

青海省水文站點(diǎn)稀少，如何提高評(píng)價(jià)精度和質(zhì)量，是目前水資源評(píng)價(jià)工作面臨的主要問題。水資源評(píng)價(jià)方法從第一次水資源評(píng)價(jià)采用傳統(tǒng)的手工繪制等值線，求積儀紙圖量算水資源量，到第二次水資源評(píng)價(jià)[2]ArcGIS軟件的應(yīng)用，數(shù)據(jù)成果質(zhì)量和精度有了很大的提高。近年來等值線繪制技術(shù)和水資源量計(jì)算等方面有很多研究成果[3-9]，呂孫云等[10]對(duì)等值線柵格化量算水資源量的方法進(jìn)行了研究，但對(duì)北方站點(diǎn)稀少、地形復(fù)雜區(qū)等值線處理、存在問題及處理方法未進(jìn)行深入分析。筆者基于青海省第三次水資源評(píng)價(jià)，對(duì)等值線繪制技術(shù)、區(qū)域水資源量計(jì)算方法進(jìn)行深入分析，通過影像、DEM等地形數(shù)據(jù)的應(yīng)用、矢量柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等，提出了精度更高、更高效便捷的水資源量計(jì)算方法，為今后水資源評(píng)價(jià)和水資源公報(bào)編制提供很好的借鑒。

1 水資源評(píng)價(jià)方法

降水量評(píng)價(jià)主要在單站降水量統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，通過泰森多邊形法、算術(shù)平均法、繪等值線法計(jì)算分區(qū)降水量。地表水資源量評(píng)價(jià)，對(duì)分區(qū)內(nèi)有水文站控制的區(qū)域，用水文站天然河川徑流量，按面積比擬修正為該區(qū)域地表水資源量;對(duì)于沒有測(cè)站控制的區(qū)域，采用地理?xiàng)l件相似地區(qū)的降水徑流關(guān)系，等值線量算、網(wǎng)格法計(jì)算區(qū)域地表水資源量[11-12]。青海省行政區(qū)面積69.7萬km2，境內(nèi)現(xiàn)有各類水文站67處（含黃委、四川、甘肅省站點(diǎn)），雨量站419處，站點(diǎn)稀少且分布不均，大多分布在人口集中的東部湟水地區(qū)，西部及青南地區(qū)站點(diǎn)稀少，全省海拔較高的降水、徑流高值區(qū)基本沒有站點(diǎn)控制。因此，采用泰森多邊形法、算術(shù)平均法等方法，站點(diǎn)及面積代表性不夠、精度不高，故等值線法計(jì)算的水資源量更趨于合理，也是目前青海省水資源評(píng)價(jià)的主要技術(shù)手段。

2 青海省第三次與第二次水資源評(píng)價(jià)差異分析

2.1 站點(diǎn)差異 青海省

第三次水資源評(píng)價(jià)由于資料系列延長(zhǎng)，對(duì)以往評(píng)價(jià)資料系列較短、未被采用的站點(diǎn)進(jìn)行了分析應(yīng)用，此外還收集了歷史上短系列站點(diǎn)資料及各縣農(nóng)牧區(qū)劃資料，站點(diǎn)數(shù)量較第二次水資源評(píng)價(jià)明顯增加。短系列站點(diǎn)資料系列雖短，但能夠反映降水、徑流的空間差異[13-14]，對(duì)站點(diǎn)稀少、高山區(qū)等無資料地區(qū)等值線的繪制起到了很好的補(bǔ)充作用，提高了等值線空間分布準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1.1 站點(diǎn)采用情況。

青海省第三次水資源評(píng)價(jià)共收集水文、氣象及農(nóng)牧區(qū)劃降水站點(diǎn)598處，其中資料系列30年以上的站點(diǎn)176處，其余站點(diǎn)資料系列均在30年以下，站點(diǎn)數(shù)量較第二次水資源評(píng)價(jià)增加了479處，站網(wǎng)密度大幅提高;徑流站點(diǎn)共收集136處，其中資料系列30年以上的站點(diǎn)53處，10～30年的站點(diǎn)20處，10年以下的站點(diǎn)63處，站點(diǎn)數(shù)量較第二次水資源評(píng)價(jià)增加了72站，對(duì)區(qū)域水量控制精度較第二次水資源評(píng)價(jià)有大幅提高。

2.1.2 資料處理情況。青海省第三次水資源評(píng)價(jià)在《青海省水文手冊(cè)》[15]資料系列（1956—2013年）基礎(chǔ)上，補(bǔ)充2013年以來的資料并增加了短系列站點(diǎn)，資料系列延長(zhǎng)為1956—2016年，對(duì)缺測(cè)資料，通過選取地域上鄰近、高程一致的站點(diǎn)作為參證站，采用線性相關(guān)法、均值倍比法、面積修正等方法統(tǒng)一延長(zhǎng)為1956—2016年。

第二次和第三次水資源評(píng)價(jià)的主要差異在于對(duì)資料的一致性處理，全國第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則[11]明確指出，河川徑流系列反映2001年以來近期下墊面條件，對(duì)受人類活動(dòng)改變流域下墊面條件導(dǎo)致的入滲、徑流、湖庫蒸發(fā)使徑流量減少無法還原，提出現(xiàn)狀條件下（“向后還原”）水資源評(píng)價(jià)，按照降水徑流雙累積曲線發(fā)生明顯變化的拐點(diǎn)年份，對(duì)拐點(diǎn)年份以前的河川徑流系列進(jìn)行一致性修正。黃河干流貴德站、循化站受上游龍羊峽、李家峽、公伯峽等大、中型水庫建設(shè)影響，建庫后受水庫蒸發(fā)等影響，就徑流明顯減少的現(xiàn)實(shí)狀況，對(duì)建庫前天然徑流系列進(jìn)行了一致性修正。第三次水資源評(píng)價(jià)貴德站、循化站修正后1956—2016年天然徑流量分別為203.1億、214.4億m3，其第三次水資源評(píng)價(jià)1956—2000年系列與第二次評(píng)價(jià)同期水量相比分別減小1.0%、2.2%（圖1）。

2.2 等值線繪制方法差異

青海省地域遼闊，地形差異顯著，如柴達(dá)木盆地、青海湖盆地等山區(qū)為降水、徑流產(chǎn)生區(qū)，到達(dá)盆地邊緣，降水逐漸減小、徑流下滲甚至消失;黃河干流貴南、澤庫高山平原區(qū)，海拔高，降水量大，流域坡度小，徑流量較小。由于水汽來源、地形坡度對(duì)降水徑流的影響，加之水文站點(diǎn)稀少且分布不均，使計(jì)算機(jī)插值自動(dòng)繪制的等值線不能滿足精度及合理性檢驗(yàn)的要求。青海省第三次水資源評(píng)價(jià)較第二次水資源評(píng)價(jià)主要差異如下：

（1）結(jié)合衛(wèi)星影像圖、DEM數(shù)據(jù)地形等高線、坡度等數(shù)據(jù)，通過分析降水隨高程變化的關(guān)系，推求資料稀缺地區(qū)及高山區(qū)降水量，提高無資料地區(qū)等值線的控制精度。青海省北部祁連山、東部湟水、西部柴達(dá)木等地區(qū)地形高差大，降水垂直分布規(guī)律明顯，祁連山地區(qū)海拔每升高100 m，降水量平均增加19 mm左右;湟水地區(qū)海拔每升高100 m，降水量增加40 mm左右（圖2）;柴達(dá)木盆地東、北、南部地區(qū)海拔每升高100 m，降水量分別增加35、12和23 mm。

（2）結(jié)合水汽來源，分析降水經(jīng)向、緯向上平面分布規(guī)律。青海省青南地區(qū)降水站點(diǎn)稀少，地勢(shì)較高、地形相對(duì)平坦，水平地帶性差異明顯，經(jīng)向上呈現(xiàn)出自東向西隨著經(jīng)度減小而減少，變化范圍在22～47 mm/°，緯向上呈現(xiàn)出自南向北隨著緯度增大而減少，變化范圍在80～112 mm/°（圖3）。

（3）繪制等值線采用站點(diǎn)數(shù)量有所增加，增加了降水、徑流高值區(qū)、低值區(qū)，使等值線區(qū)域分布上更加精細(xì)，合理性檢驗(yàn)時(shí)，將降水、徑流等值線對(duì)照，使其降水、徑流等值線走勢(shì)、高值區(qū)和低值區(qū)位置基本對(duì)應(yīng)，并與近年來青海省區(qū)域水資源評(píng)價(jià)成果[14-15]中的等值線進(jìn)行對(duì)照，對(duì)有明顯差異的地區(qū)進(jìn)行合理性分析及修改，使等值線更加符合空間分布規(guī)律，其精度較以往有明顯提高。黃河下游區(qū)、青海湖地區(qū)DEM及降水、徑流等值線分布差異對(duì)比見圖4。

3 柵格化等值線量算水資源量方法

由于站點(diǎn)增加、等值線和分區(qū)成果的進(jìn)一步細(xì)化，加大了量算工作量。矢量等值線計(jì)算分區(qū)水資源量涉及大量的幾何量算和數(shù)據(jù)賦值，利用ArcGIS拓?fù)涔ぞ撸懈罘謪^(qū)面層，人工賦值計(jì)算分區(qū)水資源量的方法，隨機(jī)性高、誤差大，且計(jì)算方法煩瑣、工作量大、效率低。青海省第三次水資源評(píng)價(jià)在對(duì)ArcGIS軟件ArcToolbox[16]深入分析、實(shí)踐的基礎(chǔ)上，將特殊地形區(qū)矢量等值線內(nèi)插處理，生成以像源為單元的柵格數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)據(jù)模型、柵格運(yùn)算，分析統(tǒng)計(jì)計(jì)算出區(qū)域水資源量。此方法消除了一切人為因素和判讀誤差，極大地提高了評(píng)價(jià)精度、工作質(zhì)量和效率。此次以青海湖流域徑流深等值線量算分區(qū)水量為例，介紹該方法的應(yīng)用、存在問題及處理方法，柵格數(shù)據(jù)處理建模過程見圖5。

3.1 等值線矢量數(shù)據(jù)及分區(qū)單元準(zhǔn)備

等值線量算水文站控制流域水量與水文站天然水量進(jìn)行合理性檢驗(yàn)時(shí)，高值區(qū)、低值區(qū)取值一般高于或低于該條等值線的值（如300 mm等值線高值區(qū)取值可能大于300 mm值;青海柴達(dá)木盆地徑流深小于5mm的徑流區(qū)不產(chǎn)流，5mm等值線區(qū)內(nèi)取值為0;青海湖湖區(qū)附近最小等值線為25 mm，湖面水體不產(chǎn)流，取值為0），在計(jì)算機(jī)等值線柵格化處理時(shí)，對(duì)于閉合圈或等值線較彎曲部分，內(nèi)插值與最接近的等值線值一致，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和人工量算時(shí)產(chǎn)生偏差，因此高值區(qū)、低值區(qū)及水體部分需要添加輔助等值線或?qū)Φ戎稻€進(jìn)行加密處理。

分區(qū)計(jì)算單元以水資源分區(qū)與行政分區(qū)圖層疊加，生成水資源分區(qū)套縣級(jí)行政分區(qū)最小單元，計(jì)算結(jié)果逐級(jí)匯總至各評(píng)價(jià)單元。此次青海湖流域按水資源四級(jí)區(qū)套縣級(jí)行政區(qū)10個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，文件以shape矢量數(shù)據(jù)格式，投影采用Albers等面積投影坐標(biāo)系。

3.2 處理步驟及參數(shù)設(shè)置

3.2.1 等值線轉(zhuǎn)化TIN數(shù)據(jù)。

采用ArcToolbox—3D Analyst Tools—Data Management—TIN—Create TIN工具（圖6），將處理后的矢量等值線轉(zhuǎn)化成TIN數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置：Coordinate System采用Albers等面積投影坐標(biāo);Height Field選取徑流深;Tag Field分區(qū)編號(hào)，唯一值不可重復(fù)。

3.2.2 TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成Raster數(shù)據(jù)。

通過3D Analyst Tools—Conversion—From TIN—TIN to Raster工具（圖7），將TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Raster數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置：Output Date Type為FLOAT;Method為NATURAL_NEIGHBORS;Sampling Distance采樣距離選取observations。閾值根據(jù)計(jì)算分區(qū)面積大小確定，一般閾值越高，等值線柵格越小，對(duì)計(jì)算小區(qū)域的精度越高。

3.2.3 分區(qū)單元特征值統(tǒng)計(jì)。

通過ArcToolbox—Spatial Analyst Tools—Zonal—Zonal Statistics as Table工具（圖8），按分區(qū)單元統(tǒng)計(jì)Raster數(shù)據(jù)內(nèi)各計(jì)算分區(qū)面積、最大、最小、平均徑流深等屬性表。參數(shù)設(shè)置：Zone field為第一步分區(qū)數(shù)量編號(hào)（Tag Field），其余默認(rèn)。

3.2.4 分區(qū)單元水量計(jì)算。

將生成的統(tǒng)計(jì)表通過屬性字段（Tag Field）連接至分區(qū)單元矢量數(shù)據(jù)圖層，根據(jù)屬性表中各分區(qū)平均徑流及對(duì)應(yīng)的面積，計(jì)算出各分區(qū)單元多年平均水資源量（圖9）。

4 柵格等值線量算法問題探討

柵格等值線量算法在快速計(jì)算分區(qū)水量的同時(shí)，極大地提高了工作效率、質(zhì)量和精度，在青海省第三次水資源評(píng)價(jià)中發(fā)揮了巨大作用，在徑流等值線繪制誤差控制時(shí)，大幅減輕工作量，工作效率明顯提高。

柵格化等值線計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)柵格像源點(diǎn)均按等值線內(nèi)插一個(gè)降水量、徑流值，對(duì)于給定分區(qū)矢量面層，即可快速統(tǒng)計(jì)運(yùn)算出分區(qū)平均降水量、徑流，并計(jì)算出分區(qū)水資源量，較以往利用ArcGIS拓?fù)涔ぞ?，人工賦值計(jì)算水資源量的方法更高效、精度更高、誤差更小。

數(shù)據(jù)處理存在問題及處理方法：高值區(qū)、低值區(qū)取值和最高、最低等值線為同一個(gè)值，如取高于或低于等值線值時(shí)，需添加輔助線;彎度較大的等值線不能按兩條相鄰等值線等距內(nèi)插，可加密等值線或增加輔助線解決;湖泊及徑流深小于5 mm不產(chǎn)流的低值區(qū)，需增加0值輔助線;水文站等值線合理性檢驗(yàn)時(shí)，上下游分區(qū)面不能重復(fù)、疊加，需按上下游區(qū)間或最小分區(qū)單元計(jì)算，逐級(jí)累加至上一級(jí)分區(qū)單元。

5 結(jié)語

水資源評(píng)價(jià)及年度水資源公報(bào)作為水文部門的一項(xiàng)基礎(chǔ)性和常規(guī)性工作，需定期開展，水資源公報(bào)則每年進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)。水文資料是水資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，隨著站點(diǎn)數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)量越來越大，計(jì)算工作任務(wù)越來越重，而對(duì)水資源公報(bào)等數(shù)據(jù)成果質(zhì)量、發(fā)布時(shí)效性要求也越來越高，因此，水文數(shù)據(jù)快速成果化迫在眉睫。

矢量和柵格數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的2種最基本的形式，矢量數(shù)據(jù)點(diǎn)、線、面的表現(xiàn)形式在GIS中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在大比例尺制圖中充分利用它精度高的優(yōu)點(diǎn)。隨著RS廣泛的應(yīng)用和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，計(jì)算機(jī)性能的提高，克服了柵格數(shù)據(jù)量大的缺點(diǎn)，以像源為單元的柵格數(shù)據(jù)可極大地提高GIS空間數(shù)據(jù)處理分析計(jì)算能力，在圖形的代數(shù)運(yùn)算、空間統(tǒng)計(jì)分析、GIS模型建立等方面發(fā)揮更大的作用，在水資源分析評(píng)價(jià)中得到很好的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的地位越來越重要，以往水資源評(píng)價(jià)方法已不適應(yīng)目前精細(xì)化水資源評(píng)價(jià)及時(shí)效性需要，因此，借助遙感、DEM等地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)等值線去人工化，探索一種更簡(jiǎn)便、高效、精度更高的水資源量計(jì)算方法，將水文數(shù)據(jù)快速成果化是今后重點(diǎn)研究的方向。

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