水文信息處理系統(tǒng)在新疆地區(qū)的應用對比研究

劉 越

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 烏魯木齊 835000)

新疆地處我國西北內(nèi)陸，水資源短缺是制約這一地區(qū)的主要問題之一。建立完善的水文信息分析處理系統(tǒng)不僅能提高流域水資源的科學管控，還能為流域地區(qū)的節(jié)水改造、防汛抗旱等提供重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便做出合理的決策[1- 2]。

目前，處理水文信息的方法較多，如DEM法、Mapinfo法、GPRS網(wǎng)絡法、webgis法等[3- 8]，由于這些方法方法針對的側(cè)重點、適用的地區(qū)環(huán)境不同，程序的處理方法也有較大差別，因而對水文信息和數(shù)據(jù)處理結(jié)果也會產(chǎn)生差異，其中尤以DEM法和Mapinfo法最為常用。如何選擇合適的水文信息處理系統(tǒng)對于該地區(qū)的水文信息化建設至關重要。本文以新疆克孜河、葉爾羌河及皮里青河為例，對比分析DEM和Mapinfo法應用于該地區(qū)流域水文信息處理的效果，可為該地區(qū)水文信息化建設提供理論支撐和指導。

1 兩種水文信息系統(tǒng)簡介

1.1 基于ArcGIS的DEM提取法處理系統(tǒng)

ArcGIS為用戶提供一個可伸縮的、全面完整的GIS軟件平臺，用戶可收集、組織、管理、分析、交流和發(fā)布地理信息。ArcGIS中基于DEM(Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型)法，可以從數(shù)據(jù)中提取等高線、特征點、特征線等基本信息，包含了豐富多樣的地形地貌和水文信息，可反映不同分辨率下地形特征。一般而言，DEM水文信息分析法處理水文信息步驟為：①收集流域地區(qū)資料，包括等高線、特征點、特征線等；②基于DEM法提取流域地區(qū)的地形形態(tài)；③提取流域河網(wǎng)信息；④繪制流域分水嶺；⑤水文信息參量計算；⑥計算結(jié)果的分析和驗證。

1.2 Mapinfo法處理系統(tǒng)

MapInfo是一種數(shù)據(jù)可視化、信息地圖化的桌面解決方案。通過該系統(tǒng)，可以將與水文信息相關的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有機結(jié)合，通過Mapinfo系統(tǒng)處理，將等值線、雨水信息、流域信息等實時地以自動化、圖形化的形式直觀表達出來，便于用戶分析和作出決策。該方法與DEM法類似，一般遵循以下分析步驟：①收集水文信息原始數(shù)據(jù)；②對數(shù)據(jù)進行儲存和采集，即地圖矢量化；③水文信息參量計算；④站點實時信息直觀顯示；⑤分析驗證和做出決策。

2 兩種方法處理效果對比

2.1 流域面積

DEM系統(tǒng)在基于D8方法、最小坡度及最小給水面積閾值的原則基礎上，通過填洼和削峰、柵格處理、矢量化處理等關鍵步驟后，會將不同河網(wǎng)信息提取出來，并通過分水嶺提取，即可得到相應的流域面積；Mapinfo系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)提取過后進行矢量化處理，并通過等值線、等值面、頻率等信息分析，得到相應的流域面積并將其它水文信息實時直觀顯示。以克孜河卡拉貝利水文站、葉兒羌河卡群水文站、克里雅河努努買買提蘭干水文站數(shù)據(jù)為例，將1∶25萬的電子等高線數(shù)據(jù)分別輸入兩種系統(tǒng)，得到的流域面積與實測值的對比見表1。從表中可以看出，利用DEM法得到的流域面積較MapInfo法得到的流域面積更接近于實測面積，最大相對誤差僅為1.61%，平均相對誤差為1.4%，而MapInfo法最大相對誤差為4.09%，平均相對誤差為3.52%，可見，DEM系統(tǒng)在流域模擬精確上要高于MapInfo系統(tǒng)。

表1 不同方法提取流域面積精確度對比

2.2 水位

圖1 兩種方法水位計算值與實測值對比

以2016年每月實測水位數(shù)據(jù)為例，分析得到水文站實測值與系統(tǒng)計算得到的水位對比，如圖1所示。從圖中可以看出，DEM法和MapInfo法均能較好地預測流域水位的變化趨勢，但通過仔細對比可以發(fā)現(xiàn)，DEM系統(tǒng)預測精度要高于MapInfo系統(tǒng)，其在三條流域地區(qū)的平均誤差率僅為1.8%，而MapInfo法計算得到的平均誤差率為2.63%。

2.3 流量

對克孜河、葉兒羌河[9]及克里雅河[10]的年平均流量和徑流量數(shù)據(jù)分析，得到實測值與兩種水文系統(tǒng)處理方法計算值的對比，如圖2所示。從圖中可以看出，兩種水文信息系統(tǒng)得到的年均流量和年均徑流量變化趨勢一致，且得到的年均徑流量和流量值大小與實際值相差不大，但DEM法得到的計算值與實測值平均誤差率僅為0.68%，而MapInfo得到的計算值與實測值平均誤差率為1.66%?？梢?，在DEM水文系統(tǒng)在預測和計算流量方面的精確度要稍高于MapInfo系統(tǒng)。

圖2 兩種方法流量計算值與實測值對比

2.4 降雨量

以三條流域的季平均降水量為例，分析得到計算值與實測值之間的關系，如圖3所示。從圖中可以看出，DEM法和Mapinfo法分析得到的季度平均降雨量與實測值十分接近，表明兩者對于預測分析流域的降雨量具有較高的精度，且兩者的平均誤差率均小于1%(DEM法計算誤差率0.83%，Mapinfo法計算誤差率0.67%)。

圖3 兩種方法降雨量計算值與實測值對比

3 結(jié)語

水文信息化建設是各地區(qū)進行流域科學管理的重要前提，對于流域的防洪抗旱，節(jié)水灌溉等均具有重要意義?；贏RCGIS的DEM分析法和Mapinfo法能夠?qū)崿F(xiàn)對原始數(shù)據(jù)強大的處理和運算能力，不僅解決了水文信息統(tǒng)計分析時大量的計算工作，還可以大大提高計算速度和準確度，同時較傳統(tǒng)的人工計算更直觀形象。本文通過對兩種方法在新疆部分流域的應用對比分析，以流域面積、水位、流量和降雨量等計算參數(shù)為對象得出：DEM水文處理系統(tǒng)較Mapinfo具有更高的精度和準確度，更適用于改地區(qū)的水文信息化建設，可為該地區(qū)水文信息化建設提供理論支撐和指導。

[1] 章曙明, 王志杰, 肖重華. 干旱區(qū)灌區(qū)水文及其監(jiān)測體系淺議[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2005(04): 18- 20.

[2] 李毅, 石豫川, 王平, 等. 基于DEM的吉太曲流域水文信息分析[J]. 人民黃河, 2015, 37(09): 32- 34.

[3] 劉廷. 基于Microstation平臺和DEM的橫斷面提取方法研究[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2017(03): 54- 57.

[4] 徐亞菲, 李向新, 賴金富, 等. 基于DEM和ArcGIS的水文信息提取方法研究[J]. 圖書情報導刊, 2008, 18(06): 135- 136.

[5] 豐亞麗. 淺談GIS在水文水資源領域中的應用[J]. 水利技術監(jiān)督, 2015(04): 48- 49.

[6] 陳新國, 操文建, 鄒紅梅. 基于Google Map的水文測站信息管理系統(tǒng)研究[J]. 人民長江, 2009, 40(04): 63- 64.

[7] 范燁. 基于GPRS網(wǎng)絡的水文信息采集系統(tǒng)開發(fā)[D]. 浙江工業(yè)大學, 2014.

[8] 梁娟珠, 涂平. 基于WebGIS的水文信息查詢系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 水利信息化, 2006(01): 26- 29.

[9] 庫路巴依·吾布力. 新疆葉爾羌河水文要素變化特性分析[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2016(05): 41- 44.

[10] 黃玉英, 劉景時, 商思臣, 等. 昆侖山克里雅河冬季徑流及凍土與氣候變化[J]. 干旱區(qū)研究, 2008(02): 174- 178.