基于DEM 的中小流域數(shù)字河網(wǎng)提取與分析

宋瑞明，寧亞偉，李敬茹

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，450003，鄭州）

水文工作是支撐流域水利工程規(guī)劃的基礎(chǔ)，對(duì)工程規(guī)模的確定具有重要影響。 流域數(shù)字河網(wǎng)是構(gòu)建分布式水文模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 流域面積、河長(zhǎng)及比降等流域特征值是水文分析計(jì)算中推求設(shè)計(jì)洪水的制約性因素。 因此，對(duì)于無(wú)資料地區(qū)的水文工作，如何快速準(zhǔn)確地獲得數(shù)字河網(wǎng)和流域特征值數(shù)據(jù)顯得尤為必要。 隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展和推進(jìn)，運(yùn)用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM） 進(jìn)行數(shù)字河網(wǎng)及水文信息提取已經(jīng)成為一種快速可行的方法。 目前，廣泛應(yīng)用的水文分析模型包括ArcGIS Hydrology、ArcSWAT 和Arc Hydro Tools等， 其中Hydrology 為ArcGIS 內(nèi)置模塊，ArcSWAT 和Arc Hydro Tools 均內(nèi)嵌于A(yíng)rcGIS 軟件中。 DEM 是數(shù)字流域地形特征呈現(xiàn)的常用表達(dá)形式，描述了研究區(qū)域地面高程的分布情況，包含了豐富的水文、地貌信息，是提取流域水文特征進(jìn)行河道匯流計(jì)算的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)類(lèi)型包括柵格、矢量等高線(xiàn)、不規(guī)則三角網(wǎng)（TINs）等，其中柵格數(shù)據(jù)在數(shù)字河網(wǎng)提取及子流域劃分中較為常用。 根據(jù)前人學(xué)者研究的成果，在地勢(shì)起伏較大的山區(qū)， 河網(wǎng)提取的精度較高，而在人為干擾較大的地方或地勢(shì)平坦區(qū)，河網(wǎng)提取適用性較差，但在地勢(shì)平坦區(qū)如何提取精度較高的流域特征值研究較少。 本文運(yùn)用GIS 平臺(tái)，通過(guò)工程實(shí)例對(duì)山區(qū)、丘陵平原區(qū)分別運(yùn)用ArcGIS Hydrology 工具、Arc-SWAT 模型進(jìn)行提取分析， 對(duì)提取效果進(jìn)行評(píng)價(jià)， 探索地勢(shì)平坦地區(qū)河網(wǎng)提取的可行性方法， 為中小河流水利工程前期規(guī)劃中流域特征值的高精度自動(dòng)提取提供參考。

一、研究區(qū)概況

桂林市位于廣西東北部和湘桂黔交界地帶，地形復(fù)雜多樣，中山、低山、丘陵、巖溶石山和河谷平原交錯(cuò)分布。 中山主要分布在桂林市北部、西部和中部海洋山等地，低山主要分布在各大山脈四周，丘陵多分布于中低山與河流谷地之間，巖溶石山和河谷平原主要分布于桂江與湘江兩岸。轄區(qū)內(nèi)山脈縱橫， 河流水系發(fā)達(dá)，分布有桂江（漓江段）、古宜河、洛清江、湘江和資江五大河流。桂林市氣候溫和，雨量充沛，多年平均氣溫在17.8～18.8℃。 漓江流域多年平均年降雨量介于1 500～2 600 mm 之間，資江流域、湘江流域、古宜河流域、洛清江流域多年平均年降雨量分別為1 779.0 mm、1 704.5 mm、1 521 mm、2 010 mm。 本次研究對(duì)象為中小河流， 主要為洛清江一級(jí)支流西河、 相思江以及漓江一級(jí)支流小溶江、良豐河等。

西河為洛清江的一級(jí)支流，上游稱(chēng)龍江， 發(fā)源于臨桂區(qū)黃沙鄉(xiāng)圍嶺村，流向自北西向東南，在永?？h城與東河匯合后流入洛清江，干流全長(zhǎng)95 km，流域面積1 153 km2，多年平均年徑流量16.14 億m3。 主要支流包括灘頭河、壽城河、鳳凰河、舊縣河、山南河等。

相思江為洛清江的一級(jí)支流，發(fā)源于臨桂區(qū)廟頭鎮(zhèn)沙塘村的亂石山中，流向由北向南，在永?？h蘇橋鎮(zhèn)匯入洛清江，干流全長(zhǎng)45 km，流域面積574.6 km2，多年平均年徑流量8.53億m3。 流域中上游屬峰林平原地貌，下游屬丘陵剝蝕地貌。 主要支流包括沙塘河、蔡塘河、沉橋河、清水河、睦洞河、會(huì)仙河、羅錦河等。

小溶江為漓江的一級(jí)支流，發(fā)源于資源縣兩水鄉(xiāng)塘洞村南，越城嶺西南麓，戴云山東南的大坳處，自北向南流，經(jīng)資源縣、興安縣、靈川縣境，匯入漓江。 源頭高程1 656 m，河口高程175 m，主河長(zhǎng)49 km，流域集水面積269 km2。 小溶江流域穿行于越城嶺西南之山嶺中， 西北高東南低，屬狹長(zhǎng)形流域，地勢(shì)陡峻。

良豐河是漓江流經(jīng)市區(qū)南部的一級(jí)支流，發(fā)源于臨桂、永福、陽(yáng)朔三縣（區(qū)）交界的香草巖，先由南向北流， 而后至桂林市郊良豐后轉(zhuǎn)向東北，在柘木圩處匯入漓江。 良豐河干流全長(zhǎng)58 km， 流域面積534 km2，多年平均年徑流量4.99 億m3。 在大江水庫(kù)壩址以上屬于山區(qū)，河流坡降較陡，以下全是平原和丘陵，河道坡降平緩。 主要支流包括奇峰溪、蘇河、周家河、大埠溪等。

二、數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)ASTER GDEM 30 m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)集來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA），地理坐標(biāo)系為WGS_1984，采用墨卡托投影，中央經(jīng)線(xiàn)111°。由于無(wú)實(shí)測(cè)河網(wǎng)資料，用于對(duì)比分析的河網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于谷歌地球上描繪的數(shù)字化矢量河流數(shù)據(jù)。流域水文信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自于已批復(fù)的規(guī)劃報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告等相關(guān)資料。

2.研究方法

ArcGIS Hydrology 工具通過(guò)模擬地表水形成徑流的過(guò)程，并利用這一模擬過(guò)程實(shí)現(xiàn)河流、出水口以及流域的提取，為流域水文信息提取提供了便利條件。 Hydrology 使用的是D8 單流向算法，該算法假定雨水降落在某一柵格單元上，該柵格單元的水流只能流入與之相鄰的8 個(gè)柵格單元之間地形最低的單元中。 如果多個(gè)柵格單元的最大下降方向均相同，則擴(kuò)大相鄰柵格范圍，直到確定最陡下降方向?yàn)橹埂?該工具河網(wǎng)提取流程主要為：DEM 數(shù)據(jù)裁剪獲得研究區(qū)范圍內(nèi)DEM，原始DEM 數(shù)據(jù)填洼處理生成無(wú)洼地的修正DEM，水流方向分析確定各柵格單元的水流流向，流量計(jì)算，設(shè)置匯流精度進(jìn)行匯流累積量計(jì)算定義最小地表徑流， 運(yùn)用河流鏈接和河網(wǎng)矢量化工具進(jìn)行河網(wǎng)提取， 通過(guò)捕捉傾瀉點(diǎn)工具對(duì)出水口數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，運(yùn)用分水嶺工具進(jìn)行流域劃分等。

ArcSWAT 擴(kuò)展模塊是SWAT 模型在A(yíng)rcGIS 平臺(tái)上的圖形用戶(hù)界面，SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心和美國(guó)國(guó)家自然資源保護(hù)委員會(huì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于GIS 的分布式流域水文模型， 主要由水文循環(huán)過(guò)程、土壤侵蝕以及污染負(fù)荷三個(gè)子模型組成。 其中水文循環(huán)過(guò)程分為兩個(gè)部分：一是坡面產(chǎn)流過(guò)程，指降雨降落到地表后，經(jīng)過(guò)植被截留、下滲、蒸發(fā)后，最終流入河流的過(guò)程，該過(guò)程主要基于水量平衡原理；二是河道匯流過(guò)程， 指各子流域內(nèi)河流匯集的水、泥沙和污染物等流至出水口的遷移過(guò)程，河道匯流計(jì)算采用馬斯京根法方程。 河網(wǎng)提取和子流域劃分是SWAT 模型構(gòu)建的前提， 其結(jié)果對(duì)徑流模擬成果有較大影響，是模型計(jì)算過(guò)程中必不可少的步驟。 該部分主要在A(yíng)utomatic Watershed Delineation模塊內(nèi)完成， 利用模塊內(nèi)Burn-in 算法引入實(shí)際矢量河網(wǎng)圖層，脅迫河網(wǎng)水系的生成， 在此基礎(chǔ)上結(jié)合D8 算法可得到更為真實(shí)的河網(wǎng)水系結(jié)果。Burn-in 法由Saunders 提出， 也被稱(chēng)為Stream Burning 法、 凹陷化算法或河道燒錄法。 該方法原理為通過(guò)強(qiáng)制降低河網(wǎng)所在位置的DEM 柵格高程，使河網(wǎng)部分匯流能力提高，從而改善河網(wǎng)提取精度，并提高流域邊界劃分的準(zhǔn)確性。ArcSWAT 模型提取水系及流域劃分主要步驟包括： 定義SWAT 工程、加載DEM、加載或手繪Mask 添加掩膜指定研究區(qū)范圍、加載實(shí)際河網(wǎng)水系以“引導(dǎo)”河網(wǎng)及子流域的生成、指定最小子流域面積生成河網(wǎng)、編輯流域出口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行子流域劃分、計(jì)算子流域參數(shù)等。

Hydrology 工 具 和ArcSWAT 模 型計(jì)算流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 ArcGIS Hydrology 和ArcSWAT 模型流程圖

三、結(jié)果分析

1.ArcGIS Hydrology 河網(wǎng)提取

基于桂林西中部地區(qū)DEM 高程數(shù)據(jù)， 運(yùn)用ArcGIS Hydrology 工具對(duì)研究區(qū)進(jìn)行流向計(jì)算，然后設(shè)置閾值提取河網(wǎng)并進(jìn)行流域劃分，流域面積及河長(zhǎng)提取結(jié)果見(jiàn)表1。 由于研究區(qū)對(duì)象為中小河流，研究區(qū)范圍內(nèi)河流水系等基礎(chǔ)資料匱乏，為驗(yàn)證河網(wǎng)提取精度，將谷歌地球上描繪的數(shù)字化矢量河網(wǎng)與提取河網(wǎng)結(jié)果進(jìn)行疊加分析。

針對(duì)小溶江流域、 西河流域、相思江流域、良豐河流域河網(wǎng)提取及流域劃分結(jié)果， 根據(jù)地形條件分析可知， 小溶江流域地勢(shì)呈西北高東南低，河道坡降大；西河區(qū)域內(nèi)大霧山山脈主峰大霧山海拔高程1 291.6 m，為永?？h和融安縣界山，大霧山山脊線(xiàn)明顯，呈南北向展布，山脊為流域分水嶺； 兩流域均為大起伏山地區(qū)，流域河網(wǎng)提取走向基本與實(shí)際河網(wǎng)一致。 相思江流域地面高程大部分在146～152 m 之間，河床與岸坡高差1～3 m，流域地形平坦；良豐河流域兩岸地面高程大部在144～150 m 之間，流域地形平坦，河網(wǎng)偏差均較大。

從流域面積劃分結(jié)果來(lái)看，小溶江流域、西河流域提取流域面積與實(shí)際值偏差率分別為-3.87%、-1.98%，偏差較小，相思江和良豐河流域提取流域面積與實(shí)際值偏差率分別為18.24%和53.62%，偏差大。從干流河長(zhǎng)提取結(jié)果分析，小溶江流域、西河流域提取值與實(shí)際值偏差率分別為-4.90%、-7.79%， 偏差在可接受范圍內(nèi)，相思江和良豐河流域提取值與實(shí)際值偏差率分別為-22.07%和59.33%，偏差大。 究其原因，主要是D8 算法采用8 鄰域柵格單元的遍歷順序，直到找到最陡下降方向， 小溶江流域、西河流域山脊線(xiàn)較為明顯，河道受兩岸山地限制， 柵格單元流向容易確定，河網(wǎng)提取結(jié)果與實(shí)際情況較為接近；而相思江和良豐河流域多為丘陵平原地貌，河道坡度平緩，流域分界線(xiàn)不分明， 柵格流向受遍歷順序的影響，平緩區(qū)所得柵格單元流向方向相同，易產(chǎn)生偽河道，且DEM 垂直分辨率相對(duì)于地形落差精度偏低，造成相思江和良豐河流域河網(wǎng)提取偏差大、河流流向及流域提取范圍均與實(shí)際不符的情況。 因此表明，在地勢(shì)起伏較大的山地，ArcGIS Hydrology 提取結(jié)果與實(shí)際情況較為一致，但在地勢(shì)平坦地區(qū)適用性較差。

2.ArcSWAT模型河網(wǎng)提取

基于桂林西中部地區(qū)DEM 高程數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcSWAT 模型Burn-in 加載實(shí)際河網(wǎng)水系， 脅迫河網(wǎng)水系生成， 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行子流域的劃分，得到小溶江、西河、相思江、良豐河流域河網(wǎng)水系和流域劃分成果，與谷歌地球上描繪的數(shù)字化矢量河網(wǎng)進(jìn)行疊加。

從河網(wǎng)提取結(jié)果可以看出，運(yùn)用ArcSWAT 模型Burn-in 方法修正河網(wǎng)后， 河網(wǎng)生成基本接近實(shí)際河網(wǎng)。為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果精度，采用流域劃分結(jié)果與實(shí)際流域特征值進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1）?？梢钥闯?，小溶江、西河、良豐河、相思江流域面積提取值與實(shí)際值偏差率分別為1.26%、-1.99%、1.29%、0.12%，河流長(zhǎng)度提取值與實(shí)際值偏差率分別為6.27%、-6.21%、-0.34%、-7.56%。 可見(jiàn)，相比于流域面積來(lái)說(shuō)， 河長(zhǎng)提取值總體偏差率較大， 其原因一是由于匯流累積量計(jì)算時(shí)設(shè)置匯流精度閾值取值較大， 提取的河網(wǎng)分叉較少；二是DEM 高程數(shù)據(jù)分辨率偏低，模型提取精度受限，因而造成河長(zhǎng)提取值偏小。 綜合來(lái)看，Burn-in 方法修正河網(wǎng)后，模型提取的不同坡度地區(qū)流域河網(wǎng)的流向、形態(tài)等特征更加趨于真實(shí)，流域特征值與實(shí)際值符合性較高，能夠較好地解決丘陵平原地區(qū)流域河網(wǎng)提取的問(wèn)題，分析結(jié)果與其他學(xué)者研究成果相符合。

表1 流域特征值提取值與實(shí)際值對(duì)比分析

3.對(duì)比分析

通過(guò)運(yùn)用ArcGIS Hydrology 與ArcSWAT 模型，利用DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，提取流域面積、河長(zhǎng)等流域特征值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析，可知對(duì)于位于山區(qū)的小溶江、 西河流域，流域面積提取偏差率均在5%以?xún)?nèi)，河長(zhǎng)提取偏差率在10%以?xún)?nèi)，兩模型提取效果均較好；而對(duì)于位于丘陵平原區(qū)的相思江、 良豐河流域，ArcSWAT模型流域面積及河長(zhǎng)提取偏差率均在10%以?xún)?nèi)，而利用ArcGIS Hydrology工具相思江水系河長(zhǎng)提取偏差率達(dá)到59.33%， 提取精度明顯低于A(yíng)rc-SWAT 模型。 因此，在地形平坦地區(qū)，運(yùn)用ArcSWAT 模型Burn-in 方法對(duì)DEM 修正后，再進(jìn)行河網(wǎng)提取和流域劃分能夠取得較好的效果，在項(xiàng)目前期工作中是可行的。

四、結(jié) 論

DEM 數(shù)據(jù)與ArcGIS 軟件應(yīng)用平臺(tái)為數(shù)字河網(wǎng)及流域水文特征的提取提供了有力支持， 本文通過(guò)運(yùn)用ArcGIS Hydrology 及ArcSWAT 模型兩種流域特征值提取方法，基于30 m 分辨率ASTER GDEM 高程數(shù)據(jù)， 對(duì)桂林市西中部地區(qū)山區(qū)和丘陵平原區(qū)流域水系進(jìn)行子流域劃分和河網(wǎng)提取， 并與實(shí)際矢量化河網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：

①基于DEM 數(shù)據(jù)， 運(yùn)用ArcGIS Hydrology 和ArcSWAT 模型對(duì)山區(qū)河網(wǎng)進(jìn)行提取與子流域劃分，水系提取結(jié)果均與實(shí)際河網(wǎng)走向、形態(tài)基本一致，流域面積、河長(zhǎng)等流域特征提取值偏差均在10%以?xún)?nèi)。 因此兩種方法均可解決研究區(qū)河流水文信息缺乏的問(wèn)題，廣泛適用于各個(gè)山區(qū)流域的水文分析。

②運(yùn)用ArcGIS Hydrology 和Arc-SWAT 模型對(duì)地勢(shì)平坦的丘陵平原地區(qū)河網(wǎng)進(jìn)行提取與子流域劃分，由于地勢(shì)平坦地區(qū)水流無(wú)法沿某一方向流動(dòng)形成徑流，ArcGIS Hydrology 河網(wǎng)提取效果與實(shí)際吻合度較差，易產(chǎn)生偽河道；流域面積、河長(zhǎng)等流域特征提取值偏差較大，該方法對(duì)丘陵平原區(qū)適用性較差； 運(yùn)用ArcSWAT 模型Burn-in 方法對(duì)DEM 修正后，河網(wǎng)提取和子流域劃分精度均較高，可作為提取丘陵平原地區(qū)流域面積等的有效方法，為中小流域水利工程規(guī)劃前期工作提供科學(xué)依據(jù)。 ■