基于WMS的福建閩清流域提取

摘 要：本文將2016年7月9日發生特大洪澇災害的福建閩清流域作為研究對象，以WMS專業水文軟件為平臺，采用數字高程模型DEM為數據源，自動劃分流域水系，并提取出該流域的水文特征參數。

關鍵詞：DEM；WMS；流域提取；流域特征；流域建模

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.247

1 引言

2016年7月9日，受臺風“尼伯特”的影響，福建省閩清縣遭受特大暴雨洪澇災害，全縣三分之一人口約11.69萬人受災，因災死亡人數達73人、失蹤17人，經濟損失約52.3億元人民幣。由于該地區受災嚴重，特以此為研究對象進行流域提取。數字高程模型DEM（Digital Elevation Model）是“數字流域”用于流域水系構建的一種基礎手段，主要有柵格型、不規則三角網（TIN）及矢量型3種格式，用于確定單元網格的流向、匯流路徑、河網間的拓撲關系、流域及子流域的邊界劃分等[1]，得到流域面積、流域坡度、周長等特征參數。

作為實現“數字流域”的基礎工具，流域水文模型由集總式水文模型逐步向分布式水文模型發展。本研究中所采用的分布式水文模型WMS（Watershed Modeling System）是由美國Brigham Young大學環境模型研究實驗室（EMRL）與美國陸軍工程兵團水道試驗站 （WES） 共同開發研制，是一種基于GIS的專業流域水文模型模擬軟件，可基于DEM、TIN、矢量地圖等格式數據進行水文全過程的模擬，其中內嵌的TOPAZ（Topographic Parameterization）算法可進行如流域的自動生成、子流域的劃分、計算流域特征參數等工作。本文主要以WMS為平臺對福建閩清進行流域提取并獲得流域特征參數。

2 TOPAZ算法原理

在DEM基礎上，TOPAZ可實現的主要功能如下：DEM預處理、流向確定、匯水面積計算、河網提取、子流域劃分、流域邊界確定及流域水系拓撲關系生成等。其中，DEM的預處理涉及洼地和平地處理， TOPAZ將洼地分為阻擋型和凹陷型，前者采用降低阻擋處高程的穿透法處理，后者利用填高法處理，而平地處理采用修正高程。其他功能主要基于D8算法、最陡坡度原則和最小匯流累積閾值 [2-4]。D8算法主要用于確定流域內每個柵格的水流方向，假設每個柵格相鄰的8個柵格即為流向，按照最陡坡度原則，水流最終流向高程最低的那個柵格。最小匯流累積閾值用于確定生成的河網的疏密度。

3 流域提取

（1）研究區概況。本文中的洪災地區為福建省閩清縣，位于福建省東部，閩江下游，距省城福州50千米。地理坐標為東經118°30 –119°01。閩清地當閩中大山戴云山脈和閩北山帶鷲峰山脈交接地段，丘陵廣布，具有坂東等諸多河谷平原。整個地勢呈現從四周山地向中央河谷逐漸降低的趨勢，是洪澇災害發生的天然溫床。

（2）DEM數據來源。本研究中所采用的數字高程模型DEM數據來源于90m精度的SRTM（Shuttle Radar Topograhy Mission）地形文件，數據覆蓋范圍為北緯25°85–26°28、東經118°46 –119°01。WMS所支持的DEM數據格式為.dem（USGS dem） 、.asc（ArcInfo Grid）等，因此將SRTM文件轉換成.asc格式。

（3）坐標系統轉換。本研究中的DEM是用經緯度表示的橢球體坐標系，為WGS84地理坐標系， 為方便運算，需將其在WMS中轉換為X、Y所表示的平面直角坐標系，即UTM投影坐標系，本文研究流域地理設定為Zone 50，即北半球、東經114°–120°。

（4）DEM預處理。DEM預處理主要涉及洼地的修正，受DEM分辨率和DEM生成過程中誤差的影響，流域中的洼地會使計算水流方向時，易出現水流逆流的現象，導致水流方向計算不正確。WMS中的洼地用Digital Dams表示，即可通過人工修正高程消除，也可使用Clean Dams命令來消除。

（5）匯流面積計算及河網生成。通過D8算法計算出水流方向后，可進行流域匯流面積的計算和河網生成。當每個柵格的水流流向確定時，計算上游水流流向該柵格的柵格總數，可確定該柵格點的上游匯流面積，依此計算每個柵格的匯流面積，當柵格匯流面積大于設定的最小匯流累積閾值（Min flow Accumulation）時，形成河道，進而生成河網。為了過濾意義不大的小支流，生成有效的河網，需選取一個合理的最小匯流累積閾值確定河網的疏密程度。本研究中采用的閾值為5 km2 ，計算出的流域匯流面積為375.77 km2。

（6）流域提取。使用Create Outlet Point命令設定流域出口點，坐標為X：687492.00、 Y：2900963.00。WMS可結合水流方向，計算出該出口點上游所有流經此點的柵格點，并自動定義流域邊界，將符合條件的柵格連接在一起，便生成了流域。

（7）流域特征參數提取。在流域提取過程中，WMS會自動計算出相應的特征參數值，包括流域面積、流域坡度、流域長度、最大徑流距離、最大徑流坡度等。本研究中的流域特征參數值如表1。

4 結論與討論

（1）本研究所用的DEM數據精度為90 m ，分辨率較低，其生成過程中可能存在數據誤差，這兩者對流域提取會產生一定的影響，尤其本研究中的福建閩清流域山脈較多，河谷平原縱橫，DEM精度不夠易導致地形高程數據出現誤差。（2）最小匯流累積閾值的設置會影響河網提取的精確度，閾值越小，提取的流域水系越細，相反，閾值越大，水系越疏?？紤]實際河網形態，本研究中將最小匯流累積閾值設置為5 km2。同時，當閾值較小時（如1 km2），存在諸多長度較短的河道，可能是實際中不存在的河道，這是水文研究工作中需要注意的問題。（3）本研究中基于WMS和DEM 所進行的流域提取，對水文模型的構建及洪澇災害的研究具有參考價值，可有助于提高水文分析的工作效率，確保水文模擬的精確度。同時，在此基礎上可結合GSSHA、HEC-HMS等水文模塊進行后續研究。

參考文獻：

[1]吳險峰，王中根，劉昌明，劉曉偉.基于DEM的數字降水徑流模型在——黃河小花間的應用[J].地理學報，2002（06）：671-678.

[2]Douglas D H.Experiments to locate ridges and channels to create a new type of digital elevation models.Cartographica，1986，23（04）：29-61.

[3]Fairfield J，Leymarie P.Drainage networks from grid digital elevation models.Water Resources Research，1991，30（06）：1681-1692.

[4] Mark D M.Automatic detection of drainage networks from digital elevation models. Cartographica，1984，21（2/3）：168-178.

作者簡介：黃平（1993-），女，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向：水文洪澇災害研究。