水文信息處理系統在新疆地區的應用對比研究

劉 越

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 835000)

新疆地處我國西北內陸，水資源短缺是制約這一地區的主要問題之一。建立完善的水文信息分析處理系統不僅能提高流域水資源的科學管控，還能為流域地區的節水改造、防汛抗旱等提供重要的監測數據，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網絡法、webgis法等[3- 8]，由于這些方法方法針對的側重點、適用的地區環境不同，程序的處理方法也有較大差別，因而對水文信息和數據處理結果也會產生差異，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對于該地區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法應用于該地區流域水文信息處理的效果，可為該地區水文信息化建設提供理論支撐和指導。

1 兩種水文信息系統簡介

1.1 基于ArcGIS的DEM提取法處理系統

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、交流和發布地理信息。ArcGIS中基于DEM(Digital Elevation Model，數字高程模型)法，可以從數據中提取等高線、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法提取流域地區的地形形態；③提取流域河網信息；④繪制流域分水嶺；⑤水文信息參量計算；⑥計算結果的分析和驗證。

1.2 Mapinfo法處理系統

MapInfo是一種數據可視化、信息地圖化的桌面解決方案。通過該系統，可以將與水文信息相關的空間數據和屬性數據有機結合，通過Mapinfo系統處理，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據；②對數據進行儲存和采集，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系統將原始數據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據為例，將1∶25萬的電子等高線數據分別輸入兩種系統，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系統在流域模擬精確上要高于MapInfo系統。

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年每月實測水位數據為例，分析得到水文站實測值與系統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現，DEM系統預測精度要高于MapInfo系統，其在三條流域地區的平均誤差率僅為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據分析，得到實測值與兩種水文系統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%。可見，在DEM水文系統在預測和計算流量方面的精確度要稍高于MapInfo系統。

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 結語

水文信息化建設是各地區進行流域科學管理的重要前提，對于流域的防洪抗旱，節水灌溉等均具有重要意義。基于ARCGIS的DEM分析法和Mapinfo法能夠實現對原始數據強大的處理和運算能力，不僅解決了水文信息統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為對象得出：DEM水文處理系統較Mapinfo具有更高的精度和準確度，更適用于改地區的水文信息化建設，可為該地區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. 干旱區灌區水文及其監測體系淺議[J]. 水利規劃與設計, 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研究[J]. 人民長江, 2009, 40(04): 63- 64.

[7] 范燁. 基于GPRS網絡的水文信息采集系統開發[D]. 浙江工業大學, 2014.

[8] 梁娟珠, 涂平. 基于WebGIS的水文信息查詢系統的設計與實現[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]. 干旱區研究, 2008(02): 174- 178.