基于ArcSWAT的沙潁河下游水系提取試驗研究

司家濟 高良敏 解志林

摘 要：基于ArcSWAT水系提取功能以及“burn -in”預處理功能提取沙潁河下游水系，結果表明通過“burn -in”預處理后可優化水系提取的精確度；另外，集水閾值與河流密度以及河流數存在冪函數擬合關系，最終確定水系提取的最佳閾值，并與實際水系進行對比研究。

關鍵詞：ArcSWAT；“burn -in”；閾值；河網提取

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.079

水環境治理工作是目前的研究熱點，越來越多的學者利用分布式水文模型對水體污染物進行負荷核算，而水系提取是眾多分布式水文模型的基礎，水系提取的精確度直接影響核算的結果。目前國內外對于水系提取方法較多，如利用Arcgis水文分析模塊提取水系[1]、ArcSWAT水系自動提取[2]、基于遙感影像決策樹模型提取水系[3]等，SWAT是美國農業部農業中心開發的流域分布式水文模型，可基于Arcgis平臺提供快速提取水系功能，但對于平坦區的河流時，所提取的水系與實際水系不符，多出現偽河道，斷流現象，因此在提取流域水系前需要對DEM進行預處理，使得提取水系更接近自然水系。楊松[4]通過對DEM進行“burn -in”預處理使得提取水系接近實際水系。劉昱恒[5]運用AGREE算法設置緩沖區、平滑、增益參數對DEM進行修正處理，最終提取出水系基本符合實際水系。本文以沙潁河流域下游為研究區，借助ArcGIS 10.2平臺的SWAT模塊，通過“burn -in”處理后提取水系，確定最佳集水閾值，使的提取水系與實際水系相符，嘗試分析水系與集水閾值見得關系，以期掌握沙潁河下游的水系特征。

1 研究區概況

沙潁河流域下游位于安徽省阜陽市，研究區面積為2696km2，占流域總面積的6.89%，該地區地勢平坦，海拔最高49m，最低24m，年平均氣溫為15℃，無霜期220-230天，平均降雨量820-950毫米。

2 研究方法及數據來源

2.1 研究方法

分布式水文模型ArcSWAT通過Automatic Watershed Delineation模塊集結了DEM洼地填充、流向、匯流累積量的計算及水系提取功能，并提供“burn -in”，對實際河網所在柵格進行“強迫”，增加柵格匯水能力，以達到提取水系基本符合實際水系。

2.2 數據來源

研究采用的數據 SRTMDEM 90 m從地理空間數據云網站下載；沙潁河流域下游實際水系從阜陽市1：20萬水利工程圖中數字化提取。

3 研究結果

利用ArcSWAT提取得沙潁河流域下游水系如圖1、2所示，由圖1、2可知，閾值為500情況下，未經“burn -in”處理提取的水系出現斷流現象，存在多條偽河道，而通過“burn -in”處理后，提取水系與實際水系更加接近。考慮到研究區地勢平坦，對DEM進行地形坡度分析如圖3所示，發現研究區平均坡度為0.66°，其中坡度低于3°的區域占總面積的99.93%。而李昌峰[6]研究發現地形坡度小于3°所提取的水系與實際水系誤差較大。因此，研究區地勢平坦是導致提取水系與實際水系相差較大的重要原因，通過“burn -in”處理后，可增加了提取水系與實際水系的符合度。

經過“burn -in”處理后，分別提取7種不同閾值的水系，結果如表1所示，從中可知隨著閾值的變化，河流密度以及河流數呈現出一定的變化規律。當閾值從500增加至1000，河網密度從0.377減少至0.269，減少了29%，河流數從324減少至158，減少了51%；當閾值從1000增加至2000，河網密度從0.269減少至0.190，減少了29%，河流數從158減少至79，減少了50%；當閾值從2000增加至3000，分別減少了18%、35%；當閾值從3000增加至4000，分別減少了9%、27%；當閾值從4000增加至5000，分別減少了8%、21%；當閾值從5000增加至6000，分別減少了7%、20%；當閾值超過3000時，隨著閾值的增加，河網密度、河流數的降低率逐漸趨于穩定。閾值為500、1000時，出現較多偽河道，與實際河道不符合；當河流為6000時，存在較多河流無法提取。為確定水系提取的最佳閾值，利用多種方式進行擬合分析，發現河網密度、河流數與集水閾值之間冪函數擬合效果最佳，如公式（1）（2）所示，其中R2分別為0.9968、0.9993。

通過研究發現，選取最佳集水閾值的特征應為閾值改變時而河網密度、河流數不隨之改變，即冪函數一階導數為0，或二階導數為0，擬合曲線存在凹凸特征，而一階二階冪函數為單調函數，導數為0時，x值不存在，即最佳閾值應為河網密度、河流數的降低率趨于穩定時的閾值[7-8]。考慮到閾值過大時，部分水系無法提取；閾值過小時，出現部分偽河道。因此，該研究區域水系的提取閾值為4000與實際水系基本符合，如圖3所示。

4 結論

（1）利用ArcSWAT模型提取水系，采取“burn -in”預處理后，避免了河流斷流現象，減少了偽河道的出現，使得提取的水系更接近實際水系。

（2）集水閾值與河網密度、河流數之間存在冪函數擬合關系，R2分別為0.9968、0.9993。當閾值為4000時，河網密度、河流數的降低率趨于穩定，提取水系與實際水系基本相符。

流域水系提取的精確度影響分布式水文模型的輸出結果，本文通過提取沙潁河流域下游水系，以期對該地區農業源污染物入水體負荷核算提供參考。

參考文獻：

[1]李俊超，馬倩，陶鈞.基于ArcGIS的水文流域分析及應用[J].地理空間信息，2012，10（06）：121-123.

[2]賀丹，曹佳云，付曉婷等.基于ArcGIS圖解建模的水系自動提取研究[J].地下水，2011，33（03）：128-130.

[3]鄧勁松，王珂，鄧艷華等.SPOT-5衛星影像中水體信息自動提取的一種有效方法[J].上海交通大學學報（農業科學版），2005（02）：198-201.

[4]楊松，王山東，卓中文等.基于數字化水系修正DEM提取流域河網研究[J].水利與建筑工程學報，2013，11（02）：123-126.

[5]劉昱恒，徐宏根.兩種不同DEM處理方法提取的水系比較[J].資源調查與環境，2012，33（03）：206-210.

[6]李昌峰，馮學智，趙銳.流域水系自動提取的方法和應用[J].湖泊科學，2003（03）：205-212.

[7]豐滿，張征，朱凌等.基于DEM的滇池流域水系提取及分維值探討[J].環境科學與技術，2010，33（S2）：11-14.

[8]羅大游，溫興平，沈攀等.基于DEM的水系提取及集水閾值確定方法研究[J].水土保持通報，2017，37（04）：189-193.

作者簡介：司家濟（1994-），男，安徽巢湖人，碩士研究生在讀，主要從事水污染處理研究。

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