基于GIS的數字流域提取和水文網絡構建

吳雯希

（梧州水文中心，廣西 梧州 543002）

隨著“數字地球”和GIS遙感技術的不斷發展，數字流域與遙感技術的結合為研究和解決水文技術提供了新手段。近年來，水利行業先后提出了“數字流域”“數字黃河”等概念[1]，將遙感技術工程與水文分析手段相結合，利用分布式或半分布式模型，構建水文網絡，描述流域的匯流關系。

本文以北流河流域為研究區，采用ASTER 30MDEM數字高程，探討流域地理信息特征值和集水面積閾值的影響，建立流域水文網絡，為流域水文網絡的應用提供依據。

1 研究區概況

北流河是珠江流域西江干流潯江段的一條支流，發源自北流市平政鎮，流經北流市、容縣、藤縣匯入潯江，流域面積9359 km2，河道坡降約為0.47‰，流域中較大支流有：楊梅河、黃華河、義昌河等。流域南高北低，東南及西南方向山峰較多，地表以風化花崗巖為主，屬于喀斯特地貌。流域屬于亞熱帶季風氣候，受季節性臺風和熱帶風暴影響為主，每年最大降雨及洪水集中在7～9月。

2 基于DEM數字流域特征提取

2.1 數據來源

北流河流域的數字高程數據從中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據官方網站獲取。ASTER是一部高分辨解析地表圖像傳感器，ASTER數據特點之一是隨時隨地地獲取影像，提高分辨能力，在地表繪圖、動態監測方面提供了很多可能性。

2.2 數據處理

下載的數據是通過經緯度范圍分類定義的，為確保覆蓋北流河流域，需要下載北緯22°～23°，東經110°～111°，共4塊DEM數據。通過Arc Tool Box里的數據鑲嵌Mosaic To New Raster功能鑲嵌為一塊完整的DEM數據，沿著北流河流域邊界裁剪北流河流域DEM數據（見圖1），準確的DEM數據是完成水文分析的基礎。

圖1 北流河流域DEM實驗數據

2.2.1 偽地形填洼

DEM數據存在凹陷的洼地，原因是DEM水平和垂直的分辨率有限，雖然采用了分辨率較高的DEM數據，仍無可避免這個問題，需要對DEM數據進行填洼處理，采用高程疊加的原理將平地形成微坡面（見圖2），可以看到數據高程值域發生變化。

圖2 填洼后的DEM

2.2.2 流向分析

流向是研究水系要素間關系的基礎，流向決定了流域的匯流關系。流向分析分為單流向法和多流向法，單流向法最常用的包括D8算法、DEMON算法等。D8算法，即每個柵格單元向東、東南、南、西南、西、西北、北、東北8個方向計算落差，最終確定水流的走向，形成整個流域的流向矩陣（見圖3）。多流向法則是在單流向的理論基礎上按坡度比例分配給所有柵格單元，按照水流分配權重的不同形成匯流，適用于地形條件相對復雜的區域。本文使用D8單流向法計算，計算結果見圖4。

圖3 流向方向矩陣圖

圖4 流域流向數據

2.2.3 匯流分析

匯流分析是基于水流方向確定的，流向矩陣將每個單元上的水量疊加，匯流數值反映了柵格區域的匯水能力。

2.2.4 水系提取與分級

柵格匯流累計成水系，當匯流量達到設定的閾值，超過閾值的匯水面積就會形成水系，而剛好等于閾值的柵格被稱為河源[2]。閾值越小，河網越密。因此，對于閾值的選取必須充分考慮研究區域的地形條件，否則會影響后續匯流模擬的結果。為了解閾值的影響，本文分別設定3000、6000、10000、15 000四個匯流積累閾值生成柵格河網（見圖5）。

圖5 不同閾值下提取的河流網絡

通過分析，可以看到閾值越小，河網越稠密；但是當閾值為10 000以上時，許多支流并未歸入河網內，與實際河網存在較大出入。閾值大小的選取與土壤地形結構、氣候信息、降雨情況等都有關系，山地丘陵地貌閾值的選取一般比平原地貌更大，南方由于降雨多、小河流匯流多，一般比北方閾值更大。

一般確定閾值的方法有兩種：一種是河網密度法，建立閾值與河網密度的二階導數關系，通過明顯轉折點確定最適閾值范圍；另外一種方法是水系分形法，采用盒維數法覆蓋河網，建立分維數和集水柵格單元的相關關系，與實際水系進行對比，得到最接近真實情況的閾值[2]。本文選用閾值6000的河網進行分析。

2.2.5 子流域的劃分

常用的分布式模型都要對流域進行子流域劃分，再根據流域影響因子的不同，包括流域面積、流域形狀和地形結構、坡度及土地利用情況等將流域劃分為多個子流域進行分析。首先確定流域出水口位置，子流域內匯流量最大的柵格單元為子流域出水口，根據水流方向計算流向該出水口的所有柵格數量，所有流到該出水口的范圍組成一個子流域。圖6為北流河子流域劃分圖。

（1）流域面積。北流河流域共有1784子流域，實際提取DEM面積8595 km2，子流域平均面積4.82 km2，大于平均面積的子流域358個，大部分子流域的面積比較小，也反映了該流域水系發達，分布較為密集。圖7為流域面積空間分布圖。

圖7 流域面積空間分布

（2）流域坡度。坡度是表示地形起伏的重要指標，往往在區域水文分析中起重要作用。在DEM數據中，坡度是通過相鄰柵格單元的最大坡降計算坡度。流域坡度圖見圖8，由圖8可知，北流河流域最大坡度61.5°，大部分區域的坡度都在20°以下，地形主要由緩坡構成，只有少數的陡坡分布在匯流出口附近。

圖8 流域坡度圖

（3）河流分級。為了更好地反映水系機構和形態，在匯流累積閾值6000的條件下，運用Strhler分級方法分級。表1為各級別水系特征。

表1 北流河各級河流特征

3 水文網絡構建和應用

（1）流域水文網絡。水文網絡主要是利用地理信息系統提取流域邊界點、線、面之間的關系，構成拓撲結構的幾何網絡，從空間地形上研究自然流域水系情況。水文結點一般是指流域河源點、匯流點以及流域上的監測點等；水文邊線包括水流線、流域邊界等；水文區域一般是指邊線所包圍的集水區。水文網絡不僅可以統計各要素的特征值，還可以用于描述不同要素之間的相互關系。基于水流流向的基礎，構建各水文節點、子流域和全流域上下游關系及匯流關系。

（2）水文網絡應用。數字高程模型是建立分布式水文模型的基礎，以柵格單元為計算單元，將整個流域劃分為多個子流域，根據降雨-徑流、泥沙關系以及河網水流演算建立分布式流域水文模型，常用的分析模型如新安江模型、SWAT模型、Top-mod?el半分布式模型等，應用數值分析建立相鄰網格單元之間的時空關系或利用馬斯京根法推求凈雨演算匯流過程[3]。

4 結語

水文網絡是基于GIS信息處理，利用水文要素點、線、面之間的拓撲關系反映流域水文演變規律。本文以北流河流域為研究對象，利用Arcgis軟件對DEM數字高程處理并提取流域水文特征，分析不同閾值對流域提取的影響，闡述了地理信息系統的水文特征處理的基本方法，得到河網分布和子流域分布圖，計算出流域坡度及河流級別比重分布情況。水文網絡的構建不僅能更加準確反映流域時空分布特性，而且對利用分布式模型研究區域水文演變特征具有重要意義。