基于Arc﹢Hydro﹢Tools的流域水文信息提取——以疏勒河流域为例.pdf

第5 4 卷第3 期 2 0 1 8 年3 月 甘肃水利水电技术 G A N S UW A I E RR 醛0 U R C E SA N DH Y D R O P O W E RT E C I 矾O L O G Y V 0 1 5 4 N o 3 M a r ，2 0 1 8 D O I ：1 0 1 9 6 4 5 6 i s s n 2 0 9 5 0 1 4 4 2 0 1 8 0 3 0 0 4 基于A r cH y d r oT o o l s 的流域水文信息提取 以疏勒河流域为例 付瑾 ( 甘肃省酒泉水文水资源勘测局，甘肃嘉峪关7 3 5 1 0 0 ) 摘要：以疏勒河流域为例，利用A r c G I S1 0 中的A r cH y d r oT o o l s 水文分析工具，从原始D E M 数据提取河流长度、汇流 积累量、流域边界等水文信息，并结合工程实例探讨了应用此方法进行水文分析的优点。 关键词：水文分析；地理信息系统；水文信息；疏勒河流域 中图分类号：P 2 0 8 ；P 3 3 1文献标志码：B文章编号：2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 8 ) 0 1 0 0 1 1 - 0 3 1前言 在地理信息系统、数字化流域技术日益成熟和 精进的历程中，流域水文模型在总结水文自然规律 和解决水文实践问题方面发挥着日益重要的作用， 通过A r c g i s 的水文分析功能结合数字高程模型 ( D E M ) 提取的流域水系特征是各种流域水文模型 ( 包括但不限于S W A T 、G W L F 等) 所需的原始数据， 另外其提供的流域水文信息是创建分布式水文模 型、揭示流域特征的基础和前提，因此，通过水文分 析工具采集流域水系特征，对流域水文模拟、流域水 文分析及应用于水文生产实践具有重要意义。 在面对实际问题时，将A r c G I S 和数字高程模型 ( D E M ) 结合相运用，对具体的区域展开坡度、坡向、 流向、分水岭、集水区域等分析。该文的重点在于利 用A r c G I S1 0 中的A r cH y d r oT o o l s 水文分析工具对 研究区进行流域信息提取，对划分流域范围、提取河 流水系、分析流域特征及水情情报预报都有着非常 重要的实际意义和应用价值。 2 研究区概况 疏勒河流域地处甘肃省河西走廊西部，地理坐 标：9 6 。3 0 9 7 。4 0 E ，4 0 。1 17 4 0 03 4 N 。 疏勒河源于祁连山脉的岗格尔肖合力岭冰川，自东 向西径流，注人罗布泊，沿途穿过青海省天峻县、甘 肃省肃北县、玉门市、瓜州县、敦煌市等，干流长度达 6 7 0k m ，为甘肃省三大内陆河之一，河西走廊内流水 系的第二大河，上游地区的支流主要分布在讨赖南 山南坡与疏勒南山北坡，经疏勒峡、纳柳峡人昌马堡 盆地，左岸汇人小昌马河，出昌马峡后进入走廊区。 该流域的地形地貌单元可划分为：南部祁连山地褶 皱带、中部河西走廊拗陷带、北部马鬃山断块带三个 地貌单元。流域面积4 1 3 万k m 2 ，流域内疏勒南山、 托来南山以及疏勒河谷地组成主要地形格架，山区 地势高峻，谷地地形相对低缓。 研究区降水量稀少，年均气温低。多年平均年降 水量4 7 6 3m m ，年蒸发量28 9 7 30 4 2m m ，年平 均气温6 9 。8 8 ，属大陆荒漠干旱型气候。 3 研究用数据 D E M 是流域信息提取得到的数据，基于该数据 进行计算，能够获取分水岭、集水面积、区间面积、河 流水系和地形高程等重要流域特征参数。研究采用 的疏勒河流域D E M 是地理空间数据云9 0m 分辨率 S R T M D E M ，数据的大地平面基准是W G S 8 4 ，高程基 准是E G M 9 6 ，在垂直方向上的误差不超过1 6m ( 9 0 置信度，图1 所示) 。 4 流域水文信息提取 A r c H y d r o 数据模型是把G I S 和水文领域知识 相结合的水文地理数据模型，E S R T 开发者将 A r c H y d r o 数据模型集成于A r c g i s 的水文分析工具 收稿日期：2 0 1 8 - 0 1 0 9 作者简介：付瑾( 1 9 8 4 一) ，女，甘肃嘉峪关人，工程师，主要从事水文水资源监测、水情报汛与预报及水资源调查、评价，E m a i l 8 2 6 2 7 2 6 5 q q t o m 。 万方数据 2 0 1 8 年第3 期 甘肃水利水电技术第5 4 卷 中，用以存储水文要素的空间、属性及时间等特征数 据，从而描述流域的地形地貌、起伏特征，并通过地表 径流的运动路径来反应各要素类间的关系。在A 卜 e g i s1 0 1 版本之前通常利用该工具去进行水文分 析、提取河流水系等水文要素，但其运行效率不高， 计算流程容易出错，提取效果时常不能很好的应用 于水文生产实践，1 0 1 版本推出的A r cH y d r oT o o l s 水文分析工具，运行效率高，出错率低，且提取结果 相对较好，相对于之前版本的该工具拥有了更强大 的分析功能，并且能灵活根据水文测站位置提取集 水面积、区间面积等重要水文要素。 4 1D E M 校正 D E M 数据包含了大量的低洼栅格，在流向计 算的过程中，会导致水流停滞，从而提取出的水系 存在明显的误差，计算出的结果不合理。因此，分析 流域特征前，必须对这部分的高程数据予以处理， 确保水流能够正常地流出洼地，从而使根据D E M 数据提取的水系为自然状况下的整体。以往按传统 水文分析中是在填充洼地时，将深度高于阈值的区 域当做真实地形，不予填充，而A r cH y d r oT o o l s 创 建了改进后的方法，这种新的方法能够有效改进 D E M 矢量河网输入校正( D E M R e c o n d i t i o n i n g ) 、流 域、子流域边界校正( B u i l d W a l l s ) 、湖泊水流方向校 正( A d j u s tf l o wd i r e c t i o n l a k e s ) ，还实现了水系流向处 理的功能。 4 2 填洼 A r cH y d r oT o o l s 填洼工具的原理是根据栅格的 赋值情况用最低值的连续栅格连线来代表排水沟 道，为确保流域是完整的，完成洼地填充步骤后，此 时D E M 就产生了朝着流域出口边界倾斜的坡面 ( 图2 ) 。 1 2 图2 洼地填充效果 4 3 计算流向 流域水系提取的重要步骤为分析水流方向，它 直接影响到地表径流的方向和栅格单元间流量分 配，以填洼分析结果的流域边界倾斜坡面为基础，计 算出排水路径，从而得出流向分析结果( 图3 ) 。 图3 疏勒河流域水流方向计算结果 4 4 汇流积累量 在地表径流模拟过程中，由流向文件生成的各 排水路径汇聚起来形成河床沟谷，从而形成流域产 汇流的基本河道框架，并根据各河道流向数据来计 算出汇流累积量，输入水流方向生成的流向文件，完 成流量运算，用颜色的深浅来反应汇聚流量的大小。 4 5 定义水流 水流定义是用来计算出水流栅格，包括赋予输入 流量栅格值大于所给阈值的栅格。定义水流工具的作 用是计算水流栅格。它包括赋予输入流量栅格值大于 所给的阈值的栅格，即凡是大于阈值的栅格赋值为1 ， 小于阈值的为空值，水流的疏密度和阈值为负相关关 系，而阈值主要受到下垫面、地形地貌等的影响。 4 6 水流分割 水流分割工具S t r e a mS e g m e n t a t i o n 是创建可以 万方数据 第3 期 付瑾：基于A r cH y d r oT o o l s 的流域水文信息提取 第5 4 卷 唯一标识的水流分段网格，每一段可能有主要部分， 或者定义为两段结点之间的部分，在同一河段内的 像元具有相同的网格编码。其主要目的是依据高程 关系区别干支流的分配，以便为今后提取子流域或 者任意点的集水面积打下基础。 4 7 流域栅格划定 通过流域栅格划定工具的应用得到汇流区域栅 格。划定栅格是根据高程分析过程中该工具自动提 取出分水岭，将各分水岭连成闭合栅格，则形成了各 个河流水系的所属流域，即子流域。此步可以把流 域内的分水界线基本框架确定，从而可以通过矢量 化提取集水面积( 图4 ) 。 4 8 集水多边形生成 根据集水区域栅格生成的结果，利用集水多边 形工具C a t c h m e n tP o l y g o nP r o c e s s i n g 提取流域划分 的矢量面状s h a p e f i l e 数据，将其边界进行矢量化，从 而提取分水线围成的各小集水区域的矢量数据。 4 9 汇流水系提取 利用D a i n a g eL i n eP r o c e s s i n g 工具将输人的河 流连接网格转换成排水路线矢量要素，即从D e m 提 取流域水系。 经过上述方法，最终提取疏勒河流域的集水多边 形以及水系等重要水文信息，并通过A r c g i s 提供的方 法进一步计算集水面积以及河长等水文参数( 图5 ) 。 5 结语 A r c G I S l 0 中的A r cH y d r oT o o l s 工具集实现了 空间分析和水文信息提取等一系列的功能，以疏勒 河流域为对象，完成原始D E M 处理、流域分水岭提 取以及水系生成等步骤，充分证实A r cG I S 技术在 流域水文分析方面具有高效、快捷、准确的全面表 现，相比以往的流域特征提取，它避免了一系列的计 算分析工作，并且能够得到更为准确的计算结果，为 水文工作者解决实际问题提供了有力的工具，同时 也为传统水文学提出了新的科学分析方法。 参考文献： 1 王耀建基于G I S 的水文信息提取以深圳市光明森林公 园水文分析计算为例l 亚热带水土保，2 0 1 3 2 5 ( 3 ) ：6 1 “7 2 张翠，孙在宏，王亚华，等农用地分等及农用地分等信息 系统的研究叨南京师大学报，2 0 0 1 ，2 4 ( 4 ) ：1 2 0 1 2 4 3 汤国安，杨昕A R C G I S 地理信息系统空间分析实验教程 M 】第1 版北京：科学出版社，2 0 0 6 4 王亚军，周陈超基于S W A T 模型的潢水流域径流模拟与 评价【J 】土保持研究，2 0 0 7 ，2 3 ( 6 ) ：4 2 8 - 4 3 8 。卜。卜。卜。1 一。一- + - 。卜一。卜一+ 一+ - + 一+ 一+ 一+ - + - + 一+ - + - + - + - + - + - + - + ( 上接第1 0 页) 由图6 、图7 、图8 可知，流量与实测输沙率结果 中的单沙、断沙、输沙率分别相关，点据散乱，关系均 不是很好，流量与单沙、断沙相关系数只有0 1 8 ，而 流量与输沙率的相关系数也只是0 6 1 ，达不到以实 测流量推求泥沙的目的。 6 结论 通过黑河中游河段代表站高崖水文站水沙时空 分布特征和水沙关系分析，得出结论如下：径流年 内分配不均，年际变化不大，劬值为0 2 3 ；含沙量 年内分配极不均匀，年际变化较大，值为0 6 9 ； - + _ - P - + 一- + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + 输沙量的年际变化和年内分配与径流量的年际变化 和年内分配基本相似，但输沙量量级的年变幅较径 流量更大，国值达0 8 2 ；根据高崖水文站流量与泥 沙( 单沙、断沙、含沙量、输沙率) 相关关系分析发现， 流量和单位含沙量、断面平均含沙量、输沙率之间没 有很好的单值对应关系，泥沙与其他水文要素如水 位等也没有单值对应关系，相关系数均小于o 6 1 ； 经过上、下游沙量平衡分析，中、下游代表站高崖、正 义峡水文站输沙量比上游出山口莺落峡水文站输沙 量明显偏小，符合天然河道的泥沙传输规律。 1 3 万方数据