基于GIS和DEM的东江湖流域水文特征分析

摘要：东江湖是湖南省蓄积量最大的一级饮用水湖泊，是国家4A级风景旅游区，旅游资源以山水、湿地、自然景观为主。为保护好东江湖湿地，研究基于数字高程模型（DEM）和地理信息系统（GIS）技术，对整个资兴市东江湖流域进行了水文模拟分析，提取了水流方向、汇流量、流程、流网、流域界线、流域面积等水文特征。运用ArcGIS 进行东江湖子流域的划分，最终生成了东江湖数字流域，为东江湖景观生态环境方面的研究提供了数据平台。

关键词：数字高程模型（DEM）；水文分析；河网提取

中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）15-3531-06

DEM（Digital elevation model，数字高程模型）数据中包含了丰富的地形、地貌、水文信息，能够反映各种分辨率的地形特征，通过DEM可以提取大量的地表形态信息，如流域网格单元的坡向、坡度以及单元格之间的关系等[1]。用DEM进行流域分析的工具很多，ArcGIS的水文分析模块（Hydrology model）是美国环境系统研究所（ESRI）为ArcGIS推出的水文分析模块，主要用于地形和河流网系的提取和分析，实现地形模型可视化。运用地理信息系统（GIS）中Hydrology model来提取水系，国内外已开展了大量的工作研究地表水文特性[2-4]。

利用ArcGIS 9.3的水文分析模块，在DEM的基础上，通过模拟水流方向、流域汇流能力、河网的自动生成、流域出水口的确定、子集水区边界的划分等过程，提取东江湖流域水文特征信息，并生成东江湖数字流域模型。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

东江湖位于湖南省资兴市南部，地处东经113°15′11″-113°36′08″，北纬25°34′09″-26°00′04″。距资兴城区13 km，省322线从公园北面经过，公园南面和汝城、宜章两县接壤。地处罗霄山脉南端的八面山西坡，南岭北坡。属汝桂山脉的一部分，为中低山地貌，地势东高西低。境内山岭层叠，沟壑纵横，地形复杂，最高海拔1 691 m，最低海拔180 m。东江湖湿地属湘江水系一级支流耒水上游。资兴境内河流密布，共有大小河溪404条，总长1 900 km。发源于桂东的东江水系，经汝城从东南入境，境内长50 km，经东江湖入耒水；发源于八面山西侧的永乐江水系，流经市内东北角，境内长47 km，经东江湖入耒水。参见图1。

1.2 数据源

DEM是从GLCF网站上下载的数据，栅格大小为30 m×30 m，即为900 m2。栅格数据形式采用ESRI GRID，横纵坐标的分辨率均为30 m。

2 研究区水文特征分析

2.1 洼地填补

洼地是高程小于相邻周边的点，有些源于DEM生成过程中带来的数据错误，另一些则是真实地形（如岩洞等）的表示。洼地是影响流水过程的重要因素。洼地的存在使得在计算水流方向时会出现水流逆流的情况，给以后水流路径的跟踪带来困难[5]。在实际的地表径流过程中，水往低处流，在填充洼地后，从洼地的最低处流出。因而，在进行流域地形分析以前，必须对原始的DEM进行洼地的处理。通过对洼地的处理可以生成无洼地DEM，参见图2。在无洼地DEM中，自然流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。因此，借助无洼地DEM可以对原数字地区进行自然流水模拟分析。

2.2 水流方向分析

栅格单元的水流方向是指水流流出该单元格的方向。流域内各网格流向的确定是利用DEM提取流域地貌特性的关键内容，它决定着地表径流路径及网格单元间流量的分配[6]。河网、流域面积、分水线、流域内各点的汇水面积、后面要讨论的流域各点到达流域出口的汇流时间，都是以各网格的流向为基础的。当一场降雨产生超渗水流，就会形成地表径流，而地表径流在流域空间内总是要从地势高处向地势低处流动，最后经流域出口排出流域。为了模拟地表径流在整个流域内的流动，就要确定水流在每个栅格单元格内的流动方向。目前，关于水流方向的确定主要有6种方法：D8法（或单流向法）、RhO8法、多流向法、Aspect drive法、DMON法和ERS法。其中，应用较为广泛的是D8法和多流向法，参见图3。

2.3 流程分析

水流长度通常是指在地面上的一点沿水流方向到其流向起点（终点）间的最大地面距离在水平面上的投影长度。目前水流长度的提取方式主要有两种，一种是顺流计算（Downstream），一种是溯流计算（Upstream）[7]。顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口最大地面距离的水平投影；溯流计算则是计算地面上每一点沿水流方向到其流向起点间的最大地面距离的水平投影，参见图4。

2.4 汇流能力分析

在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算而来的。对每一个栅格来说，其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。利用Hydrology下的Flow Accumulation函数，通过确定所有流入本单元格的累积上游单元格数目（NIP）来生成流域汇流能力栅格图（图5）。

2.5 水流网络的提取

目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算：首先是在无洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方向；然后利用水流方向栅格数据计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量，所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格[8-10]；假设每一个栅格处携带一份水流，那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。基于上述思想，当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，所有那些汇流量大于临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。图6就是阈值分别为1 000或2 000个网格单元时所提取到的流域水系河网。

2.6 汇水面积阈值与提取河网的关系

由图6可知，随着汇水面积阈值的变化，生成的河网密度及流域级数、各级河流的长度都发生了较大的变化。因此对于一个流域来讲，应该怎样来确定这个合适的汇水面积的阈值呢？对于一个给定的河网来讲，网链的坡度S随着汇水面积A而变化，即S=cAθ，式中c是常数，θ为尺度指数，其变化范围为-0.83～-0.37，平均值为-0.6。在分水线附近坡度很大，汇水面积很小，而在分水线上坡度为无穷大，汇水面积为0。

根据以上方法，本研究考察的东江湖流域的河网密度与阈值关系如表1。

由表1可知，当阈值小于2 000时，河网密度与阈值曲线变化较大，大于2 000时趋于平缓，最后，本研究选择2 000作为确定河网的阈值。

2.7 河网分级

河流的级数按划分方法可分为Strahler级数和Shreve级数。Strahler级数确定的方法是：当上游支流的级数相同时，则取上游级数之和；而当上游的级数不同时，则以上游支流的最大级数作为它的级数。Shreve的级数确定的原则是：总是取其上游支流级数之和作为它的级数。

利用Strahler级数确定的方法对河网节点编码进行级数编码。其依据节点编号，从最大的编号开始，编号最大的节点肯定是源点，将它的级数确定为1，下面一个编号的节点要么是源点，要么是其下游的节点，假如它是一个源点，将它的级数编为1，假如它是节点，则将其上游的支流的级数最大值赋给它；如果上游支流的级数相同，则取值为上游级数之和。如图7、图8所示，整个流域内的河网可以分成5级，由河网分级图可以统计出不同等级的河流长度（表2）。

由表2可知，研究区域内等级为一、二级的河流分布较多，其长度分别为672 km和396 km，分别占了流域河流总长度的48.80%和28.76%。

2.8 流域盆地的确定

流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域。它通过对水流方向数据的分析确定出所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格。流域盆地的确定首先是要确定分析窗口边缘的出水口的位置，也就是说，在进行流域盆地的划分中，所有的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。当确定了出水口的位置之后，也就找出了所有流入出水口的上游栅格的位置。

利用流域盆地分析，可以从很大的一个研究区域中选择感兴趣的流域并将该流域从整个研究区域分割出来进行单独的分析。通过这些文件可以方便地对感兴趣区域进行提取操作。例如对某一个或者某几个流域的提取，统计各流域的面积等（图9）。

2.9 子流域的生成

经过上一步得到的流域盆地是一个比较大的流域盆地，在很多的水文分析中，还需要基于更小的流域单元进行分析，那么就需要进行流域的分割（图10）。而流域的分割首先是要确定小级别流域的出水口位置。

1）Stream link的生成。Stream link记录着河网中的一些节点之间的连接信息（河网的结构信息）。Stream link的每条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点，或者连接着作为出水点的结点和河网起始点。通过Stream link的计算，即得到每一个河网弧段的起始点和终止点。同样，也可以得到该汇水区域（流域）的出水口。经过计算，它将栅格河网在汇合点栅格处分割成河网片段，并将片断进行记录，在属性表中除了记录该片段的ID号之外，还记录着每个片段所包含的栅格数，Stream link 的结果可利用[stream to feature]转换为矢量数据。

2）集水流域的生成。对于低级的集水区的生成，可以使用[Hydrology]工具集中的[Watershed]工具生成。其思路如下：先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直到所有的该集水区的栅格都确定了位置，也就是搜索到流域的边界——分水岭的位置。通过Stream link作为流域的出水口数据所得到的集水区域是每一条河网弧段集水区域，也就是要研究的最小沟谷的集水区域，它将一个大的流域盆地按照河网弧段分为一个个小的集水盆地。将流域栅格转换成为矢量图层，并进行符号设置，得到的结果如图11所示。

由河网分级图及生成的集水流域可以统计出不同等级河网的流域面积（表3）。由表3可知，研究区域内等级为1、2级河网的流域面积较大，其面积分别为1 309 km2和517 km2，分别占流域总面积的54.84%和21.66%。

3 结论与讨论

本研究成功地运用ArcInfo和ArcGIS的水文分析模块进行了资兴市东江湖流域数字高程模型的处理及水文特征分析。对东江湖流域的地表水文特征分析研究的结果表明，利用DEM模拟的河流水系的空间分布、数字流域界线与实际分布情况基本相符。为检验结果的精确性，将提取的水流网络与Google地球上东江湖流域的河流水系进行对比，结果显示，提取的水文特征数据与实际情况非常接近，但仍有一定程度的出入，其基本原因有：①由于DEM本身精度有限，所以对最后的计算结果产生了一定的影响；②在软件的计算和使用过程中，由于算法本身的不完善，以及某些参数设定的不同，也会对计算结果产生很大影响。例如Zlimit值的设定、累积流量阈值的大小，都对最终生成的河网密度和精确度产生非常明显的影响。

目前，利用DEM数据，在GIS平台支持下可以快速准确地获取流域的河网结构，并可以根据汇流累积单元数的阈值来生成不同密度的河网。但DEM的空间分辨率、DEM资料生产方式以及不同地形特色等因素对提取结果有一定影响，同时对集流面积的大小以及提取空间的正确性也需要进一步的相关探讨。总体而言，现有的GIS软件所提供的水文模拟分析功能为在水文地理信息提取河网模拟、流域提取和子流域划分等方面提供了强大的数据处理和分析工具，这些理论、技术和方法的不断积淀和创新，为GIS在水利水文计算和分析方面提供了更加成熟的理论基础和更加广阔的应用前景。

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