GIS支持下基于DEM的中等流域的划分：以富县为例

丑述仁，高微微;于占超;王 超;李 明

(1.西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127;2.东北师范大学生命科学学院草地研究所，吉林 长春130024;3.吉林大学环境与资源学院，吉林 长春130026)

近年来，GIS技术的引进，为水文科学的发展起了重要的推动作用。尤其是在数据管理、空间分析及其可视化的显示和制图的卓越功能。DEM是数字高程模型(Digital Elevation Model)简称，是流域地形、地物识别的重要原始资料。DEM的原理是将流域划分为m行n列的四边形，计算每个四边形的平均高程，然后以二维矩阵的方式存储高程。由于DEM数据能够反映一定分辨率的局部地形特征，因此通过DEM数据可提取大量的地表形态信息，这些信息包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元格之间的关系等［1］。同时根据一定的算法可以确定地表水流路径、河流网格和流域的边界。DEM在水利科学方面的应用，其突出优势是描述流域地形，包括流域边界、坡度、坡向、河网识别等。从目前利用DEM提取流域特征的现状来看，国内外更多的研究好似侧重于局部小流域的实验和探索，Horton、Strahler和 Shreve等都对流域的结构提出了自己的见解，Shreve等提出“具有一个根的树状结构流域”模式［2］。本文采用的方法是对汇流累积量进行分级，通过反复试验，设定一个合适的值，从而达到对中等流域的划分。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

富县位于黄土高原南部，洛河中上游子午岭林区。东依黄龙山系于宜川、洛川相邻、西依子午岭与甘泉合水、宁县相接，南依隆坊塬与黄陵相靠，北缘丘陵沟壑与志丹、甘泉、延安相连。东西长111.0 km，南北宽73.7 km，总面积4 181.57 km2，辖14个乡镇。主要地貌类型有4种，一是河谷阶地，包括罗河及其支持葫芦河川道，占全县总面积7.29%。二是高原沟壑，包括全县中部及东南部的交道塬、中指塬和寺仙塬一级塬间沟壑，占全县总面积的20.5%。三是丘陵沟壑，分布在高原沟壑区以北及以西的广大林区和农牧交错区，占全县总面积的58.88%。四是土石低，主要分布在县西与甘肃交界的子午岭林区，占全县总面积的13.33%。富县属中纬度半干旱地区，太阳辐射能比较丰富，年日照时数2 032～2 428 h，年平均气温 7.1℃ ～9.0℃，无霜期平均 130 d，年平均降水量500～600 mm.主要种植作物有小麦、玉米、水稻等。

1.2 方法

1.2.1 数据的预处理

DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形(如采石场或科斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，从而使得在进行水流流向计算时得到不合理的或错误的水流方向，因此，在进行水流方向的计算前，应该首先对原始DEM数据进行填洼，得到无洼地DEM。这样才能保证从DEM数据中提取的水系是连续的。

本研究采用的DEM预处理对方法采用的是Jenson和Domingue与1988年提出的洼地处理方法［3］，该方法应用前景最为广泛，主要包括两个部分:洼地填平处理与平坦栅格增高处理。

图1 DEM栅格预处理流程图

1.2.2 流向的确定

水流方向是指水流离开每一个栅格单元的指向，即水流离开网络的指向，即水流离开单元的最大坡度方向，他决定着地表径流的方向及网格单元间流量的分配，是基于DEM的分布式水文模型的一个十分关键的问题［4］。目前，关于水流方向的确定主要有6种方法:D8方法、Rh08方法、多流向法、Aspect drive方法、DEMON方法和ERS方法。应用比较广泛的是D8方法和多流向法［5］。

D8方法首先将网格X的8个邻域网格编码，流向便可以用其中的一个值来确定，格网方向的编码如图2。

图1网格中(1)，(2)，…，(8)表示 X的 8个邻居;1，2…，128表示X的指向。例:如果格网X的水流流向向左边，其水流方向被赋值16.本文确定流向的思想是:从流域的出口出发向流域上游搜索，逐个确定每个网格的流向。每个网格的流向不仅要考虑它向周围8个邻居的坡度，同时要从全流域整体的思想出发，保证每个格网水流流到流域出口。两个网格间坡度计算公式1如下

Slopei为某个网格同它周围的第i个邻居间的坡度;E、Ei为网格及邻居的高程;DD为两网格间的距离同1，2，3，4号邻居的距离就是网格的边长，同5，6，7，8号邻居的距离是网格的边长乘以。

图2 水流方向编码

1.2.3 汇流累积量

汇流累积量数值矩阵表示区域地形每点的流水累积量。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得到的。汇流累积量的基本思想是:以规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流向地处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处流过的水量数值，便得到了该区域的汇流累积量。

基于无洼地水流方向的计算，得到水流方向方向数据计算汇流累积量。如图3所示，之后在ARCGIS中提取累积汇流量网格，如图4所示:

1.2.4 河流网络的生成

设定阈值，不同级别的河谷对应不同的阈值，不同区域相同级别的沟谷对应的阈值也是不同的［6］。所以在设定阈值时，应通过不断的实验和利用现有地形图等资料辅助检验的方法来确定。利用Map Algebra工具集中的Multi Map Output工具中的CON命令进行有条件查询可得到栅格河网，根据所设定的阈值对整个区域进行判断，其中汇流量大于阈值的栅格，其属性值赋为1，而小于或者等于阈值的栅格设置为无数据。最后对栅格河网矢量化。另外，对生成的矢量化河网数据还可用的高级编辑工具进行平滑处理。河网分级是对一个线性的河流网络用数字标识的形式划分级别。在地貌学中，河流的分级依据河流的流量、形态等因素进行。不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高的河网，其汇流累积量越大。在ArcGIS提供的水文分析中，有两种常用的河网分级方法:Strahler分级和Shreve分级。

图3 汇流累积量

图4 累积汇流量网格

1.2.5 流域盆地和流域的生成

先确定出水点，即该集水区的最低点，然后结合水流方向，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，一直搜索到流域边界，根据汇流累积量网格生成watershed图和流域盆地图。

图5 流域划分结果图

2 结果与分析

生成的watershed图转换为矢量，得到最终的结果图，如图5:中等流域划分的关键是在生成汇流累积量时Map Algebra工具集中的single Map Output Algebra工具中的CON命令设置的值。经过反复试验这里的值设置为20000生成的河流流域较为合理。

3 结论与讨论

ArcGIS软件中的Hydrology工具为水利工作者提供了多种水文信息提取的功能，可以完成累积量、水流长度、河网提取、流域划分等多项水文分析任务。该工具模块下各水文处理工具所采用的算法是科技工作者共同努力和他们对已有知识的继承和发展的结果。通过不断地实践应用证明，这些算法都是相对成熟、有效的，并且随着基于DEM提取流域特征技术的不断发展和完善。利用DEM提取流域水文特征在提高工作效率的同时可以保证数据提取的精度，这对于数字流域的建设、农业工程的规划和水资源管理等方面都具有十分重要的指导意义。DEM中等流域的划分主要是描述流域地形，包括流域划分和自流域边界的确定，河网的识别和提取。随着基于DEM提取流域特征技术的完善和发展，也为进一步提高中等流域的划分。本文首先对DEM进行填洼运算，然后确定每个栅格单元的水流方向，再根据个栅格单元的水流方向，计算汇流累积量，通过设定一个合适的阈值，得到一个适合于中等流域的汇流累积量网格。之后通过汇流累积网格，在此基础上生成流域，就得到了适宜于中等流域的河流划分结果。

［1］Band L E.Topographical partition of watersheds with digital elevation models［J］.Water Resources Resources，1986，(2):15 － 24.

［2］Shreve R L.Infinite topogically random channel networks［J］.Journal of Geology，1967，75:178 －186.

［3］Strahler A N，Quantitative anaysis of watershed geomorphology［J］，Trans.Am.Geophys.Union，1957，38(6):913 － 920.

［4］魏国，姜海，黄介生等.GIS环境下基于 DEM的流域分析［J］.中国农村水利水电，2006，(10):13.

［5］高鑫磊.GIS环境下基于DEM的流域自动提取方法［J］.北京水务，2009，(2):345.

［6］朱红春，刘海英，汤国安等.基于DEM的流域地形因子提取与量化关系研究——以陕北黄土高原的实验为例［J］.测绘科学，2007，32(2):138－139.