新安江模型与GIS集成框架和方法研究

毛 星，余其鹏(.河海大学地理信息科学与工程研究所，南京 0098；.镇江市规划信息中心，江苏 镇江 000)

0 引 言

早在20世纪90年代初期基于GIS技术的建模集成框架就已经在水文研究中得到使用[1]，随着水文模型在涉水行业和水科学研究中的作用越来越显著，涉水数据模型与模拟模型的集成逐渐成为一个重点和难点的问题[2]。目前有许多将GIS与这些水文模型结合的典型案例，例如将水文模型与GIS的经典软件ArcGIS集成的经典模型，ArcHydro模型、ArcSWAT模型等[3,4]。由于水文过程的复杂性和多变性，这些水文模型在各种参数和输入条件尽量简化了的情况下，只能尽可能真实的模拟水文循环过程而不能完全的替代[5]，如何高效无缝的集成GIS与水文过程模型是研究的一个重要方向。

本研究使用Model builder工具和跨平台编程语言Python构建水文模拟模块。将新安江模型划分为河网提取、流域划分、产汇流模拟等水文模拟过程，借助Add In开发方式最终将模块集成到模拟系统。

1 新安江模型简介

新安江模型是由河海大学赵人俊教授于20世纪80年代提出的[6]，是在对新安江水库工作入库流量预报工作中提出来的模型，是一个完整的降雨径流流域水文模型，它可以用于湿润、半湿润地区[7]。新安江模型将流域分成多块单元流域，然后在每个流域单元内计算产汇流，得到每个单元的出口流量过程。再经过出口以下河道洪水计算，得出流域出口流量过程。最后通过每个单元流域出流过程叠加，得到流域出口总的出流过程[8,9]。新安江模型的研究阶段分为二水源新安江模型、三水源新安江模型和新安江模型改进研究3个阶段[10]。

新安江模型的计算方法和结构可以分为4大部分[11]，分别是蒸散发计算、产流量计算、分水源计算和汇流计算。

2 新安江模型集成框架

2.1 模型集成实现方式

系统的集成过程通过以下3个具体步骤完成：

(1)Model builder建模。Model builder即模型构建器，它是创建模型和工具的一种方式，它是ArcGIS、ERDAS、ENVI等专业软件中自包含的、模型化的模型构建器。它使用模型定制工具，对业务流程进行定制，以描述模型的发生、发展、完成过程，并实现对整个地理处理过程的监控。模型应用构件可以使得模型的建立、修改、管理、查询等更规范、更便捷。Model builder除了有助于构造和执行简单工作流外，还能通过创建模型并将其共享为工具来提供扩展 ArcGIS 功能的高级方法。模型构建器甚至还可用于将 ArcGIS 与其他应用程序进行集成。本研究将在Model builder中构建地理处理工作流程。

(2)Python关键模块编写。Python语言是一种不受局限、跨平台的开源编程语言，它的功能强大易学。ESRI已将Python完全纳入ArcGIS中，水文循环过程中的蒸散发模块、水源划分模块、产汇流模块核心模块均需要借助Python通过调用ArcPy站点包和编写计算程序，实用高效的执行地理数据分析、数据转换、数据管理和地图自动化创建。

(3)桌面扩展--Add-In开发方式。将前两部分完成的地理处理的工作流程采用Python Add-in即Python加载项的方式集成到ArcGIS10.1桌面系统扩展中。Add-in是一种自定义项，它可以插入到ArcGIS for Desktop应用程序(ArcMap、ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe 和 ArcScene)中，开发出类似ArcHydro、ArcSWAT等行业模型工具集。

2.2 地形预处理模块

流域地形处理模块主要功能是通过调用水文分析工具在Model builder中设计河网提取模型，根据流域对流域DEM自动校正和河网提取，主要分为5个步骤如图1所示。

图1 河网提取处理流程Fig.1 River network extraction process

(1)洼地填平，DEM洼地(水流积聚地)有真实洼地和数据精度不够高所造成的洼地。洼地填平的主要作用是避免DEM的精度不够高所产生的(假的)水流积聚地。洼地填平使用的是Fill工具。

(2)水流方向计算，使用上一步所生成的DEM为源数据了(如果使用未经洼地填平处理的数据，可能会造成精度下降)。这里主要使用Flow Direction工具。输入的DEM采用第一步的结果数据。

(3)水流积聚计算，使用Flow Accumulation工具流向。栅格数据就是第二步所获得的数据。这时生成的水流积聚栅格已经可以看到所产生的河网。通过产生的河网的支流的像素值作为阀值来提取河网栅格。

(4)提取河网栅格，使用Spatial Analyst中的栅格计算器，将所有大于河网栅格阀值的像素全部提取出来。至于这个阀值是多少因具体情况而定。通常是要大于积聚计算后得到栅格的最低河流像素值。这里采用的是1000。最后生成只有0、1值的栅格数据。其中1表示是河网，0是非河网。

(5)生成河网矢量，使用Stream to Feature工具。输入值为第四步只有0、1值的河网栅格。流向栅格使用第二步所生成的栅格数据。

2.3 水雨情监测模块

水雨情监测模块将实时数据和历史水雨情的空间检索、查询、统计进行对比，并以多种方式显示、表达和输出，使水情、预测预报可以更方便和快捷，为决策者提供分析决策的依据。流域数据库中涉及到的水文站、雨量站站点信息和观测信息进行实时查询，并且将历史查询结果和传感器实时数据做比较分析，为决策者提供数据支持过程如图2所示，总共分为5个小部分。

(1)首先通过输入站点和时间信息，通过①、②在数据库查询语言在数据库中检索站点的降雨和流量数据，输出数据通过③、④以表和图的形式输出。

(2)通过⑤综合分析降雨和流量数据，和历史数据进行比较，划分预警等级为决策提供依据。

图2 水雨情查询处理流程Fig.2 Water and rain query processing

2.4 水文模拟模块

水文中模拟模块是整个模型的核心。模块采用地理处理工作流定制方法，使用Model builder建模和python关键模块编写相结合的方法，即在模型中嵌套子模型，这样做的好处是不仅能使整个模型的进程清楚，而且可以单独调用某个子模型以得到想要的结果，也可以将子模型提取出来集成到其他的水文模型中，提高了共享的能力。对于整个模型来说更方便修改和管理，如果模型需要修改和调整只需要修改某个子模型而无需对整个模型进行调整，提高了工作效率。

图3为模型的核心模块，是基于新安江模型的地理处理工作流程，由图可以看出将整个模拟模型分为了4个子模块，分别是产流模块、汇流模块、蒸散发模块、水源划分模块。

图3 水文模拟计算处理工作流Fig.3 Hydrological simulation processing workflow

3 模拟结果验证

在建立好上述集成模型框架的基础上，研究选取河南省汝河流域为试验区，取新蔡站2005、2006两年的模拟值与实测值进行验证，模拟结果如图4所示，由模拟结果可以看模拟值与实测值变化趋势基本吻合，这两年的模拟值与实测值的相关系数R2分别为0.872 5和0.875 2，相关性均较高，说明模拟效果良好。

4 结 语

研究采用可视化的建模工具Model builder将水文模拟模

图4 水文模拟模块的新蔡站模拟结果图Fig.4 Result of Hydrological simulation module in XinCai

型细化为4个子模块(蒸散发子模块、产流子模块、汇流子模块、水源划分子模块)。将模拟模型打包以Python Add-In方式扩展到GIS专业软件中，提高了模型的可操作性为水文过程模型与GIS的集成提供了新的方法。对汝河流域新蔡站的应用研究表明，集成系统在数据管理、操作方式、结果可视化方面都具有明显的优势，提高了新安江模型的应用效率，使新安江模型在实际应用中更加方便。

□

[1] D Z Sui,R C Maggio. Integrating GIS with hydrological modeling: practices, problems, and prospects[J]. Computers, Environment and Urban Systems. 1999, 23(1): 33-51.

[2] 朱雪芹，潘世兵，张建立. 流域水文模型和GIS集成技术研究现状与展望[J]. 地理与地理信息科学，2003,19(3):10-13.

[3] Douglas-Mankin K R, Srinivasan R, Arnold J G. Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model: Current developments and applications[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2010,5(53):1 211-1 250.

[4] 朱思蓉，吴华意. Arc Hydro水文数据模型[J]. 测绘与空间地理信息，2006,29(5):87-90.

[5] 金 鑫，郝振纯，张金良. 水文模型研究进展及发展方向[J]. 水土保持研究. 2006,13(4):197-199,202.

[6] 赵人俊. 流域水文模拟-新安江模型与陕北模型[M]. 北京: 水利电力出版社, 1984.

[7] 华东水利学院. 中国湿润地区洪水预报方法[M]. 北京: 水利电力出版社, 1978.

[8] 舒 畅，刘苏峡，莫兴国，等. 新安江模型参数的不确定性分析[J]. 地理研究，2008,27(2):343-352.

[9] 刘金涛，宋慧卿，张行南，等. 新安江模型理论研究的进展与探讨[J]. 水文，2014,34(1):1-6.

[10] 徐宗学. 水文模型[M]. 北京: 科学出版社, 2009:525.

[11] 赵人俊，王佩兰. 新安江模型参数的分析[J]. 水文，1988,(6):2-9.