基于DEM的珠江三角洲地区水文特征模拟与分析

刘凤梅，黎义勇，肖 攀，曾 敏

(中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205)

0 引 言

数字高程模型(DEM)被广泛用于国家地理信息基础、三维可视化显示、地形地貌微特征、地学调查监测等诸多学科及科研领域[1]。目前，国内外学者均研发出了多种能生成数字流域模型的成熟可靠的算法和软件，利用DEM数据模拟地表水文特征，提取流域河网及汇水区域的方法已得到广泛认可，对于快速的大区域和大面积掌握地表水文特征、查清河流污染物区域流向、研究流域地表信息、生态环境演变及防灾减灾、重大工程设施选址都有着重要的意义，为水文相关研究工作中提供了快速有效的科学方法，是我国水文模型研究应用与发展的必然趋势之一。

ArcGIS平台全面的空间分析功能、强大的数据处理能力，可以快速准确地表达DEM模型中所包含的地形地貌、水文等信息，能够反映各种尺度的地形特征及流域网格之间的关系。本文基于ArcGIS10.2中的水文分析工具，对珠江三角洲平原进行水文特征模拟分析，可为珠江三角洲水资源管理评价、土地利用及生态建设规划等方面提供依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

工作区为珠江三角洲河网区，区内河网水道纵横交错，形似网状，有重要水道26条，总长1 600 km，汇水面积26 820 km2，由西四门(磨刀门、鸡啼门、虎跳门、崖门)及东四门(虎门、洪奇沥、蕉门、横门)共八大口门组成，随后注入南海。

区内网河地势平坦，浅滩较多，河面开阔，支流密集，河床纵坡成波状起伏，坡降较小，水系径流大、汛期长、含沙量低，丰水季节洪涝灾害多发，枯水季节多发咸潮上溯。年径流量在3 054.96亿m3以上，每年4～9月份为汛期，受台风大潮影响，汛期流量占年径流量的76.71～89.31%。各江河平均含沙量0.109～0.302 kg/m3，每年进入三角洲河口的悬移质泥沙总量达8 422.1万吨，最大约为1.5亿吨，这些泥沙中95.2～99.41%是随汛期洪水下泄至各口门内外，淤成浅滩。

1.2 研究区数据源

水文分析中需要使用的基础图件均由DEM根据不同算法和流程生成，要达到较好的效果，必须选择数据质量精度高、效果好的DEM[2]。本文选用覆盖全球80%地区的SRTM3数据作为数据源，该数据在中国境内全覆盖，获取便利，质量符合地表水文特征模拟分析的需求。获取数据后，在ARCGIS10.2的环境中，对数据进行镶嵌、投影变换、裁剪，生成珠江三角洲流域DEM(图1)。

图1 珠江三角洲流域数字高程模型

2 ArcGIS水文分析内容及方法

2.1 ArcGIS水文分析内容

ArcGIS软件平台所提供的水文分析模块，进行洼地填充或削峰而后完成径流方向、汇流累积量、水流长度、河流分段、河流网络等一系列水文因子的提取，并通过这些水文因子提取流域盆地，捕捉汇流点，最终确定汇水区出水口，同时实现对研究区的流域分割，具体模拟分析流程如图2所示。

图2 水文分析流程图

2.2 水文分析方法

2.2.1 水流方向分析

确定水流方向的算法有很多，本文采用D8单流向算法，结合DEM高程栅格特征，根据水流依附地势从高到低的流动规律[3]，计算每一个高程栅格单元周围8个栅格的高程，采取其与邻域栅格之间的最大值，即最大高程差作为水流方向，以此计算出的结果称之为单元流向栅格图，显示了水流离开此单元格时的方向，每个单元格的属性数值表示的含义，从20～27分别代表了E、S、W、N、NE、NW、SE、SW 8个流向，以此来确定水流的方向(图3)。水流方向不合理的地区即为洼地，通过对洼地进行填充实现无洼地处理。

图3 单元流向栅格示意图

2.2.2 汇流累积量计算

计算水流方向栅格矩阵，是获取汇流累积量数据的必要条件，是地表径流模拟过程中不可或缺的一步。利用水流方向数据，即可计算经过该单元栅格的上游栅格数量，数量越多，表示累积汇流量越大，该栅格所在区域也越容易形成地表径流。可用2种方法解释：① 高累积值的像元流量大，一般对应于河道，而0累积值的像元则没有流量经过，通常为山脊线(流域分水岭)。② 如果乘以像元大小，所得像元值等于排水面积[4-5]。流域的汇流能力是由确定流入本栅格的累积上游栅格数目而生成的。其算法具体描述为：以每个栅格单元格为初始点，依次对水流方向矩阵进行扫描，根据水流方向追踪，直到DEM边界[6]，通过计算栅格数目即可确定水流方向和汇流量。

水流方向及汇流量是决定水流长度的重要因素，水流长度直接影响地表径流的速度，进而影响土壤的侵蚀力，因此，水流方向、汇流量、水流方向的提取与分析在水土保持工作中亦有重要意义。

2.2.3 河网提取分析

在前面计算得到累积汇流栅格矩阵的基础上，给定合适的集水面积阈值，通过栅格计算得到河网的栅格形式，再进行栅格河网矢量化，得到矢量格式的河网。集水面积阈值的取值大小与流域地形特征、下垫面状况等多种因素有关。阈值越小，提取的河网就越精细，反之，则越稀疏。

2.2.4 流域盆地的确定

流域盆地又称汇水区域、集水盆地、集水区域，是指地表径流汇聚到一个共同的出水口所流经的区域[7]，由形态各异、长度不等的大小水道联合而成的封闭区域，流域之间被分水岭所分割。同时，每个水道都有其汇水范围和流域面积，形成了汇水区域中的子流域，较大的流域通常由这些子流域联合而成[8]，决定性因素为相同的出水口。

3 珠江三角洲水文特征分析

3.1 无洼地DEM的水流流向提取

DEM的质量决定了水流流向提取的精确度，因此，需先检查DEM是否存在单点洼地或范围较小的独立洼地，这些洼地都是由于高程差值、设备差异、技术人员水平差异等因素而产生的。这些“洼地”在计算水流方向时会使水流流向出现偏移，甚至是出现倒流的情况，影响准确的水文因子提取，给水流路径的跟踪带来极大的误差。因此，在进行水文特征分析前需要对这些“洼地”进行削峰或填洼，经该填充处理后的DEM会更平滑，其生成的水流方向矩阵能更好地确定流向和流域边界。对珠江三角洲经济区DEM数据进行无洼地DEM处理后生成的水流方向如图4所示。

图4 珠江三角洲流域水流方向图

3.2 生成河网、子河网

人类活动离不开水，精细的掌握河网的分布，对人类活动的合理安排有着至关重要的作用。珠江三角洲流域水系丰富，河网密集，为了体现其主要水系，又不至于生成太多细小河流，经过反复试验，发现设定阀值10 000来模拟水系栅格图较为合适。根据设定的阀值，对栅格数据进行重分类，将大于阀值的栅格值设为1，小于或等于0的栅格值设为无数据，最终值为1的数据形成栅格河网数据，提取出的研究区河网如图5所示。

图5 珠江三角洲水系栅格图(阀值10000)

图6 珠江三角洲流域盆地范围及出水口位置图

3.3 珠江三角洲流域盆地

流域盆地的核心是汇水区域和出水口，先对珠江三角洲水流方向进行分析计算，提取汇水区域，然后确定水流方向栅格同一流域边缘出水口的位置，即在进行流域盆地的划分中，所有流域盆地的出水口均处于同一排水区域的边缘。当确定了出水口位置后，也就找出了所有流入出水口的上游栅格位置，对珠江三角洲水流方向数据的分析计算，提取出所有相互连接，拥有共同出水口，并处于同一流域的栅格，即为研究区流域盆地(图6)。

随着人类活动的加剧，流域盆地已成为区域人地关系十分敏感而复杂的地理单元，以水为枢纽，将流域盆地内各自然地理要素，如流域盆地面积、地形、温度、湿度、降雨量、植被、土壤等自然地理要素连接成一个不可分割的整体，进而直接影响到流域内土地利用状况，进而与人类活动相互影响。

3.4 提取流域盆地出水口

出水口是每个流域盆地中水流的终点，即一个整体单元中的地势最低点，其获取方式是通过水文分析自动提取再结合人工筛选。水流流向数据和汇流累积量数据的计算过程中，可以得到河网的结构信息，其中记录着河网节点之间的连接信息。这些节点信息代表着每条弧段连接着两个作为出水点或汇水点的结点，或者连接着作为出水点的结点和河网起始点[9]。相对而言，弧段的终点就是该汇水区域的出水口所在位置，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将其分为一个个的小的集水盆地。因此，将此出水口矢量文件与流域盆地叠加，即可获取各层次流域盆地的出水口位置。

4 结 语

(1)本文对珠江三角洲地区地表水文特征进行模拟分析，提取了研究区DEM数据中的地表水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络等特征因子，通过对流域的分割模拟了珠江三角洲流域盆地范围，并对流域出水口位置进行了确定。ArcGIS的水文分析模块可以迅速、快捷的提取水文模型，选择精度合适的DEM数据，不仅能提高效果、保证数据提取的精度，还能降低成本，对水资源流域规划管理评价、生态建设规划及其演变规律分析，土地利用，农业工程的规划和水污染控制中发挥重要的指导意义。

(2)生成河网时对栅格数据重分类的阈值不能一概而论，区域不同阈值不同，需要根据根据研究区水系密集度以及研究的需要设定合适的阈值，才能模拟出最佳河网，尤其是平坦地区，水系提取阈值的选取还可以做进一步的改进，研究空间比较大。