基于DEM 的中小流域数字河网提取与分析

宋瑞明，宁亚伟，李敬茹

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，450003，郑州）

水文工作是支撑流域水利工程规划的基础，对工程规模的确定具有重要影响。 流域数字河网是构建分布式水文模型的基础数据， 流域面积、河长及比降等流域特征值是水文分析计算中推求设计洪水的制约性因素。 因此，对于无资料地区的水文工作，如何快速准确地获得数字河网和流域特征值数据显得尤为必要。 随着地理信息系统（GIS）、数字化技术的不断发展和推进，运用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM） 进行数字河网及水文信息提取已经成为一种快速可行的方法。 目前，广泛应用的水文分析模型包括ArcGIS Hydrology、ArcSWAT 和Arc Hydro Tools等， 其中Hydrology 为ArcGIS 内置模块，ArcSWAT 和Arc Hydro Tools 均内嵌于ArcGIS 软件中。 DEM 是数字流域地形特征呈现的常用表达形式，描述了研究区域地面高程的分布情况，包含了丰富的水文、地貌信息，是提取流域水文特征进行河道汇流计算的重要基础数据。DEM 数据类型包括栅格、矢量等高线、不规则三角网（TINs）等，其中栅格数据在数字河网提取及子流域划分中较为常用。 根据前人学者研究的成果，在地势起伏较大的山区， 河网提取的精度较高，而在人为干扰较大的地方或地势平坦区，河网提取适用性较差，但在地势平坦区如何提取精度较高的流域特征值研究较少。 本文运用GIS 平台，通过工程实例对山区、丘陵平原区分别运用ArcGIS Hydrology 工具、Arc-SWAT 模型进行提取分析， 对提取效果进行评价， 探索地势平坦地区河网提取的可行性方法， 为中小河流水利工程前期规划中流域特征值的高精度自动提取提供参考。

一、研究区概况

桂林市位于广西东北部和湘桂黔交界地带，地形复杂多样，中山、低山、丘陵、岩溶石山和河谷平原交错分布。 中山主要分布在桂林市北部、西部和中部海洋山等地，低山主要分布在各大山脉四周，丘陵多分布于中低山与河流谷地之间，岩溶石山和河谷平原主要分布于桂江与湘江两岸。辖区内山脉纵横， 河流水系发达，分布有桂江（漓江段）、古宜河、洛清江、湘江和资江五大河流。桂林市气候温和，雨量充沛，多年平均气温在17.8～18.8℃。 漓江流域多年平均年降雨量介于1 500～2 600 mm 之间，资江流域、湘江流域、古宜河流域、洛清江流域多年平均年降雨量分别为1 779.0 mm、1 704.5 mm、1 521 mm、2 010 mm。 本次研究对象为中小河流， 主要为洛清江一级支流西河、 相思江以及漓江一级支流小溶江、良丰河等。

西河为洛清江的一级支流，上游称龙江， 发源于临桂区黄沙乡围岭村，流向自北西向东南，在永福县城与东河汇合后流入洛清江，干流全长95 km，流域面积1 153 km2，多年平均年径流量16.14 亿m3。 主要支流包括滩头河、寿城河、凤凰河、旧县河、山南河等。

相思江为洛清江的一级支流，发源于临桂区庙头镇沙塘村的乱石山中，流向由北向南，在永福县苏桥镇汇入洛清江，干流全长45 km，流域面积574.6 km2，多年平均年径流量8.53亿m3。 流域中上游属峰林平原地貌，下游属丘陵剥蚀地貌。 主要支流包括沙塘河、蔡塘河、沉桥河、清水河、睦洞河、会仙河、罗锦河等。

小溶江为漓江的一级支流，发源于资源县两水乡塘洞村南，越城岭西南麓，戴云山东南的大坳处，自北向南流，经资源县、兴安县、灵川县境，汇入漓江。 源头高程1 656 m，河口高程175 m，主河长49 km，流域集水面积269 km2。 小溶江流域穿行于越城岭西南之山岭中， 西北高东南低，属狭长形流域，地势陡峻。

良丰河是漓江流经市区南部的一级支流，发源于临桂、永福、阳朔三县（区）交界的香草岩，先由南向北流， 而后至桂林市郊良丰后转向东北，在柘木圩处汇入漓江。 良丰河干流全长58 km， 流域面积534 km2，多年平均年径流量4.99 亿m3。 在大江水库坝址以上属于山区，河流坡降较陡，以下全是平原和丘陵，河道坡降平缓。 主要支流包括奇峰溪、苏河、周家河、大埠溪等。

二、数据来源与研究方法

1.数据来源

研究区ASTER GDEM 30 m 分辨率数字高程数据集来源于美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA），地理坐标系为WGS_1984，采用墨卡托投影，中央经线111°。由于无实测河网资料，用于对比分析的河网数据来源于谷歌地球上描绘的数字化矢量河流数据。流域水文信息基础数据来自于已批复的规划报告、设计报告等相关资料。

2.研究方法

ArcGIS Hydrology 工具通过模拟地表水形成径流的过程，并利用这一模拟过程实现河流、出水口以及流域的提取，为流域水文信息提取提供了便利条件。 Hydrology 使用的是D8 单流向算法，该算法假定雨水降落在某一栅格单元上，该栅格单元的水流只能流入与之相邻的8 个栅格单元之间地形最低的单元中。 如果多个栅格单元的最大下降方向均相同，则扩大相邻栅格范围，直到确定最陡下降方向为止。 该工具河网提取流程主要为：DEM 数据裁剪获得研究区范围内DEM，原始DEM 数据填洼处理生成无洼地的修正DEM，水流方向分析确定各栅格单元的水流流向，流量计算，设置汇流精度进行汇流累积量计算定义最小地表径流， 运用河流链接和河网矢量化工具进行河网提取， 通过捕捉倾泻点工具对出水口数据进行校正，运用分水岭工具进行流域划分等。

ArcSWAT 扩展模块是SWAT 模型在ArcGIS 平台上的图形用户界面，SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美国农业部（USDA）农业研究中心和美国国家自然资源保护委员会联合开发的基于GIS 的分布式流域水文模型， 主要由水文循环过程、土壤侵蚀以及污染负荷三个子模型组成。 其中水文循环过程分为两个部分：一是坡面产流过程，指降雨降落到地表后，经过植被截留、下渗、蒸发后，最终流入河流的过程，该过程主要基于水量平衡原理；二是河道汇流过程， 指各子流域内河流汇集的水、泥沙和污染物等流至出水口的迁移过程，河道汇流计算采用马斯京根法方程。 河网提取和子流域划分是SWAT 模型构建的前提， 其结果对径流模拟成果有较大影响，是模型计算过程中必不可少的步骤。 该部分主要在Automatic Watershed Delineation模块内完成， 利用模块内Burn-in 算法引入实际矢量河网图层，胁迫河网水系的生成， 在此基础上结合D8 算法可得到更为真实的河网水系结果。Burn-in 法由Saunders 提出， 也被称为Stream Burning 法、 凹陷化算法或河道烧录法。 该方法原理为通过强制降低河网所在位置的DEM 栅格高程，使河网部分汇流能力提高，从而改善河网提取精度，并提高流域边界划分的准确性。ArcSWAT 模型提取水系及流域划分主要步骤包括： 定义SWAT 工程、加载DEM、加载或手绘Mask 添加掩膜指定研究区范围、加载实际河网水系以“引导”河网及子流域的生成、指定最小子流域面积生成河网、编辑流域出口节点进行子流域划分、计算子流域参数等。

Hydrology 工 具 和ArcSWAT 模 型计算流程图见图1。

图1 ArcGIS Hydrology 和ArcSWAT 模型流程图

三、结果分析

1.ArcGIS Hydrology 河网提取

基于桂林西中部地区DEM 高程数据， 运用ArcGIS Hydrology 工具对研究区进行流向计算，然后设置阈值提取河网并进行流域划分，流域面积及河长提取结果见表1。 由于研究区对象为中小河流，研究区范围内河流水系等基础资料匮乏，为验证河网提取精度，将谷歌地球上描绘的数字化矢量河网与提取河网结果进行叠加分析。

针对小溶江流域、 西河流域、相思江流域、良丰河流域河网提取及流域划分结果， 根据地形条件分析可知， 小溶江流域地势呈西北高东南低，河道坡降大；西河区域内大雾山山脉主峰大雾山海拔高程1 291.6 m，为永福县和融安县界山，大雾山山脊线明显，呈南北向展布，山脊为流域分水岭； 两流域均为大起伏山地区，流域河网提取走向基本与实际河网一致。 相思江流域地面高程大部分在146～152 m 之间，河床与岸坡高差1～3 m，流域地形平坦；良丰河流域两岸地面高程大部在144～150 m 之间，流域地形平坦，河网偏差均较大。

从流域面积划分结果来看，小溶江流域、西河流域提取流域面积与实际值偏差率分别为-3.87%、-1.98%，偏差较小，相思江和良丰河流域提取流域面积与实际值偏差率分别为18.24%和53.62%，偏差大。从干流河长提取结果分析，小溶江流域、西河流域提取值与实际值偏差率分别为-4.90%、-7.79%， 偏差在可接受范围内，相思江和良丰河流域提取值与实际值偏差率分别为-22.07%和59.33%，偏差大。 究其原因，主要是D8 算法采用8 邻域栅格单元的遍历顺序，直到找到最陡下降方向， 小溶江流域、西河流域山脊线较为明显，河道受两岸山地限制， 栅格单元流向容易确定，河网提取结果与实际情况较为接近；而相思江和良丰河流域多为丘陵平原地貌，河道坡度平缓，流域分界线不分明， 栅格流向受遍历顺序的影响，平缓区所得栅格单元流向方向相同，易产生伪河道，且DEM 垂直分辨率相对于地形落差精度偏低，造成相思江和良丰河流域河网提取偏差大、河流流向及流域提取范围均与实际不符的情况。 因此表明，在地势起伏较大的山地，ArcGIS Hydrology 提取结果与实际情况较为一致，但在地势平坦地区适用性较差。

2.ArcSWAT模型河网提取

基于桂林西中部地区DEM 高程数据，运用ArcSWAT 模型Burn-in 加载实际河网水系， 胁迫河网水系生成， 并在此基础上进行子流域的划分，得到小溶江、西河、相思江、良丰河流域河网水系和流域划分成果，与谷歌地球上描绘的数字化矢量河网进行叠加。

从河网提取结果可以看出，运用ArcSWAT 模型Burn-in 方法修正河网后， 河网生成基本接近实际河网。为进一步验证结果精度，采用流域划分结果与实际流域特征值进行对比（见表1）。可以看出，小溶江、西河、良丰河、相思江流域面积提取值与实际值偏差率分别为1.26%、-1.99%、1.29%、0.12%，河流长度提取值与实际值偏差率分别为6.27%、-6.21%、-0.34%、-7.56%。 可见，相比于流域面积来说， 河长提取值总体偏差率较大， 其原因一是由于汇流累积量计算时设置汇流精度阈值取值较大， 提取的河网分叉较少；二是DEM 高程数据分辨率偏低，模型提取精度受限，因而造成河长提取值偏小。 综合来看，Burn-in 方法修正河网后，模型提取的不同坡度地区流域河网的流向、形态等特征更加趋于真实，流域特征值与实际值符合性较高，能够较好地解决丘陵平原地区流域河网提取的问题，分析结果与其他学者研究成果相符合。

表1 流域特征值提取值与实际值对比分析

3.对比分析

通过运用ArcGIS Hydrology 与ArcSWAT 模型，利用DEM 数字高程数据，提取流域面积、河长等流域特征值与实际值进行对比分析，可知对于位于山区的小溶江、 西河流域，流域面积提取偏差率均在5%以内，河长提取偏差率在10%以内，两模型提取效果均较好；而对于位于丘陵平原区的相思江、 良丰河流域，ArcSWAT模型流域面积及河长提取偏差率均在10%以内，而利用ArcGIS Hydrology工具相思江水系河长提取偏差率达到59.33%， 提取精度明显低于Arc-SWAT 模型。 因此，在地形平坦地区，运用ArcSWAT 模型Burn-in 方法对DEM 修正后，再进行河网提取和流域划分能够取得较好的效果，在项目前期工作中是可行的。

四、结 论

DEM 数据与ArcGIS 软件应用平台为数字河网及流域水文特征的提取提供了有力支持， 本文通过运用ArcGIS Hydrology 及ArcSWAT 模型两种流域特征值提取方法，基于30 m 分辨率ASTER GDEM 高程数据， 对桂林市西中部地区山区和丘陵平原区流域水系进行子流域划分和河网提取， 并与实际矢量化河网进行对比，结果表明：

①基于DEM 数据， 运用ArcGIS Hydrology 和ArcSWAT 模型对山区河网进行提取与子流域划分，水系提取结果均与实际河网走向、形态基本一致，流域面积、河长等流域特征提取值偏差均在10%以内。 因此两种方法均可解决研究区河流水文信息缺乏的问题，广泛适用于各个山区流域的水文分析。

②运用ArcGIS Hydrology 和Arc-SWAT 模型对地势平坦的丘陵平原地区河网进行提取与子流域划分，由于地势平坦地区水流无法沿某一方向流动形成径流，ArcGIS Hydrology 河网提取效果与实际吻合度较差，易产生伪河道；流域面积、河长等流域特征提取值偏差较大，该方法对丘陵平原区适用性较差； 运用ArcSWAT 模型Burn-in 方法对DEM 修正后，河网提取和子流域划分精度均较高，可作为提取丘陵平原地区流域面积等的有效方法，为中小流域水利工程规划前期工作提供科学依据。 ■