基于ArcSWAT的沙颍河下游水系提取试验研究

司家济 高良敏 解志林

摘 要：基于ArcSWAT水系提取功能以及“burn -in”预处理功能提取沙颍河下游水系，结果表明通过“burn -in”预处理后可优化水系提取的精确度；另外，集水阈值与河流密度以及河流数存在幂函数拟合关系，最终确定水系提取的最佳阈值，并与实际水系进行对比研究。

关键词：ArcSWAT；“burn -in”；阈值；河网提取

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.079

水环境治理工作是目前的研究热点，越来越多的学者利用分布式水文模型对水体污染物进行负荷核算，而水系提取是众多分布式水文模型的基础，水系提取的精确度直接影响核算的结果。目前国内外对于水系提取方法较多，如利用Arcgis水文分析模块提取水系[1]、ArcSWAT水系自动提取[2]、基于遥感影像决策树模型提取水系[3]等，SWAT是美国农业部农业中心开发的流域分布式水文模型，可基于Arcgis平台提供快速提取水系功能，但对于平坦区的河流时，所提取的水系与实际水系不符，多出现伪河道，断流现象，因此在提取流域水系前需要对DEM进行预处理，使得提取水系更接近自然水系。杨松[4]通过对DEM进行“burn -in”预处理使得提取水系接近实际水系。刘昱恒[5]运用AGREE算法设置缓冲区、平滑、增益参数对DEM进行修正处理，最终提取出水系基本符合实际水系。本文以沙颍河流域下游为研究区，借助ArcGIS 10.2平台的SWAT模块，通过“burn -in”处理后提取水系，确定最佳集水阈值，使的提取水系与实际水系相符，尝试分析水系与集水阈值见得关系，以期掌握沙颍河下游的水系特征。

1 研究区概况

沙颍河流域下游位于安徽省阜阳市，研究区面积为2696km2，占流域总面积的6.89%，该地区地势平坦，海拔最高49m，最低24m，年平均气温为15℃，无霜期220-230天，平均降雨量820-950毫米。

2 研究方法及數据来源

2.1 研究方法

分布式水文模型ArcSWAT通过Automatic Watershed Delineation模块集结了DEM洼地填充、流向、汇流累积量的计算及水系提取功能，并提供“burn -in”，对实际河网所在栅格进行“强迫”，增加栅格汇水能力，以达到提取水系基本符合实际水系。

2.2 数据来源

研究采用的数据 SRTMDEM 90 m从地理空间数据云网站下载；沙颍河流域下游实际水系从阜阳市1：20万水利工程图中数字化提取。

3 研究结果

利用ArcSWAT提取得沙颍河流域下游水系如图1、2所示，由图1、2可知，阈值为500情况下，未经“burn -in”处理提取的水系出现断流现象，存在多条伪河道，而通过“burn -in”处理后，提取水系与实际水系更加接近。考虑到研究区地势平坦，对DEM进行地形坡度分析如图3所示，发现研究区平均坡度为0.66°，其中坡度低于3°的区域占总面积的99.93%。而李昌峰[6]研究发现地形坡度小于3°所提取的水系与实际水系误差较大。因此，研究区地势平坦是导致提取水系与实际水系相差较大的重要原因，通过“burn -in”处理后，可增加了提取水系与实际水系的符合度。

经过“burn -in”处理后，分别提取7种不同阈值的水系，结果如表1所示，从中可知随着阈值的变化，河流密度以及河流数呈现出一定的变化规律。当阈值从500增加至1000，河网密度从0.377减少至0.269，减少了29%，河流数从324减少至158，减少了51%；当阈值从1000增加至2000，河网密度从0.269减少至0.190，减少了29%，河流数从158减少至79，减少了50%；当阈值从2000增加至3000，分别减少了18%、35%；当阈值从3000增加至4000，分别减少了9%、27%；当阈值从4000增加至5000，分别减少了8%、21%；当阈值从5000增加至6000，分别减少了7%、20%；当阈值超过3000时，随着阈值的增加，河网密度、河流数的降低率逐渐趋于稳定。阈值为500、1000时，出现较多伪河道，与实际河道不符合；当河流为6000时，存在较多河流无法提取。为确定水系提取的最佳阈值，利用多种方式进行拟合分析，发现河网密度、河流数与集水阈值之间幂函数拟合效果最佳，如公式（1）（2）所示，其中R2分别为0.9968、0.9993。

通过研究发现，选取最佳集水阈值的特征应为阈值改变时而河网密度、河流数不随之改变，即幂函数一阶导数为0，或二阶导数为0，拟合曲线存在凹凸特征，而一阶二阶幂函数为单调函数，导数为0时，x值不存在，即最佳阈值应为河网密度、河流数的降低率趋于稳定时的阈值[7-8]。考虑到阈值过大时，部分水系无法提取；阈值过小时，出现部分伪河道。因此，该研究区域水系的提取阈值为4000与实际水系基本符合，如图3所示。

4 结论

（1）利用ArcSWAT模型提取水系，采取“burn -in”预处理后，避免了河流断流现象，减少了伪河道的出现，使得提取的水系更接近实际水系。

（2）集水阈值与河网密度、河流数之间存在幂函数拟合关系，R2分别为0.9968、0.9993。当阈值为4000时，河网密度、河流数的降低率趋于稳定，提取水系与实际水系基本相符。

流域水系提取的精确度影响分布式水文模型的输出结果，本文通过提取沙颍河流域下游水系，以期对该地区农业源污染物入水体负荷核算提供参考。

参考文献：

[1]李俊超，马倩，陶钧.基于ArcGIS的水文流域分析及应用[J].地理空间信息，2012，10（06）：121-123.

[2]贺丹，曹佳云，付晓婷等.基于ArcGIS图解建模的水系自动提取研究[J].地下水，2011，33（03）：128-130.

[3]邓劲松，王珂，邓艳华等.SPOT-5卫星影像中水体信息自动提取的一种有效方法[J].上海交通大学学报（农业科学版），2005（02）：198-201.

[4]杨松，王山东，卓中文等.基于数字化水系修正DEM提取流域河网研究[J].水利与建筑工程学报，2013，11（02）：123-126.

[5]刘昱恒，徐宏根.两种不同DEM处理方法提取的水系比较[J].资源调查与环境，2012，33（03）：206-210.

[6]李昌峰，冯学智，赵锐.流域水系自动提取的方法和应用[J].湖泊科学，2003（03）：205-212.

[7]丰满，张征，朱凌等.基于DEM的滇池流域水系提取及分维值探讨[J].环境科学与技术，2010，33（S2）：11-14.

[8]罗大游，温兴平，沈攀等.基于DEM的水系提取及集水阈值确定方法研究[J].水土保持通报，2017，37（04）：189-193.

作者简介：司家济（1994-），男，安徽巢湖人，硕士研究生在读，主要从事水污染处理研究。

为通讯作者