基于Burn-in和D8法的岩溶区流域边界提取研究

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(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西南宁530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西南宁530004)

0 引言

流域边界提取是区域水量平衡、水资源评价、水环境分析等研究的基础。随着计算机科学的发展，DEM(数字高程模型)已取代纸质地形图成为最主要的流域特征提取数据源[1-2]。为提高流域特征提取精度，不少学者进行了相应研究，例如TURCOTTE等[3]将Chaudière流域的数字河流信息与DEM进行融合，对栅格的流向进行修正，从而提高了该流域河网的提取精度；刘学军等[4]以比汇水面积为研究对象，对D8、Rho8、Dinf、FMFD和DEMON这5种流向确定方法进行对比，结果表明Dinf和DEMON的模拟结果要优于其他算法；彭培等[5]利用Agree算法对湖北阳新县地区的DEM进行预处理，使得提取出的河网更接近真实情况；张维等[6]将数字化河道信息与DEM进行融合，并利用D8法在平原区的秦淮河流域特征提取中得到了较好的效果；吴用等[7]利用Burn-in法对内蒙古河套平原地区的DEM进行预处理，最终提高了平原区流域边界提取的准确性。目前对基于DEM的流域特征提取研究，主要集中在河网的识别上，而对于流域边界提取研究相对较少。特别在岩溶区流域，由于地下岩溶发育，明暗河流错综交替，流域边界往往难以准确划定，从而对岩溶区的水量平衡、水资源评价、水环境分析等相关研究带来较大影响。因此，对岩溶区流域边界划分研究具有重要意义。论文基于Burn-in法和D8法对岩溶区流域边界提取进行研究，以资为岩溶区流域水文水资源相关的基础性研究提供服务。

1 研究区概况

图1 澄碧河流域水系分布Fig.1 Chengbihe reservoir water distribution

澄碧河流域为广西典型岩溶区流域，流域内主要河流为澄碧河。澄碧河属西江水系3级支流，河流发源于凌云县青龙山北麓，沿青龙山脚向北流，在弄桃附近潜入地下，反向伏流约20 km后于凌云县城东侧2 km的水源洞流出形成明河；再折往东南方向，流过约30 km后穿过八仙洞，流出后转向西南，经过15 km后进入浩坤溶洞；河流从浩坤溶洞流出后，往下游再流经坡帖、平塘、林河后到达澄碧河水库坝首，坝下河流再流经7 km最终汇入右江[8]，澄碧河流域水系分布如图1所示。流域在浩坤—弄塘以上部分多见伏流河、落水洞和天窗，为典型的中国西南岩溶区地貌；弄塘以下地区植被覆盖良好，林木密布，属丘陵地貌。流域从2001年起布设了13个水情测报站点，其中坝上、平塘、浩坤和下甲为水文站，下塘、百练、林河、凌云、朝里、弄塘、介福和东和为雨量站，坝下为水位站[9-11]。

2 研究方法与数据

2.1 Burn-in法

Burn-in法由SAUNDERS[12]于1996年提出，该算法也被称为Stream Burning法、河道烧录法或凹陷化算法。其原理是通过强制降低河网所在位置的DEM栅格高程，从而使得河网部分的汇流能力提高(原理示意见图2)。Burn-in法具体操作可分为4步：①输入河网的矢量信息；②将河网矢量转化为栅格；③降低河网栅格对应DEM高程；④对被降低DEM周边的栅格进行平滑化处理。本次研究Burn-in法使用的岩溶区地下河网信息来源于2013年澄碧河水库除险加固设计报告[13]。

2.2 D8法

D8法由O’CHALLAGHAN等[14]于1984年提出，该方法又称为最大距离权落差法或坡面流累积法，属于单一流向算法，通常运用于流域河网提取或边界划定。D8法在划定流域边界时，以栅格DEM数据为基础，假定每一个栅格周边有8种可能流向，而实际流向是沿着坡度最陡的方向。通过确定每个栅格的流向，建立流向矩阵，在指定流域出口位置后，通过对流向矩阵进行搜索，找出所有汇水至出口位置的栅格，从而确定流域边界(原理示意见图3)。D8法具有原理简明、操作简单、运算效率高的特点，被集成到了ArcGIS水文分析工具箱、Arc-SWAT、Arc Hydro Tool等软件当中，运用较为广泛。本次研究使用的原始DEM来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)的ASTER GDEM 30 m分辨率数据。

2.3 SWAT模型

为了检证提取流边界的合理性，论文采用SWAT模型来进行径流模拟检验。SWAT模型于20世纪90年代由美国农业部农业研究中心(USDA-ARS)开发提出，模型可以运用于流域水量平平衡、地表径流模拟、输沙量模拟、污染物模拟等方面。SWAT模型是基于水文响应单元(HRU)的分布式水文模型[15]，进行地表径流模拟时需要输入DEM数字高程信息、土地覆盖类型数据、土壤类型数据以及降雨等气象资料。

本文驱动SWAT模型的DEM数据来源于ASTER GDEM 30 m，土地覆盖类型数据来源于黑河数据中心网站的1km精度IGBP DISCover数据集，土壤类型数据来源于联合国粮农组织FAO网站的世界土壤数据库HWSD，降雨数据来源于澄碧河水库12个雨量站2002～2014年实测降雨数据，气温、辐射、风速等天气数据来自CMADS(SWAT模型中国大气同化驱动数据集)和SWAT-Weather(SWAT天气发生器)的模拟数据，径流数据来自坝首水文站2002～2014年的实测资料。

SWAT模型率定参数选用土壤容重(SOL_BD)、SCS径流曲线系数(CN2)、基流消退系数(ALPHA_BF)、主河道曼宁系数(CH_N2)和土壤蒸发补偿系数(ESCO)[16]；模型率定期选取为2003～2011年；模型验证期选取为2012年～2014年；模型迭代次数选取为30次；模拟效果利用R2(决定系数)和Ef(纳什效率系数)检验，计算公式如下：

(1)

(2)

3 结果与分析

3.1 流域边界提取

研究首先使用D8法对原始DEM进行流域提取，投影坐标选择WGS84-UTM-48N，在经过填洼、指定流向、累积汇流、指定出口、流域提取等操作后，得到澄碧河流域划分如图4所示，将该流域划分命名为流域A，对应面积为1 558.14 km2。之后，采用Burn-in法对流域DEM进行预处理，利用Arc-SWAT软件的Burn-in工具将流域的地下河分布输入模型并使地下河对应位置的DEM高程下降，此时地下河被“显化”成为地表河流，在此基础上再使用D8法来确定地下河对应的岩溶区流域边界，补充后的澄碧河水库流域边界如图5所示，将该域划分命名为流域B，对应流域面积为2 035.26 km2。Burn-in法处理后，提取出的流域面积扩大了447.12 km2，增加的部分集中在凌云、东和、介福等地，土壤类型主要为铁硅铝土、黄棕壤土和裸露岩石。

图4 原始DEM流域边界
Fig.4 Watershed from Original DEM

图5 DEM Burn-in处理后流域边界
Fig.5 Watershed from Burn-in Treatment DEM

3.2 流取边界合理性分析

基于SWAT模型的2种逐月径流模拟结果见图6；径流模拟的R2和Ef见表1；国际常用的Ef评价标准[17]见表2。

图6 径流模拟结果Fig.6 Runoff simulation results

表1 径流模拟系数对比Tab.1 Comparison of runoff simulation coefficient

表2 Ef评价标准Tab.2 Ef evaluation criterion

由图5可以看到，流域A与流域B径流模拟结果整体上与实测值较为吻合。在率定年的汛期，流域A的峰值模拟略微呈现低估，流域B略微呈现高估；在率定年的非汛期，流域A与流域B模拟结果均存在低估；在验证期，流域A的模拟结果整体呈现低估，流域B则拟合较好。

由表1的计算结果，从R2分析，流域A和流域B径流模拟的R2均较高，两者数值接近，拟合相关度较好。流域A在率定期的Ef为0.76，验证期为0.60，拟合效果出现较明显下滑，按Ef评价标准，验证期的模拟结果为“不合格”；流域B在率定期的Ef为0.85，验证期为0.83，拟合效果较为稳定，按Ef评价标准，验证期的模拟结果为“良”。

在基于SWAT模型的径流模拟中，在相同的模拟次数和参数个数条件下，流域B检证期的Ef达到了0.83，要显著优于流域A的Ef为0.60的模拟结果。结合研究区流域的实际地物分析，流域B的边界，涵盖了流域源头的青龙山北麓，以及东和与介福雨量站；流域A的边界则未包含上述地点。综合上述分析，流域B的划分优于流域A，其结果更为接近研究区的真实情况。

4 问题和讨论

① 对于包括岩溶区在内的非闭合流域，流域边界提取应依据地下分水线。本次流域提取研究，只收集到了地表DEM数据，在使用D8法进行流域提取时假定了地表分水线与地下分水线重合，因此提取出的流域边界与真实情况存在一定误差。

② 流域B面积为2 035.26 km2，流域提取基于水平方向30 m精度的DEM数据，流域边界为30 m×30 m方格构成，因为边界上的方格在水平误差范围内，这些方格可能存在也可能不存在，因此，根据边界上方格的数目就可以计算出其对应的面积误差。经统计，本次流域B的边界共有8 007个方格，对应的面积误差为±7.21 km2，因此本次提取流域面积的真实值介于2 028.05 km2到2 042.47 km2之间。

5 结论

由于岩溶区地下暗河发育，基于原始DEM提取出的流域边界会出现不同程度的缺失；把Burn-in法与D8法结合，对岩溶区的DEM进行预处理，将地下河流“显化”，结果使得流域边界得到补充；将Burn-in法处理后的流域边界利用SWAT模型进行径流模拟，模拟出率定期的Ef为0.85，验证期为0.83，其结果要显著优于Burn-in法处理前的流域边界。研究结果表明，在岩溶区将Burn-in法与D8法结合提取出的流域边界，比于单纯利用D8法提取出的流域边界更为接近流域的真实情况。