基于GIS的数字流域提取和水文网络构建

吴雯希

（梧州水文中心，广西 梧州 543002）

随着“数字地球”和GIS遥感技术的不断发展，数字流域与遥感技术的结合为研究和解决水文技术提供了新手段。近年来，水利行业先后提出了“数字流域”“数字黄河”等概念[1]，将遥感技术工程与水文分析手段相结合，利用分布式或半分布式模型，构建水文网络，描述流域的汇流关系。

本文以北流河流域为研究区，采用ASTER 30MDEM数字高程，探讨流域地理信息特征值和集水面积阈值的影响，建立流域水文网络，为流域水文网络的应用提供依据。

1 研究区概况

北流河是珠江流域西江干流浔江段的一条支流，发源自北流市平政镇，流经北流市、容县、藤县汇入浔江，流域面积9359 km2，河道坡降约为0.47‰，流域中较大支流有：杨梅河、黄华河、义昌河等。流域南高北低，东南及西南方向山峰较多，地表以风化花岗岩为主，属于喀斯特地貌。流域属于亚热带季风气候，受季节性台风和热带风暴影响为主，每年最大降雨及洪水集中在7～9月。

2 基于DEM数字流域特征提取

2.1 数据来源

北流河流域的数字高程数据从中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据官方网站获取。ASTER是一部高分辨解析地表图像传感器，ASTER数据特点之一是随时随地地获取影像，提高分辨能力，在地表绘图、动态监测方面提供了很多可能性。

2.2 数据处理

下载的数据是通过经纬度范围分类定义的，为确保覆盖北流河流域，需要下载北纬22°～23°，东经110°～111°，共4块DEM数据。通过Arc Tool Box里的数据镶嵌Mosaic To New Raster功能镶嵌为一块完整的DEM数据，沿着北流河流域边界裁剪北流河流域DEM数据（见图1），准确的DEM数据是完成水文分析的基础。

图1 北流河流域DEM实验数据

2.2.1 伪地形填洼

DEM数据存在凹陷的洼地，原因是DEM水平和垂直的分辨率有限，虽然采用了分辨率较高的DEM数据，仍无可避免这个问题，需要对DEM数据进行填洼处理，采用高程叠加的原理将平地形成微坡面（见图2），可以看到数据高程值域发生变化。

图2 填洼后的DEM

2.2.2 流向分析

流向是研究水系要素间关系的基础，流向决定了流域的汇流关系。流向分析分为单流向法和多流向法，单流向法最常用的包括D8算法、DEMON算法等。D8算法，即每个栅格单元向东、东南、南、西南、西、西北、北、东北8个方向计算落差，最终确定水流的走向，形成整个流域的流向矩阵（见图3）。多流向法则是在单流向的理论基础上按坡度比例分配给所有栅格单元，按照水流分配权重的不同形成汇流，适用于地形条件相对复杂的区域。本文使用D8单流向法计算，计算结果见图4。

图3 流向方向矩阵图

图4 流域流向数据

2.2.3 汇流分析

汇流分析是基于水流方向确定的，流向矩阵将每个单元上的水量叠加，汇流数值反映了栅格区域的汇水能力。

2.2.4 水系提取与分级

栅格汇流累计成水系，当汇流量达到设定的阈值，超过阈值的汇水面积就会形成水系，而刚好等于阈值的栅格被称为河源[2]。阈值越小，河网越密。因此，对于阈值的选取必须充分考虑研究区域的地形条件，否则会影响后续汇流模拟的结果。为了解阈值的影响，本文分别设定3000、6000、10000、15 000四个汇流积累阈值生成栅格河网（见图5）。

图5 不同阈值下提取的河流网络

通过分析，可以看到阈值越小，河网越稠密；但是当阈值为10 000以上时，许多支流并未归入河网内，与实际河网存在较大出入。阈值大小的选取与土壤地形结构、气候信息、降雨情况等都有关系，山地丘陵地貌阈值的选取一般比平原地貌更大，南方由于降雨多、小河流汇流多，一般比北方阈值更大。

一般确定阈值的方法有两种：一种是河网密度法，建立阈值与河网密度的二阶导数关系，通过明显转折点确定最适阈值范围；另外一种方法是水系分形法，采用盒维数法覆盖河网，建立分维数和集水栅格单元的相关关系，与实际水系进行对比，得到最接近真实情况的阈值[2]。本文选用阈值6000的河网进行分析。

2.2.5 子流域的划分

常用的分布式模型都要对流域进行子流域划分，再根据流域影响因子的不同，包括流域面积、流域形状和地形结构、坡度及土地利用情况等将流域划分为多个子流域进行分析。首先确定流域出水口位置，子流域内汇流量最大的栅格单元为子流域出水口，根据水流方向计算流向该出水口的所有栅格数量，所有流到该出水口的范围组成一个子流域。图6为北流河子流域划分图。

（1）流域面积。北流河流域共有1784子流域，实际提取DEM面积8595 km2，子流域平均面积4.82 km2，大于平均面积的子流域358个，大部分子流域的面积比较小，也反映了该流域水系发达，分布较为密集。图7为流域面积空间分布图。

图7 流域面积空间分布

（2）流域坡度。坡度是表示地形起伏的重要指标，往往在区域水文分析中起重要作用。在DEM数据中，坡度是通过相邻栅格单元的最大坡降计算坡度。流域坡度图见图8，由图8可知，北流河流域最大坡度61.5°，大部分区域的坡度都在20°以下，地形主要由缓坡构成，只有少数的陡坡分布在汇流出口附近。

图8 流域坡度图

（3）河流分级。为了更好地反映水系机构和形态，在汇流累积阈值6000的条件下，运用Strhler分级方法分级。表1为各级别水系特征。

表1 北流河各级河流特征

3 水文网络构建和应用

（1）流域水文网络。水文网络主要是利用地理信息系统提取流域边界点、线、面之间的关系，构成拓扑结构的几何网络，从空间地形上研究自然流域水系情况。水文结点一般是指流域河源点、汇流点以及流域上的监测点等；水文边线包括水流线、流域边界等；水文区域一般是指边线所包围的集水区。水文网络不仅可以统计各要素的特征值，还可以用于描述不同要素之间的相互关系。基于水流流向的基础，构建各水文节点、子流域和全流域上下游关系及汇流关系。

（2）水文网络应用。数字高程模型是建立分布式水文模型的基础，以栅格单元为计算单元，将整个流域划分为多个子流域，根据降雨-径流、泥沙关系以及河网水流演算建立分布式流域水文模型，常用的分析模型如新安江模型、SWAT模型、Top-mod⁃el半分布式模型等，应用数值分析建立相邻网格单元之间的时空关系或利用马斯京根法推求净雨演算汇流过程[3]。

4 结语

水文网络是基于GIS信息处理，利用水文要素点、线、面之间的拓扑关系反映流域水文演变规律。本文以北流河流域为研究对象，利用Arcgis软件对DEM数字高程处理并提取流域水文特征，分析不同阈值对流域提取的影响，阐述了地理信息系统的水文特征处理的基本方法，得到河网分布和子流域分布图，计算出流域坡度及河流级别比重分布情况。水文网络的构建不仅能更加准确反映流域时空分布特性，而且对利用分布式模型研究区域水文演变特征具有重要意义。