基于DEM数据提取水系在文得根水利枢纽中的应用

宋桃云，刘可新，郭履敏，范志军

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038；2.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司文得根枢纽分公司，内蒙古乌兰浩特137400）

0 引言

数字高程模型（DigitalElevationModel简称DEM）是地表系统科学相关研究的基础数据，在全球尺度范围内可免费获取DEM数据下，相对于大比例水系地形图的流域水系提取办法，运用GIS技术和DEM数据的数字化提取水系更加精准。DEM是地表形态过程研究的重要基础数据手段，不断提升的数据分辨率，且包含了丰富的地理信息，被研究者广泛应用在水文、地质、生态等领域[1，2]。GIS和遥感观测技术发展较快，研究一个地区的地形和地表水系的提取逐渐向着高精度数字化和自动化发展，利用DEM数据对水系的数值化提取是当前研究流域水系的热点[3]。由于实际地形中存在凹陷、洼地和平缓地带，DEM处理数据过程中对于此地带的栅格单元需要作预处理[4，5]。网格和阈值的合理选择对数字水系提取影响也较大[6，7]，利用ArcGIS10.2软件中HydrologicModel模型，进行文得根水利枢纽基于DEM数据的流域水系提取，选择合适网格和阈值，为流域水系特征提供参考。

1 研究区概况

文得根水利枢纽工程坝址位于内蒙古自治区兴安盟扎赉特旗音德尔上游90km，作为内蒙地区的骨干性控制工程，是引绰济辽输水工程的水源工程处。在建的引绰济辽工程为大（1）型Ⅰ等工程，是一项从嫩江支流绰尔河引水到西辽河，向沿线城市及工业园区供水的引水工程，由文得根水利枢纽和输水工程两部分组成。工程施工总工期为56个月，预计2022年9月完工。

2 DEM提取过程

下垫面的不同和空间降雨分布的不均匀会带来水文要素之间的差异性，利用研究流域的数字高程模型DEM创建水系关系，提取水系坡度、水流流向，以及如何汇流，最终得到研究流域的面积等在内的空间参数，利用GIS软件构建整个水系的数字河网拓扑结构。

研究中的DEM数字高程数据来源于地理空间数据云中DEM数字高程数据（http：//www.gscloud.cn/sources），在GDEMV230M分辨率数字高程数据下载原始数据，从原始的DEM提取模拟河网有很多与实测河网不一致的地方，主要原因：1）所研究流域的数据提取中，一些栅格的高程会不同，就会导致上游断面形成一个“洼地”，特别是研究区在山区、盆地等地形；2）在平原地区高程差别较小，特别是有些区域的河道较为密集，这样提取出来的模拟河网就与实际河网不一致。为了使提取到的流域河网更贴近实际情况，要对原始DEM进行修正。DEM水系提取流程见图1所示。

图1 DEM水系提取流程示意图

2.1 原始数据下载

首先得到引绰济辽工程中控制点文得根水库所在绰尔河流域的位置，根据经纬度下载原始图片进行组合。若流域大概位置及流域大小清楚，就可以判断组合后的范围是否包含所研究流域，过大则可裁剪以提高GIS运行速度。

2.2 DEM预处理

流域水文分析是建立在无洼地上的DEM数据提取水文特征，为了确保提取的流域水系是连续的，要求一定高程的斜坡且不能有小平原、洼地等地形，但是实际操作中普遍存在小平原和凹陷洼地，洼地的存在会阻碍自然水流流向，导致提取发生错误，这就要在流域提取之前对洼地进行填洼预处理，让凹陷点的高程等于周边各点的最小高程，得到填洼后的DEM。

水流流向的确定是地表径流模型的基础，地表径流总是从高地势向低地势流，最后经过流域出口排出，根据水流方向的确定有单流向法（SFD）和多流向法（MFD）。最常用的单流向法是D8法，通过计算中心栅格单元与相邻8个栅格的最大距离落差值来确定，若差为正值，则为流出，否则为流入。有8个可能的方向值，对应着水可以流入8个相邻的网格。

按照最陡坡度原则设定水流方向，坡度计算公式为：

式中：hi为栅格单元的高程；hj为相邻栅格所在单元的高程；D为栅格与栅格中心之间的距离。

按此原则利用流向工具依次计算所有网格点的流向栅格，便可得到最大水流方向。

2.3 汇流累积量

汇流累积量是其上游所有栅格按照最大坡度的水流方向汇流下来，汇流累积的数值越大，地表径流越容易出现。汇流累积量是通过在已经填洼的DEM基础上得到。

2.4 水流长度

水流长度为计算沿每个栅格的流向路径的上游（下游）距离或加权距离。

2.5 栅格河网

一旦汇水流量较大达到一定值，就会产生地表径流，当汇流量超过临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由水流路径构成的网络就是河网。把平坦区域的实际河网进行栅格化，将河流流过的栅格赋值为1，其他则赋值为0，把栅格化的河流进行叠加，同时保持河道所有格网的高程不变，其他非河道上的格网高程值在整体上要添加一个极小值，即人为使数据栅格中平坦区域的河道与非河道所在格网的高程值出现差值，这样提取的水系与实际水系更加吻合。河网提取阈值与河网密度具有极大的相关性，当有提供的流域图作为参考时，就比较容易找到合适的阈值范围。

2.6 流域分割及确定

分水线包围的区域称为水系的流域，所包围的区域面积就是流域面积。流域是指一条河流或水系的集水区域，较大的流域往往是由若干较小的流域所联合组成的，而每一个水系都有自己的特征、自己的汇水范围，河流从这个集水区域获得水量的补给形成大流域。

1）水系生成

在该集水区的最低点确定一个出水口，然后根据水流方向数据搜索所有经过该出水口的上游栅格，当所有的研究区的栅格都确定了位置，就搜索到流域的边界，即分水岭。由分水岭分割而成的汇水区域，计算后的河网分布见图2。

图2 流域河网分布

2）流域水系生成与对比

对比利用大比例水系图为主的流域水系划分结果，存在一些无法避免的缺点，主要是人为影响因素较大，流域面积大小出现误差，流域水系会有不连续现象，见图3。对于非平原区，利用DEM水系提取结果精度较高，可按照日后工作要求对多级水系设定阈值大小，方便操作，流域边界呈自然走势，比较符合流域自然状态。见图4。

图3 大比例水系人工划分的结果

图4 文得根水库DEM流域水系提取

3 总结

利用DEM数据提取方法对文得根水利枢纽控制的流域水系进行了提取，针对重要影响因素河网阈值需要合理选择，最好是在有基础流域图信息提供的前提下，这样便于找到合适的阈值。可以得到流域面积、流域水系等，为文得根水利枢纽建设工作提供一定依据，尤其是为今后流域作洪水预报相关研究提供帮助。尤其是为应用在山区具有高程地区的流域水系提取，结果准确可靠。而根据大比例水系人工划分的结果，所做出的面积可以微调，但是流域边界不自然，要根据实际工作进行调整。若只是需要得到流域大致范围则不影响，且大比例水系划分法较为快捷。所以，要根据实际工作需求选择不同方式得到流域图。