基于ArcSWAT的浏阳河坝流域面积提取

2022-07-14刘思妍李康勇蒋发芝廖满军

湖南水利水电 2022年1期

楚贝，张杰，刘思妍，李康勇，张勇，蒋发芝，廖满军

（1.湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙 410007；2.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004）

水文设计及工程规划最为基础的工作即工程断面的集雨面积量取，在传统水文设计中，量取集雨面积一般是在1∶10 000地形图上勾出分水岭进行统计，这种方式在流域面积特别大的情况下，统计工作繁琐耗时，而勾画分水岭所需地形图资料也必须足够完整，在地形图资料不是很充分的情况下，往往会影响整个设计工作的进程。因此，假如有一款分析软件能直接提取出工程断面的集雨面积，将能大大地提高水文设计的工作效率。

1 ArcSWAT模型介绍

ArcSWAT扩展模块是SWAT模型在ArcGIS平台上的图形用户界面[1]。SWAT是一个大、中尺度流域比例模型，其模块组成包括气候、水文、土壤侵蚀、土地覆被及土地利用、管理措施等。本研究仅应用水文模块里ArcSWAT的流域划分模块功能，对长沙县江背镇金洲村浏阳河坝集雨面积进行提取。

2 研究区域介绍

浏阳河位于湖南省东部，是湘江的一级支流，水系发源于罗霄山脉的大围山北麓，其北源大溪河为正源，集水面积1 302 km2，河长86.8 km，平均坡降1.62‰；南源名小溪河，集水面积765 km2，河长108 km，平均坡降2.35‰。南北两源在双江口汇合后始称浏阳河，流向大致自东向西，流经浏阳市、长沙县市共40个乡镇，在长沙市的陈家屋场汇入湘江。流域全长共222km，流域面积4 665 km2，河流坡降为0.573‰。浏阳河源头至大溪河小溪河交汇处杨潭乡（现高坪乡）双江口河段为上游；双江口至镇头市河段为中游；浏阳河下游从镇头市起始。见图1。

图1 浏阳河流域水系图

研究区为浏阳河干流三汊河渡口上游100 m处拦河坝，因水毁需要进行修复。研究区位于浏阳河下游，流域面积较大，缺乏可用研究区域1∶10 000地形图。

3 利用ArcSWAT提取集雨面积

为验证ArcSWAT模型提取集雨面积的精度，先采用双江口水文站和榔梨水文站集雨面积资料进行验证，再采用验证后的模型提取浏阳河拦河坝的集雨面积数据。

3.1 DEM数据的获取

DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）是进行流域模拟的基础数据，其精度直接影响着模拟结果的好坏。目前，DEM的获取方法有很多，包括NASA提供的ASTER GDEM、NASA和NIMA联合测量提供的STRM（Shuttle Radar Topography Mission）等，其中，ASTERGDEM全球空间分辨率为30 m，是世界上迄今为止可为用户提供的最完整的全球数字高程数据，本次采用的即为ASTERGDEM。

实际应用研究中，研究区域往往覆盖了一定坐标范围的ASTER GDEM数据，在实际应用研究中，需根据研究区域的范围，对DME数据进行处理，包括拼接、裁切等操作，以便获取研究区域的数据。本次浏阳河拦河坝流域的绘制采用栅格数据进行裁切操作。

3.2 投影转换

从ASTERGDEM上下载的DEM数据坐标系统为1984年世界大地坐标系WGS84，为球面坐标，需将地球坐标转换为平面投影坐标，即投影转换。本次采用Albers等级圆锥投影进行投影转换。

3.3 集雨面积提取

3.3.1 河网生成

阈值决定了河流的源头并直接决定生成的河网形态。在提取流域河网的过程中，选取不同的集水面积阈值将得到不同的河网，集水阈值越大，则提取的河网越稀疏，反之，则提取的河网密集。因此集水面积阈值的大小在很大程度上决定着模拟河网与真实河网的吻合程度。ArcSWAT模型一般会根据流域大小，自动计算出一个参考集水面积阈值来，该阈值基本能保证模拟的精度，因此，本研究选取模型提供的集水面积阈值进行河网生成。

3.3.2 汇水区出水口的确定

本研究设置榔梨水文站、浏阳河拦河坝2处流域出水口，分别进行两次模拟，提取出该两个断面的集水面积。

榔梨水文站位于湖南省长沙市黎托乡川河村（东经113°5′，北纬28°10′），浏阳河河口附近。该站控制浏阳河流域面积为3815km2，占浏阳河流域面积80%以上。

3.3.3 集水面积提取

1）成果验证。榔梨水文站集水面积提取成果见图2，榔梨水文站提取的集雨面积与实际集雨面积对比成果见表1。