洪明海，汪仕偉，曾文治，黃介生，楊榮芳，蘇海鵬，李析男

(1. 貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

匯水面積是由分水線包圍的集水面積，在閉合的匯水面積內(nèi)，構(gòu)成一定形狀的水路網(wǎng)系統(tǒng)[1]，是設(shè)計(jì)橋梁涵洞的孔徑大小、水庫(kù)大壩的壩高以及水庫(kù)來(lái)水量等的重要參數(shù)。因此，準(zhǔn)確地勾繪出設(shè)計(jì)斷面的匯水面積對(duì)于水庫(kù)工程設(shè)計(jì)、生態(tài)環(huán)境治理以及水文統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)尤為重要[2, 3]。

在地理信息系統(tǒng)軟件出現(xiàn)之前，匯水邊界主要以地形圖上的分水線進(jìn)行劃分[4]，在地形圖上依據(jù)等高線分布繪制流域的分界線，然后量算出該分界線所包圍的面積，效率和精度依賴于人員操作熟練度；同時(shí)，對(duì)于地形復(fù)雜，山脊線和分水嶺等分界線難以區(qū)分，人工勾繪極易出錯(cuò)進(jìn)而嚴(yán)重影響匯水面積的成果，盧洋暘等[5]的研究也表明人工勾繪匯水面積的方法在處理復(fù)雜山地地形和范圍較大地形時(shí)存在較大的局限性；此外，人工勾繪的方法對(duì)于河道斷面位置無(wú)相應(yīng)的地形圖或者已有地形圖的精度難以滿足工程計(jì)算的需求時(shí)顯得力不從心，李曉等[6]也認(rèn)為需要一種新的方法應(yīng)用于無(wú)地形圖地區(qū)的工程位置處流域面積的提取和計(jì)算。而現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)程序可以從DEM中提取地形要素特征來(lái)生成匯水邊界，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，只需要傳統(tǒng)方法的一小部分時(shí)間就可以得到匯水區(qū)域的邊界[7]。目前，Arcgis、SWAT、MIKE、Mapgis、Civil 3D等眾多軟件都可以實(shí)現(xiàn)基于DEM的水文研究工作，比如匯水面積的勾繪和計(jì)算、提取河網(wǎng)信息以及流域特征分析等[8-12]?；贒EM分析計(jì)算的方法不依賴地形圖，不僅節(jié)約時(shí)間成本，而且受人為因素影響較小，且在地形復(fù)雜地區(qū)和大范圍地區(qū)均具有較好的適用性，但目前該方法多是針對(duì)單個(gè)斷面的一系列復(fù)雜操作，自動(dòng)化程度還不高，對(duì)于短時(shí)間內(nèi)需要同時(shí)處里大量的斷面匯水面積并獲得數(shù)據(jù)結(jié)果仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。因此，有必要對(duì)該方法做進(jìn)一步的拓展和研究以滿足工程實(shí)踐的需要。

本文擬采用ESRI公司的Arcgis10.4軟件來(lái)處理芙蓉江流域內(nèi)河道斷面的匯水面積，同時(shí)通過(guò)python調(diào)用Arcigs中相應(yīng)的水文工具形成匯水面積處理模型，批量獲取河道斷面的匯水面積，將計(jì)算的結(jié)果和已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，同時(shí)將該方法應(yīng)用到洪渡河流域、桐梓河流域、綦江流域、赤水河流域、大渡口以上區(qū)域、大渡口以下干流區(qū)域以及六盤水區(qū)域等7個(gè)研究區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，為河道斷面匯水面積的勾繪提供一種新的借鑒方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 研究區(qū)概況

本次計(jì)算的斷面均位于貴州省遵義市的芙蓉江流域，根據(jù)《中國(guó)河湖大典·長(zhǎng)江卷》[13]和《貴州河湖》記載，芙蓉江(107°02′E～107°52′E，28°08′N～29°20′N)發(fā)源于貴州省遵義市綏陽(yáng)縣枧壩鎮(zhèn)，由西南向東北流經(jīng)貴州省遵義市正安縣、道真縣和重慶市武隆區(qū)、彭水縣，于武隆區(qū)江口鎮(zhèn)匯入烏江，全長(zhǎng)234 km，流域面積7 406 km2，西鄰綦江水系的桐梓河、松坎河，北靠烏江，南鄰湄江，東鄰洪渡河；南北長(zhǎng)約160 km，東西寬約195 km，流域地勢(shì)起伏大，東低西高，上游地形較開(kāi)闊平坦，沿河發(fā)育有河谷階地和河漫灘，中下游河谷深切，河道狹窄，灘多流急，巖溶發(fā)育，多洞穴、井泉和伏流暗河段，屬中山峽谷及巖溶地貌特征，平均高程約850 m(黃?；?，下同)，總落差1 124 m，河流平均比降5.76‰，流域面積大于1 000 km2的支流有清溪河、三江和梅江，流域面積大于100 km2的支流有新民河、關(guān)壩等15條河流。流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.4 ℃，年無(wú)霜期281.8 d，年日照時(shí)數(shù)為1 057 h，多年平均降水量1 106 mm，降水多集中在4-10月，占年降水量的73%，年水面蒸發(fā)量為603.2 mm。河口多年平均流量為169 m3/s，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為277.3 萬(wàn)t。流域多年平均水資源總量53.3 億m3，干流水力資源理論蘊(yùn)藏量47.3 萬(wàn)kW。流域內(nèi)無(wú)大型工礦企業(yè)，工業(yè)污水排放量小，污染物主要來(lái)自農(nóng)田的農(nóng)藥、化肥、養(yǎng)殖業(yè)的污染負(fù)荷和生活污水。

1.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的dem數(shù)據(jù)為Aster傳感器采集的30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，WGS84橢球，數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/search)，由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心提供。河流矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于各水務(wù)局搜集資料整理，已經(jīng)項(xiàng)目三級(jí)校審制度審核。

根據(jù)已有的資料整理，本文分析選取的河道斷面均為貴州省遵義市境內(nèi)的芙蓉江流域上50 km2以上支流的斷面，共有38個(gè)，分三類，其中，一類是支流匯口斷面，如梅江匯口斷面、羅家河匯口斷面，共有29個(gè)，占比76.32%；第二類是已建成水庫(kù)斷面，以壩址為控制斷面，如沙壩水庫(kù)斷面、慶埡電站水庫(kù)斷面，共有6個(gè)，占總數(shù)的15.79%；第三類是河流上的水文站控制斷面，有3個(gè)，占總數(shù)的7.89%，它們是旺草水文站斷面、長(zhǎng)壩水文站斷面和五家院子水文站斷面，從圖1可以看到本次分析選取的三種類型共38個(gè)河道斷面的分布情況，其中水文站類型的3個(gè)斷面有在芙蓉江干流上游的(旺草水文站斷面)，有在芙蓉江干流下游的(長(zhǎng)壩水文站斷面)，還有位于芙蓉江一級(jí)支流梅江上的(五家院子水文站斷面)；6個(gè)水庫(kù)型斷面則分布在貴州省境內(nèi)的芙蓉江最大的三條一級(jí)支流清溪河、三江河梅江上；支流匯口型斷面則廣泛分布于芙蓉江流域的支流上，因此，本次計(jì)算分析選取的河道斷面具有較強(qiáng)的代表性。

研究區(qū)域的河流水系情況和本次分析選取的38個(gè)河道斷面分布情況如圖 1所示。

38個(gè)斷面的匯水面積數(shù)據(jù)均來(lái)源于水利普查資料，如表 2中“已有資料面積”欄所示，其匯水面積最大值為長(zhǎng)壩水文站，為5 454 km2，最小值為鐵釘巖水庫(kù)，匯水面積為7 km2。本文根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 4883-2008(數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋·正態(tài)樣本離群值的判斷和處理)[14]，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的在未知總體標(biāo)準(zhǔn)差的情形下的離群值處理方法—格拉布斯(Grubbs)檢驗(yàn)法對(duì)已有資料的流域面積進(jìn)行檢驗(yàn)，使用雙側(cè)檢驗(yàn)，其計(jì)算公式如下所示：

圖1 研究區(qū)域河流水系及河道斷面分布情況Fig.1 Distribution of river systems and river sections of study area

(1)

(2)

(3)

(4)

表1 格拉布斯雙側(cè)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表Tab.1 Table of calculation results of grubbs bilateral test

此外，本文提出的方法還在洪渡河流域、桐梓河流域、綦江流域、赤水河流域、大渡口以上區(qū)域、大渡口以下干流區(qū)域以及六盤水區(qū)域等7個(gè)研究區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，該7個(gè)研究區(qū)的匯水面積數(shù)據(jù)也包含水文站、水庫(kù)和匯口等3種類型的斷面數(shù)據(jù)，且所有7個(gè)研究區(qū)的數(shù)據(jù)均采用格拉布斯雙側(cè)檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，保證對(duì)比資料在統(tǒng)計(jì)學(xué)上真實(shí)有效。

1.2 計(jì)算原理

基于DEM流域劃分和河流水系的提取一般都會(huì)對(duì)DEM柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理以及計(jì)算流向，此外，當(dāng)獲取的外部矢量數(shù)據(jù)(比如水文站等斷面數(shù)據(jù))和DEM不是來(lái)自同一份數(shù)據(jù)的話，矢量數(shù)據(jù)和DEM之間就有產(chǎn)生一定的誤差，這時(shí)就需要使用捕捉傾瀉點(diǎn)功能或者編輯功能對(duì)其適當(dāng)修正。

洼地(或突起)是由于數(shù)據(jù)的分辨率或者將高程四舍五入到中心像元最近的整數(shù)值而產(chǎn)生的常見(jiàn)錯(cuò)誤，應(yīng)對(duì)洼地進(jìn)行填充以確保盆地和河流得以正確劃界，如果未對(duì)洼地進(jìn)行填充，則生成的河流水系網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)呈現(xiàn)不連續(xù)性。填洼工具使用與焦點(diǎn)流、流向、洼地、分水嶺和區(qū)域填充等工具等效的功能來(lái)定位和填充洼地，該工具的執(zhí)行過(guò)程會(huì)進(jìn)行迭代，直到指定 z限制內(nèi)的所有洼地均填充完畢，在填充洼地的同時(shí)，可能會(huì)在填充區(qū)域的邊界處創(chuàng)建其他洼地，這些洼地將在下個(gè)迭代中移除[15]，其原理示意圖如圖2。

圖2 填洼原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of fill principle

圖3 流向原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of flow direction

1.3 研究技術(shù)路線及步驟

本文的研究技術(shù)路線如圖 4所示，其主要操作步驟如下：

(1)對(duì)研究區(qū)DEM進(jìn)行裁剪投影處理。

(2)根據(jù)DEM提取研究區(qū)的河流水系，其中填洼處理和計(jì)算流向以及設(shè)置流量閾值生成河流是比較關(guān)鍵的步驟，填洼影響流向的形成，計(jì)算流向決定了流量的匯集方向，而流量閾值的設(shè)置直接決定著河流水系的密度。

(3)對(duì)37個(gè)河道斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，一般導(dǎo)入Arcgis的矢量河道斷面數(shù)據(jù)和所使用的DEM數(shù)據(jù)或多或少都會(huì)有一定的偏差，這時(shí)需要使用捕捉傾瀉點(diǎn)工具或者編輯工具并參照已有的矢量河流來(lái)適當(dāng)調(diào)整以滿足軟件的計(jì)算需要。

(4)以上3步都處理好之后就可以使用分水嶺工具開(kāi)始計(jì)算斷面的匯水區(qū)域了，注意斷面匯水區(qū)域之間的重疊情況，這里使用python批量分割出每個(gè)斷面單獨(dú)計(jì)算之后再合并到一起，避免了上游斷面的匯水區(qū)域未包含在下游的匯水區(qū)域中的特殊情況，此外計(jì)算得到的斷面匯水區(qū)域是柵格，需要將其轉(zhuǎn)為矢量格式。

(5)計(jì)算矢量匯水區(qū)域的各種屬性值，這里主要計(jì)算38個(gè)斷面的匯水面積值，需要在投影坐標(biāo)系下方可計(jì)算。

圖4 本文研究技術(shù)路線圖Fig.4 Technology roadmap

1.4 分析指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇絕對(duì)誤差Δ、相對(duì)誤差m、決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、相對(duì)均方根誤差RRMSE、相對(duì)分析誤差RPD、偏差Bias：

Δ=Xgis-Xdata

(5)

(6)

(7)

R2=R×R

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2 結(jié)果分析

2.1 匯水面積分析

表2給出的是python調(diào)用Arcgis工具批量計(jì)算的芙蓉江流域內(nèi)37個(gè)河道斷面匯水面積(下稱計(jì)算面積)和已有資料的匯水面積(下稱已有面積)結(jié)果，其中，按照公式(5)和公式(6)分別計(jì)算了計(jì)算面積和已有面積的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。表2中，旺草水文站(8號(hào))位于芙蓉江干流上，但其位于上游，從圖1中看到其上只有羅家河一條支流匯入，其匯水面積小得多(計(jì)算面積為401.83 km2，已有面積為413 km2)(表 2)，相對(duì)誤差為2.7%；此外，我們?cè)谲饺亟Я髅方弦策x取了一個(gè)水文站控制斷面—五家院子水文站斷面(圖 1)，其計(jì)算面積為1 212.14 km2，已有面積為1 230 km2，相對(duì)誤差為1.45%(表 2)；2個(gè)水文站控制斷面中，絕對(duì)誤差最大的是五家院子水文站控制斷面，為17.86 km2，相對(duì)誤差最大的則是旺草水文站控制斷面，為2.7%(表2)。

而6個(gè)水庫(kù)型斷面均位于芙蓉江的支流上，貴州省境內(nèi)芙蓉江最大的三條一級(jí)支流清溪河(清溪水庫(kù)斷面)、三江(慶埡電站水庫(kù)斷面)和梅江(洋渡電站水庫(kù)斷面和大河壩水庫(kù)斷面)均有分布(圖 1)，其中鐵釘巖水庫(kù)斷面位于巴漁河上(伏流型河流)。6個(gè)水庫(kù)型斷面中，匯水面積最大的是清溪水庫(kù)斷面，計(jì)算面積為1 237.44 km2，已有面積為1 261 km2(表 2)；絕對(duì)誤差最小的巴漁河上的鐵釘巖水庫(kù)斷面，為0.54 km2(表2)；相對(duì)誤差最小的為洋渡電站水庫(kù)斷面，為0.79%，最大的為鐵釘巖水庫(kù)斷面，為7.66%。

本次計(jì)算分析中最多的是支流型匯口斷面，共有29個(gè)，占比76.32%，廣泛分布在芙蓉江的各支流上。其中匯水面積最小的是芙蓉江一級(jí)支流茨竹河匯口斷面(圖 1)，計(jì)算面積為48.64 km2，已有面積為50 km2(表 2)；而最大的則是清溪河匯口斷面，計(jì)算面積為1 493.35 km2，已有面積為1 504 km2(表 2)。29個(gè)支流型匯口斷面中，絕對(duì)誤差最小的是池武溪匯口斷面，為0.08 km2，相對(duì)誤差最小的是梅江匯口斷面，為0.09%(表2)。王崢等[18]人采用DEM對(duì)涇河流域的1 000 km2以上部分支流的匯水面積進(jìn)行提取并做了比較分析，絕對(duì)誤差也達(dá)到17 km2。其余河道斷面對(duì)應(yīng)的匯水面積以及誤差等數(shù)據(jù)請(qǐng)參見(jiàn)表 2。

2.2 計(jì)算方法的驗(yàn)證和誤差分析

37個(gè)河道斷面的匯水面積數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差中，最小的為梅江匯口斷面，為0.09%，最大的則是鐵釘巖水庫(kù)斷面，為7.66%。圖5給出的是已有資料的匯水面積和python批量計(jì)算的匯水面積相關(guān)性曲線圖，從圖中可以看到基本上所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在1∶1線上，計(jì)算表明其決定系數(shù)R2為0.99，而決定系數(shù)是用來(lái)衡量理論值與計(jì)算值的離散程度，其值范圍0～1，越接近于1，效果越好，因此通過(guò)決定系數(shù)來(lái)看通過(guò)python調(diào)用Arcgis工具批量處理的方法精度很高。此外，本文也計(jì)算了37個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的均方根誤差RRMSE、相對(duì)分析誤差RPD以及偏差Bias，相對(duì)均方根誤差是用來(lái)衡量殘差的相對(duì)大小，該值越小，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果越好[19]，而數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算得到的相對(duì)均方根誤差僅為2.74%，表明計(jì)算結(jié)果很好；相對(duì)分析誤差大于2，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果很好，相對(duì)分析誤差小于1.4，說(shuō)明計(jì)算較差，相對(duì)分析誤差介于1.4～2，說(shuō)明計(jì)算較可靠，還可以進(jìn)一步調(diào)整[20]，37個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)分析誤差為49.01，遠(yuǎn)大于2，表明計(jì)算結(jié)果很好；37個(gè)河道斷面的匯水面積數(shù)據(jù)的偏差為2.88，偏差為理論值與計(jì)算值的偏差程度，大的偏差值表明計(jì)算值沒(méi)有很好地逼近理論值，計(jì)算效果差。

表2 已有資料和python批量計(jì)算的斷面匯水面積誤差表Tab.2 Table of error of available data and python-calculation

注：類型欄1代表水文站，2代表水庫(kù)，3代表匯口。

圖5 已有資料和python批量計(jì)算的匯水面積對(duì)比Fig.5 Comparison of catchment area of available data and python-calculation

同時(shí)，本文還將該方法應(yīng)用其他研究區(qū)域以進(jìn)一步驗(yàn)證通過(guò)python調(diào)用Arcgis批量計(jì)算匯水面積的可靠性。除本文建立方法使用的芙蓉江流域以外，還在洪渡河流域、桐梓河流域、綦江流域、赤水河流域、大渡口以上區(qū)域、大渡口以下干流區(qū)域以及六盤水區(qū)域等7個(gè)研究區(qū)廣泛選取河道控制斷面來(lái)驗(yàn)證該方法，選取的斷面類型包含匯口、水庫(kù)和水文站等3類。同樣，本文也采用格拉布斯雙側(cè)檢驗(yàn)法對(duì)新選取的研究區(qū)已有的匯水面積資料進(jìn)行檢驗(yàn)，排除統(tǒng)計(jì)離群值的存在，保證用于比較分析的匯水面積在統(tǒng)計(jì)學(xué)上真實(shí)有效。之后，根據(jù)選取的斷面數(shù)據(jù)采用本文提出的方法批量計(jì)算了匯水面積數(shù)據(jù)，然后計(jì)算了平均相對(duì)誤差(m)、決定系數(shù)(R2)、相對(duì)均方根誤差(RRMSE)、對(duì)分析誤差(RPD)以及偏差(Bias)列于表3。從表3中可以看出，相對(duì)誤差平均值均較小，最大的僅為7.76%，而決定系數(shù)均在0.95以上，表明計(jì)算得到的匯水面積數(shù)據(jù)和已有的匯水面積數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)性，同時(shí)相對(duì)均方根誤差也很小，最小的為桐梓河流域2.1%，7個(gè)驗(yàn)證研究區(qū)的相對(duì)分析誤差均大于2，說(shuō)明該方法計(jì)算結(jié)果好，計(jì)算方法合理，可用于對(duì)斷面匯水面積的計(jì)算。其余統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)請(qǐng)參見(jiàn)表3。

盡管本次選取的37個(gè)河道斷面的匯水面積和已有資料的匯水面積數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果很好，相對(duì)誤差小，決定系數(shù)高，但在模型搭建和運(yùn)行處理過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了許多需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)的地方，誤差產(chǎn)生來(lái)源主要有以下4點(diǎn)，列于表4：第一，所使用的DEM產(chǎn)生的誤差。本文采用的DEM分辨率為30 m×30 m，和真實(shí)的現(xiàn)實(shí)地形相比，在某個(gè)像元處可能其地形會(huì)被概化為一個(gè)值，會(huì)產(chǎn)生不小的誤差，如果條件允許，可以考慮10 m×10 m、1 m×1 m甚至更高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，但這樣也會(huì)增加模型的運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)還會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)等硬件性能有更高的需求。第二，對(duì)比值產(chǎn)生的誤差。本文所分析的兩組河道斷面的匯水面積數(shù)據(jù)，一組來(lái)源于我們通過(guò)python調(diào)用Arcgis計(jì)算得出，而另一組對(duì)應(yīng)河道斷面的匯水面積數(shù)據(jù)則來(lái)源于水利普查等相關(guān)資料，其源頭是人工在地形圖上勾繪計(jì)算得到，這種就會(huì)存在人為誤差，在小的匯水區(qū)域可能誤差較小，但是在匯水面積很大，比如超過(guò)1 000 km2的斷面，河流水系錯(cuò)綜復(fù)雜，地形圖上的山脊線和山谷線不易分辨，這樣就可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。第三，Arcgis本身計(jì)算原理的誤差甚至可能是錯(cuò)誤。在提取河道斷面的匯水面積過(guò)程中，其中有兩個(gè)步驟是計(jì)算流向和填洼，關(guān)于其計(jì)算原理在前面有所介紹。填洼是如果某中心像元值均低于其周圍的像元值，那么軟件會(huì)認(rèn)為這個(gè)中心像元值是一個(gè)錯(cuò)誤值，從而會(huì)對(duì)該像元值進(jìn)行填洼，使其像元值等于周圍值的最小值，但這有時(shí)候并不符合現(xiàn)實(shí)情況，比如說(shuō)自然或者人工形成的洼地，這是客觀存在的，但是軟件會(huì)將其“補(bǔ)平”；另外一個(gè)步驟是計(jì)算流向，Arcgis雖然提供了三種不同的流向計(jì)算方法，但是默認(rèn)的(或者當(dāng)您打開(kāi)計(jì)算流向工具時(shí)該方法即為D8，不可更改)算法是D8算法，該算法認(rèn)為任意一個(gè)像元值僅存在一個(gè)流向，從而會(huì)計(jì)算出某一點(diǎn)的唯一流向，但是現(xiàn)實(shí)中，某點(diǎn)的水流可能會(huì)有兩個(gè)流向，只是每個(gè)流向分配的流量不一樣而已，因此此種算法在某些情況下可能會(huì)造成很大的錯(cuò)誤。第四，工具參數(shù)引起的誤差。在使用Arcgis自帶的工具“捕捉傾瀉點(diǎn)”時(shí)，對(duì)于搜索距離的控制也是相當(dāng)?shù)年P(guān)鍵，必要的時(shí)候還需要打開(kāi)相應(yīng)的矢量河流數(shù)據(jù)人工校對(duì)軟件捕捉的結(jié)果是否準(zhǔn)確，尤其是在河流水系復(fù)雜的支流匯口斷面，張瀟戈[21]等的研究也表明用DEM提取的河網(wǎng)匯口和真實(shí)河網(wǎng)匯口存在一定的偏差。

表3 計(jì)算方法在其他研究區(qū)的驗(yàn)證Tab.3 Validation of python-calculation in other study area

表4 研究方法誤差來(lái)源分析Tab.4 Analysis of error sources of python-calculation

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)python調(diào)用Arcgis相應(yīng)的工具來(lái)批量計(jì)算芙蓉江流域50 km2以上河流的河道斷面的匯水面積，河道斷面類型包含水庫(kù)、支流匯口以及水文站等3種控制斷面，分布廣泛，代表性強(qiáng)，其主要結(jié)論如下。

(1)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性高。計(jì)算的河道斷面的匯水面積絕對(duì)誤差Δ中最小的僅為0.08 km2，相對(duì)誤差m最小的僅為0.09%，決定系數(shù)R2高達(dá)0.99，相對(duì)均方根誤差RRMSE僅有2.74%，相對(duì)分析誤差RPD為49.01，遠(yuǎn)大于2，偏差Bias為2.88，表明本方法不管匯水面積大小都能獲得很好的計(jì)算結(jié)果。

(2)計(jì)算速度快，可極大地節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間。本文計(jì)算的河道斷面均位于貴州省遵義市境內(nèi)的芙蓉江流域，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料，為了方便計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證和比較，本文選取的河道斷面共有37個(gè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算匯水面積每分鐘可以計(jì)算7個(gè)，大約需要6 min，而通過(guò)人工在地形圖上勾繪，一個(gè)斷面勾繪匯水面積大約需要25 min，38個(gè)斷面共需要950 min，可見(jiàn)，通過(guò)python批量處理的時(shí)間僅為人工的0.63%，這在生產(chǎn)實(shí)踐中極大地節(jié)約工作時(shí)間，提高工作效率，贏得時(shí)間成本。

(3)為河流控制斷面的匯水面積勾繪提供一種新的計(jì)算方法。采用python調(diào)用Arcgis批量計(jì)算匯水面積，不僅可以極大地提高工作效率，還可以方便快速地查看和計(jì)算其他特征參數(shù)，為控制斷面流量的計(jì)算和壩址庫(kù)容曲線的計(jì)算分析奠定基礎(chǔ)。