劉鳳梅，黎義勇，肖 攀，曾 敏

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

0 引 言

數(shù)字高程模型(DEM)被廣泛用于國(guó)家地理信息基礎(chǔ)、三維可視化顯示、地形地貌微特征、地學(xué)調(diào)查監(jiān)測(cè)等諸多學(xué)科及科研領(lǐng)域[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均研發(fā)出了多種能生成數(shù)字流域模型的成熟可靠的算法和軟件，利用DEM數(shù)據(jù)模擬地表水文特征，提取流域河網(wǎng)及匯水區(qū)域的方法已得到廣泛認(rèn)可，對(duì)于快速的大區(qū)域和大面積掌握地表水文特征、查清河流污染物區(qū)域流向、研究流域地表信息、生態(tài)環(huán)境演變及防災(zāi)減災(zāi)、重大工程設(shè)施選址都有著重要的意義，為水文相關(guān)研究工作中提供了快速有效的科學(xué)方法，是我國(guó)水文模型研究應(yīng)用與發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。

ArcGIS平臺(tái)全面的空間分析功能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以快速準(zhǔn)確地表達(dá)DEM模型中所包含的地形地貌、水文等信息，能夠反映各種尺度的地形特征及流域網(wǎng)格之間的關(guān)系。本文基于ArcGIS10.2中的水文分析工具，對(duì)珠江三角洲平原進(jìn)行水文特征模擬分析，可為珠江三角洲水資源管理評(píng)價(jià)、土地利用及生態(tài)建設(shè)規(guī)劃等方面提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

工作區(qū)為珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)，區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水道縱橫交錯(cuò)，形似網(wǎng)狀，有重要水道26條，總長(zhǎng)1 600 km，匯水面積26 820 km2，由西四門(磨刀門、雞啼門、虎跳門、崖門)及東四門(虎門、洪奇瀝、蕉門、橫門)共八大口門組成，隨后注入南海。

區(qū)內(nèi)網(wǎng)河地勢(shì)平坦，淺灘較多，河面開(kāi)闊，支流密集，河床縱坡成波狀起伏，坡降較小，水系徑流大、汛期長(zhǎng)、含沙量低，豐水季節(jié)洪澇災(zāi)害多發(fā)，枯水季節(jié)多發(fā)咸潮上溯。年徑流量在3 054.96億m3以上，每年4～9月份為汛期，受臺(tái)風(fēng)大潮影響，汛期流量占年徑流量的76.71～89.31%。各江河平均含沙量0.109～0.302 kg/m3，每年進(jìn)入三角洲河口的懸移質(zhì)泥沙總量達(dá)8 422.1萬(wàn)噸，最大約為1.5億噸，這些泥沙中95.2～99.41%是隨汛期洪水下泄至各口門內(nèi)外，淤成淺灘。

1.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)源

水文分析中需要使用的基礎(chǔ)圖件均由DEM根據(jù)不同算法和流程生成，要達(dá)到較好的效果，必須選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量精度高、效果好的DEM[2]。本文選用覆蓋全球80%地區(qū)的SRTM3數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)在中國(guó)境內(nèi)全覆蓋，獲取便利，質(zhì)量符合地表水文特征模擬分析的需求。獲取數(shù)據(jù)后，在ARCGIS10.2的環(huán)境中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、投影變換、裁剪，生成珠江三角洲流域DEM(圖1)。

圖1 珠江三角洲流域數(shù)字高程模型

2 ArcGIS水文分析內(nèi)容及方法

2.1 ArcGIS水文分析內(nèi)容

ArcGIS軟件平臺(tái)所提供的水文分析模塊，進(jìn)行洼地填充或削峰而后完成徑流方向、匯流累積量、水流長(zhǎng)度、河流分段、河流網(wǎng)絡(luò)等一系列水文因子的提取，并通過(guò)這些水文因子提取流域盆地，捕捉匯流點(diǎn)，最終確定匯水區(qū)出水口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)的流域分割，具體模擬分析流程如圖2所示。

圖2 水文分析流程圖

2.2 水文分析方法

2.2.1 水流方向分析

確定水流方向的算法有很多，本文采用D8單流向算法，結(jié)合DEM高程?hào)鸥裉卣?，根?jù)水流依附地勢(shì)從高到低的流動(dòng)規(guī)律[3]，計(jì)算每一個(gè)高程?hào)鸥駟卧車?個(gè)柵格的高程，采取其與鄰域柵格之間的最大值，即最大高程差作為水流方向，以此計(jì)算出的結(jié)果稱之為單元流向柵格圖，顯示了水流離開(kāi)此單元格時(shí)的方向，每個(gè)單元格的屬性數(shù)值表示的含義，從20～27分別代表了E、S、W、N、NE、NW、SE、SW 8個(gè)流向，以此來(lái)確定水流的方向(圖3)。水流方向不合理的地區(qū)即為洼地，通過(guò)對(duì)洼地進(jìn)行填充實(shí)現(xiàn)無(wú)洼地處理。

圖3 單元流向柵格示意圖

2.2.2 匯流累積量計(jì)算

計(jì)算水流方向柵格矩陣，是獲取匯流累積量數(shù)據(jù)的必要條件，是地表徑流模擬過(guò)程中不可或缺的一步。利用水流方向數(shù)據(jù)，即可計(jì)算經(jīng)過(guò)該單元柵格的上游柵格數(shù)量，數(shù)量越多，表示累積匯流量越大，該柵格所在區(qū)域也越容易形成地表徑流。可用2種方法解釋：① 高累積值的像元流量大，一般對(duì)應(yīng)于河道，而0累積值的像元?jiǎng)t沒(méi)有流量經(jīng)過(guò)，通常為山脊線(流域分水嶺)。② 如果乘以像元大小，所得像元值等于排水面積[4-5]。流域的匯流能力是由確定流入本柵格的累積上游柵格數(shù)目而生成的。其算法具體描述為：以每個(gè)柵格單元格為初始點(diǎn)，依次對(duì)水流方向矩陣進(jìn)行掃描，根據(jù)水流方向追蹤，直到DEM邊界[6]，通過(guò)計(jì)算柵格數(shù)目即可確定水流方向和匯流量。

水流方向及匯流量是決定水流長(zhǎng)度的重要因素，水流長(zhǎng)度直接影響地表徑流的速度，進(jìn)而影響土壤的侵蝕力，因此，水流方向、匯流量、水流方向的提取與分析在水土保持工作中亦有重要意義。

2.2.3 河網(wǎng)提取分析

在前面計(jì)算得到累積匯流柵格矩陣的基礎(chǔ)上，給定合適的集水面積閾值，通過(guò)柵格計(jì)算得到河網(wǎng)的柵格形式，再進(jìn)行柵格河網(wǎng)矢量化，得到矢量格式的河網(wǎng)。集水面積閾值的取值大小與流域地形特征、下墊面狀況等多種因素有關(guān)。閾值越小，提取的河網(wǎng)就越精細(xì)，反之，則越稀疏。

2.2.4 流域盆地的確定

流域盆地又稱匯水區(qū)域、集水盆地、集水區(qū)域，是指地表徑流匯聚到一個(gè)共同的出水口所流經(jīng)的區(qū)域[7]，由形態(tài)各異、長(zhǎng)度不等的大小水道聯(lián)合而成的封閉區(qū)域，流域之間被分水嶺所分割。同時(shí)，每個(gè)水道都有其匯水范圍和流域面積，形成了匯水區(qū)域中的子流域，較大的流域通常由這些子流域聯(lián)合而成[8]，決定性因素為相同的出水口。

3 珠江三角洲水文特征分析

3.1 無(wú)洼地DEM的水流流向提取

DEM的質(zhì)量決定了水流流向提取的精確度，因此，需先檢查DEM是否存在單點(diǎn)洼地或范圍較小的獨(dú)立洼地，這些洼地都是由于高程差值、設(shè)備差異、技術(shù)人員水平差異等因素而產(chǎn)生的。這些“洼地”在計(jì)算水流方向時(shí)會(huì)使水流流向出現(xiàn)偏移，甚至是出現(xiàn)倒流的情況，影響準(zhǔn)確的水文因子提取，給水流路徑的跟蹤帶來(lái)極大的誤差。因此，在進(jìn)行水文特征分析前需要對(duì)這些“洼地”進(jìn)行削峰或填洼，經(jīng)該填充處理后的DEM會(huì)更平滑，其生成的水流方向矩陣能更好地確定流向和流域邊界。對(duì)珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)洼地DEM處理后生成的水流方向如圖4所示。

圖4 珠江三角洲流域水流方向圖

3.2 生成河網(wǎng)、子河網(wǎng)

人類活動(dòng)離不開(kāi)水，精細(xì)的掌握河網(wǎng)的分布，對(duì)人類活動(dòng)的合理安排有著至關(guān)重要的作用。珠江三角洲流域水系豐富，河網(wǎng)密集，為了體現(xiàn)其主要水系，又不至于生成太多細(xì)小河流，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)定閥值10 000來(lái)模擬水系柵格圖較為合適。根據(jù)設(shè)定的閥值，對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，將大于閥值的柵格值設(shè)為1，小于或等于0的柵格值設(shè)為無(wú)數(shù)據(jù)，最終值為1的數(shù)據(jù)形成柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)，提取出的研究區(qū)河網(wǎng)如圖5所示。

圖5 珠江三角洲水系柵格圖(閥值10000)

圖6 珠江三角洲流域盆地范圍及出水口位置圖

3.3 珠江三角洲流域盆地

流域盆地的核心是匯水區(qū)域和出水口，先對(duì)珠江三角洲水流方向進(jìn)行分析計(jì)算，提取匯水區(qū)域，然后確定水流方向柵格同一流域邊緣出水口的位置，即在進(jìn)行流域盆地的劃分中，所有流域盆地的出水口均處于同一排水區(qū)域的邊緣。當(dāng)確定了出水口位置后，也就找出了所有流入出水口的上游柵格位置，對(duì)珠江三角洲水流方向數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，提取出所有相互連接，擁有共同出水口，并處于同一流域的柵格，即為研究區(qū)流域盆地(圖6)。

隨著人類活動(dòng)的加劇，流域盆地已成為區(qū)域人地關(guān)系十分敏感而復(fù)雜的地理單元，以水為樞紐，將流域盆地內(nèi)各自然地理要素，如流域盆地面積、地形、溫度、濕度、降雨量、植被、土壤等自然地理要素連接成一個(gè)不可分割的整體，進(jìn)而直接影響到流域內(nèi)土地利用狀況，進(jìn)而與人類活動(dòng)相互影響。

3.4 提取流域盆地出水口

出水口是每個(gè)流域盆地中水流的終點(diǎn)，即一個(gè)整體單元中的地勢(shì)最低點(diǎn)，其獲取方式是通過(guò)水文分析自動(dòng)提取再結(jié)合人工篩選。水流流向數(shù)據(jù)和匯流累積量數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程中，可以得到河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)信息，其中記錄著河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的連接信息。這些節(jié)點(diǎn)信息代表著每條弧段連接著兩個(gè)作為出水點(diǎn)或匯水點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)，或者連接著作為出水點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)和河網(wǎng)起始點(diǎn)[9]。相對(duì)而言，弧段的終點(diǎn)就是該匯水區(qū)域的出水口所在位置，也就是要研究的最小溝谷的集水區(qū)域，它將一個(gè)大的流域盆地按照河網(wǎng)弧段將其分為一個(gè)個(gè)的小的集水盆地。因此，將此出水口矢量文件與流域盆地疊加，即可獲取各層次流域盆地的出水口位置。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文對(duì)珠江三角洲地區(qū)地表水文特征進(jìn)行模擬分析，提取了研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)中的地表水流方向、匯流累積量、水流長(zhǎng)度、河流網(wǎng)絡(luò)等特征因子，通過(guò)對(duì)流域的分割模擬了珠江三角洲流域盆地范圍，并對(duì)流域出水口位置進(jìn)行了確定。ArcGIS的水文分析模塊可以迅速、快捷的提取水文模型，選擇精度合適的DEM數(shù)據(jù)，不僅能提高效果、保證數(shù)據(jù)提取的精度，還能降低成本，對(duì)水資源流域規(guī)劃管理評(píng)價(jià)、生態(tài)建設(shè)規(guī)劃及其演變規(guī)律分析，土地利用，農(nóng)業(yè)工程的規(guī)劃和水污染控制中發(fā)揮重要的指導(dǎo)意義。

(2)生成河網(wǎng)時(shí)對(duì)柵格數(shù)據(jù)重分類的閾值不能一概而論，區(qū)域不同閾值不同，需要根據(jù)根據(jù)研究區(qū)水系密集度以及研究的需要設(shè)定合適的閾值，才能模擬出最佳河網(wǎng)，尤其是平坦地區(qū)，水系提取閾值的選取還可以做進(jìn)一步的改進(jìn)，研究空間比較大。