基于ArcGIS和DEM在水文流域模拟中的应用

王敏嫱

(西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127)

水资源是我们地球上宝贵的资源，更是我们赖以生存的基础，而现如今水资源一度缺乏和水量分布严重不均成为我们必须要重视的问题。ArcGIS的水文模拟分析功能为研究水流方向提取、河网提取、流域分割等提供了强大的数据处理和分析工具。实验主要旨在介绍基于DEM并结合ArcGIS9.2中的水文分析的方法，通过对基本水文特征的提取和基本水文分析，在DEM的基础上形成水流的运动走向，最终完成区域的水文分析过程。

1 分析数据和实验软件

近十几年来，随着3S技术在水文模拟研究中的应用，流域水文模拟的研究方法发生了改变其特点是通过GIS等空间分析技术计算流域的基本地形参数，从而使水文模拟效率得以显著提高。国外研发了许多能生成数字流域的成熟算法和软件，如 ESRI提供的 Arc Hydro Tools模块，RSI提供的River Tools，Garbrecht J，Martz W的TOPAZ工具等。在国内由于GIS起步稍晚一些，但水文与3S技术的结合是我国水文模型研究的必然发展趋势，并且能否善于利用较成熟软件也是一个影响实验进程和精准度的重要条件。本文重点利用ArcGIS的水文分析模块和DEM数据相结合，对河流地区进行流域分析和模拟的过程。

数字高程模型DEM作为4D(DEM、DLG、DOM、DRG)产品中的一种，其应用非常广泛。其中栅格型DEM是比较普遍的格式，计算处理简单有效，且和遥感数据在结构上容易匹配，因此在水文领域得到广泛应用。

2 水文分析的实现过程

2.1 无洼地DEM 生成

DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域，在进行水流方向计算时，其表面存在的一些凹陷区域会影响到研究结果。因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。利用ArcGIS中的Hydrolody模块，通过Sink函数和Fill函数将洼地填充，根据洼地深度确定合理填充阈值，生成无洼地的数字高程模型，使水流能畅通流至河口，实际上这一步是为了替换掉不好的栅格点数据，例如有些中心点的高度高于周围邻域点的值，致使水无流向方向，则要修改这些点。如图1和图2所示为填洼前后的对比。

图1 DEM原图

图2 经过填洼后的Filled DEM

2.2 水流方向分析

在ArcGIS中采用的就是D8算法，在Filled DEM中由于有无洼地区域的存在，使得自然流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。因而，经洼地填充之后，河流区域的河口就能显示出来了。在上一步生成的数据的基础上，利用Flow Direction命令便可进行水流流向分析，如图3所示。

图3 经过水流方向计算后的栅格图

2.3 汇流累计量

在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算而来的。对每一个栅格来说，其汇流累积量大小代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。在实验中由于缺少当地的具体资料，故所有的栅格配以相同的权值，计算出来的汇流累积量的数值就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。

2.4 河网提取分析

河网提取分析也就是河网的生成，一般分为3个步骤:

1)阈值的设定

在设定阈值时，应该充分对研究区域和研究对象进行分析，通过不断的实验和利用现有地形图等其它数据辅助检验的方法来确定能满足研究需要并且符合研究区域地形地貌条件的合适的阈值。河网级别不同所代表的汇流累积量也不同，河网级别越高，汇流累积量越大，根据栅格汇流能力的分析结果，将汇流能力超过一定阈值(本文值大于1 000 000)的栅格作为水道，将小于该阈值的栅格作为产流区，从而划分河流网络系统。

2)栅格河网的生成

利用map algebra工具集中的con命令，它是基于栅格进行有条件的查询并将查询结果赋予新的栅格数据中。也可以利用Spatial Analysis分析模块下的Raster Calculator来计算出所有大于设定阈值的栅格，这些栅格就是河网的潜在位置。根据所设定的阈值对整个区域进行判断，汇流累积量大于阈值的栅格，采取重分类将其属性值赋为1，小于或等于阈值的栅格设置为无数据，最终形成河网水系。

3)栅格河网矢量化

在hydrology工具集中提供了将生成的栅格河网进行矢量化，就可以得到矢量形式的河网图。图4是本实验区域矢量形式的河网图。

图4 矢量化后的河网图

图5 流域的盆地

2.5 河网分级

河网分级是对一个线性的河流网络进行分级别的数字标识。在ArcGIS的水文分析中，提供两种常用的河网分级方法:Strahler分级和Shreve分级。结合实际情况，本次分析采用了Shreve的分级方式，得到河流分级叠加在填充后的DEM。

2.6 河流流域盆地确定

流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域。任何一个天然河网都由大小不等、形态不一的水道联合而成，每个水道都有其汇水范围和流域面积，这样就形成了子流域，较大的流域通常由这些子流域联合而成。通过Basin命令，可确定流域盆地，图5为该区域的流域盆地。

确定流域的出水口位置，即将所有水系最终注入该点的所有子流域重新生成为一个流域，而流域边界即为全流域分线，利用watershed工具，得到出水点的汇水区域。而对于汇水区出水口的确定，用hydrology工具集中的snap pour point工具寻找汇水区出水口。那些属性值存在的点作为潜在的出水点，在指定距离内于汇流累计量数据层上搜索那些具有较高汇流累计量栅格点的位置，这些搜索到的栅格点就是小级别流域的出水点，也可以利用已有的出水点的矢量数据。如果没有出水点的栅格或矢量数据，则可以用已有河网数据进一步生成stream link数据，作为汇水区的出水口数据。根据出水口的位置确定的汇水区域如图6所示。最后叠加河网层，得到出水口流域地表模拟图，如图7所示。

图6 出水点的汇水区域

图7 最终得到的出水口流域地表模拟图

2.7 精度校验

如果对于实验结果不确定时，可以手动提取流域边界，与实验结果进行比较和验证。这种校验一般使用定量分析提取误差，即将自动提取的子流域面积与结合手工量测的结果进行对比分析。具体做法是:将地形图和遥感影像经过几何纠正配准到同一投影坐标下，结合已有的DEM生成三维流域地貌图，以此为基础，手工提取了流域边界，划分了子流域，并将其与利用DEM自动提取的流域进行空间对比分析。DEM在水文模拟中的应用主要应用时描述流域地形，包括流域划分和子流域边界的确定、河网的识别和提取、坡度、坡向的确定等等，从而为流域分布式水文模型的构建提供下垫面参数。通过离散点数据修改DEM后，利用填洼算法再次对DEM进行修正，由此提取的流域特征比较符合实际。

3 结论与思考

基于DEM数据，运用ArcGIS软件的水文分析模块，确定了某处河流流域水文方向，提取了流域河网水系和流域盆地，模拟了出水口的地表流域模型。研究结果表明，采用该方法模拟的河流数字流域水系及面积与水利部门提供的数据及真实地形基本相符，但不完全吻合。客观的反映了河流流域水系空间分布状况。该研究成果将为流域植被与生态环境演变过程的进一步研究和分析提供基础数据，同时也为获取该流域水系空间分布状况提供了一种新的方法。而对于不符合的地方进行分析，发现误差的产生主要原因分析是，可能是由于水流出河口后发生漫散，因此DEM在处理河口地带精度受到影响，容易造成流域分水线在河口处计算的误差，从而造成流域面积计算的误差。由于面积误差发生在流域出口位置，因此这种面积误差对以后的流域分析产生影响较小。在此基础上，采用更高空间分辨率的DEM数据，并融入遥感影像等其它空间信息，将会提高河网、流域范围等相关水文信息的质量，为流域分析计算、流域生态环境演变等后续的研究提供参考，这些将是以后研究的一个重点。

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