基于WMS的福建闽清流域提取

摘 要：本文将2016年7月9日发生特大洪涝灾害的福建闽清流域作为研究对象，以WMS专业水文软件为平台，采用数字高程模型DEM为数据源，自动划分流域水系，并提取出该流域的水文特征参数。

关键词：DEM；WMS；流域提取；流域特征；流域建模

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.247

1 引言

2016年7月9日，受台风“尼伯特”的影响，福建省闽清县遭受特大暴雨洪涝灾害，全县三分之一人口约11.69万人受灾，因灾死亡人数达73人、失踪17人，经济损失约52.3亿元人民币。由于该地区受灾严重，特以此为研究对象进行流域提取。数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）是“数字流域”用于流域水系构建的一种基础手段，主要有栅格型、不规则三角网（TIN）及矢量型3种格式，用于确定单元网格的流向、汇流路径、河网间的拓扑关系、流域及子流域的边界划分等[1]，得到流域面积、流域坡度、周长等特征参数。

作为实现“数字流域”的基础工具，流域水文模型由集总式水文模型逐步向分布式水文模型发展。本研究中所采用的分布式水文模型WMS（Watershed Modeling System）是由美国Brigham Young大学环境模型研究实验室（EMRL）与美国陆军工程兵团水道试验站 （WES） 共同开发研制，是一种基于GIS的专业流域水文模型模拟软件，可基于DEM、TIN、矢量地图等格式数据进行水文全过程的模拟，其中内嵌的TOPAZ（Topographic Parameterization）算法可进行如流域的自动生成、子流域的划分、计算流域特征参数等工作。本文主要以WMS为平台对福建闽清进行流域提取并获得流域特征参数。

2 TOPAZ算法原理

在DEM基础上，TOPAZ可实现的主要功能如下：DEM预处理、流向确定、汇水面积计算、河网提取、子流域划分、流域边界确定及流域水系拓扑关系生成等。其中，DEM的预处理涉及洼地和平地处理， TOPAZ将洼地分为阻挡型和凹陷型，前者采用降低阻挡处高程的穿透法处理，后者利用填高法处理，而平地处理采用修正高程。其他功能主要基于D8算法、最陡坡度原则和最小汇流累积阈值 [2-4]。D8算法主要用于确定流域内每个栅格的水流方向，假设每个栅格相邻的8个栅格即为流向，按照最陡坡度原则，水流最终流向高程最低的那个栅格。最小汇流累积阈值用于确定生成的河网的疏密度。

3 流域提取

（1）研究区概况。本文中的洪灾地区为福建省闽清县，位于福建省东部，闽江下游，距省城福州50千米。地理坐标为东经118°30 –119°01。闽清地当闽中大山戴云山脉和闽北山带鹫峰山脉交接地段，丘陵广布，具有坂东等诸多河谷平原。整个地势呈现从四周山地向中央河谷逐渐降低的趋势，是洪涝灾害发生的天然温床。

（2）DEM数据来源。本研究中所采用的数字高程模型DEM数据来源于90m精度的SRTM（Shuttle Radar Topograhy Mission）地形文件，数据覆盖范围为北纬25°85–26°28、东经118°46 –119°01。WMS所支持的DEM数据格式为.dem（USGS dem） 、.asc（ArcInfo Grid）等，因此将SRTM文件转换成.asc格式。

（3）坐标系统转换。本研究中的DEM是用经纬度表示的椭球体坐标系，为WGS84地理坐标系， 为方便运算，需将其在WMS中转换为X、Y所表示的平面直角坐标系，即UTM投影坐标系，本文研究流域地理设定为Zone 50，即北半球、东经114°–120°。

（4）DEM預处理。DEM预处理主要涉及洼地的修正，受DEM分辨率和DEM生成过程中误差的影响，流域中的洼地会使计算水流方向时，易出现水流逆流的现象，导致水流方向计算不正确。WMS中的洼地用Digital Dams表示，即可通过人工修正高程消除，也可使用Clean Dams命令来消除。

（5）汇流面积计算及河网生成。通过D8算法计算出水流方向后，可进行流域汇流面积的计算和河网生成。当每个栅格的水流流向确定时，计算上游水流流向该栅格的栅格总数，可确定该栅格点的上游汇流面积，依此计算每个栅格的汇流面积，当栅格汇流面积大于设定的最小汇流累积阈值（Min flow Accumulation）时，形成河道，进而生成河网。为了过滤意义不大的小支流，生成有效的河网，需选取一个合理的最小汇流累积阈值确定河网的疏密程度。本研究中采用的阈值为5 km2 ，计算出的流域汇流面积为375.77 km2。

（6）流域提取。使用Create Outlet Point命令设定流域出口点，坐标为X：687492.00、 Y：2900963.00。WMS可结合水流方向，计算出该出口点上游所有流经此点的栅格点，并自动定义流域边界，将符合条件的栅格连接在一起，便生成了流域。

（7）流域特征参数提取。在流域提取过程中，WMS会自动计算出相应的特征参数值，包括流域面积、流域坡度、流域长度、最大径流距离、最大径流坡度等。本研究中的流域特征参数值如表1。

4 结论与讨论

（1）本研究所用的DEM数据精度为90 m ，分辨率较低，其生成过程中可能存在数据误差，这两者对流域提取会产生一定的影响，尤其本研究中的福建闽清流域山脉较多，河谷平原纵横，DEM精度不够易导致地形高程数据出现误差。（2）最小汇流累积阈值的设置会影响河网提取的精确度，阈值越小，提取的流域水系越细，相反，阈值越大，水系越疏。考虑实际河网形态，本研究中将最小汇流累积阈值设置为5 km2。同时，当阈值较小时（如1 km2），存在诸多长度较短的河道，可能是实际中不存在的河道，这是水文研究工作中需要注意的问题。（3）本研究中基于WMS和DEM 所进行的流域提取，对水文模型的构建及洪涝灾害的研究具有参考价值，可有助于提高水文分析的工作效率，确保水文模拟的精确度。同时，在此基础上可结合GSSHA、HEC-HMS等水文模块进行后续研究。

参考文献：

[1]吴险峰，王中根，刘昌明，刘晓伟.基于DEM的数字降水径流模型在——黄河小花间的应用[J].地理学报，2002（06）：671-678.

[2]Douglas D H.Experiments to locate ridges and channels to create a new type of digital elevation models.Cartographica，1986，23（04）：29-61.

[3]Fairfield J，Leymarie P.Drainage networks from grid digital elevation models.Water Resources Research，1991，30（06）：1681-1692.

[4] Mark D M.Automatic detection of drainage networks from digital elevation models. Cartographica，1984，21（2/3）：168-178.

作者简介：黄平（1993-），女，安徽蚌埠人，硕士研究生，研究方向：水文洪涝灾害研究。