张 振，宋亚娅

(1.武警水电第一支队，河北 唐山063004;2.陕西省地质调查中心，陕西 西安7100163)

从20世纪90年代以来，随着科学技术、空间技术的迅速发展及计算机图形理论的迅速完善，水文学的研究方法也开始产生了根本性的变化，水文学与计算机及信息技术的交叉形成了数字水文学[1－2]。数字水文学的发展，促使流域地形、分水线、河网、子流域的提取和集水面积的计算等都能通过数字技术实现，丰富了模型信息，提高了水文模拟的效率。在流域水文模型构建中，利用数字高程模型(DEM)提取流域水文信息是数字水文学研究的热点[3－5]。

国内外众多研究表明，利用GIS[6]技术结合流域数字高程模型(DEM)提取流域的汇流累积量、水流方向、水流长度、河网密度、河网分级、子流域划分等水文特征信息是一种可行且高效的方法。本文尝试利用GIS技术与DEM相结合，利用水文年鉴提供的水文站点经纬度，依据流域的面积作为控制信息，提取研究流域、流域河网水系并进行流域内河流分级处理，利用提取的流域分析流域的主河道长、流域长度、流域形状系数各级河流的长度，为流域的水文设计提供设计依据。

1 流域水文地理信息提取原理与方法

利用ArcGIS10.0软件及其Hydrology水文扩展模块，提取流域特征信息主要包括以下几个步骤:提取流域原始的DEM，对原始DEM进行洼地填充、确定水流方向、计算汇流累积量、捕捉流域控制点、调整流域控制点、确定流域控制点、提取研究流域、提取流域河网水系、流域河流分级、分析流域特征信息。

1.1 流向分析和汇流累积量计算

原始的DEM栅格数据需要进行填洼或削峰处理，以消除原始数据中的洼地(Sinks)或尖峰(Peaks)，生成连续水系。利用水文分析模块中的Sink工具对原始DEM进行预处理，找出洼地区域，然后使用Fill工具，对洼地进行填充，生成无洼地的DEM，削峰的方法与其类似。

ArcGIS10.0水文分析模块采用D8算法确定水流方向，该算法依据一个栅格单元水流总是沿斜坡最陡方向流动的原理，其水流总是流向与之相邻近的8个格网点中坡度最陡的单元格，一般用最大距离权落差(最大坡降法)来计算水流方向，生成流向栅格文件。坡度的计算式如下:

式中，hi为栅格 的单元高程，hj为与栅格i相邻栅格j的高程，D为栅格i与栅格j之间的中心距离。

在流域中所有栅格点流向都确定的基础上，根据水流方向计算每个栅格点上游汇聚到该栅格点的栅格总数，进而得到该栅格点的集水面积，建立流域水流聚集点数据模型。

1.2 基于AHT流域的提取

利用ArcGIS10.0中 AHT(ArcGIS Hydro Tools)进行子流域的提取。将流域出水口数据即水文站地理坐标的栅格数据，加载到累积流上，利用hydrology工具集中的watershed工具，输入水流方向数据和流域出口点数据，即可得到出口点所控制的流域。利用Data Management Tools与Conversion Tools计算流域面积，若计算的流域面积与实测流域面积差值的绝对值小于10%，则该流域即为要提取的流域，反之，重新加载流域出口点的栅格数据，直到得到满意的结果为止。

1.3 基于AHT流域水系的提取及河流分级

根据空间分析(Spatial Analyst Tools)中的计算工具(Con)，利用已建立的栅格流向格网数据模型和水流集聚栅格数据模型，设定合适的阈值，阈值的设定是河网的提取过程中关键的一步，直接影响到河网的提取结果，阈值应符合研究区域地形地貌条件，可以流域的气候特征进行确定。将流域中栅格汇流量大于阈值的栅格点标记出来，就可得到流域水系。

河网分级就是对河流网络进行分级别的数字标识。在ArcGIS10.0的水文分析模块中，提供 Shreve分级和 Strahler分级两种河网分级方法。按Strshler的水系系统分级方法:根据设定的集水面积阈值，在整个流域内追索栅格点上游集水面积等于上游集水面积阈值的点，这些栅格点就是水系的起始点，沿着水流方向，追索栅格点上游集水面积大于上游集水面积阈值的点，这些点构成水道，当追索到水系交汇点时，完成Ⅰ级水系的追索。接着从两个Ⅰ级水系的交汇点开始，向下游追索Ⅱ级水系，以此类推，追索出所有的高级水系。

运用ArcGIS10.0中AHT模块，利用AHT模块工具集中Stream Order、Stream to Feature将上一步生成的栅格河网进行矢量化，得到矢量形式的河网图。对于矢量格式的河网图，可通过地图编辑工具进行编辑和修改，以生成符合实际要求的河网图。

2 应用实例

2.1 流域概况

汀江发源于武夷山南段东南一侧宁化县境内木马山北坡，全长328 km，其中在福建省境内285 km，上杭境内112 km。汀江支流众多，大于500 km2以上的支流有:濯田河、桃澜溪(又名小澜溪)、旧县河、黄潭河、永定河、金丰溪6条[7]。图1为测站分布示意图，表1为汀江流域水文测站信息表。

图1 测站分布示意图

表1 汀江流域水文测站信息表

2.2 汀江流域观音桥、官庄等子流域的提取

利用DEM及GIS技术提取汀江观音桥流域、官庄流域、上杭流域、濯田流域、陂下流域、杨家坊流域的水文地理信息，为水文资料的移置提供依据。汀江流域现有的资料有测站粗略分布图、年鉴记录的各水文测站的集水面积及其经纬度。根据汀江流域6个水文测站的的地理坐标，依据其实测的集水面积提取汀江流域对应的6个子流域。表2为汀江流域观音桥、官庄等子流域提取集水面积与实际集水面积比较表，提取结果如图2所示。

从表2中可以濯田流域、杨家坊流域用软件提取的流域面积与实际量测的面积数据非常接近，相对误差都在1%以内，说明用GIS软件提取的以上2个流域与实际流域非常吻合;观音桥流域、官庄流域用软件提取的流域面积与实际量测的面积数据相对误差在4%以内，说明用GIS软件提取的以2个流域与实际流域比较吻合;其余的相对误差控制在10%以内，说明用GIS软件提取的流域与实际流域的误差在可接受范围内。所以总体上讲，利用栅格DEM数据，将水文测站作为控制点，提取的流域从效率和精度上都是可行的，结果与实际情况基本一致。

图2 汀江流域相应子流域提取图

表2 汀江子流域集水面积的提取值与实际值比较表

2.3 汀江流域观音桥、官庄等子流域河网的提取及河流分级

河网是在汇流累积量的基础上产生的。DEM中某栅格点若能形成水系，则需上游有一定的积水区域，因此在提取河网时，需要给定一个集水面积的阀值。集水阀值设定的大小，将直接决定提取河网的详细程度。本文通过多次试验及研究的需要，利用所生成的汇流栅格图，设定生成河网的阈值为1 000个栅格，这一过程均在Hydrology模块下实现。图3为汀江6个水文站点控制子流域的河流分级图。

图3 汀江流域相应子流域河流分级图

对汀江6个子流域的各级河流进行统 计分析，结果如表3所示。

表3 汀江子流域的河流统计表

由表3可以得到，观音桥流域主河道长占河流总长的33.0%，官庄流域主河道长占河流总长的48.1%，桃溪流域主河道长占河流总长的23.0%，坡下流域主河道长占河流总长的22.8%，濯田流域主河道长占河流总长的29.1%，杨家坊流域主河道长占河流总长的27.8%，需要说明的是，这里的河道总长是1级河流、2级河流、3级河流的长度总和。

3 结语

(1)以DEM为基本的技术手段，利用GIS软件，提取了流域的水文地理信息，分析计算得到了各子流域的长度、宽度、流域系数、流域主河道长，为无资料地区水文设计时参证流域的选取提供了相应的地形地貌资料。

(2)GIS环境下基于DEM流域水文地理信息提取的关键是流域集水阀值的取值，不同集水阀值提取的河网不同，对计算结果的影响也就不同。如何确定提取的河网与自然水系相符的集水阀值方法还有待进一步研究。

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[2]Turcotte R，Fortin J P，Rousseau A N，et al.Determination of the drainage structure of a watershed using a digital elevation model and a digital river and lake network[J].Journal of Hydrology，2001，240(3－4):225－242.

[3]熊立华，郭生练，KieranM·O'Connor.利用DEM提取地貌指数的方法述评[J].水科学进展.2012，13(6):775－780.

[4]徐新良，庄大方，贾绍凤，等.GIS环境下基于 DEM的中国流域自动提取方法[J].长江流域资源与环境.2007，13(4):333－348.

[5]蔺彬彬，张亚琼，武鹏林.GIS环境下基于DEM的三川河流域特征提取[J].中国农村水利水电.2013，(3)34－36.

[6]张超，陈丙咸，邬伦.地理信息系统[M].北京:高等教育出版社.2000.

[7]宋亚娅，张振，黄振平，等.基于模糊识别理论无资料地区设计径流典型年的选择[J].河海大学学报.2014，1(42).