基于WMS的福建閩清流域提取

摘 要：本文將2016年7月9日發(fā)生特大洪澇災(zāi)害的福建閩清流域作為研究對(duì)象，以WMS專業(yè)水文軟件為平臺(tái)，采用數(shù)字高程模型DEM為數(shù)據(jù)源，自動(dòng)劃分流域水系，并提取出該流域的水文特征參數(shù)。

關(guān)鍵詞：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，受臺(tái)風(fēng)“尼伯特”的影響，福建省閩清縣遭受特大暴雨洪澇災(zāi)害，全縣三分之一人口約11.69萬(wàn)人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡人數(shù)達(dá)73人、失蹤17人，經(jīng)濟(jì)損失約52.3億元人民幣。由于該地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重，特以此為研究對(duì)象進(jìn)行流域提取。數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）是“數(shù)字流域”用于流域水系構(gòu)建的一種基礎(chǔ)手段，主要有柵格型、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）及矢量型3種格式，用于確定單元網(wǎng)格的流向、匯流路徑、河網(wǎng)間的拓?fù)潢P(guān)系、流域及子流域的邊界劃分等[1]，得到流域面積、流域坡度、周長(zhǎng)等特征參數(shù)。

作為實(shí)現(xiàn)“數(shù)字流域”的基礎(chǔ)工具，流域水文模型由集總式水文模型逐步向分布式水文模型發(fā)展。本研究中所采用的分布式水文模型WMS（Watershed Modeling System）是由美國(guó)Brigham Young大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室（EMRL）與美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站 （WES） 共同開(kāi)發(fā)研制，是一種基于GIS的專業(yè)流域水文模型模擬軟件，可基于DEM、TIN、矢量地圖等格式數(shù)據(jù)進(jìn)行水文全過(guò)程的模擬，其中內(nèi)嵌的TOPAZ（Topographic Parameterization）算法可進(jìn)行如流域的自動(dòng)生成、子流域的劃分、計(jì)算流域特征參數(shù)等工作。本文主要以WMS為平臺(tái)對(duì)福建閩清進(jìn)行流域提取并獲得流域特征參數(shù)。

2 TOPAZ算法原理

在DEM基礎(chǔ)上，TOPAZ可實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：DEM預(yù)處理、流向確定、匯水面積計(jì)算、河網(wǎng)提取、子流域劃分、流域邊界確定及流域水系拓?fù)潢P(guān)系生成等。其中，DEM的預(yù)處理涉及洼地和平地處理， TOPAZ將洼地分為阻擋型和凹陷型，前者采用降低阻擋處高程的穿透法處理，后者利用填高法處理，而平地處理采用修正高程。其他功能主要基于D8算法、最陡坡度原則和最小匯流累積閾值 [2-4]。D8算法主要用于確定流域內(nèi)每個(gè)柵格的水流方向，假設(shè)每個(gè)柵格相鄰的8個(gè)柵格即為流向，按照最陡坡度原則，水流最終流向高程最低的那個(gè)柵格。最小匯流累積閾值用于確定生成的河網(wǎng)的疏密度。

3 流域提取

（1）研究區(qū)概況。本文中的洪災(zāi)地區(qū)為福建省閩清縣，位于福建省東部，閩江下游，距省城福州50千米。地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°30 –119°01。閩清地當(dāng)閩中大山戴云山脈和閩北山帶鷲峰山脈交接地段，丘陵廣布，具有坂東等諸多河谷平原。整個(gè)地勢(shì)呈現(xiàn)從四周山地向中央河谷逐漸降低的趨勢(shì)，是洪澇災(zāi)害發(fā)生的天然溫床。

（2）DEM數(shù)據(jù)來(lái)源。本研究中所采用的數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于90m精度的SRTM（Shuttle Radar Topograhy Mission）地形文件，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯25°85–26°28、東經(jīng)118°46 –119°01。WMS所支持的DEM數(shù)據(jù)格式為.dem（USGS dem） 、.asc（ArcInfo Grid）等，因此將SRTM文件轉(zhuǎn)換成.asc格式。

（3）坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。本研究中的DEM是用經(jīng)緯度表示的橢球體坐標(biāo)系，為WGS84地理坐標(biāo)系， 為方便運(yùn)算，需將其在WMS中轉(zhuǎn)換為X、Y所表示的平面直角坐標(biāo)系，即UTM投影坐標(biāo)系，本文研究流域地理設(shè)定為Zone 50，即北半球、東經(jīng)114°–120°。

（4）DEM預(yù)處理。DEM預(yù)處理主要涉及洼地的修正，受DEM分辨率和DEM生成過(guò)程中誤差的影響，流域中的洼地會(huì)使計(jì)算水流方向時(shí)，易出現(xiàn)水流逆流的現(xiàn)象，導(dǎo)致水流方向計(jì)算不正確。WMS中的洼地用Digital Dams表示，即可通過(guò)人工修正高程消除，也可使用Clean Dams命令來(lái)消除。

（5）匯流面積計(jì)算及河網(wǎng)生成。通過(guò)D8算法計(jì)算出水流方向后，可進(jìn)行流域匯流面積的計(jì)算和河網(wǎng)生成。當(dāng)每個(gè)柵格的水流流向確定時(shí)，計(jì)算上游水流流向該柵格的柵格總數(shù)，可確定該柵格點(diǎn)的上游匯流面積，依此計(jì)算每個(gè)柵格的匯流面積，當(dāng)柵格匯流面積大于設(shè)定的最小匯流累積閾值（Min flow Accumulation）時(shí)，形成河道，進(jìn)而生成河網(wǎng)。為了過(guò)濾意義不大的小支流，生成有效的河網(wǎng)，需選取一個(gè)合理的最小匯流累積閾值確定河網(wǎng)的疏密程度。本研究中采用的閾值為5 km2 ，計(jì)算出的流域匯流面積為375.77 km2。

（6）流域提取。使用Create Outlet Point命令設(shè)定流域出口點(diǎn)，坐標(biāo)為X：687492.00、 Y：2900963.00。WMS可結(jié)合水流方向，計(jì)算出該出口點(diǎn)上游所有流經(jīng)此點(diǎn)的柵格點(diǎn)，并自動(dòng)定義流域邊界，將符合條件的柵格連接在一起，便生成了流域。

（7）流域特征參數(shù)提取。在流域提取過(guò)程中，WMS會(huì)自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的特征參數(shù)值，包括流域面積、流域坡度、流域長(zhǎng)度、最大徑流距離、最大徑流坡度等。本研究中的流域特征參數(shù)值如表1。

4 結(jié)論與討論

（1）本研究所用的DEM數(shù)據(jù)精度為90 m ，分辨率較低，其生成過(guò)程中可能存在數(shù)據(jù)誤差，這兩者對(duì)流域提取會(huì)產(chǎn)生一定的影響，尤其本研究中的福建閩清流域山脈較多，河谷平原縱橫，DEM精度不夠易導(dǎo)致地形高程數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。（2）最小匯流累積閾值的設(shè)置會(huì)影響河網(wǎng)提取的精確度，閾值越小，提取的流域水系越細(xì)，相反，閾值越大，水系越疏。考慮實(shí)際河網(wǎng)形態(tài)，本研究中將最小匯流累積閾值設(shè)置為5 km2。同時(shí)，當(dāng)閾值較小時(shí)（如1 km2），存在諸多長(zhǎng)度較短的河道，可能是實(shí)際中不存在的河道，這是水文研究工作中需要注意的問(wèn)題。（3）本研究中基于WMS和DEM 所進(jìn)行的流域提取，對(duì)水文模型的構(gòu)建及洪澇災(zāi)害的研究具有參考價(jià)值，可有助于提高水文分析的工作效率，確保水文模擬的精確度。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上可結(jié)合GSSHA、HEC-HMS等水文模塊進(jìn)行后續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳險(xiǎn)峰，王中根，劉昌明，劉曉偉.基于DEM的數(shù)字降水徑流模型在——黃河小花間的應(yīng)用[J].地理學(xué)報(bào)，2002（06）：671-678.

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[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.

作者簡(jiǎn)介：黃平（1993-），女，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向：水文洪澇災(zāi)害研究。