基于DEM的珠江三角洲地區(qū)水文特征模擬與分析

劉鳳梅，黎義勇，肖 攀，曾 敏

(中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北 武漢 430205)

0 引 言

數(shù)字高程模型(DEM)被廣泛用于國家地理信息基礎、三維可視化顯示、地形地貌微特征、地學調查監(jiān)測等諸多學科及科研領域[1]。目前，國內外學者均研發(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可，對于快速的大區(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)境演變及防災減災、重大工程設施選址都有著重要的意義，為水文相關研究工作中提供了快速有效的科學方法，是我國水文模型研究應用與發(fā)展的必然趨勢之一。

ArcGIS平臺全面的空間分析功能、強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以快速準確地表達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)格之間的關系。本文基于ArcGIS10.2中的水文分析工具，對珠江三角洲平原進行水文特征模擬分析，可為珠江三角洲水資源管理評價、土地利用及生態(tài)建設規(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)內河網(wǎng)水道縱橫交錯，形似網(wǎng)狀，有重要水道26條，總長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)內網(wǎng)河地勢平坦，淺灘較多，河面開闊，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、含沙量低，豐水季節(jié)洪澇災害多發(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，受臺風大潮影響，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，每年進入三角洲河口的懸移質泥沙總量達8 422.1萬噸，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圖件均由DEM根據(jù)不同算法和流程生成，要達到較好的效果，必須選擇數(shù)據(jù)質量精度高、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)在中國境內全覆蓋，獲取便利，質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，對數(shù)據(jù)進行鑲嵌、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水文分析內容及方法

2.1 ArcGIS水文分析內容

ArcGIS軟件平臺所提供的水文分析模塊，進行洼地填充或削峰而后完成徑流方向、匯流累積量、水流長度、河流分段、河流網(wǎng)絡等一系列水文因子的提取，并通過這些水文因子提取流域盆地，捕捉匯流點，最終確定匯水區(qū)出水口，同時實現(xiàn)對研究區(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，結合DEM高程柵格特征，根據(jù)水流依附地勢從高到低的流動規(guī)律[3]，計算每一個高程柵格單元周圍8個柵格的高程，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，以此計算出的結果稱之為單元流向柵格圖，顯示了水流離開此單元格時的方向，每個單元格的屬性數(shù)值表示的含義，從20～27分別代表了E、S、W、N、NE、NW、SE、SW 8個流向，以此來確定水流的方向(圖3)。水流方向不合理的地區(qū)即為洼地，通過對洼地進行填充實現(xiàn)無洼地處理。

圖3 單元流向柵格示意圖

2.2.2 匯流累積量計算

計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，是地表徑流模擬過程中不可或缺的一步。利用水流方向數(shù)據(jù)，即可計算經(jīng)過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，一般對應于河道，而0累積值的像元則沒有流量經(jīng)過，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：以每個柵格單元格為初始點，依次對水流方向矩陣進行掃描，根據(jù)水流方向追蹤，直到DEM邊界[6]，通過計算柵格數(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度的重要因素，水流長度直接影響地表徑流的速度，進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

在前面計算得到累積匯流柵格矩陣的基礎上，給定合適的集水面積閾值，通過柵格計算得到河網(wǎng)的柵格形式，再進行柵格河網(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。閾值越小，提取的河網(wǎng)就越精細，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共同的出水口所流經(jīng)的區(qū)域[7]，由形態(tài)各異、長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，每個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 無洼地DEM的水流流向提取

DEM的質量決定了水流流向提取的精確度，因此，需先檢查DEM是否存在單點洼地或范圍較小的獨立洼地，這些洼地都是由于高程差值、設備差異、技術人員水平差異等因素而產(chǎn)生的。這些“洼地”在計算水流方向時會使水流流向出現(xiàn)偏移，甚至是出現(xiàn)倒流的情況，影響準確的水文因子提取，給水流路徑的跟蹤帶來極大的誤差。因此，在進行水文特征分析前需要對這些“洼地”進行削峰或填洼，經(jīng)該填充處理后的DEM會更平滑，其生成的水流方向矩陣能更好地確定流向和流域邊界。對珠江三角洲經(jīng)濟區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行無洼地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)

人類活動離不開水，精細的掌握河網(wǎng)的分布，對人類活動的合理安排有著至關重要的作用。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小河流，經(jīng)過反復試驗，發(fā)現(xiàn)設定閥值10 000來模擬水系柵格圖較為合適。根據(jù)設定的閥值，對柵格數(shù)據(jù)進行重分類，將大于閥值的柵格值設為1，小于或等于0的柵格值設為無數(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，先對珠江三角洲水流方向進行分析計算，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，對珠江三角洲水流方向數(shù)據(jù)的分析計算，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)。

隨著人類活動的加劇，流域盆地已成為區(qū)域人地關系十分敏感而復雜的地理單元，以水為樞紐，將流域盆地內各自然地理要素，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不可分割的整體，進而直接影響到流域內土地利用狀況，進而與人類活動相互影響。

3.4 提取流域盆地出水口

出水口是每個流域盆地中水流的終點，即一個整體單元中的地勢最低點，其獲取方式是通過水文分析自動提取再結合人工篩選。水流流向數(shù)據(jù)和匯流累積量數(shù)據(jù)的計算過程中，可以得到河網(wǎng)的結構信息，其中記錄著河網(wǎng)節(jié)點之間的連接信息。這些節(jié)點信息代表著每條弧段連接著兩個作為出水點或匯水點的結點，或者連接著作為出水點的結點和河網(wǎng)起始點[9]。相對而言，弧段的終點就是該匯水區(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，它將一個大的流域盆地按照河網(wǎng)弧段將其分為一個個的小的集水盆地。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 語

(1)本文對珠江三角洲地區(qū)地表水文特征進行模擬分析，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、水流長度、河流網(wǎng)絡等特征因子，通過對流域的分割模擬了珠江三角洲流域盆地范圍，并對流域出水口位置進行了確定。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，對水資源流域規(guī)劃管理評價、生態(tài)建設規(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)揮重要的指導意義。

(2)生成河網(wǎng)時對柵格數(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一步的改進，研究空間比較大。