高蜻,唐麗霞,谷曉平,于飛,成星霖,黃松

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院,550025,貴陽(yáng)；2.貴州省金沙縣禹謨鎮(zhèn)政府,551804,貴州金沙；3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,50000,貴陽(yáng))

基于ArcGIS的望謨河流域地勢(shì)起伏度分析

高蜻1,2,唐麗霞1?,谷曉平3,于飛3,成星霖1,黃松1

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院,550025,貴陽(yáng)；2.貴州省金沙縣禹謨鎮(zhèn)政府,551804,貴州金沙；3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,50000,貴陽(yáng))

地勢(shì)起伏度的研究對(duì)中小尺度流域的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的敏感性分析和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。以山洪地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的望謨河流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于ArcGIS平臺(tái)以望謨河流域1∶1萬(wàn)的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用窗口分析法和均值變點(diǎn)分析法,利用Python模塊編程自動(dòng)提取和計(jì)算望謨河流域地勢(shì)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元,并對(duì)望謨河流域的地勢(shì)起伏度進(jìn)行分析。結(jié)果表明:望謨河流域地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元的面積是1.49 km2,地勢(shì)起伏度在0～648.23 m之間；中部河網(wǎng)密集區(qū)起伏度大,流域邊緣起伏度小；流域地貌屬于小起伏山地,以切割高地和切割山地為主,土壤侵蝕較嚴(yán)重。

地勢(shì)起伏度；望謨河流域；地質(zhì)災(zāi)害；ArcGIS

地勢(shì)起伏度(relief amplitude)是以DEM為手段,分析地形起伏特征的宏觀指標(biāo),近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于區(qū)域水土流失分析、土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)、土地利用評(píng)價(jià)、地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)、地形分析、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等多方面[1-6]。此外,開(kāi)展區(qū)域地勢(shì)起伏度研究可為區(qū)域滑坡、泥石流敏感性和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),其提取精度直接影響區(qū)域滑坡、泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的正確性[7]。許多學(xué)者圍繞著提取和確定地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元的方法進(jìn)行了研究；但多數(shù)研究主要集中于全國(guó)范圍和地形地貌復(fù)雜的特定大區(qū)域上,比例尺多小于1∶5萬(wàn)[1-6,8-13],對(duì)于以小流域比例尺為1∶1萬(wàn)DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究的較少。然而,小流域作為地貌中最基本的自然地理單元,是最能反映地貌宏觀整體特征的區(qū)域。采用大比例尺、高分辨率的DEM分析地勢(shì)起伏度,對(duì)分析小流域的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及小流域的綜合治理尤為重要[8-10]。

望謨縣是貴州省山洪災(zāi)害一級(jí)重點(diǎn)防治縣,縣內(nèi)河流深切,溝谷發(fā)育,地形破碎。近年來(lái)更是頻發(fā)山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。在“20110606”特大山洪泥石流災(zāi)害中,境內(nèi)2 h降雨量達(dá)250 mm,產(chǎn)生1 000萬(wàn)m3的泥石流,震驚全國(guó)。筆者以望謨縣的重災(zāi)流域——望謨河流域?yàn)檠芯繀^(qū),以ArcGIS為平臺(tái),以望謨河流域1∶1萬(wàn)的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用窗口分析法和均值變點(diǎn)分析法,利用Python模塊編程,自動(dòng)提取和計(jì)算望謨河流域地勢(shì)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元,并對(duì)望謨河流域地勢(shì)起伏度的情況進(jìn)行分析,以期為當(dāng)?shù)貫?zāi)害危險(xiǎn)度區(qū)劃,當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的原因分析提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

望謨河流域地處貴州省望謨縣中部,云貴高原向廣西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶,地理坐標(biāo)位于E 106° 2′～106°12′,N 25°9′～25°23′?？偯娣e194.31 km2,最高海拔1 675 m,最低海拔545 m(圖1)。該流域內(nèi)河流屬季節(jié)性(雨源性)山區(qū)河流,年均降水量1 240.3 mm,汛期多在5—8月,降水集中,降水量占全年的87.3%。自1979年至今,已發(fā)生19起大型洪水。近年來(lái)崩塌、滑坡和泥石流等各種地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生,嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study region

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為望謨河流域1∶1萬(wàn)比例的流域地形圖矢量化制作的DEM,柵格分辨率采用5 m×5 m。以望謨河流域水文監(jiān)測(cè)站為流域出口,ArcSWAT為平臺(tái),劃定流域范圍和子流域,計(jì)算流域面積。根據(jù)ArcSWAT軟件要求以及各投影特性,選用保留面積性質(zhì)的等積投影(Albers投影)作為投影方法,第1標(biāo)準(zhǔn)緯線定為N 25°,第2標(biāo)準(zhǔn)緯線定為N 47°,中央經(jīng)線定為E 105°,基準(zhǔn)面選用krasovsay1940。

2.2 地勢(shì)起伏度的提取

2.2.1 提取原理 按照地貌發(fā)育的基本理論,一種地貌類型存在一個(gè)使最大高差達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的最佳統(tǒng)計(jì)窗口,這個(gè)最佳統(tǒng)計(jì)窗口即為地勢(shì)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元[8,11]；因此,地勢(shì)起伏度指在所指定的分析區(qū)域內(nèi)所有柵格中最大高程與最小高程的差值。

式中:Ri為該領(lǐng)域范圍內(nèi)的高差,m；Hmax為領(lǐng)域內(nèi)所有像元高程值的最大值,m；Hmin為領(lǐng)域內(nèi)所有像元高程值的最小值,m。本研究采用窗口分析法提取地勢(shì)起伏度,窗口分析法的基本原理是通過(guò)對(duì)柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的1個(gè)、多個(gè)柵格點(diǎn)或全部數(shù)據(jù),開(kāi)辟一個(gè)有固定分析半徑的窗口,并在該窗口內(nèi)進(jìn)行諸如極值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等一系列統(tǒng)計(jì)計(jì)算,或者進(jìn)行差分及與其他層面的信息進(jìn)行必要的復(fù)合分析,從而實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)有效的在水平方向擴(kuò)展分析[12-13]。

2.2.2 地勢(shì)起伏度的提取步驟 第1步,以ArcGIS為平臺(tái),制作望謨河流域的DEM,進(jìn)行洼地填充等預(yù)處理,并將其存為.tif格式；第2步,根據(jù)ArcGIS窗口分析法提取地勢(shì)起伏度的基本原理和提取步驟編寫(xiě)代碼；第3步,應(yīng)用ArcGIS的Python模塊自動(dòng)提取網(wǎng)格2×2、3×3、4×4、5×5、…、1 000× 1 000下的地勢(shì)起伏度；第4步,導(dǎo)出數(shù)據(jù),整理成表格。

2.3 最佳統(tǒng)計(jì)單元計(jì)算

2.3.1 計(jì)算原理 確定一個(gè)最佳分析區(qū)域是地勢(shì)起伏度提取算法中的核心步驟,也是決定區(qū)域地勢(shì)起伏度提取效果和有效性的關(guān)鍵。對(duì)于相同區(qū)域的DEM,當(dāng)分析區(qū)域由小變大:區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高差,無(wú)論何處都是從小變大,一般情況下,高差從開(kāi)始時(shí)以較快的速度增加,以后增加的速度變緩,在分析區(qū)域面積達(dá)到某一個(gè)閾值之后,高差變化基本穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上。使高差變化率由快變緩的節(jié)點(diǎn)即為拐點(diǎn),這個(gè)“拐點(diǎn)”所對(duì)應(yīng)的面積即為最終的統(tǒng)計(jì)單元面積,而“拐點(diǎn)”所對(duì)應(yīng)的高差值即為研究區(qū)的地勢(shì)起伏度[14-16]。最佳統(tǒng)計(jì)單元的確定屬于典型的變點(diǎn)分析問(wèn)題,均值變點(diǎn)分析法對(duì)有一個(gè)變點(diǎn)的檢驗(yàn)最為有效,在提取最佳統(tǒng)計(jì)單元時(shí)更為合適[6-8]。均值變點(diǎn)分析法主要方法[17]如下:

設(shè){xt,t=1,2,…,N}為非線性系統(tǒng)的輸出,其系統(tǒng)模型或輸出序列在某未知時(shí)刻起了突然變化,該時(shí)刻即為變點(diǎn),變點(diǎn)的存在會(huì)使原樣本的統(tǒng)計(jì)量S與樣本分段后的統(tǒng)計(jì)量Si之間的差距增大。

1)令i=2,…,N,對(duì)每個(gè)i將樣本分為2段: x1,x2,…,xi-1和xi,xi+1,…,xN,計(jì)算每段樣本的算術(shù)平均值和,以及統(tǒng)計(jì)量

計(jì)算期望值

2.3.2 S和Si值的自動(dòng)計(jì)算步驟 根據(jù)Python模塊的基本功能,利用Python編程來(lái)計(jì)算最佳統(tǒng)計(jì)單元的值。第1步,對(duì)平均地勢(shì)起伏度數(shù)據(jù)Ri進(jìn)行處理得到單位面積數(shù)據(jù)T,再對(duì)該數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)lnT即得到數(shù)據(jù)序列{xi}；第2步,將數(shù)據(jù)序列{xi}以.txt格式保存；第3步,根據(jù)均值變點(diǎn)分析法的計(jì)算原理和公式編寫(xiě)代碼,應(yīng)用ArcGIS的Python模塊對(duì)S和Si值進(jìn)行批量自動(dòng)計(jì)算；第4步,S和Si值的整理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地勢(shì)起伏度

以ArcGIS為平臺(tái),采用窗口分析法,用Python模塊編程自動(dòng)提取不同網(wǎng)格單元對(duì)應(yīng)下的地勢(shì)起伏度,導(dǎo)出數(shù)據(jù)并整理,以網(wǎng)格單元面積為橫坐標(biāo),相應(yīng)的平均地勢(shì)起伏度計(jì)算結(jié)果為縱坐標(biāo),繪制平均地勢(shì)起伏度與網(wǎng)格單元面積對(duì)應(yīng)散點(diǎn)分析圖(圖2)。從變化趨勢(shì)來(lái)看,望謨河流域平均地勢(shì)起伏度隨網(wǎng)格單元面積的增大呈增大的趨勢(shì),對(duì)應(yīng)散點(diǎn)分析圖呈S型分布。在統(tǒng)計(jì)單元面積為200萬(wàn)m2之前,研究區(qū)內(nèi)平均地勢(shì)起伏度隨著統(tǒng)計(jì)單元面積的增大而增大,且變化幅度較大；在1～200萬(wàn)m2之間,曲線上出現(xiàn)了平均地勢(shì)起伏度增加由陡變緩的那一點(diǎn),在增速變緩的過(guò)程中存在一處明顯拐點(diǎn)使增大趨勢(shì)陡變緩,在200萬(wàn)m2之后平均地勢(shì)起伏度增加趨勢(shì)變緩,并近似趨于平穩(wěn)。平均地勢(shì)起伏度與網(wǎng)格單元面積之間存在顯著的對(duì)數(shù)變化關(guān)系,由陡變緩的這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的面積即最佳統(tǒng)計(jì)單元的面積,為驗(yàn)證是否可以使用均值變點(diǎn)分析法尋找拐點(diǎn),對(duì)該散點(diǎn)圖以Logarithmic對(duì)數(shù)方程y=B0lnx+B1進(jìn)行擬合。得出擬合曲線方程y=85.001lnx+209.53時(shí),R2=0.974 5,經(jīng)擬合優(yōu)度檢驗(yàn),擬合度好,達(dá)到顯著水平,通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn),即該流域存在地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元,并可以采用均值變點(diǎn)分析法尋找拐點(diǎn)。

圖2 平均地勢(shì)起伏度與網(wǎng)格單元面積對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合曲線Fig.2 Fitting curve of the relationship between gird units and average relief amplitude

3.2 最佳統(tǒng)計(jì)單元

均值變點(diǎn)分析法可以準(zhǔn)確計(jì)算拐點(diǎn)的位置,但是計(jì)算量大,工作復(fù)雜,容易出錯(cuò)。采用Python模塊編程可以自動(dòng)計(jì)算Si和S值,準(zhǔn)確而且高效。通過(guò)計(jì)算整理可以得到的統(tǒng)計(jì)量S=2 619.636 466 95,整理可得Si值與對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)網(wǎng)格之間的關(guān)系可以得到均值變點(diǎn)分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,見(jiàn)表1。

Si值與對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)網(wǎng)格之間的關(guān)系可知存在一個(gè)極值點(diǎn)使得Si值先隨網(wǎng)格單元面積面積的增大而減小,之后Si值隨網(wǎng)格單元面積的增大而增大。S與Si差值的變化擬合曲線見(jiàn)圖3,明顯看出S與Si差值的變化擬合曲線是單峰曲線,即存在一個(gè)點(diǎn)使得S與Si的差值先增大后減小,并逐漸趨近于0,這個(gè)點(diǎn)即為拐點(diǎn),位于i=200～300之間。通過(guò)計(jì)算,在i=244即第243個(gè)點(diǎn)時(shí),S與Si的差值達(dá)到最大,而第243個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分析窗口為244×244,面積為148.84萬(wàn)m2；因此,望謨河流域提取地勢(shì)起伏度的拐點(diǎn)位于網(wǎng)格244×244處,本次實(shí)驗(yàn)提取地勢(shì)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元面積為148.84萬(wàn)m2。

表1 均值變點(diǎn)分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical result of mean change point analysis

圖3 S和Si差值的變化曲線Fig.3 Change curve of the difference between S and Si

3.3 望謨河流域地勢(shì)起伏度特征

根據(jù)計(jì)算分析選取網(wǎng)格244×244,面積1.49 km2分別為望謨河流域地勢(shì)起伏度最佳分析窗口、最佳統(tǒng)計(jì)單元面積,通過(guò)對(duì)研究區(qū)的DEM處理得到研究區(qū)地勢(shì)起伏度分布范圍在0～648.23 m之間,地勢(shì)起伏度在 200 m以上的地區(qū)占總面積的90.24%。中部河網(wǎng)密集區(qū)起伏度大,多在200 m以上；起伏度小于200 m的地區(qū)集中在流域邊緣較為平坦的望謨縣主城區(qū)和流域出口附近。為了探討本文所用方法提取的地勢(shì)起伏度的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步分析望謨河流域的地勢(shì)起伏度特征,分別采用我國(guó)數(shù)字地貌制圖規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和劉新華等[4]在對(duì)比中國(guó)地勢(shì)起伏度和中國(guó)地貌、中國(guó)土壤侵蝕特征時(shí)采用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)望謨河流域地勢(shì)起伏度進(jìn)行分級(jí)并作特征分析。

首先根據(jù)我國(guó)數(shù)字地貌制圖規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)[18]:平原(＜30 m)、臺(tái)地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)、中起伏山地(500～1 000 m)、大起伏山地(1 000～2 500 m)、極大起伏山地(＞2 500 m)對(duì)流域地勢(shì)起伏度進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)實(shí)際情況,將望謨河流域地勢(shì)起伏度分為＜200 m、200～500 m、500～1 000 m 3級(jí),分級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖4 (a)。其中地勢(shì)起伏度在200 m以下的地區(qū)所占面積最小,只有1.33%；研究區(qū)主要地勢(shì)起伏度分布在200～500 m之間,占總面積的88.88%；地勢(shì)起伏度大于500 m以上的面積占9.7%。流域?qū)儆谛∑鸱降氐孛?與實(shí)際情況相向吻合。

采用劉新華等[4]在對(duì)比中國(guó)地勢(shì)起伏度和中國(guó)地貌、中國(guó)土壤侵蝕特征時(shí)采用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將流域地勢(shì)起伏度劃分為:＜200 m、200～400 m、400～ 600 m、＞600 m 4個(gè)等級(jí)。分級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖4(b),研究區(qū)在200～400 m和400～600 m起伏度上的分布最廣,分別占總面積的45.78%和52.43%。對(duì)比劉新華等[4]在對(duì)比中國(guó)地勢(shì)起伏度和中國(guó)地貌、中國(guó)土壤侵蝕時(shí)的結(jié)論:地勢(shì)起伏度分布在200～400 m地區(qū)地貌為切割高地；400～600 m的地區(qū)地貌為切割山地,土壤侵蝕均較嚴(yán)重。研究區(qū)的地區(qū)地貌主要屬于切割高地和切割山地,土壤侵蝕較嚴(yán)重,與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況一致,也符合劉新華等[4]將中國(guó)地勢(shì)起伏度應(yīng)用于水土流失評(píng)價(jià)中的結(jié)論。

圖4 望謨河流域地勢(shì)起伏度分級(jí)圖Fig.4 Classification of relief amplitude in the Wangmo River Watershed

為進(jìn)一步分析地勢(shì)起伏度和流域地貌的關(guān)系,采用ArcSWAT模型的子流域劃分功能,以最佳統(tǒng)計(jì)單元面積1.49 km2為閾值將望謨河流域劃分55個(gè)子流域,統(tǒng)計(jì)分析地勢(shì)起伏度與平均坡度、河道比降等因子的關(guān)系。流域中部地勢(shì)起伏度大河網(wǎng)密集,河道主要分布在地勢(shì)起伏度為200～500 m的區(qū)間內(nèi),占總河道的90.66%。其中,分布在地勢(shì)起伏為300～400 m區(qū)間內(nèi)的河道最多,占總河道的42.40%,分布在400～500 m區(qū)間上的河道占總河道的33.63%。流域內(nèi)最大河道比降為14.5%,河道比降隨地勢(shì)起伏度的增加而增加,與地勢(shì)起伏度之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P=0.000 1),子流域平均坡度也隨地勢(shì)起伏度的增加而增加與地勢(shì)起伏度之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P=0.000 1)。

海拔落差大、地勢(shì)起伏度大、河道短等綜合原因造成了望謨河河道比降大,水流勢(shì)能強(qiáng)沖刷力強(qiáng)等特點(diǎn)；望謨河借助流域內(nèi)的地勢(shì)起伏度和海拔落差帶來(lái)的高勢(shì)能、高動(dòng)能和極強(qiáng)的沖刷力一路南下,深切河道,河流強(qiáng)烈的侵蝕作用和頻發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害也影響著研究區(qū)的地勢(shì)起伏度。在地勢(shì)起伏度、地質(zhì)構(gòu)造、強(qiáng)烈的侵蝕作用以及頻發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害等原因的共同作用下最終形成了境內(nèi)北高南低,溝谷縱橫,山高谷深、地形破碎的獨(dú)特的地貌。

4 結(jié)論

1)以望謨河流域1∶1萬(wàn)的地形圖制作的分辨率為5 m的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用窗口分析法,自動(dòng)提取網(wǎng)格2×2、3×3、4×4、5×5、…、1 000×1 000下的平均地勢(shì)起伏度,平均地勢(shì)起伏度與網(wǎng)格單元面積之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系呈顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系。

2)以ArcGIS的Python模塊為平臺(tái),采用均值變點(diǎn)分析法,利用編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)望謨河流域地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元的自動(dòng)計(jì)算,望謨河流域地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元面積為148.84萬(wàn)m2。

3)研究區(qū)內(nèi)海拔落差大,地勢(shì)起伏度在0～648.23 m之間,地勢(shì)起伏度在200 m以上的面積占總面積的90.24%；起伏度小于200 m的地區(qū)集中在流域邊緣較為平坦的望謨縣主城區(qū)和流域出口附近。地貌屬于小起伏山地地貌,以切割高地和切割山地為主,土壤侵蝕較嚴(yán)重。

4)研究區(qū)中部地勢(shì)起伏度大河網(wǎng)密集,河道主要分布在地勢(shì)起伏度為200～500 m的區(qū)間內(nèi),占總河道的90.66%；河道比降隨地勢(shì)起伏度的增加而增加,與地勢(shì)起伏度之間有顯著正相關(guān)關(guān)系(P= 0.0001),子流域平均坡度也隨地勢(shì)起伏度的增加而增加與地勢(shì)起伏度之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P= 0.0001)；地勢(shì)起伏度、地質(zhì)構(gòu)造、強(qiáng)烈的侵蝕作用以及頻發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害等原因形成了北高南低,溝谷縱橫,山高谷深、地形破碎的獨(dú)特地貌,又因歷史、地理、人文等因數(shù),流域出口和下游等地勢(shì)較為平坦的地區(qū)成為了人口密集的主城區(qū),所以當(dāng)?shù)仡l發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害時(shí)刻威脅著人民的生活和安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。從地形因子角度研究望謨河流域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的原因,對(duì)當(dāng)?shù)氐臑?zāi)害危險(xiǎn)度進(jìn)行區(qū)劃、對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)將是下一步的研究重點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯:程 云)

Analysis of ArcGIS-based relief amplitude of the Wangmo River Watershed in Guizhou

Gao Qing1,2,Tang Lixia1,Gu Xiaoping3,Yu Fei3,Cheng Xinglin1,Huang Song1
(1.College of Forestry,Guizhou University,550002,Guiyang,China；2.Yumo Government of Bijie City,551804,Jinsha, Guizhou,China；3.Guizhou Institute of Mountainous Environment and Climate,550002,Guiyang,China)

Studies of relief amplitude are of significance and practical application values not only to the sensitivity analysis of geological hazards like landslide and debris,but also to evaluation of the risk of geological hazards.However,little is known about relief amplitude in medium and small scale watersheds.Our objectives were to characterize the best relief amplitude of optimum statistical unit area of medium and small scale watersheds,learn geomorphic features of watersheds of such scales and figure out the reason of geological hazards.We chose the Wangmo River Watershed located in southwestern area of Guizhou Province and famous for its frequent landslides as our study area.We used a geographic information system(ArcGIS)and the DEM of 1:10000 scale to compute the optimum statistical relief amplitude unit of the watershed.Firstly,we adopted window analysis method and python module programming based on ArcGIS to automatically extract the different areas corresponding to the relief；secondly,we employed mean change point analysis method and python module programming to automatically calculate the optimum statistical relief amplitude unit of the watershed.Finally,we analyzed the relief amplitude characteristics of the watershed and the relationships between reliefamplitude,average slope and stream gradient factors.The results revealed that:1)There was a significant logarithmic relationship between relief amplitude and average cell area of the watershed.2) Based on python module programming we can automatically calculate the statistically optimum relief amplitude unit,that is 1.49 km2,and the relief amplitude ranged between 0-648.23 m.3)The relief amplitude is higher in the middle of the areas where river networks are concentrated,while it is lower at the edge of the plateau,and the rivers are mainly distributed in the range of 200-500 m of the terrain. The landscape belongs to small relief mountain.4)There is a significantly positive correlation between stream gradient and relief amplitude,that is,the stream gradient increased with the increase of the relief amplitude.Theseresultsshow thattheWangmoRiverWatershed belongstosmallmountain geomorphology,with cutting highlands and cutting mountains as well as serious soil erosion.

relief amplitude；Wangmo River Watershed；geological hazards；ArcGIS

P951

A

1672-3007(2015)04-0009-06

2014- 10- 30

2015- 04- 27

項(xiàng)目名稱:貴州省科學(xué)技術(shù)基金“喀斯特流域氣候/土地利用變化下的水文特征研究”(黔科合J字[2010]2240)；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研項(xiàng)目“基于SWAT模型分析典型喀斯特流域的水文特征”(貴大人基合字(2009)006)；中國(guó)氣象局第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)

高蜻(1989—),女,碩士研究生。主要研究方向:流域綜合治理。E-mail:xiuceqing@sina.com

?通信作者簡(jiǎn)介:唐麗霞(1976—),女,副教授。主要研究方向:地理信息系統(tǒng)在流域水土流失治理中的應(yīng)用。E-mail:xialitang123@163.com