朱蔚利

摘 要：本文以榆陽(yáng)區(qū)余興莊辦事處馬家溝某處地形為例，進(jìn)行了匯流線及流程分析，通過(guò)實(shí)例分析，闡明了GIS在地表水文分析中對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的必要性，同時(shí)也驗(yàn)證了GIS在計(jì)算匯流線上游集水區(qū)面積及流程長(zhǎng)度的強(qiáng)大功能，為今后小流域水利規(guī)劃設(shè)計(jì)上游集水面積的計(jì)算方法提供了一個(gè)方向。

關(guān)鍵詞：水文分析;匯流;流程

GIS的全稱為Geographic Information System，即地理信息系統(tǒng)。它是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的集空間數(shù)據(jù)分析、處理為一體的地理信息系統(tǒng)。近幾年，GIS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，已成為水資源調(diào)查、規(guī)劃、評(píng)價(jià)、管理、決策等的重要技術(shù)手段之一。伴隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，類似ArcGIS、MapGIS等配套軟件也得到了飛速發(fā)展。本文將以ArcGIS為例，討論GIS在地表水文分析中的應(yīng)用。

一、填洼處理

GIS在地表水文分析的所有工作均以DEM數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，所以DEM數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響分析的結(jié)果。當(dāng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)面積較小時(shí)，DEM數(shù)據(jù)可以人工實(shí)地測(cè)量，對(duì)于一些起伏特殊的地形，可以特殊標(biāo)注，然后內(nèi)業(yè)處理。但在實(shí)際規(guī)劃中，往往會(huì)遇到的是面積較大且地形復(fù)雜的地塊，人工測(cè)量地形要么工作量太大，要到人們無(wú)法到達(dá)測(cè)設(shè)點(diǎn)，就只能借助衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航拍等技術(shù)手段測(cè)定高程數(shù)據(jù)。無(wú)論衛(wèi)星影像還是無(wú)人機(jī)航拍，以目前的技術(shù)手段，采樣方法基本都是等間距采樣，還無(wú)法做到對(duì)山脊線、溝谷線等特殊坡位自動(dòng)識(shí)別增加測(cè)設(shè)點(diǎn)。這樣，測(cè)得的地形就會(huì)有一些非真實(shí)的洼地，所以，在水文分析中，對(duì)初始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理就顯得尤為必要。雖然一些洼地是由于誤差引起的，但也不排除一些洼地是真實(shí)地形的反映，這種情況就要合理設(shè)置一個(gè)填洼限值。這個(gè)填限值可以根據(jù)對(duì)地形真實(shí)情況的掌握確定，在對(duì)真實(shí)地形不了解的情況下，可以應(yīng)用Spatial Analyst工具之區(qū)域分析模塊下的分區(qū)統(tǒng)計(jì)、區(qū)域填充及地圖代數(shù)模塊下的柵格計(jì)算器進(jìn)行運(yùn)算，確定一個(gè)相對(duì)合理的限值。

二、匯流線分析

在水利規(guī)劃、設(shè)計(jì)中，只有準(zhǔn)確掌握流域邊界、確定上游集水面積，才能進(jìn)行洪峰流量計(jì)算，根據(jù)洪峰流量合理設(shè)計(jì)截排水措施，確保防洪安全。針對(duì)這種情況，基礎(chǔ)上游集水面積的匯流線繪制是非常必要的。一般情況下，空間上某點(diǎn)上游集水區(qū)面積較大，我們就認(rèn)為在暴雨情況下該點(diǎn)有較大概率產(chǎn)生匯流。基于這個(gè)思路，我們?cè)谔钔萏幚砗蟮腄EM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)D8算法得出水流流向圖。因?yàn)镈8算法是以像元為單元進(jìn)行流向分析，這樣利用流量模塊就可以記錄下每個(gè)像元累計(jì)承接的上游像元數(shù)量，承接的上游像元數(shù)量越多，則表明其上游集水區(qū)面積也越大。根據(jù)承接像元數(shù)量及每個(gè)像元面積大小，即可算出每個(gè)點(diǎn)的上游集水區(qū)面積，利用地圖代數(shù)工具下的柵格計(jì)算器，可將累積像元達(dá)到一定數(shù)量的像元以匯流線進(jìn)行顯示。通過(guò)識(shí)別工具，還可以查看匯流線上每個(gè)點(diǎn)處的累積像元數(shù)量，即可換算出匯流線上每個(gè)點(diǎn)的上游集水區(qū)面積。圖1、圖2均為對(duì)榆陽(yáng)區(qū)余興莊辦事處馬家溝某處地表水文分析結(jié)果，均假定上游集水區(qū)面積達(dá)到10hm2即在暴雨情況下會(huì)產(chǎn)生匯流而繪制出的匯流線。其中圖1所用DEM數(shù)據(jù)未進(jìn)行填洼，明顯看到匯流線大部分是不連續(xù)的，很明顯不符合實(shí)際情況。圖2所用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了填洼處理，能看到匯流線流暢了很多，也符合實(shí)際匯水線情況。這也驗(yàn)證了水文分析前對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理必要性。針對(duì)實(shí)際情況，也可以將對(duì)應(yīng)不同規(guī)模集水區(qū)面積的匯流線分級(jí)顯示，以便分析設(shè)施排水措施規(guī)格，達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。

三、流程分析

匯水線上游集水區(qū)面積大小雖然能在一定程度上反映該處的洪峰流量大小，但洪峰流量還與流程有很大的關(guān)系。當(dāng)上游集水區(qū)面積較大，但流程較長(zhǎng)，也會(huì)在一定程度上消減洪峰流量。據(jù)此，對(duì)匯流流程分析也很有意義。在水流長(zhǎng)度分析中，其中測(cè)量方向有兩種選擇，一種是計(jì)算沿流路徑從每個(gè)像元到柵格邊上的匯點(diǎn)或出水口的下坡距離（圖3），另一種是計(jì)算沿流路徑從每個(gè)像元到分水嶺頂部的最長(zhǎng)上坡距離（圖4）。由圖3可以看出，在右側(cè)中部有一大片區(qū)域亮度很高，即表示這部分的水流離出水口距離最遠(yuǎn)，該部分水流到達(dá)出水口的時(shí)間最遲，故如果采取一些水利工程措施，進(jìn)一步人為干擾降低該區(qū)域水流流速或，則能在一定程度上減少出水口的洪峰流量;圖4能看出左側(cè)中部匯流線到達(dá)分水嶺的距離最遠(yuǎn)，在arcgis中也能查出準(zhǔn)確距離，這在進(jìn)一步準(zhǔn)確進(jìn)行洪峰流量測(cè)算時(shí)有重要的參考價(jià)值。

四、結(jié)論與討論

1.利用GIS進(jìn)行地表水文分析時(shí)，對(duì)DEM數(shù)據(jù)中的一些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)校正極其必要，這直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.通過(guò)匯流線分析，不僅能得出匯流線，還能得到匯流線上每個(gè)點(diǎn)的上游集水區(qū)面積，能有效指導(dǎo)匯排洪設(shè)計(jì)。

3.通過(guò)流程的分析，能進(jìn)一步為防排水設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

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