基于gis與dem東江湖流域水文特征研究

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1、基于GIS與DEM東江湖流域水文特征研究　　摘要：東江湖是湖南省蓄積量最大的一級(jí)飲用水湖泊，是國(guó)家4A級(jí)風(fēng)景旅游區(qū)，旅游資源以山水、濕地、自然景觀為主。為保護(hù)好東江湖濕地，研究基于數(shù)字高程模型（DEM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對(duì)整個(gè)資興市東江湖流域進(jìn)行了水文模擬分析，提取了水流方向、匯流量、流程、流網(wǎng)、流域界線、流域面積等水文特征。運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行東江湖子流域的劃分，最終生成了東江湖數(shù)字流域，為東江湖景觀生態(tài)環(huán)境方面的研究提供了數(shù)據(jù)平臺(tái)。關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型（DEM）；水文分析；河網(wǎng)提取中圖分類號(hào)：P333文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0439-811

2、4（2013）15-3531-06DEM（Digitalelevationmodel，數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)中包含了豐富的地形、地貌、水文信息，能夠反映各種分辨率的地形特征，通過(guò)DEM可以提取大量的地表形態(tài)信息，如流域網(wǎng)格單元的坡向、坡度以及單元格之間的關(guān)系等[1]。用DEM進(jìn)行流域分析的工具很多，ArcGIS的水文分析模塊（Hydrologymodel）是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）為ArcGIS推出的水文分析模塊，主要用于地形和河流網(wǎng)系的提取和分析，實(shí)現(xiàn)地形模型可視化。運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（GIS）中Hydrology11model來(lái)提取水系，國(guó)內(nèi)外已開展了

3、大量的工作研究地表水文特性[2-4]。利用ArcGIS9.3的水文分析模塊，在DEM的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬水流方向、流域匯流能力、河網(wǎng)的自動(dòng)生成、流域出水口的確定、子集水區(qū)邊界的劃分等過(guò)程，提取東江湖流域水文特征信息，并生成東江湖數(shù)字流域模型。1數(shù)據(jù)與方法1.1研究區(qū)概況東江湖位于湖南省資興市南部，地處東經(jīng)113°15′11″-113°36′08″，北緯25°34′09″-26°00′04″。距資興城區(qū)13km，省322線從公園北面經(jīng)過(guò)，公園南面和汝城、宜章兩縣接壤。地處羅霄山脈南端的八面山西坡，南嶺北坡。屬汝桂山脈的一部分，為中低山地貌，地勢(shì)東高西低。境內(nèi)山

4、嶺層疊，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，最高海拔1691m，最低海拔180m。東江湖濕地屬湘江水系一級(jí)支流耒水上游。資興境內(nèi)河流密布，共有大小河溪404條，總長(zhǎng)1900km。發(fā)源于桂東的東江水系，經(jīng)汝城從東南入境，境內(nèi)長(zhǎng)50km，經(jīng)東江湖入耒水；發(fā)源于八面山西側(cè)的永樂(lè)江水系，流經(jīng)市內(nèi)東北角，境內(nèi)長(zhǎng)47km，經(jīng)東江湖入耒水。參見圖1。1.2數(shù)據(jù)源DEM是從GLCF網(wǎng)站上下載的數(shù)據(jù)，柵格大小為30m×30m，即為900m2。柵格數(shù)據(jù)形式采用ESRI11GRID，橫縱坐標(biāo)的分辨率均為30m。2研究區(qū)水文特征分析2.1洼地填補(bǔ)洼地是高程小于相鄰周邊的點(diǎn)，有些源于DEM生成過(guò)程

5、中帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，另一些則是真實(shí)地形（如巖洞等）的表示。洼地是影響流水過(guò)程的重要因素。洼地的存在使得在計(jì)算水流方向時(shí)會(huì)出現(xiàn)水流逆流的情況，給以后水流路徑的跟蹤帶來(lái)困難[5]。在實(shí)際的地表徑流過(guò)程中，水往低處流，在填充洼地后，從洼地的最低處流出。因而，在進(jìn)行流域地形分析以前，必須對(duì)原始的DEM進(jìn)行洼地的處理。通過(guò)對(duì)洼地的處理可以生成無(wú)洼地DEM，參見圖2。在無(wú)洼地DEM中，自然流水可以暢通無(wú)阻地流至區(qū)域地形的邊緣。因此，借助無(wú)洼地DEM可以對(duì)原數(shù)字地區(qū)進(jìn)行自然流水模擬分析。2.2水流方向分析11柵格單元的水流方向是指水流流出該單元格的方向。流域內(nèi)各網(wǎng)格流向的

6、確定是利用DEM提取流域地貌特性的關(guān)鍵內(nèi)容，它決定著地表徑流路徑及網(wǎng)格單元間流量的分配[6]。河網(wǎng)、流域面積、分水線、流域內(nèi)各點(diǎn)的匯水面積、后面要討論的流域各點(diǎn)到達(dá)流域出口的匯流時(shí)間，都是以各網(wǎng)格的流向?yàn)榛A(chǔ)的。當(dāng)一場(chǎng)降雨產(chǎn)生超滲水流，就會(huì)形成地表徑流，而地表徑流在流域空間內(nèi)總是要從地勢(shì)高處向地勢(shì)低處流動(dòng)，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了模擬地表徑流在整個(gè)流域內(nèi)的流動(dòng)，就要確定水流在每個(gè)柵格單元格內(nèi)的流動(dòng)方向。目前，關(guān)于水流方向的確定主要有6種方法：D8法（或單流向法）、RhO8法、多流向法、Aspectdrive法、DMON法和ERS法。其中，應(yīng)用較為廣泛的

7、是D8法和多流向法，參見圖3。2.3流程分析水流長(zhǎng)度通常是指在地面上的一點(diǎn)沿水流方向到其流向起點(diǎn)（終點(diǎn)）間的最大地面距離在水平面上的投影長(zhǎng)度。目前水流長(zhǎng)度的提取方式主要有兩種，一種是順流計(jì)算（Downstream），一種是溯流計(jì)算（Upstream）[7]。順流計(jì)算是計(jì)算地面上每一點(diǎn)沿水流方向到該點(diǎn)所在流域出水口最大地面距離的水平投影；溯流計(jì)算則是計(jì)算地面上每一點(diǎn)沿水流方向到其流向起點(diǎn)間的最大地面距離的水平投影，參見圖4。2.4匯流能力分析在地表徑流模擬過(guò)程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)的。對(duì)每一個(gè)柵格來(lái)說(shuō)，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個(gè)

8、柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過(guò)該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形