DEM分辨率对流域汇水区划分的影响

论文总字数：14684字

目 录

1绪论 4

1.1研究目的及意义 4

1.2研究现状 4

1.3研究方法 5

1.4研究技术流程图 5

2研究区域与数据介绍 6

2.1研究区域介绍 6

2.2研究数据 6

3DEM分辨率对流域汇水区划分的影响 8

3.1不同DEM分辨率对流向提取的影响 8

3.2不同DEM分辨率对汇流累积量的影响 11

3.3不同DEM分辨率对水流长度计算的影响 13

3.4不同DEM分辨率对流域分割的影响 15

3.5不同DEM分辨率对汇水区划分的影响 17

3.5.1不同DEM分辨率对河流连接结果的影响 17

3.5.2不同DEM分辨率对河网分级结果的影响 19

3.5.3不同DEM分辨率对汇水区划分的影响 20

4结论 22

参考文献 23

致谢 25

DEM分辨率对流域汇水区划分的影响

杜方洲

，China

Abstract:

The division accuracy of catchment area plays an important role in urban pollution control, storm waterlogging simulation and water pollution prevention and control. Aiming at the difficult problem of the influence of different image resolution on the extraction of hydrological elements and the division of catchment area, a method based on GIS technology is used to extract the hydrological elements with different resolution DEM and to divide the catchment area. Taking Nanchang as the research area and ArcGIS software as the platform, the comparison of the extraction of the characteristic parameters of the drainage system and the comparison of the catchment area between the 100 * 100, 200 * 200 and 400 * 400 DEM resolutions were compared. The results show that the DEM resolution has little effect on the flow direction and flow rate, and it has a great influence on the water flow length, watershed segmentation and watershed division. When the DEM resolution is reduced from 100 * 100 to 400 * 400, The catchment length decreases, the number of sub - basin decreases, and the number of watersheds is obviously reduced and the average area increases.

Keywords:DEM resolution;Hydrological analysis;Drainage network;Watershed delineation

1 绪论

1.1研究目的及意义

自21世纪以来，我国各方面发展速度放缓，逐渐走上了科学发展的道路，但伴随着发展依旧存在着各种突出的水资源问题。一方面，随着气候变化以及人类活动的影响，部分地区水资源极其短缺，人均可用水量远低于世界平均水平^[1]。造成这一现状的主要原因就是日益严重的水污染，据研究显示，全国七大水系中黄河、辽河流域为中度污染，淮河流域为重度污染，湖泊（水库）富营养化问题突出^[2-5]。另一方面，随着城市化进程的加快，许多城市的排水系统暴露出问题，尤其在暴雨天气时会产生城内暴雨积涝的问题^[6]，这不仅阻碍人们日常出行，还造成了巨大的经济损失。与此同时，城市中广泛存在的非点源污染问题也一直没能得到很好地治理。政府和专家对这些问题高度重视，人们的环境保护意识也在逐渐加强，所以对水资源的空间分布和河流流域与汇水区的划分、分析已经成为当前的热点研究问题。

随着科学技术的综合性发展，“3S”技术已经成为水文研究的新方法，尤其是GIS（Geographic Information System，地理信息系统）在数据存储、管理和空间分析方面的卓越表现，使地表水文分析通过建立水文模型得以实现。DEM是数字高程模型（Digital Elevation Model）的英文简称，是各种地球科学分析、工程设计和辅助决策的重要基础性数据^[7]，主要以栅格网的形式描述一定区域内地貌形态以及地势起伏的情形，具有很强的易用性，基于DEM的数值模型处理是目前地理研究中较为成熟可靠的一种研究手段。

1.2研究现状

汇水区的划分是研究水系分布和水资源问题的前提，是面污染源和水文模型计算的基础^[8]。当前汇水区划分（watershed delineation）用的最多的一种算法是O’Callaghan和Mark^[9]在1984年提出的D8算法（“八向法”）。在此基础上，这些年来国内外在DEM分辨率、水文要素提取和汇水区划分等方面做了大量的研究，并取得了较大的进展。王晓燕和林青慧以华北潮河流域大阁子流域AnnAGNPS模型为研究对象，选取了8组不同的DEM分辨率进行模型的参数提取并比较其模拟结果^[10]，结果表明DEM分辨率对坡度的提取有较大的影响，对径流量的计算影响不大。左俊杰和蔡永立以上海市为例，在RIDEM模型（Rural Infrastructure Digital Elevation Model）的基础上提出了一种高效、便捷的平原河网地区汇水区划分的方法，将建筑物、街道、水系、沟槽等影响径流路径的地物要素融合进DEM，以达到细化DEM栅格的目的，从而提高了水系提取和汇水区划分的精度^[11]。丘临静和郑粉莉等以黄土丘陵沟壑区杏子河流域为研究区，评价并分析了DEM栅格分辨率和子流域划分对SWAT水文模拟的影响^[12]，得到的结论是针对不同属性的水文要素选择不同的DEM分辨率可以有效提升运行效率和模拟精度。

上述研究虽能较为完整地分析不同DEM分辨率下研究区域的各项水文参数，但仍存在两点问题：首先，选取的研究区域高程起伏不算很大，不能很好地表现出不同的DEM分辨率在地形起伏较大的区域结果的差异；其次，选取的几组DEM分辨率之间大小差别不是很大，没有明显的层次变化。针对以上问题，本文在前人研究的基础上，选择高程差异大的南昌市作为研究区域，分别研究100*100、200*200和400*400三种大小差异较大的DEM分辨率进行研究区域的水文要素提取，并比较分析其结果，判断是否DEM分辨率越高越好。水文参数的选取必须具有代表性,本文选取水文参数主要包括水流流向、流量、径流长度、流域面积、河流连接、河网分级以及汇水区划分等处理^[13-14]。

1.3研究方法

目前市场上已经有较多成熟的软件用来完成流向、汇流、流域分割等信息的提取工作, 如WMS、ArcGIS、River tools、TOPAZ等等^[15]。ArcGIS10.2是美国Esri公司发布的最新版GIS软件，这款软件在易用性、对实时数据的提取访问，以及数据管理和空间分析等方面都得到了极大的提升，其水文分析工具箱Arc Hydro能快速高效地提取水文信息并加以处理，可用于水资源领域的研究。因此，本文选择ArcGIS10.2作为DEM数据处理平台，主要使用其中的水文分析模块。

1.4研究技术流程图

研究区域原始DEM

重采样

水文要素提取

结果分析与评价

结论

图1研究技术流程图

2 研究区域与数据介绍

2.1研究区域简介

研究区域位于江西省内的南昌市，由地图所示，南昌市为长江主要支流之一的江西省最大河流赣江所分割，综合考虑到水文分析对区域高程起伏程度的依赖性和需求，选择赣江以西的南昌市地区作为研究区域。研究区域总面积约358.74平方公里，如图2所示。

图2研究区域DEM示意图

2.2研究数据

采用源于1:16万南昌市地形图的栅格数据作为基础DEM,如图2所示，研究区域上下海拔高度相差较大，地形起伏程度较高，地形变化明显。区域的西部及部分南部地区地势较高，最高达到831米，东部及部分南部地区地势平均较低，最低至5米。在这样一个地势起伏变化明显的研究区，不同的DEM分辨率会使水文分析得到的结果差异较大，便于我们更加直观地分析得出结论。

DEM分辨率的不同，直接体现在相同比例尺下DEM图的精细程度，即通过图像能够分辨地貌和地物的程度，这对水文分析的结果影响是很大的。根据研究区域的面积大小和高程，经过多次模拟判断，最终选择分别在100*100、200*200和400*400这三种DEM分辨率下的高程图进行处理，如图3所示。

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