基于SWAT模型的流域特征自动提取_郑涛

流域特征是进行流域分析的重要参数，其中流域 集水面积是进行水文统计、径流分析、水资源评价的重 要依据和基础［1］。而流域集水面积确定的关键是流域 边界的提取，随着计算机技术、数值模拟技术的发展及 水文模型的广泛应用，数字流域在流域管理中的地位 越来越重要［2］。从早期的使用纸质地形图手动勾绘发 展到由水系、遥感数据、DEM （ Digital Elevation Model）
3 实例与结果分析
3. 1 研究区概况 牛栏江是金沙 江 右 岸 较 大 的 一 级 支 流 ，地 理 位 置
为东经 102°51' ～ 103°50'、北纬 25°01' ～ 26°02' ，发源 于云南省昆明市官渡区小哨境内，于昭通麻砂村注入 金沙 江。年 降 水 量 700 ～ 1500mm，年 蒸 发 量 1200 ～ 1600mm，多年平均流量 121m3 / s，其中径流主要由降水 形成，洪水主 要 由 暴 雨 形 成。 该 流 域 属 于 滇 东 北 高 原 区，地形起伏较大，沿河地形构造以近南北和北东向的 复式褶皱为主，地层出露齐全，受人类活动对下垫面的 影响，部分地区 植 被 稀 疏，水 土 流 失 严 重，年 平 均 输 沙 量达 1170 万 t。本研究选取牛栏江上游为研究区域， 以德泽水库为流域出口，其汇水区即为研究区的集水 面积。 3. 2 研究区流域特征的自动提取
·15 ·
文以 DEM 数据为原始数据，利用 SWAT（ Soil and Water Assessment Tool） 分布式水文模型的 D8 算法进行牛栏 江流域上游段河网及流域边界的自动提取，该方法不 仅准确度较高，而且快速简便，可以为工程建设中流域 特征的自动提取提供借鉴。
1 SWAT 模型提取流域特征原理
［4］ O’Callaghan J F，Maek D M． The extraction of drainage networks from digital elevation data［J］． Computer Vision，Graphics and Image Processing，1984，ironmental project Technology Co.，Ltd.，Kunming 650021，China）
Abstract: River basin feature acquisition is one of the major premises for river basin hydrological feature analysis． In the paper，Deze Reservoir on upstream section of Niulanjiang River Basin is adopted as an example． DEM is adopted as basic data for realizing automatic abstraction of river network and boundaries under environment of SWAT model． Results shows that river basin network abstracted by SWAT model on upstream section of Niulanjiang River is basically matched with river network made on actual topographic map． The river network is totally divided into 45 small river basins． Relative error between abstracted river basin catchment area and actual catchment area is 2% ． Obviously，it is feasible to utilize the method for extracting Niulanjiang River Basin upstream river network and surrounding area． Key words: SWAT; DEM; river network; river basin boundary
中图分类号： TV12
文献标志码： A
文章编号： 1005-4774（ 2015） 02-0015-03
Automatic extraction of river basin features based on SWAT model
ZHENG Tao1 ，MI Zhijuan2，3
（1． Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650051，China； 2． Yunnan Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute，Kunming 650021，China；
参考文献
［1］ 周厚芳． 流域边界提取方法研究综述［J］． 人民黄河，2011， 32 ，增刊（ Ⅱ） ：28 -31 ．
［2］ 张欧阳，张红武． 数字流域及其在流域综合管理中的应用 ［J］． 地理科学进展，2002，21（1） ：66-72．
［3］ 李丽，郝振纯． 基于 DEM 的流域特征提取综述［J］． 地球科 学进展，2003，18（2） ：251-256．
来自动提取流域边界［3］。DEM 数据可描述高程的空 间分布特征，但 其 本 身 不 直 接 显 示 河 流、湖 泊、坝 库 等 信息，而是需要对 DEM 通过一定算法进行分析判读。 许多学者在这方面做了大量研究，目前广泛应用的是 基于地 形 表 面 流 水 的 物 理 模 型［4］，主 要 算 法 有 D8、 Rho8、FMFD、Dinf 和 DEMON［5］，D8 单流向算法的数据 结构简单且 计 算 较 为 方 便，在 实 际 中 应 用 广 泛［6］。 本
本研究采用 30m 分辨率的 DEM 数据作为原始数 据，应用高斯—克吕格坐标进行投影转换，转换之后方 可在 SWAT 模型中进行 DEM 加载。基于该原始数据 采用 D8 算法进行水流方向和累积水流量的确定，可得 出阈值范围为 6445 ～ 1289071。阈值的选取对提取河 网至关重要，阈 值 设 定 得 越 小，提 取 的 河 网 越 稠 密，也 越容易出现伪河道，影响流域河网提取的真实性，从而 影响边界提取 的 准 确 性； 反 之，阈 值 设 定 得 越 大，提 取 的河网越稀 疏，影 响 流 域 边 界 提 取 的 精 度 。 本 研 究 区 选取阈值 6500、10000、120000 分别进行河网提取 （ 见 图 1）。分析图 1 可知该流域阈值设定过程中并没有 出现伪河道现象，故选取阈值 6500，在该河网上选择 德泽水库处的节点为流域出口节点，进行流域子流域
基于 SWAT 模型的流域特征自动提取
郑 涛1 弥智娟2，3
（ 1. 云南省电力设计院，云南 昆明 650051； 2. 云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021； 3. 云南秀川环境工程技术有限公司，云南 昆明 650021）
【摘 要】 流域特征获得是进行流域水文特性分析的主要前提之一。本文以牛栏江流域上游河段的德泽水库为 例，采用 DEM 作为基础数据在 SWAT 模型的环境下实现流域河网及边界的自动提取。结果表明： 在牛栏江流域上 游河段利用 SWAT 模型提取的流域河网与实际地形图上绘制的河网基本吻合，根据河网共划分 45 个小流域，提取 的流域集水面积与实际集水面积相对误差 2% ，由此说明利用该方法提取牛栏江流域上游段河网及边界的可行性。 【关键词】 SWAT； DEM； 河网； 流域边界
对加 载 处 理 过 的 DEM，首 先 进 行 基 于 无 洼 地 的 DEM 数据流域水流方向的确定，SWAT 模型中该过程
采用单流向法（ D8 算法） ，即将 DEM 栅格单元中心与 其周围邻近 8 个栅格单元中坡降最大的栅格单元的中 心比较确定水流方向，水流方向确定后即可显示集流 阈值区间。集流阈值的大小反映了流域水系的详细程 度，阈值越大输 出 的 河 网 越 稀 疏； 反 之，阈 值 越 小 输 出 的河网越密集。最后根据河网上生成的节点选定一个 流域总出口，从而提取流域分水线形成子流域。
SWAT 是美国农业部（ USDA） 研发的一种分布式 流域水文模型［7］，可在 GIS 和 RS 提供的空间数据平台 上模拟不同土壤类型、土地利用方式、气象、径流、泥沙 和物质运移与转化等的水文物理过程。SWAT 模型共 有 701 个方程、1013 个中间变量，采用先进的模块化设 计思路使模型中的大多数模块可独立运行，也可以组 合起来进行水文过程模拟，从而也可以利用 SWAT 模 型来进行流域特征的自动提取。SWAT 模型对水文循 环的模拟主要分为产流和汇流过程，河网和流域边界 的提取主要考虑水、沙等从河网汇流到流域计算出口 断面的过程，该模型汇流过程是基于树状的河系进行 模拟。SWAT 模型依据水文循环的原理采用水量平衡 方程进行水文计算。
［5］ 闾国年，钱亚东，陈钟明． 基于栅格数字高程模型提取特征 地貌技术研究［J］． 地理学报，1998，53（6）：129-133．
［6］ 程根伟，舒栋材． 水文预报的理论与数学模型［M］． 北京： 中国水利水电出版社，2006．
［7］ Arnod J G，Srinivasan R，Muttiah R S，et al． Continental scale simulation of the hydrologic balance［J］． Journal of American Water Resources Association，1999，35（5） ：1037-1051．
图 2 研究区流域边界提取
3. 3 提取结果分析 将牛栏江流域德泽水库上游段提取的河网与通过
地形图勾绘的河道进行对比，二者几乎完全重合，该结 果的准确性是进行下一步子流域划分及流域边界提取 的必要前提。该流域实际流域面积 4551km2 ，整 个 流 域面积相对误差为 2% 。可见，以 DEM 为原始数据在 SWAT 模型中提取流域特征，虽然存在误差，但可满足 工程规划阶段的精度要求，能够较好地反映河流水系 的真实情况，并且能快速提取所要研究区域的河网集 水面积，具有一定的工程应用意义。