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水利工程水文数据分析范本一、引言水利工程水文数据是水利工程设计、建设和管理的重要基础，通过对水文数据的分析可为水利工程的规划和运行提供参考依据。
本文将介绍水利工程水文数据分析的范本，包括数据获取、数据处理和数据分析等方面。
二、数据获取水文数据的获取是水文数据分析的第一步，主要包括以下几个方面：1. 水文观测站建设：根据工程需求，在河流、湖泊、水库等水域中设置水文观测站，确保观测数据的全面和准确。
2. 实时监测系统：建立实时水文监测系统，通过自动观测设备和远程传输技术获取水文数据，以提高数据的时效性和精确性。
3. 人工采样：对于无法实时监测的水文要素，可以采用人工方式进行采样，并进行实验室分析。
三、数据处理水文数据处理是为了提高数据质量和便于进一步分析，主要包括以下几个步骤：1. 数据录入：将采集到的原始数据进行录入，可以采用电子表格或专门的数据处理软件进行录入和管理。
2. 数据校验：对录入的数据进行初步校验，包括数据的完整性、合理性和一致性等方面。
3. 数据修正：对存在异常值或错误的数据进行修正，可以采用插值或者外推等方法进行修正。
4. 数据存储：将处理后的数据进行存储，建立完整的水文数据库，以备后续分析和应用。
四、数据分析水文数据分析是根据水文数据的特点和需求，采用合适的方法进行水文要素的计算和分析，主要包括以下内容：1. 时序分析：对水文要素的时序变化进行分析，包括长期变化趋势、周期性变化和异常值检测等。
2. 频率分析：根据历史数据，通过统计学方法计算水文要素的频率分布特性，包括概率密度函数和设计洪水等级的确定。
3. 空间分析：对不同空间位置的水文要素进行比较和分析，揭示水文要素的空间分布规律，可借助地理信息系统等技术进行。
五、数据应用水文数据的分析结果可以应用于水资源规划、水利工程设计和水资源管理等方面，主要包括以下几个方面：1. 水资源评估：根据水文数据的分析结果，评估水资源的可利用性和合理开发利用的潜力。
摘自：南京师范大学地理科学学院GIS专业课程http://202.119.109.14/dky/index.htm《GIS软件应用》课程教材：《ArcGIS9地理信息系统空间分析方法》，科学出版社，2006参考教材：《ARCGIS 8 Desktop 地理信息系统应用指南》，清华大学出版社，2002软件：ArcGIS9.0GIS软件应用是地图学与地理信息系统本科专业的选修课程，课程总学时54，计2学分，周学时3，学时分配：讲授28学时，上机实践26学时。
一、课程特点实践性很强的课程，是GIS专业学生必须掌握的基本技能。
通过课堂上和课后的大量实例练习操作，让学生在熟练掌握GIS通用软件的基础上，理解GIS的基本原理和方法，提高解决实际问题的能力。
二、课程教学目标GIS软件应用课程以熟练掌握GIS常用软件位基本目标，通过该门课程的学习，使学生不仅掌握常用GIS软件的操作，加深对GIS基本原理的理解和领会，并能够熟练运用一种GIS软件完成地理空间数据的处理和分析。
三、课程内容以ArcGIS软件为基础，以数据分析处理由浅入深的主线，在介绍ARCGIS的基本操作的基础上着重讲述ArcGIS的空间分析功能模块，培养学生针对问题建模的思想，增加其解决实际问题的能力。
主要内容如下：∙ARCGIS应用基础（ArcMap、ArcCatalog、Geoprocessing等）∙空间数据的采集与组织（Shapefile、Coverage、Geodatabase）∙空间数据的转换与处理（ArcToolbox）∙数据的可视化表达∙矢量、栅格数据的空间分析∙三维分析∙地统计分析∙水文分析∙空间分析建模四、教学方法1.原理介绍：简要讲述GIS的基本原理和方法。
2.课堂演示：在每一个基本原理与方法之后，介绍软件部分相应的功能和方法。
3.屏幕动画：大量的课后练习采用屏幕动画的形式提供给同学，作为作业答案参考资料。
五、教学组织方式课堂讲授与上机实习相结合。
练习9水文分析：根据DEM提取河流网络，计算流水累积量、流向、根据指定的流域面积大小自动划分流域水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。
利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。
表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。
这些领域需要知道水流怎样流经某一地区，以及这个地区地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。
基于DEM的地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。
通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。
本节要介绍ArcGIS水文分析模块的应用。
ArcGIS提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型，辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处，再现水流的流动过程。
同时，通过水文分析工具的应用，也可以有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本的概念和关键的过程，以及怎样通过ArcGIS 水文分析工具从DEM数据上获取更多的水文信息。
水文分分析工具 (1)1. 数据基础：无洼地的DEM (3)2. 关键步骤：流向分析 (4)3. 计算流水累积量 (5)4. 提取河流网络 (6)5．流域分析 (12)6. 其它应用--降水分析(选做) (17)水文分分析工具有两种途径使用水文分析功能：(1)通过Arctoolbox：水文分析工具位于[Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology]之下如果Hydrology 工具集没有出现，可以选中某个工具箱后新建一个工具集[Hydrology]，然后右键点新建的工具集，在出现的菜单中执行[添加]>>[工具]会出现如右图所示的对话框，将需要的水文分析工具添加到上面新建的工具集中。
第十一章裂隙水概念：赋存在坚硬岩石裂隙之中的水。
在上一章中已经了解到，由于孔隙岩石中，孔隙的分布比较均匀、连续，决定了赋存其中的孔隙水水量分布均匀连续的特点，从而构成具有统一水力联系的层状孔隙含水系统。
然而，由于坚硬岩石裂隙发育和分布的复杂性，使得裂隙水呈现出与孔隙水相差甚远的赋存特征。
首先，由于坚硬岩石岩性的差异和所在构造部位的不同，使得岩石中裂隙发育和分布具有明显的不均匀性、明显的方向性以及各处裂隙连通程度的不一致性。
从而决定了裂隙水水量分布的不均匀性、方向性明显以及水力联系较差的特点。
坚硬岩石在多种地质营力的作用下，产生各种裂隙：①成岩裂隙；②风化裂隙；③构造裂隙。
赋存并运动在这些裂隙中的水，统称为裂隙水。
裂隙水的富水程度、分布特点、埋藏规律以及水动态状况，均受裂隙发育特点的控制。
所以裂隙水具有与裂隙发育类似的特点，即分布不均匀、各向异性，水力联系不佳。
一、构造裂隙水构造裂隙水是指赋存在由地质构造运动而产生的裂隙之中的水。
裂隙的发育情况决定着裂隙水的分布。
一般情况下，在构造应力集中之部位裂隙发育；坚硬的脆性岩石容易形成裂隙。
所以在背斜轴部，穹窿核部，枢纽的倾伏端处裂隙发育而富水；脆性岩石易破裂也富水，断裂带也富水。
（一）构造裂隙的发育规律与岩层的透水性在地质构造运动中，当岩石所承受的应力超过其强度极限时所产生的破裂称为构造裂隙，包括节理和劈理。
断层可视为一种特殊的构造裂隙。
根据应力性质，构造裂隙有张性、剪性和压性之分。
由于岩石的抗压强度远大于抗拉、抗剪强度，故一般主要发育张性裂隙和剪性裂隙。
两种裂隙具有不同的特点：张裂隙：张开性好，裂隙宽度大，隙面粗糙，延伸方向多与褶皱平面平行（纵张裂隙）和垂直（横张裂隙），有利于贮水和导水。
剪裂隙：隙面光滑平直，方向稳定，张开性较差，同一应力场中可产生两组共轭裂隙，斜交于褶皱轴，故称斜裂隙。
构造裂隙的发育状况，主要与所在的构造部位和岩性有关，在应力集中部位的脆性岩石中比较发育。
提取小流域给定一个地区的DEM 数据，提取各级小流域，并计算各个流域面积 （1） 加载原始DEM 数据数据，，设为DEM （2） 对原始DEM 数据进行洼地填充数据进行洼地填充，，结果记为fillDEM （3） 利用fillDEM 计算水流方向矩阵计算水流方向矩阵，，记为Flowdir —fillDEM（4） 利用Flowdir —fillDEM 计算汇集水流量计算汇集水流量，，记为Accumul —fillDEM（5） 对Accumul —fillDEM 进行一个计算提取先加载Spatial Analyst 工具条，打开下面的Raster Calculator输入提取公式，进行计算，得结果Calculaton4. （6） 双击Stream Link设置如下参数：点击OK，得结果StreamL—cal3.(7)双击Watershed设置如下参数：点击OK，得结果Watersh—Flow6.双击上述结果，，打开图例编辑（7）双击上述结果进行如上参数设置：Show：Unique ValuesValued Field:选VALUE并点击Add All Values，再点击确定即可（8） 得到结果如下图所示得到结果如下图所示：：（9） 计算流域面积计算流域面积，，首先要将上述结果转化为矢量首先要将上述结果转化为矢量，，在Spatial Analyst 下的Convert 下进行转换进行转换，，结果记为Watershe —flow6（10） 在未启动编辑状态下，打开上述结果的属性表点击右下角Options，增加一栏属性，数值选Double类型左键点击AREA表头，选中该栏，然后右键单击表头，选择Failed Calculator先将Advanced 复选框选上点击Help，打开，找到面积计算代码将代码复制到Field Calculator里：点击OK，计算完成注意：我的计算结果貌似不准确，再重新做一遍看看（已实验，没问题）注意：将第（5）步的计算结果转化为矢量得到结果如下：将此图与流域图一起显示，则效果更好啊（注意：要将此图图例改为Hollow，并将此图放在流域图上面）设置完以后，得到效果如下：。
433第十一章 水文分析水文分析是DEM 数据应用的一个重要方面。
利用DEM 生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。
表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。
基于DEM 地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。
通过对这些基本水文因子的提取和分析，可再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。
本章主要介绍ArcGIS 水文分析模块的应用。
ArcGIS 提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型，辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处，再现水流的流动过程。
同时，通过水文分析工具的应用，有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本概念和关键过程。
ArcGIS 将水文分析中的地表水流过程集合到ArcToolbox里，如图11.1所示。
主要包括水流的地表模拟过程中的水流方向确定、洼地填平、水流累计矩阵的生成、沟谷网络的生成以及流域的分割等。
本章1至5节主要是依据水文分析中的水文因子的提取过程对ArcGIS 中的水文分析工具逐一介绍。
文中所用的DEM数据在光盘中chp11文件夹下的tutor 文件夹里面，每个计算过程以及每一节所产生的数据存放在tutor 文件夹的result 文件夹里面，文件名与书中所命名相同，读者可以利用该数据进行参照练习。
本章最后一节还提供了三个水文分析应用的实例。
11.1 无洼地DEM 生成DEM 一般被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM 表面存在着一些凹陷的区域。
这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，使得在进行水流流向计算时在该区域得到不合理的或错误的水流方向。
因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM 数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM 。
洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM 数据中的洼地区域，然后计图11.1 ArcToolBox 中的 水文分析模块434 算出这些的洼地区域的洼地深度，最后以这些洼地深度为参考而设定填充阈值进行洼地填充。
11.1.1 水流方向提取水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。
在ArcGIS 中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码，水流方向便可由其中的某一值来确定，栅格方向编码如图11.2所示。
例如：如果中心栅格的水流流向左边，则其水流方向被赋值为16。
输出的方向值以2的幂值指定是因为存在栅格水流方向不能确定的情况，此时需将数个方向值相加，这样在后续处理中从相加结果便可以确定相加时中心栅格的邻域栅格状况。
水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定。
距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128，则栅格间的距离为2倍的栅格大小，否则距离为1。
ArcGIS 中的水流方向是利用D8算法（最大距离权落差）来计算水流方向的。
具体计算步骤如下：1. 在ArcMap 中单击ArcToolbox 图标，启动ArcToolbox ；2. 展开Spatial Analysis Tools 工具箱，打开Hydrology 工具集；3. 双击Flow Direction 工具，弹出（如图11.3所示）水流方向（Flow Direction ）计算对话框；（1） I nput surface data 文本框中选择输入的DEM 数据：dem 。
（2） 在Output flow direction raster 文本框中命名计算出来的水流方向文件名为flowdir ，并选择保存路径；（3） 若选中Force all edge cells to flowoutward(Optional)前的复选框，指所有在DEM 数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM 数据区域。
默认为不选择。
这一步为可选步骤；（4） 输出drop raster 。
drop raster 是该栅格在其水流方向上与其临近的栅格之间的高程差与距离的比值，以百分比的形式记录，它反映了在整个区域中最大坡降的分布情况。
这一步为可选步骤；（5） 单击OK 按钮，完成操作。
按钮，完成操作。
计算出的水流方向数据结果如图11.4图11.2 水流流向编码 图11.3 水流方向Flow Direction 计算对话框435所示。
11.1.2 洼地计算洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断哪些地方是洼地，然后对洼地填充。
但是，并不是所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地是地表形态的真实反映。
因此，在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，判断哪些地区是由于数据误差造成的洼地而哪些地区又是真实的地表形态，然后在洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值。
1. 洼地提取（1） 双击Hydrology 工具集中的Sink 工具，弹出洼地计算对话框，如图11.5所示；（2） 在Input flow direction raster 文本框中，选择水流方向数据flowdir ；（3） 在Output raster 文本框中，选择存放的路径以及重新命名输出文件为sink ；图11.4 利用Flow Direction 工具计算出来的水流方向图图11.5 洼地计算对话框436 （4） 单击OK 按钮，完成操作。
计算结果如图11.6所示，深色的区域是洼地。
2. 洼地深度计算（1） 双击Hydrology 工具集中的Watershed 工具，弹出流域计算对话框，如图11.7所示，它用来计算洼地的贡献区域；（2） 在Input flow direction raster 文本框中选择水流方向数据flowdir ，在Inputraster or feature pour point 文本框中选择洼地数据sink ，在pour point field文本框中选择value ；（3） 在Output raster 文本框中设置输出数据的名称为watershsink ；（4） 单击OK 按钮，完成操作。
计算出的洼地贡献区域如图11.8所示；图11.7 洼地贡献区域计算对话窗口（watershed）图11.6 计算出来的洼地区域437（5） 计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程；1） 打开Spatial Analysis Tools 工具箱中Zonal 工具集，双击Zonal Statistic 工具，弹出如图11.9所示的分区统计对话框；2） 在Input raster or feature zonal data文本框中，选择洼地贡献区域数据watershsink ；3） 在Input value raster 文本框中选择dem 作为value raster ；4） 在Output raster 文本框中将输出数据文件命名为zonalmin ，存放路径保持不变；5） 在统计类型选择的下拉菜单中选择最小值（MINIMUM ）作为统计类型；6） 单击OK 按钮，完成操作。
（6） 计算每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口高程；1） 打开Spatial Analysis Tools 工具箱中Zonal 工具集，双击Zonal Fill 工具，弹出如图11.10所示的Zone Fill 对话框；2） 在Input zone raster 文本框中选择watershsink ，在Input weight raster 文本框中选择dem ，在Output raster 文本框中将输出数据命名改为zonalmax ；3） 单击OK 按钮，完成操作。
图11.8 计算出来的洼地贡献区域图11.9 分区统计对话框438 （7） 计算洼地深度。
1） 在ArcMap 中加载Spatial Analyst 模块，单击Spatial Analyst 模块的下拉箭头，单击Raster Calculator 命令，弹出Raster Calculator 对话框，如图11.11所示；2） 在文本框里面输入sinkdep = ( [zonalmax] - [zonalmin])，然后单击evaluate 按钮进行计算。
对于以上（5）、（6）步的计算，可以利用Spatial Analysis Tools 工具箱中的Map Algebra 工具集的Multi Map Output 工具。
如图11.12所示。
对于第（5）步，在文本框中输入：E:\chp11\tutor\result\zonalmin = zonalmin(E:\chp11\tutor\result\watershsink, E:\chp11\tutor \dem)；对于第（6）步，在文本框中输入：E:\chp11\tutor\result\zonalmax = zonalfill(E:\chp11\tutor\result \watershsink, E:\chp11\tutor \dem)；经过以上七步的运算，就可到所有洼地贡献区域的洼地深度，如图11.13所示。
通过对研究区地形的分析，可以确定出哪些洼地区域是由数据误差而产生，哪些洼地区域又是真实的反映地表形态，从而根据洼地深度来设置合理的填充阈值。
图11.11 洼地深度计算对话框图11.10 洼地贡献区域边缘最低高程计算对话框图11.12 map algebra 计算对话框11.1.3 洼地填充洼地填充是无洼地DEM生成的最后一个步骤。
通过洼地提取之后，可以了解原始的DEM上是否存在着洼地，如果没有存在洼地，原始DEM数据就可以直接用来进行河网生成、流域分割等。
而洼地深度的计算又为在填充洼地时设置填充阈值提供了很好的参考。
1. 双击Hydrology工具集中的Fill工具，弹出如图11.14所示的洼地填充对话框；2. 在Input surface raster文本框中，选择需要进行洼地填充的原始DEM数据；3. 在Output surface raster文本框中设置输出文件名为filldem；4. 在Z limit文本框中输入阈值，在洼地填充过程中，那些洼地深度大于阈值的地方将作为真实地形保留，不予填充；系统默认情况是不设阈值，即所有的洼地区域都将被填平。
5. 单击OK按钮，完成操作。
计算后的无洼地DEM如图11.15所示。
图11.14 洼地填充对话框图11.13 计算出的洼地深度图439440 当一个洼地区域被填平之后，这个区域与附近区域再进行洼地计算，可能还会形成新的洼地。
