CN104978451A

CN104978451A - 一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法

Info

Publication number: CN104978451A
Application number: CN201510266603.0A
Authority: CN
Inventors: 胡孜军; 王玲玲; 唐洪武; 焦创; 曾诚; 朱海
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN104978451B

Abstract

本发明公开了一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，在子流域划分方面能够区分城市、乡村（包括圩区和非圩区）以及水面三类下垫面特征及其空间分布，便于采用不同的水文模型计算不同下垫面类型的产汇流过程；采用在河网分汊点与城市、乡村集水域交界处打断河道，实现了集水域与河段的一一对应，便于水文模型和水动力模型的耦联，还能减少建模过程中不必要的河道分段；通过“Euclidean Allocation”工具实现下垫面快速分配至与之距离最近的河道；采用排涝模数、城市管网最大过流能力对径流过程进行调整，调整后的径流过程更符合平原地区水文规律，理论上可提高模拟精度。

Description

一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法

技术领域

本发明涉及水文领域，具体涉及一种复杂平原河网地区水文模型处理方法。

背景技术

水文模型就其建模原理可分为分布式水文模型和集总式水文模型。分布式水文模型一般应用于地形高程起伏较大的山丘区域。对于平原河网地区，由于不存在明显的分汇水边界，产汇流计算一般采用集总式水文模型。随着计算水力学的发展，一维河网水动力模型与集总式水文模型耦联求解复杂平原河网地区水文水动力过程得到越来越多的应用，如MIKE11-NAM模型、太湖流域模型等。然而如何对平原河网地区进行快速合理的子流域划分尚无较好的解决办法。一些学者利用SWAT模型在平原河网地区子流域划分方面进行尝试，但必须将原本“环树”结合的河网处理为单一的树状河网，与实际不符。传统的根据雨量站划分泰森多边形的方法虽然能够将研究区域快速分块，但由于平原河网地区河道众多，且纵横交错，泰森多边形将区域分块后，会使一条河道出现多个断点，不利于一维水动力模型建模。综上，在复杂平原河网地区子流域划分方面应当尽量遵循以下四个原则：（1）保持原状河网的基本形态；（2）集水域产流便于就近汇流；（3）减少河道分段；（4）充分利用各个雨量站资料。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，能够考虑城市、乡村以及水面区域的空间分布，且避免了将水动力模型河网过度分割。此外，该处理方法生成的集水域便于与不同的水文模型进行耦合，在汇流过程计算中考虑了城市区域和圩区与河网水体交换的特性，引入排涝模数与城市管网最大过流能力分别对乡村和城市集水域径流过程进行再调整。

技术方案：本发明提供了一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，在子流域划分方面包括如下步骤：

（1）确定研究区域；

（2）根据下垫面类型分割研究区域为城市、乡村以及水面；

（3）用ArcGIS中的“Polygon To Raster”工具将城市和乡村面要素离散为栅格，栅格大小取10~30m为宜，栅格尺寸过大可能导致子流域分割过粗，边界处呈锯齿状，栅格过小则会使计算速度变慢；

（4）用“Feature To Line”工具将河网在分汊点处进行打断；在一维水动力模型建模时需要将河道分段，在分汊点处设置河道连接，在ArcGIS中将河网打断便于统计河段长度，有利于水动力模型建模，另一作用是能够使得每个河段均能分配到一个集水域，便于后期实现集水域与一维水动力模型河段一一对应；

（5）用“Euclidean Allocation”工具将各栅格分配至与之距离最近的河道；

（6）用“Raster To Polygon”工具将分配后的栅格根据所属的河道名称转为面要素，这些面即为用于水文计算的集水域；

（7）由于湖泊及城市区域的存在，属于同一条河段的乡村集水域可能出现不连续现象，用“Dissolve”工具将分配于同一条河道的不连续乡村集水域合并；

（8）用“Feature To Line”工具将河网在城市与乡村集水域交界处进行打断，实现了城市、乡村集水域与河段的一一对应；

（9）删除低于集水域转化容差缝隙的小河段；

（10）用“Feature To Point”工具求出各集水域与湖泊的形心；

（11）用“Near”工具求出与各形心距离最近的雨量站，关联于同一雨量站的集水域构成一个子流域。

进一步，步骤（2）城市下垫面用与城镇已建成区面积相等的圆形代替，水面下垫面仅包括湖泊，不考虑河道所占面积，以线要素处理，其余部分则认为是乡村下垫面。

进一步，步骤（5）进行“Euclidean Allocation”操作时，需要的设定有：（a）输入栅格要分配到的要素；（b）分配后的栅格输出路径；（c）设置输出栅格的像元大小，最好与步骤（3）中设定的栅格大小一致；（d）将整个计算区域面图层设置为分配范围；（e）以掩膜（Mask）的方式输入要分配的栅格，即城市与乡村栅格。

进一步，子流域划分完成后，根据不同的下垫面特性选择对应的水文方法进行产汇流过程计算；更进一步，城市集水域采用适合城市地区的水文模型，如SWMM、MIKE Urban、InfoWorks CS等进行产汇流计算；乡村集水域采用适合乡村下垫面特性的水文模型，如新安江模型、NAM模型、Tank等模型进行产汇流计算；水面以净雨乘以总水面面积计算产流量。

进一步，完成产汇流计算后，引入“圩区排涝模数”与“城市管网过流能力”对汇流过程进行再调整；更进一步，引入“圩区排涝模数”与“城市管网过流能力”对径流过程进行再调整是指对于乡村下垫面区域，其径流量乘以当地圩区所占比例即为圩区径流量，当圩区径流量大于该地区排涝模数时，以排涝模数汇流，多余水量累积于圩内，待径流量小于排涝模数时排出。累积水量排完时，按实际径流量排水。非圩区的乡村下垫面径流以水文模型计算径流过程直接汇入与之关联的河道。对于城市集水域排涝过程与圩区类似，只是最大排涝流量为“城市管网过流能力”，调整后的径流过程作为流量边界输入一维河网水动力模型。

有益效果：本发明在子流域划分方面能够区分城市、乡村（包括圩区和非圩区）以及水面三类下垫面特征及其空间分布，便于采用不同的水文模型计算不同下垫面类型的产汇流过程；采用在河网分汊点与城市、乡村集水域交界处打断河道，实现了集水域与河段的一一对应，便于水文模型和水动力模型的耦联，还能减少建模过程中不必要的河道分段；通过“Euclidean Allocation”工具实现下垫面快速分配至与之距离最近的河道；采用排涝模数、城市管网最大过流能力对径流过程进行调整，调整后的径流过程更符合平原地区水文规律，理论上可提高模拟精度。

附图说明

图1为本发明子流域划分基本流程图；

图2为实施例流域的子流域划分过程示意图；

图3为本发明产汇流计算基本思路；

图4为排涝模数（管网最大过流能力）调整前后汇流过程对比图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，具体集水域划分与雨量站分配实施过程如图1所示。

首先，需要确定研究区域边界，将研究区域转为一个面要素。如图2所示，其中（a）表示本实施例中有3个行政区域A、B、C，计算区域内分布有城市（A-城市、B-城市、C-城市）、乡村、湖泊、河网以及雨量站5类要素，其中城市中心为以城市中心为圆心，与城市已建成区等面积的圆。

然后，利用ArcGIS的“Feature To Raster”工具将城市和乡村区域离散为栅格，本实施例设置分配像元大小为20m。同时，利用“Feature To Line”工具将计算区域内的河网在分汊点处打断，使用该工具时输入的要素为计算区域内的所有河道，完成打断操作之后就形成彼此独立的河段。

之后，利用ArcGIS的“Euclidean Allocation”工具，输入栅格要分配到的要素为在分汊点处打断后的河段，并设置好分配后的栅格输出路径。本例将输出栅格的像元大小设置为20m，将整个计算区域（如图2所示）设置为分配范围，将城市和乡村栅格以掩膜（Mask）的方式输入该操作。该步骤可以实现将城市与乡村栅格分配至与之最近的河段，并实现了河道与栅格数据表的相互关联。

之后，利用“Raster To Polygon”工具将分配后的栅格按照所关联的河段名称转为面要素，这些面要素即为产汇流计算的集水域。由于湖泊和城市的存在，部分属于同一河段的集水域可能被分割开来，因此需要利用“Dissolve”工具将集水域作为输入要素，以各集水域归属河段的名称为目标进行融合。同时，由于集水域的划分需要在城市和乡村集水域交界处对河段再次进行打断并删除长度低于集水域边界容差的小河段，需要再次利用“Feature To Line”工具，输入要素为集水域和经过一次打断后的河网。通过这一步骤完成了实施例的集水域划分，结果如图2所示，其中（b）表示此时的河段即可直接用于建立一维水动力模型。

之后，利用“Feature To Point”工具，将集水域和湖泊作为输入要素，求出各个要素的形心。再利用“Near”工具求出与各集水域和湖泊最近的雨量站。属于同一雨量站的面要素即构成了一个子流域，本实施例的划分结果如图2中的（c）表示。

对已经划分完成的子流域计算降雨径流过程，如图3所示。乡村区域降雨径流计算采用适合乡村地区的集总式水文模型，本实施例选用MIKE软件的NAM模型，将乡村区域计算所得的径流过程按照圩区和非圩区面积比例分为两部分。城市区域降雨径流计算采用适合城市地区的集总式模型，本实施例选用MIKE软件的Urban模型。湖泊区域则直接用净雨乘以水面面积计算产流量。

最后，对于汇流过程，非圩区直接以水文模型计算结果汇入连接河段。对于圩区，当径流量大于该地区排涝模数时，以排涝模数汇流，多余水量累积于圩内，待径流量小于排涝模数时排出。当累积水量排完时，按实际径流量排水。对于城市集水域，排涝过程与圩区类似，只是最大排涝流量为“城市管网过流能力”。调整后与调整前径流过程如图4所示，水文模型计算所得径流过程洪峰较高、历时较短，经过“管网过流能力”或“排涝模数”调整后，洪峰被坦化，历时变长，更符合城市与圩区的汇流特征。对于湖泊区域，计算湖泊水位随径流过程的变化，当湖泊水位高于警戒水位时，多余的径流以旁侧入流汇入与之关联的河段。

平原河网地区广泛分布于我国东南沿海发达地区，这些地区城市化速度较快，城市建成区迅速增长。城市地区降雨径流特征与乡村地区有明显差异，利用同一种水文模型难以同时合理描述城市和乡村地区的产汇流过程。因此在子流域划分时对城市和乡村下垫面类型加以区分，针对不同的下垫面类型采用相应的水文模型进行产汇流计算具有重要的实用价值。此外，现阶段城市建成区域详细分布资料获得难度较大，且形状不甚规整，不利于单独进行水文水动力耦合建模。本发明将城市区域用已建成区域等面积的圆形代替不仅能够减少资料获取难度，而且规则的圆形区域有利于与河网水动力模型实现耦联。

圩区作为平原河网地区最主要的防洪单元，对保障乡村区域防洪安全发挥着至关重要的作用。圩区利用泵闸体系将圩内与圩外分割开来，当遭遇降雨时，根据圩内情况相机调度，排除圩内涝水。排涝模数作为衡量圩区排涝能力的重要指标，对平原河网地区产汇流计算有重要影响。水文模型中引入圩区排涝模数可有效提高模拟精度。

城市区域降雨径流循环过程与乡村地区不同，降雨产生的地表径流通过市政管网汇入城市内河，因此，管网过流能力决定了城市地区的产汇流特性。对于城市下垫面区域，目前的降雨径流过程计算需要经过产流计算、汇流计算以及管网汇流计算三个步骤。然而，市政管网详细资料获得难度大，尤其当研究区域较大时建模成本很高。本发明提出城市水文模型进行降雨径流计算后，根据管网最大过流能力对径流过程进行再调整有助于正确反映城市洪峰过程，且降低了建模资料需求和成本，按照调整后的径流过程汇入城市内河可避免一维水动力模型内河水位计算值偏高。

Claims

1. 一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，其特征在于：在子流域划分方面包括如下步骤：

（1）确定研究区域；

（2）根据下垫面类型分割研究区域为城市、乡村以及水面；

（3）用ArcGIS中的“Polygon To Raster”工具将城市和乡村面要素离散为栅格，栅格大小取10~30m；

（4）用“Feature To Line”工具将河网在分汊点处进行打断；

（6）用“Raster To polygon”工具将分配后的栅格转为面要素，形成用于水文计算的集水域；

（7）用“Dissolve”工具将分配与同一条河道的不连续陆面进行合并，以消除不连续集水域；

（8）用“Feature To Line”工具将河网在城市与乡村集水域交界处进行打断；

（9）删除低于集水域转化容差缝隙的小河段；

（10）用“Feature To Point”工具求出各集水域与湖泊的形心；

（11）用“Near”工具求出与各形心距离最近的雨量站，关联于同一雨量站的集水域和湖泊构成一个子流域。

2.根据权利要求1所述的基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，其特征在于：步骤（2）城市下垫面用与城镇已建成区面积相等的圆形代替，水面下垫面仅包括湖泊，不考虑河道所占面积。

3.根据权利要求1所述的基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，其特征在于：步骤（5）进行“Euclidean Allocation”操作时，需要的设定有：（a）输入栅格要分配到的要素；（b）分配后的栅格输出路径；（c）设置输出栅格的像元大小，最好与步骤（3）中设定的栅格大小一致；（d）将整个计算区域面图层设置为分配范围；（e）以掩膜（Mask）的方式输入要分配的栅格，即城市与乡村栅格。

4.根据权利要求1所述的基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，其特征在于：完成划分的集水域根据不同的下垫面特性选择适当的水文方法进行产汇流过程计算：城市集水域采用适合城市地区的水文模型，如SWMM、MIKE Urban、InfoWorks CS进行产汇流计算；乡村集水域采用适合乡村下垫面特性的水文模型，如新安江模型、NAM模型、Tank模型进行产汇流计算；水面以净雨乘以总水面面积计算产流量。

5.根据权利要求4所述的基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，其特征在于：完成产汇流计算后，引入“圩区排涝模数”与“城市管网过流能力”对汇流过程进行再调整。

6.根据权利要求5所述的基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，其特征在于：汇流过程调整方法为：对于乡村集水域区域，其径流量乘以当地圩区所占比例即为圩区径流量，当圩区径流量大于该地区排涝模数时，以排涝模数汇流，多余水量累积于圩内，待径流量小于排涝模数时排出，累积水量排完时，按实际产流量排水；非圩区的乡村集水域径流以水文模型计算径汇流过程直接排入与之关联的河道；对于城市集水域排涝过程与圩区类似，只是最大排涝流量为“城市管网过流能力”。