基于GIS的馬蓮河流域水系分維研究

1、    基于gis的馬蓮河流域水系分維研究    王娜娜唐慶陳偉華羊秀娟摘要：指出了基于gis軟件的水文分析模塊，以dem為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提取馬蓮河流域河網(wǎng)水系，在此基礎(chǔ)上采用網(wǎng)格法求取了馬蓮河流域水系分維數(shù)。結(jié)果表明：該流域分維數(shù)介于0.99991.0867之間，判斷其處于地貌侵蝕發(fā)育階段的幼年期，河流下切侵蝕較強，易導(dǎo)致水土流失。此研究有助于認識該流域地貌發(fā)育情況，并可為加強小流域水土流失治理提供一定參考。關(guān)鍵詞：集流閾值；分維；gis；馬蓮河流域：x703：a：16749944（2017）180033021引言流域地貌形態(tài)的科學(xué)準確量化是建立流域尺度土

2、壤侵蝕預(yù)報模型的關(guān)鍵科學(xué)問題之一1，從分形的角度出發(fā)來定量描述流域地貌形態(tài)特征具有準確性和新穎性，它為人們基于尺度認知問題提供了理論指導(dǎo)。水系分維數(shù)反映了河網(wǎng)水系的發(fā)育程度，代表了水系所處流域的地貌侵蝕發(fā)育階段2。目前，越來越多的學(xué)者基于gis平臺，以dem為源數(shù)據(jù)對流域水系分形特征進行研究。張宏才、湯國安等3探討了在gis支持下的黃土丘陵溝壑區(qū)河網(wǎng)分維值的計算方法；梁啟君等4運用計盒維數(shù)法計算分形維數(shù)來研究分形維數(shù)量化閾值對河流水系提取的影響；朱永清等5通過對彈子溪小流域地貌分維數(shù)的計算，提出了基于gis的流域河網(wǎng)地貌特征分維計算模型。然而，基于對分維的不同定義與理解，其計算方法也有差異，現(xiàn)

3、階段較為常用的計算方法主要有兩種6，一種是從分形的概念出發(fā)，即網(wǎng)格法；另一種是以horton定律為基礎(chǔ)的求取水系分維的方法。本文基于gis技術(shù)，運用水文分析工具模塊對研究區(qū)dem數(shù)據(jù)加以應(yīng)用，通過提取不同集流閾值下的水系河網(wǎng)，采用網(wǎng)格法計算相應(yīng)的水系分維數(shù)，以此表征該流域水系特征，認識該區(qū)域地貌發(fā)育狀況，為進一步控制小流域水土流失提供一定的參考。2流域概況馬蓮河流域位于隴東黃土高原地區(qū)，介于東經(jīng)106°3632108°3551，北緯35°144037°2543之間，屬于涇河一級支流，流域全長375 km。研究區(qū)該流域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，處于溫帶半濕?/p>

4、向半干旱氣候的過渡地帶7。區(qū)內(nèi)植被稀少，主要以溫性灌草叢為主。土壤類型屬于半干旱氣候帶的草原土壤，以黑壚土、黃綿土為主8，土質(zhì)疏松，易被侵蝕。整個流域土地荒漠化、水土流失嚴重。3實驗原理與研究方法dem反映了一定空間分辨率下的局部地形特征，結(jié)合一定算法可自動提取所需地理空間范圍內(nèi)的自然水系9。本文采用地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站提供的全球分辨率為30 m×30 m的aster gdem數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，空間參考為wgs_1984_utm_zone_50n。利用arcgis水文分析模塊自動提取馬蓮河流域河網(wǎng)，并在excel中進行河網(wǎng)數(shù)量及長度等的統(tǒng)計及分維數(shù)的計算。3.1流域信息的提取3.1.1洼

5、地的處理流域內(nèi)地表水流模擬試驗中由于低高程柵格的存在10使得水流方向的計算存在不合理的現(xiàn)象，因此要進行填洼處理。在arcgis10.2中啟動arc toolbox，通過空間分析工具下的水文分析擴展模塊，對馬蓮河流域30 m×30 m空間分辨率的原始dem數(shù)據(jù)進行填充，得到無洼地的dem。3.1.2水流方向的計算水流方向是指水流離開每一個柵格單元時的指向11。水流方向的計算使用上一步生成的dem數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，采用arc toolbox空間分析工具流向工具進行處理。3.1.3集水面積的確定基于無洼地的水流流向可確定流域集水面積。基本思路為以規(guī)則格網(wǎng)所表示的dem每點處存在一個單位的水量，

6、通過區(qū)域地形的水流流向數(shù)據(jù)確定每點處的水流量，得到區(qū)域的匯流累計量12。通過arcgis中的水文分析擴展模塊下的流量工具來實現(xiàn)。3.1.4河網(wǎng)水系的提取基于流域匯流累積量，根據(jù)閾值的大小對整個流域進行分析，提取匯流累計量大于閾值的柵格組成河網(wǎng)水系。在arcgis中，以200為初始閾值，200為間距設(shè)置閾值，依次為200，400，600，800，1000，1200，1400，1600，1800，2000。利用柵格計算器進行計算，提取10組馬蓮河流域的柵格河網(wǎng)并進行河網(wǎng)矢量化，得到該流域的水系。3.2水系分維數(shù)的確定本文采用目前較常用的一種估算水系分維方法，即網(wǎng)格法來計算馬蓮河流域水系分維數(shù)。具體

7、過程為：利用arcgis的矢量柵格化工具來求取一系列網(wǎng)格邊長r和對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量n（r）值，再通過對r和n（r）取對數(shù)進行線性擬合，得到兩者的關(guān)系表達式：lnn（r）=-dln（r）+c。其中，c為直線的截距，d為斜率，即流域地貌形態(tài)分維數(shù)。本文分別采用實際距離為10 m、20 m、50 m、60 m、80 m、90 m、100 m、150 m、200 m、500 m、800 m、1000 m不等的網(wǎng)格邊長來進行網(wǎng)格分析，計算了不同集流閾值下的河網(wǎng)分維數(shù)，結(jié)果如表1所示。4結(jié)果與分析4.1集流閾值與分維數(shù)的關(guān)系在arcgis中提取馬蓮河流域河網(wǎng)水系時，由于設(shè)定閾值不同，所提取的河網(wǎng)密度存在差異1

8、3，因此得出的水系分維不同。對表1數(shù)據(jù)進行擬合得到馬蓮河流域集流閾值與分維數(shù)對數(shù)函數(shù)關(guān)系曲線。圖1集流閾值與分維數(shù)擬合曲線分析圖1可得出：隨著集流閾值在2002000范圍內(nèi)不斷遞增，馬蓮河流域的水系分維值呈逐漸遞減，且分維值介于0.99991.0867之間。當集流閾值從200增加至800時，水系分維值由1.0867降低至1.0189；隨著集流閾值從800逐漸遞增至2000，水系分維值遞減趨勢較為緩慢，但總體仍呈遞減趨勢。因此，可將集流閾值800對應(yīng)的水系分維1.0189作為該流域水系分維值。endprint4.2水系的地貌發(fā)育過程水系分維與流域地貌密切相關(guān)，水系分維反映水系所處流域的地貌發(fā)育情

9、況。前人研究運用分維值1.6作為判斷流域地貌發(fā)育階段的臨界值。本文分析得出馬蓮河流域水系分維大致處于0.991.09之間，判斷該流域地貌發(fā)育處于幼年期，且向幼年晚期趨勢發(fā)展，河流由下切侵蝕轉(zhuǎn)為側(cè)蝕。此外，研究區(qū)處于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，其分維數(shù)較小。5結(jié)論與討論5.1結(jié)論本文運用arcgis10.2的水文分析工具來提取不同匯流累積閾值下的水系河網(wǎng)14，并采用網(wǎng)格法計算馬蓮河流域相應(yīng)的水系分維數(shù)，結(jié)論如下：（1）馬蓮河流域水系分維值隨著集流閾值的逐漸增大而不斷減小，且減小的速度趨于平緩。（2）本文將集流閾值與水系分維數(shù)進行擬合，可以較快確定馬蓮河流域河網(wǎng)閾值及相應(yīng)的水系分維數(shù)。（3）通過對馬蓮河水

10、系分維的定量描述可以揭示馬蓮河流域所處地貌發(fā)育尚處于幼年階段，估算其發(fā)展趨勢為幼年晚期。5.2討論廣域研究范圍下表征流域信息分維數(shù)因子眾多，單一化分析流域河網(wǎng)信息容易導(dǎo)致偏差。因此在具體研究中還應(yīng)適當考慮流域內(nèi)的自然條件和人為因素，對流域水系特征及流域信息進行既準確又全面的表達。參考文獻：1崔靈周，李占斌，郭彥彪，等. 基于分形信息維數(shù)的流域地貌形態(tài)與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系j. 土壤學(xué)報，2007（2）：197203.2沈中原. 黃土高原流域土壤侵蝕下墊面特征及其對水土流失的作用研究d.西安：西安理工大學(xué)，2009.3張宏才，湯國安. 基于gis的河網(wǎng)分形研究j.西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（0

11、4）：659662.4梁啟君，梁軍，王少華，等. 分形在數(shù)字水系累計匯水量閾值確定中的應(yīng)用研究j. 地理與地理信息科學(xué)，2013（1）：111112.5朱永清，李占斌，崔靈州，等. 基于gis流域地貌形態(tài)特征分形與計算方法研究j.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2005（12）.6林峰，陳興偉，王林. 基于dem的九龍江流域水系分維估算j. 水資源與水工程學(xué)報，2009（1）：2932.7索安寧，洪軍，林勇，等. 黃土高原景觀格局與水土流失關(guān)系研究j. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005（9）：17191723.8張建香，張勃，張華，等. 黃土高原的景觀格局變化與水土流失研究-以黃土高原馬蓮河流域為例j. 自

12、然資源學(xué)報，2011（9）：15131525.9李靜靜，陳健，朱金玲. 基于dem的河流長度尺度轉(zhuǎn)換與不確定性分析j. 人民長江，2010（8）：5558+66.10李晶，張征，朱建剛，等. 基于dem的太湖流域水文特征提取j. 環(huán)境科學(xué)與管理，2009（5）：138142.11雷花. gis環(huán)境下黑河流域信息提取j. 科教導(dǎo)刊，2016（1）：183183.12王玉富，王翰釗. arcgis環(huán)境下基于dem的流域特征提取j. 湖北民族學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（4）：439442.13江滔，武偉，劉洪斌. 基于dem的重慶長江流域水系分維估算j. 中國農(nóng)學(xué)通報，2010（15）：365368.14郭憶，畢碩本，閆業(yè)超，等.拉