1、基于空间信息技术的湖泊流域信息提取研究摘要：数字高程模型(Digital Elevation Model,简称 DEM)是地形表面形态属性的数字化表达，被广泛应用于流域水文模拟中河网水系的提取研究。从 DEM 直接提取的河网水系及相关的流域地理空间信息，是分布式水文模拟的地理信息平台。通过对 SRTM 数据处理，运用 SWAT 模型对呼伦湖流域的 DEM 进行水文特征提取，分析流域分布情况。呼伦湖全流域面积为 25.6 万 km2，蒙古国部分为 16.3 万 km2，约占总面积的63.7%。呼伦湖的主要水源、产汇流条件较好克鲁伦河和哈拉哈河，其产流区大部分位于蒙古国境内。两国应加强流域综合管理
2、，合理配置水资源，以保证下游入湖的水量来防止呼伦湖的持续萎缩。 关键词：DEM，SRTM 数据，SWAT 模型,呼伦湖流域 1 引言 数字高程模型(Digital Elevation Model,简称 DEM)是地形表面形态属性的数字化表达，被广泛应用于流域水文模拟中河网水系的提取。从DEM 直接提取的河网水系及相关的流域地理空间信息,是分布式水文模拟的地理信息平台1。 湖泊及其流域是人类主要的生境所在，但随着社会经济的发展，湖泊水环境恶化和流域生态退化等问题也随之出现2。而目前对湖泊和流域的研究也大多将二者割裂，忽视了湖泊-流域的生态系统完整性3。同时流域管理也采取的是一种分散化、以行政辖区
3、为基础的管理模式，对于一些跨国界的湖泊流域所面临的问题更为复杂。 本文利用空间信息技术及计算机地理信息系统软件，通过对 SRTM 数据处理，对呼伦湖整个流域的 DEM 进行水文特征提取，分析流域水文特征。 2 研究区概况与数据来源 2.1 研究区概况 呼伦湖位于内蒙古自治区呼伦贝尔市境内，介于 11658-11748 E，4833-4920 N 之间。湖面呈不规则斜长方形，轴向为东北至西南方向，长度为 93km，最大宽度为 41km，湖水多年平均面积在2000km2 左右，平均水深 5.7m。 呼伦湖属于额尔古纳河水系。流域地处中温带半干旱大陆性季风区，多年平均降水量为 268mm。湖水的补给
4、除大气降水外，主要来自发源于蒙古国肯特山脉的克鲁伦河；连接贝尔湖和达赉湖的乌尔逊河；以及湖东北部的新开河。新开河是一个吞吐性河流，海拉尔河水大时，顺该河流入呼伦湖，呼伦湖水大时又顺此河流向额尔古纳河(见图 1)。 2.2 数据来源 本文使用的 DEM 为 SRTM 数据。SRTM 是世界上第一套高分辨率海拔高度模型，公开发布的数据分辨率为 3 弧秒（经度和纬度的 1/1200） ，长度相当于 90m，可免费下载使用 4。 登陆美国地质勘探局数据库网站（http:/seamless.usgs.gov） ，输入呼伦湖流域的坐标范围（10700-12300 E，4530-5030 N）后获取 SRT
5、M 数据。下载后数据为格栅图像，椭球体坐标系统为WGS_1984。因流域东西跨度大，为减少因变形而产生的面积计算误差，本文所有图件均采用阿尔伯斯双标准纬线多圆锥投影系统，双标准纬线选取 40N 与 50N，中央经线选取 115E。 3 呼伦湖流域数字分析 3.1 水流方向计算 从栅格 DEM 上提取流域信息，首先必须确定各个栅格单元的水流方向。判断流向的方法也比较多，目前应用广泛的为单流向法。 单流向法假定一个网格中的水流只从一个方向流出网格。D8 算法是较早提出并得到广泛应用的一种单流向算法5。它用最陡坡度法来确定水流的方向，在 33 的网格中，计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差，即相邻
6、网格与网格中心点的高程差除以与网格中心点之间的距离，然后取距离权落差最大的网格作为中心网格的流出网格，而该方向即为中心网格的流向。这种方法对自然状态的水流方向进行了极大的概括，认为网格的产流是点源(即网格中心点)，河道则用一维的线来描述，也删掉了水流方向的无穷多种可能性。 3.2 数字河网与流域边界的确定 河网生成需要先对 DEM 数据进行填洼处理。洼地是高程小于相邻周边的点，它们的存在会阻碍自然水流朝流域出口的流动。因此对每一个格网点进行查找，找出凹陷点并使其高程等于周围点的最小高程值，生成新的无洼地 DEM。然后按最陡坡度原则确定水流路径，并计算每一个网格单元上的上游集水面积。集水面积的量
7、纲以网格数目(投影后可使用面积单位作为输入值)的多少表示，从而产生包含每个网格单元上坡面汇水面积的新矩阵，把它定义为最小河道集水面积阈值。当网格的上游集水面积超过此阈值时，这些网格点就定义为河道6。 流域边界确定与子流域划分是在确定流域出口断面位置后，以流域干流上的每个支流为单元划分子流域，即一旦河网定下来，子流域也就确定了。通过沿流向前进的方法确定每个网格汇入哪个支流，即属于哪个子流域，从而将整个流域划分为若干片子流域。 图 2 表示了基于 DEM 提取河网的主要步骤的简单示意图，图 2(1)表示的是原始 DEM 数据；图 2(2)表示的是利用原始 DEM 通过 D8 算法计算得到的每个格网
8、的流向数据；在此基础之上，进一步计算得到每个格网的汇水面积矩阵，如图 2(3)所示，若将最小河道集水面积阈值定义为 5 个网格，即可最终提取图 2(3)中灰色区域表示的河网网格。 (1) (2) (3) 图 2 DEM 提取河网的主要步骤 4 结语 充分利用了空间信息技术的大范围、高时效等特点，使用 SRTM 数据对湖泊流域水文特征提取研究，尤其对跨国界的流域研究中有很好的作用，弥补了因国界阻隔、地区偏远无法到达所引起的数据收集困难等问题。 通过 SWAT 模型的数字水文分析及 Arc GIS 的空间分析，得出呼伦湖流域面积为 25.6 万 km2，在蒙古国境内的面积为 16.3 万 km2，
9、约占 63.7%，我国境内的面积为 9.3 万 km2，约占 36.3%。 呼伦湖的主要水源克鲁伦河和乌尔逊河的大部分均位于蒙古国。蒙古国流入我国的水量多少在很大程度上决定了呼伦湖的扩张与萎缩的命运，当前急待解决的问题为加强上游水资源的合理配置，以保证下游入湖的水量来防止呼伦湖的持续萎缩，两国政府部门应加强联系，重视国际协商和流域综合管理。 参考文献 1 万民,熊立华,卫晓婧. 数字高程模型预处理方法的研究进展J.水文, 2008,28 (5): 25-30.11-17,42. 2 吴贻名,李元红. 干旱区流域生态环境质量现状评价研究J. 中国农村水利水电, 2001 (1): 25-30. 3 张步?,李凤民,成自勇,等. 河西内陆河流域生态环境综合治理研究J. 中国农村水利水电, 2001 (1):43-45. 作者简介：魏志忠,男， （1976-）,鄂尔多斯人，工程师，从事市政工程和城市给排水研究。 资助基金项目：内蒙古自然科学基金项目（2011BS0604，2010MS0611） 。
