第３７卷第７期 人民黄河 Ｖｏ１．３７．Ｎｏ．７ ２０１５年７月 ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ Ｊｕ１．，２０１５ 【水文泥沙】 基于ＧＩＳ的ＳＷＡＴ模型空间数据库的建立 冯珍珍，马孝义，樊 琨，李忠娟，余淼 （西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌７１２１００） 摘要：构建ｓＷＡＴ模型基础空间数据库是流域水文循环模拟的基础与关键，ＳＷＡＴ模型的空间数据库主要包括ＤＥＭ、 土壤类型图及土地利用图。以达溪河流域为研究对象，在ＡｒｃＧＩＳ １０．１环境下运用Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集提取了流域的水流 流向、汇流栅格、河网水系、流域边界等信息，建立了达溪河流域ＤＥＭ，与实际流域总面积相比，相对误差满足要求；利用 ＧＩＳ技术对原始资料进行预处理，快捷地建立了符合模型要求的流域土壤类型图及土地利用图。同时指出，选择合理阈 值提取符合实际的河网水系、准确提取洼地、平坦区域水流流向的处理、如何利用ＲＳ和ＧＩＳ技术建立研究区的基础空间 数据库并高效获取模型运行参数，以及人类活动影响下的径流模拟，将是今后研究的重点。 关键词：ＧＩＳ；ＤＥＭ；水文信息；空间数据库；ＳＷＡＴ模型 中图分类号：Ｓ１５５．１；Ｐ２８５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００．１３７９．２０１５．０７．００７ ＳＷＡＴ（Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ Ｔｏｏ１）模型可用 １．２研究方法 来模拟预测具有多种土壤类型、土地利用与管理条件 ＳＷＡＴ模型所需的空间数据库主要包括研究区域 的流域中土地管理措施对水、沙、化学物质等的长期影 的ＤＥＭ、土壤类型图和土地利用类型图等。这些数据 响。伴随着计算机、遥感、卫星定位等技术的飞速发 具有空间性、抽象性、多尺度性以及多态性，不仅能够 展，地理信息系统（ＧＩＳ）强大的空间地理信息分析和 表示出流域的空间位置及形态信息，而且还能表示属 管理能力，为数据格式的转化、水文模型的建立提供了 性与空间信息的关系，起到空间再现和空间分析的 强有力的技术支撑。建立ＳＷＡＴ模型时，无论是径 作用。 流、含沙量模拟还是蒸散发、非点源污染模拟以及土地 ＧＩＳ是处理空间信息的有力工具，具有收集的数 利用／覆被类型变化和气候变化对流域的影响，都需要 据较为客观、可自动化制图、便于数据统一管理维护与 大量连续的以及非连续的空间数据和属性数据。而模 修改等特点，能够快速建立ＳＷＡＴ模型空间数据库。 型计算时首先必须从空间数据库中提取研究流域的水 集成于ＡｒｃＧＩＳ中的ＳＷＡＴ模型可使数据输入、模型调 文、地形、土壤、植被覆盖等各种信息，方可进行后续的 试和结果输出都在可视化界面下完成…。ＳＷＡＴ模型 模拟运行。 空间数据库的建立流程见图１。 达溪河流经甘肃省灵台县，该县工农业生产和生 活用水主要取自达溪河及其支流的地表水。水资源短 缺、严重的水土流失以及生态环境恶化是达溪河流域 长期面临的问题。因此，构建达溪河流域ＳＷＡＴ模型 基础空间数据库（ＤＥＭ、土壤类型、土地利用图等），成 为该流域水文循环模拟的前提与关键，同时对流域水 资源管理、规划及生态环境保护也具有重要意义。 １研究区概况及研究方法 图１ ＳＷＡＴ模型空间数据库的建立流程 １．１研究区概况 达溪河源于陕西省陇县河北乡，流径甘肃省灵台 收稿日期：２０１４—０８－３１ 县，在陕西省长武县亭口镇汇入泾河，是泾河的二级支 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目 （２０１２ＢＡＤＯ８Ｂ０１）；国家自然科学基金资助项目（５１２７９１６７）；水 流。达溪河流域深居西北内陆，位于泾河流域中上游 利部公益性行业科研专项（２０１３０１０１６）；国家“８６３”计划项目 黄土高原区，水土流失严重。达溪河流域面积为２ ５３７ （２０１１ＡＡ１００５０９）。 作者简介：冯珍珍（１９８８一），女，河北保定人，硕士研究生，研 ｋｍ ，干流全长１２７ ｋｍ，径流补给以雨水为主，降雨多 究方向为农业水土工程管理与信息化。 通信作者：马孝义（１９６５一），男，陕西凤翔人，教授，博士生导 集中在７一－９月，多年平均降水量为５５５．９ ｍｍ，多年平 师，研究方向为农业工程。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｚｈｅｎｚｈｅｎ８２０＠１６３．ｔｏｍ 均径流量为１．６００亿ｍ 。 ・２７・ 人民黄河２０１５年第７期 ２ ＳＷＡＴ模型空间数据的采集和建立 ２．１数据信息 模型要求所有空间数据应具有统一的地理坐标和 投影，以便为空间数据叠加分析、掩膜提取及水文单元 划分提供基础。通用横轴墨卡托格网（ＵＴＭ）系统适 用于全世界范围，其将地球表面分为６０个带。达溪河 流域位于北纬３４。４８ ５。０５ ，东经１０６。５４ 一 １０７。４９ ，位于ＵＴＭ的４８Ｎ分带，因此选择投影坐标 ＷＧＳ一１９８４一ＵＴＭ—Ｚｏｎｅ＿４８Ｎ。空间数据库信息见表１。 表１空间数据信息 数据名称 数据来源 比例尺 ＤＥＭ 地理空间数据云（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｓｃｌｏｕｄ． １：２５万 ｃｎ／） 土壤类型图寒区旱区科学数据中心（ｈｔｔｐ：／／ｗｅｓｔｄｃ． １：１０万 ｗｅｓｔ，ｓ．ａｃ．ｃｎ／） 土地利甩类型图寒区旱区科学数据中心（ｈｔｔｐ：／／ｗｅｓｔｄｃ． １：１００万 ｗｅｓｔ，ｓ．ａｃ．ｃｎ／１ ２．２ ＤＥＭ的建立及子流域划分 本文ＤＥＭ栅格大小为３０ ｍ×３０ ｍ，数据形式为 ＥＳＲＩ ＧＲＩＤ，由ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ第一版的数据加工而 来，此数据集可以和全球９０ ｍ分辨率数据互相补充使 用。ＤＥＭ包含了丰富的水文信息，能够有效地反映区 域基本地形的空间分布规律与地貌特征 Ｊ。基于 ＤＥＭ数据，利用ＡｒｃＧＩＳ及其空间分析模块Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ 工具集计算水流流向、坡度、坡向、汇流栅格、河网水系 以及流域边界等，是ＳＷＡＴ模型实现子流域及水文响 应单元划分等空间离散方法的基础。 ２．２．１ ＤＥＭ的预处理 ＤＥＭ预处理流程见图２。 （１）填充洼地。首先使用Ｍｏｓａｉｃ工具对原始数据 进行拼接。一般认为，ＤＥＭ的水平和垂直分辨率、 ＤＥＭ生成过程的内插、输出结果的取整及高程数据等 均存在误差 ｊ，故原始ＤＥＭ存在伪洼地和自然洼地， 洼地会使水流无法流出，从而使河网产生断线，不能生 成连续的数字水系。因此，首先应确定水流流向（在 ＡｒｃＧＩＳ中采用Ｄ８算法计算水流方向＿４ ）；其次，判断 自然洼地和伪洼地；最后，经过多次试算，对所有洼地 进行填充，填充洼地需反复进行，直到得到平滑的无洼 地ＤＥＭ 。 （２）汇流累计。在地表径流模拟过程中，汇流累 计量基于水流方向数据计算而来。对于每个栅格，其 汇流累计量代表其上游有多少个栅格的水流最终汇流 经过该栅格。 （３）生成河网。那些汇流量大于临界值的栅格就 是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络就是 ・２８・ 河网。最小集水面积的阈值越小，流域描述越详细，河 网越密集。结合达溪河流域实际，将阈值设为１ ０００ Ｉｎ 来生成河网。利用Ｓ￣ｅａｍ Ｌｉｎｋ工具为河网中交汇 点间的每个河段指定唯一值，它的每条弧段连接着出 水口节点和河网起始点。河网作为划分子流域分布和 数量的依据。 图２ ＤＥＭ预处理流程 （４）生成集水流域。在河道上创建ｓｈａｐｅ文件，若 泄流点没有准确落在河流链路栅格上，则会生成偏小 的、不完整的流域。ＧＩＳ中Ｓｎａｐ Ｐｏｕｒ Ｐｏｉｎｔ命令可将 泄流点接合到最大流量累计栅格单元上，进而依据此 泄水口提取掩膜，最后得到达溪河流域栅格图，见 图３。 Ｎ ▲ 图３达溪河流域ＤＥＭ ２．２．２子流域划分 根据高程集水区信息，将流域划分为２９个子流 域，见图４。由属性表可得到各子流域集水面积、平均 坡度、平均坡长、平均高程以及各子流域之间的空间关 系。达溪河实际流域面积为２ ５３７ ｋｍ ，基于ＤＥＭ自 动提取的流域面积为２ ５２０．７５ ｋｍ ，相对误差仅 人民黄河２０１５年第７期 洋等 实现了“三方向算法”洼地填充处理，消除了河 流“平行线”现象；Ｇａｒｂｒｅｃｈｔ Ｊ．等 。“采用了平坦区栅 格单元搜索＋高程微调算法设定平坦区域内的水流方 究——以深圳铁岗一石岩水库流域为例［Ｄ］．广州：中山 大学，２００９． ［２］李忠娟，马孝义，朱晖，等．ＧＩＳ环境下基于ＤＥＭ的水文 特征提取［Ｊ］．人民黄河，２０１３，３５（２）：１６一ｌ８． 向；李硕等 在潋水河流域应用Ｍａｉｄｍｅｎｔ提出的 “ｂｕｒｎ—ｉｎ”算法，生成的河网和实际河道几乎完全重 合。如何选择合理的阈值提取符合实际的河网水系、 ［３］ 陈腊娇．基于ＳＷＡＴ模型的土地利用／覆被变化产流产沙 效应模拟——以陇东马莲河流域为例［Ｄ］．杭州：浙江师 范大学，２００６． 『４］０’ＣＡＬＬＡＧＨＡＮ Ｊ Ｆ，ＭＡＲＫ Ｄ Ｍ．Ｔｈｅ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｒａｉｎ— 准确提取洼地及对平坦区域水流流向的处理仍将是今 后的研究重点。 （２）构建了达溪河流域ＳＷＡＴ模型所需的基础空 间数据库，并说明了数据库构建的关键步骤及问题，主 要包括ＤＥＭ、土壤类型图及土地利用类型图。这对于 ａｇｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｒｏｍ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｄａｔａ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉ— ｓｉｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ，１９８４，２８（３）：３２３—３４４． ［５］ 汤国安．ＡｒｃＧＩＳ地理信息系统空间分析实验教程［Ｍ］．北 京：科学出版社，２００６． 流域水资源管理与规划以及生态建设都具有重要意 义。精确的模拟结果需要大量的准确数据支撑，如何 利用ＲＳ和ＧＩＳ技术建立研究区的基础空间数据库， ［６］ 李丹．基于ＳＷＡＴ模型安吉县非点源污染模拟［Ｄ］．杭 州：浙江大学，２０１２． ［７］ 杨佳丽．甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应 ［Ｄ］．兰州：兰州大学，２０１０． ［８］ ＧＡＲＢＲＥＣＨＴ Ｊ，ＭＡＲＴＺ Ｌ Ｗ．Ｄｉｇｉｔｌａ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ Ｉｓ— 高效获取模型所需的运行参数，仍是ＳＷＡＴ模型应用 研究的重点。 （３）对于空间变异较大的流域，模拟结果受参数 的空间特征、空间数据的分辨率、水文气象站点的空间 分布等影响。因此，对资料的空间分析、数据的预处理 应成为ＳＷＡＴ模型应用研究的重要方面。同时，鉴于 ｓｕｅｓ ｉｎ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｃ］／／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９ｔｈ ＥＳＲＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ：ＥＳＲＩ， １９９９：１３—２２ ［９］杨洋，曾繁如，赵银兵，等．ＧＩＳ和ＭＡＴＬＡＢ在泥石流防治 工程流量计算中的应用研究一以ｚｌｌ￣Ｊｌｌ县苏保河为例［Ｊ］． 地球与环境，２０１３（３）：２６６—２７３． 人类活动已强烈干扰了流域天然径流过程，故应加强 人类活动影响下径流模拟方面的研究。 参考文献： ［１］ 陈邦雄．基于ＧＩＳ和Ｒｓ的非点源污染分布式模拟研 ［１０］ ＧＡＲＢＲＥＣＨＴ Ｊ，ＭＡＲＴＺ Ｌ Ｗ．Ｔｏｐａｚ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｍ］．ｕｓ— ＤＡ—ＡＲＳ：Ｇｒａｚｉｎｇ Ｌａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，１９９９． ［１１］李硕，曾志远，张运生．数字地形分析技术在分布式水文 建模中的应用［Ｊ］．地球科学进展，２００２（５）：７６９—７７５． Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ＳＷＡＴ Ｍｏｄｅｌ Ｓｐａｔｉａｌ Ｄａｔａｂａｓｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＩＳ ＦＥＮＧ Ｚｈｅｎｚｈｅｎ，ＭＡ Ｘｉａｏｙｉ，ＦＡＮ Ｋｕｎ，ＬＩ Ｚｈｏｎｇｊｕａｎ，ＹＵ Ｍｉａｏ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ ｉｎ Ａｒｉｄ Ａｒｅａ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａｂａｓｅ ｏｆ ＳＷＡＴ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｔｈｅ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｏ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｙｃｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄａ— ｔａｂａｓｅ ｏｆ ＳＷＡＴ ｍｏｄｅｌ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ＤＥＭ，ｓｏｉｌ ｍａｐ ａｎｄ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｍａｐ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｔｏｏｋ Ｄａｘｉ Ｒｉｖｅｒ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ｅｘ— ｔｒａｃｔｅｄ ｂａｓｉｎ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ｔｏｏｌｓｅｔｓ ｏｆ ＡｒｃＧＩＳ１０．１ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｕｃｈ ａｓ ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｆｌｏｗ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｇｒｉｄ，ｒｉｖｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｂａｓｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ＤＥＭ ｏｆ Ｄａｘｉ Ｒｉｖｅｒ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｂａｓｉｎ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｍｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＧＩＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄａｔａ，ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ ｍａｐ ａｎｄ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｍａｐ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｒａｐｉｄｌｙ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，Ｃｈｏｏｓｉｎｇ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｒｉｖｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ， ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｔ ａｒｅａ，ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ＲＳ ａｎｄ ＧＩＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｅｓｔｂｌａｉｓｈ ｔｈｅ ｓｐａ— ｔｉａｌ ｄａｔａｂａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ｍｏｄｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｎ ｒｕｎｏｆｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｔｈｅ ｆｏＣＵＳ ｏｆ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；ＤＥＭ；ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ；ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａｂａｓｅ；ＳＷＡＴ ｍｏｄｅｌ 【责任编辑翟戌亮】 ・３０・