14.1、水文分析—零基础入门教程

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水文分析是一种研究水文过程和水资源管理的方法，通过对水文数据的收集、处理和分析，以及对水文过程的模拟和预测，来揭示水文现象的规律和特征，为水资源的合理利用和管理提供科学依据。首先，水文分析可以帮助我们了解水文过程的特征和变化规律。通过对水文数据的收集和处理，可以获得降水、蒸发、径流等水文要素的时空分布和变化趋势。通过对这些数据的分析，可以揭示不同地区、不同季节和不同年份的水文过程的特征和变化规律，比如降水量的分布、蒸发量的变化、径流的季节性和年际变化等。这些分析结果可以帮助我们更好地理解水文过程的机理和影响因素，为水资源管理和水灾防治提供科学依据。

分析流程

描绘分水岭或定义河流网络时，需要按照一定的步骤进行操作。有些步骤是必需的，有的则属于可选步骤，这取决于输入数据的特性。图是基于DEM的水文分析工具提取水文信息(如分水岭边界和河流网络)的一般过程。从图中可以看出，无论最终目的如何，都必须从DEM入手。

流向分析

1. 流向计算方法

对于栅格图像的每一个格网，水流方向都是指水流离开格网时的指向。流向判定大都建立在3×3的DEM格网基础上，有单流向法和多流向法之分。 ArcGIS的流向工具中用到的算法是单向流法中的“D8”方法。

单向流法是假定一个栅格中的水流只能从一个方向流出栅格，根据栅格高程判断水流的方向。 “D8”方法是假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8个栅格中。它用最陡坡度法(前提是地表不透水，降雨均匀，流域单元上的水流总是流向最低的地方)来确定水流的方向，即在3×3的DEM栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离权落差(即栅格中心点落 差除以栅格中心点之间的距离),取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格，该方向即为中心栅格的流向。图表示的是 “D8”方法中水流方向的编码，栅格中的数值 表示每个栅格的流向。数值变化范围是1～255。其中，1代表东，2代表东南，4代表南，8代表西南，16代表西，32代表西北，64代表北，128代表东北。若邻域栅格对中心栅格的方向值分别为2、8、32、128,则栅格间的距离为√2倍的栅格值，否则距离为1。

除上述栅格数值之外的其他值代表流向不确定，这是由DEM中“洼地”和“平地”现象造 成的。所谓“洼地”即某个栅格的高程值小于其所有相邻栅格的高程。造成这种现象的原因是河谷的高程小于栅格所覆盖区域的平均高程，较低的河谷高度拉低了该单元的高程。洼地现象往往出现在流域的上游。"平地"是指相邻的8个栅格具有相同的高程，这与测量精度、DEM单元尺寸或该地区的地形有关。这两种现象在DEM中相当普遍，所以在进行流向分析之前， 一般先进

行DEM填充，将"洼地"变成“平地”,再通过一套复杂的迭代算法确定平地流向，流向分析过程原理如图所示。

2. 原始DEM流向分析

流向计算的操作步骤如下：

(1)在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→【流向】,打开【流向】对

话框，如图所示。

(2)输入【输入表面栅格数据】数据(位于"..\chp14\Hydrology\data"), 指定【输出流向栅

格数据】的保存路径和名称。

(3)若选中【强制所有边缘像元向外流动(可选)】复选框，则所有在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM数据区域，此复选框一般默认为不选择。栅格数据下降率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。它反映了整个区域中最大坡降的分布情况。若输入【输出下降率栅格   数据(可选)】的保存路径，则会创建一个以百分比形式表示的输出栅格，该栅格显示沿流向的每个像元到像元中心之间的路径长度的高程的最大变化率。

(4)单击【确定】按钮，完成水流方向的计算，结果如图所示。

3. 无洼地DEM流向分析

DEM洼地被填充以后即可对无洼地DEM进行流向分析。其具体操作步骤如下：

(1)在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→ “流向】,打开【流向】对

话框。

(2)输入【输入表面栅格数据】(位于"…\chp14\Hydrology\result\demfill   dir"),指定【输出流向栅格数据】的保存路径和名称。这次将填洼后的DEM作为输入栅格，计算无洼地DEM流向。计算结果如图所示。用户可以将此次流向计算的结果和原始DEM数据的流向结果进行比较，查找其差异。

汇流分析

汇流分析的主要目的是确定水流的路径。在流向栅格图的基础上生成汇流栅格图，汇流栅格上每个单元的值代表上游汇流区内流入该单元的栅格点总数，即汇入该单元的流入路径数(NIP)。NIP较大的区域可视为河谷，NIP等于0的区域则是较高的地方，可能为流域的分水岭。汇流分析的基本思想是以规则格网表示的DEM每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流向低处的规律，根据区域的流向栅格计算每点所流过的水量值，便得到了区域的汇流栅格(汇流累积量)。在图中，左图栅格值代表每个像元的流动方向，右图栅格值代表流入每个像元的像元数目。

汇流分析的具体操作步骤如下：

(1)在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→【流量】,打开【流量】对话框，如图所示。

(2)输入【输入流向栅格数据】(位于".…\chpl4\Hydrology\result"),指定【输出蓄积栅格数据】的保存路径和名称。【输入权重栅格数据(可选)】所指的权重数据一般是降水、土壤及植被等影响径流分布不平衡因素综合而成的。为每一个栅格赋权重更能详细模拟该区域的地表特征。如果无数据，系统默认为所有的栅格配以相同的权值1,那么计算出来的汇流累积量的数值就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。在【输出数据类型(可选)】下拉框中选择"FLOAT"。

(3)单击【确定】按钮，完成流量计算，放大结果图局部区域，效果如图所示。

流域分析

1. 盆域分析

流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域。它通过分析水流方向数据确定所有相互连接并   处于同一流域盆地的栅格。要确定流域盆地首先是要确定分析栅格区域(下文称为“分析窗口” 边缘的出水口位置，也就是说在进行流域盆地的划分中，所有的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘，这个位置可能是水坝，也可能是上河水位标之类的要素。盆域分析的操作步骤如下：

(1)在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→【盆域分析】,打开【盆域

分析】对话框，如图所示。

(2)输入【输入流向栅格数据】(位于".…\chp14\Hydrology\result"),指定【输出栅格】的保存路径和名称。

(3)单击【确定】按钮，完成盆域分析操作，结果如图所示。

为了使计算结果更容易理解，可以将之前计算出的矢量河网数据结果在同一个窗口中打开，进行辅助分析。所有的流域盆地的出口都在研究区域的边界上。利用流域盆地分析，可以

从较大的研究区域中选择感兴趣的流域并将该流域从整个研究区域分割出来进行单独分析。

2. 生成分水岭

经过上一步得到的流域盆地是一个比较大的流域盆地，在很多的水文分析中，还需要基于更小的流域单元进行分析，这就需要进行流域的分割。而流域的分割首先是要确定小级别的流域出水口位置。

小级别流域的出水口位置可以用水文分析工具集中的【捕捉倾泻点】工具计算。该工具的思想是利用点栅格数据寻找潜在的出水点，并赋属性值。在点栅格数据位置的指定距离围内，搜索汇流累积量数据层上具有较高汇流累积量栅格点的位置，这些搜索到的栅格点就是小级别流域的出水点。也可以利用已有的出水点的矢量数据。如果没有出水点的栅格或矢量数据，可以用上述生成的河流连接数据作为汇水区的出水口数据。这是由于河流连接数据中隐含着河网中每一条河网弧段的连接信息，包括弧段的起点和终点等。相对而言，弧段的终点就是该汇水区域的出水口所在位置。低级的分水岭，即集水区的生成，可以使用水文分析工具集中的【分水岭】工具生成。其思 想是先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直到所有的集水区的栅格都确定了位置，也就是搜索到流域的边界即分水岭的位置。

生成分水岭的具体操作步骤如下：

(1)在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→【分水岭】,打开【分水

岭】对话框，如图所示。

(2)输入【输入流向栅格数据】和【输入栅格数据或要素倾泻点数据】(位于"..\chp14\ Hydrology\result"), 在【倾泻点字段(可选)】选择相关设置，指定【输出栅格】的保存路径和名称。

(3)单击【确定】按钮，完成分水岭计算，结果如图所示。

为了更好地表现流域的分割效果，用户可以将之前计算的流域盆地数据和矢量河网数据打开，进行辅助分析。这样可以看出，通过河流连接作为流域的出水口数据所得到的集水区域是每一条河网弧段的集水区域，也就是要研究的最小沟谷的集水区域，它将一个大的流域盆地按照河网弧段分为若干个小的集水盆地。

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