基于DEM的黑龙江宾州河流域水系提取试验研究

基于数字高程模型(digital elevation models,DEM)提取河网及相关流域信息是数字水文研究中的热点问题。以东北黑土区宾州河流域为研究区域,采用5m分辨率的DEM作为研究数据,运用ArcGIS9.2中的Hydrology水文处理工具包(Arc Hydro Tools)提取研究区河网特征。研究结果表明,分别采用0.75,1.25,2,2.5,3.75和5km2的集水面积阈值提取流域河网特征时,不同集水面积阈值对确定主河道的空间位置影响较小,但提取的数字流域河网特征会发生较大变化。基于河网密度与集水面积阈值及河源密度与集水面积阈值的关系探讨了适宜的集水面积阈值确定方法,发现取集水面积阈值为2km2时提取的河网特征与实际水系特征基本吻合,精度达95%以上。因此,基于Arc Hydro Tools的流域特征自动提取是切实可行的。     

基于Arc Hydro模型的最优集水面积阈值分析

为提高河南省水土保持小流域划分工作的准确性与高效性,以河南省卢氏县、宜阳县和太康县分别作为山区、丘陵区和平原区的代表,基于分辨率12.5 m的DEM数据,利用Arc Hydro模型提取研究区河网信息,采用河网密度法研究集水面积阈值和河网密度、河网密度二阶导数的关系曲线,选取最优的集水面积阈值。结果表明：河网密度法可以避免传统方法在选取阈值时的盲目性与主观性,更加科学合理;不同地形的区域阈值选取也大不相同,卢氏县、宜阳县和太康县的最优阈值分别是50 000、35 000和30 000,这说明在河南省小流域划分工作中应考虑到不同地形在河网提取时的影响,以保证小流域划分工作的精度。     

基于ASTER GDEM的清涧河流域河网提取研究

以黄河中游的一级支流清涧河流域为例,以ASTER GDEM为数据源,利用均值变点法,选取合适的集流阈值,得到清涧河流域水系图,在此基础上对河网水系特征进行了分析。结果表明,集流阈值与河网密度呈幂函数关系,集流阈值越大,提取的河网越稀疏,河网密度值越小,反之则越大。均值变点法能够较好的确定出最佳集流阈值,所提取出的河网与1∶400万国家矢量水系图相比,主干上吻合较好。因此认为,基于30 m分辨率的ASTER GDEM数据,并利用均值变点分析法提取出清涧河流域的河网,是切实可行的,可以为水资源管理和数字流域建设提供重要的基础数据。     

纸坊沟流域水系最佳集水面积阈值确定方法研究

为更加准确判定流域水系最佳集水面积阈值,以陕西省安塞县纸坊沟流域30 m DEM为例,采用均值变点分析方法对流域水系分维值、DEM分辨率与集水面积阈值之间的关系进行了分析。结果表明:(1)集水面积阈值与分维值的关系:不同分辨率DEM,随着集水面积阈值的增加,分维值呈先增后减趋势,且其下降速度由急剧变为缓慢;(2) DEM分辨率与分维值的关系:在最佳集水面积阈值条件下,随着DEM分辨率的减小,分维值整体趋于下降,且其下降速度越来越缓慢;(3)纸坊沟流域水系分维值为1.20,所对应的最佳集水面积阈值、DEM分辨率分别为100,15 m。均值变点分析方法可用于最佳集水面积阈值和DEM分辨率的快速确定,且可靠性较高,判定系数达0.99。研究结果为流域河网水系提取时集水面积阈值的确定提供了方法参考依据。     

基于轮廓不同的DEM对宁波市姚江流域平原河网的提取研究

[目的]针对目前基于DEM提取平原河网所遇到的困境,采用新的视角提取平原河网,为完善水系自动化提取方法研究提供依据。[方法]采用Acr Hydro Tools和SWAT工具在轮廓不同的DEM下,对宁波姚江流域进行河网提取和流域确定。再以提取后的流域总面积与河流总长度为定量分析的主要指标,用相对误差公式、河网套合差公式和Visual Similarity Duplicate Image Finder软件进行综合评价与误差分析。[结果]在真实河网辅助下,Acr Hydro Tools与SWAT均是在规整型DEM基础上的提取效果很差。在临近型DEM上所提取的河网、流域和流域总出口与实际相符且精度、相似度都很高。[结论]用Acr Hydro Tools和SWAT两种工具提取流域水系都是可取的,但SWAT更加便捷;不同轮廓的DEM以及其是否与流域总出口相切会极大地影响河网提取的质量。     

基于DEM的流域地貌气候瞬时单位线地貌参数的提取

 地貌参数的提取是水文模型构建的基础,参数的准确与否直接关系到模型的精度。该文研究了基于DEM提取地貌气候瞬时单位线(R-VGIUH)地貌参数的方法:对流域DEM进行填洼处理;提取不同临界支撑面积下的河网;分析临界支撑面积的取值对所提取的河网总长度和平均坡降的影响;确定反映流域河流地貌发育的流域临界支撑面积;计算流域相应的各项地貌参数。将该方法应用于山西省吉县的冯家圪垛小流域(17.98 km²),提取的河网与实际情况比较符合,计算出的地貌参数河数率(4.6083)、河长率(2.5928)、面积率(3.3999)均符合通过大量自然水系资料分析确定的取值范围。研究方法排除了选取集水面积阈值时的主观性,提高了提取流域地貌参数的精度。     

基于DEM的丹江口水源区治理区小流域划分研究

简要介绍了基于数字高程模型(DEM)自动提取流域特征的原理和方法,并以丹江口水源区治理区1∶5万DEM数据为基础,在Arc Map软件的水文模块(Hydrology)环境下,通过不同阈值参数的对比分析,对提取数字河网水系及流域边界、子流域归并等进行了探索,最后共提取小流域624个。     

基于人机交互的地形复杂区小流域划分研究——以湖北省为例

[目的]对地形复杂区小流域划分方法进行研究,为区域生态小流域建设、规划等提供基础数据。[方法]以湖北省为例,其地形涵盖山地、丘陵和平原,且多河流、湖泊分布。首先基于DEM自动提取全省小流域,然后辅助沟道、遥感影像、居民点数据人工修正山区小流域,在平原区采用高精度水系替代常规沟道进行人工修正,并对适宜集流阈值、小流域面积频率、精度以及河网密度进行分析。[结果]湖北省共划分小流域5 806条,面积在30～50km2的占60%,且划分精度高;面积小于20km2划分精度低,在平原区分布密集;总体上,山区小流域的划分精度高于平原区,但其小流域平均河网密度低于平原区。[结论]对任何地形进行小流域划分,都必须使用人机交互修正,才能获得较好的结果;平原区小流域自动划分的精度低于山区,需辅助高精度水系资料进行修正才能提高精度。     

城市发展与河网演变间的相互作用——以郑州市主城区为例

[目的] 对河南省郑州市主城区城市发展与河网演变间的相互作用进行分析,为合理调节城市水资源提供科学依据。[方法] 以郑州市主城区为研究对象,基于1994,2002,2009和2019年遥感影像数据,计算河网特征指数并建立耦合协调模型,定量分析河网演变及其与城市发展间的相互作用关系。[结果] 城市发展与河网演变间的相互影响表现在城市发展对河网的破坏与促进作用和河网对城市发展的支撑与约束作用。城市发展导致河网密度降低,走向单一,结构简化,但河网是城市形态的骨架并提供物质基础,当河网承受能力趋于阈值时会反向约束城市发展,进而引起对河网的修复。郑州市主城区城市发展与河网耦合协调度变化可分为波动、磨合和稳发展3个阶段：初期城市的高强度发展使两者协调度迅速下降;中期开始注重河网的修护,人工水系的建设巩固了河网结构,期间受地形影响,城区主体避开西南丘陵地区向东部平原地区扩展;后期水系的治理与修复成效显著,协调度提升到初级协调等级并有逐步提升趋势。[结论] 人工水利措施的干预可缓解城市发展对河网的影响,但河网的修复成效落后于城市发展进程,仍需加强对河网的修复与保护。     

基于DEM的密云水库上游流域特征提取与分析

以北京市密云水库上游流域的等高线为基础数据,利用软件ArcGIS生成DEM,提取研究区的坡度、坡向和河网水系等,并进行河网分级和子流域划分,对子流域特征进行系统的统计分析。结果表明:研究区高程范围为130～1 695 m,500～1 000 m的高程区间占总面积的55.93%;有68.53%的区域坡度在25°以上,存在潜在强烈侵蚀风险;流域阴向坡与阳向坡比例接近1∶1;流域河网可分为9级,流域可划分为16个子流域。在河网密度、形状系数、河道弯曲系数、河道比降等流域特征参数分析的基础上,获得各子流域的土壤侵蚀强度和汇流调蓄能力。研究结果可为小流域规划和水文模型建立提供参考。     

太湖流域河网水体生态修复工程及其效果

[目的]对太湖流域河网水体生态修复工程及其效果进行对比分析,为该流域环境管理及水质改善提供基础。[方法]以太湖流域的夏庄浜、洛西河、凤沟河三条河流为例,通过在河道中分别实施复合塔式生物滤池处理工艺、五级负荷削减治理工艺、生态景观修复工艺,对3个工程的运行效果进行比较,研究出适用于流域河网地区的生态修复技术。[结果]三条河流生态修复工程的处理效果由强到弱依次为:夏庄浜洛西河凤沟河,由此可得3种生态修复工艺的去除污染物能力顺序为:复合塔式生物滤池处理工艺五级负荷削减治理工艺生态景观修复工艺。[结论]污染物去除效果表明,3种工艺对河道中氮、磷等污染物质的去除效果均较好,并具有良好的生态景观效果,通过进一步优化,可形成适用于河网地区的水质改善关键技术。     

Deriving river networks and catchments at the European scale from medium resolution digital elevation data

The extraction of drainage networks and catchment boundaries from digital elevation models (DEMs) has received considerable attention in recent years and is recognized as a viable alternative to traditional surveys and the manual evaluation of topographic maps. However, most studies have covered limited areas due to the lack of detailed information and/or the lack of highly efficient algorithms. In this paper we present an application that delineates river networks and catchment boundaries across the European continent from a medium resolution (250 m) DEM. We exploit novel algorithms based on the concepts of mathematical morphology and implement a landscape stratification for drainage density.A flow direction grid is computed using an efficient algorithm for the removal of spurious pits. River networks are then derived by imposing a variable threshold for the minimum contributing area needed to form and maintain a channel. This is achieved through a landscape stratification that reflects the ability of the terrain to develop different drainage densities. It is shown that the analysis of environmental characteristics coupled with the analysis of local slope versus contributing area enables river network mapping with a spatially varying drainage density. The result has been validated by comparing the derived data to digital river and catchment data from other sources and with varying scales of observation.     

基于排污权交易的湘江流域生态补偿研究

[目的]以湖南省湘江流域为研究对象,探索流域生态补偿方法,为湘江流域实施污染综合治理及区域平衡发展提供理论依据。[方法]通过研究区域内的8个城市(长沙、湘潭、株洲、衡阳、岳阳、永州、郴州、娄底)2012年的人均GDP,人口总数,人均工业生产总值和万元GDP污水排放量与8个市的平均值进行对比分析,确定生态补偿标准系数。通过将各个市的人均排污量与8个城市的平均排污量作比较,求得各个市的超量排污量和节余排污量;按照主要因子排污价格及其排污比例确定超量排放和节余排放的支付和补偿价格;利用生态补偿标准系数,计算2012年湘江流域每个城市的最终补偿标准。[结果]2012年长沙、株洲、湘潭市应分别支付生态补偿资金4 005.0,440.7和430.1万元,衡阳、岳阳、郴州、永州和娄底市可获得的生态补偿资金分别为338.2,90.4,561.4,602.8和379.5万元。[结论]实际排污大于理论排污权的城市有长沙、株洲和湘潭市;而其他5个城市排污权均有节余。     

基于高分辨率遥感影像的青海湖沙柳河流域土地覆盖监督分类方法对比

[目的]研究高寒河源区土地覆盖的精准分类方法,为地物分类提供参考,分类结果可为青海湖流域土地资源与生态环境监管提供数据支撑。[方法]运用高分辨率遥感影像,通过6种监督分类器(平行六面体、最小距离、马氏距离、最大似然、神经网络和支持向量机)对青海湖沙柳河流域的土地覆盖进行分类,最后通过最佳提取方法统计得出青海湖沙柳河流域土地覆被概况。[结果]支持向量机、神经网络和最大似然的分类精度较高,其总体分类精度均大于96%,Kappa系数均大于0.95,平行六面体的分类精度最低,误差较大。综合各种分类精度及分类图像局部细节,支持向量机分类效果最佳。通过解译可知沙柳河流域土地覆被以草地为主,占流域总面积的71.09%,裸地和湿地分别占流域总面积的16.26%和10.24%,水体、农田和建筑用地面积较小,共占流域总面积的2.41%。[结论]运用高分辨率遥感影像,通过支持向量机分类器可实现对青海湖沙柳河流域土地覆被的良好分类。整个流域植被覆盖度高,生态环境良好。     

植被恢复对青海省北川河流域水循环演变趋势的影响

[目的] 研究植被恢复对流域水循环的影响,明确植被恢复条件下流域水资源的演变趋势,为指导干旱半干旱地区开展科学的植被恢复工作提供数据支撑。[方法] 结合青海省北川河流域植被覆盖变化及长序列气象、水文数据,分析流域尺度水循环要素的演变趋势,分析植被恢复对关键水循环要素演变的影响作用。[结果] 20世纪80年代以来,北川河流域丘陵山区植被覆盖快速增加,仅2000—2019年期间平均增幅14.98%,最大增幅52.2%。1956—2019年,流域年降水量相对平稳,但年径流量呈不显著衰减趋势,平均降幅1.60×10⁷ m³/10 a,流域生态用水量增加是造成径流衰减的主要原因;植被恢复改变了流域大气降水的时空分配,在空间上更多降水用于流域内部生态消耗,减小了对下游的水源供给量,在时间上更多降水参与土壤水—地下水循环,延长了向流域外的排泄周期;地表风速、水面蒸发量、干旱指数等气象要素显著降低。[结论] 植被恢复影响下,北川河流域生态用水量增大,径流量衰减,降水—土壤水—地下水循环过程的水量比例增加,流域水源涵养能力不断提高,半干旱的气候条件有所改善。     

基于治污成本法的流域生态补偿标准研究

[目的]对河南省驻马店市小洪河流域生态补偿标准进行研究,为建立流域水质生态补偿标准核算模型提供参考。[方法]通过搜集污水处理厂的运行和处理资料,选取COD、氨氮和总磷3个有代表性的污染因子,采用治污成本法和统计学方法开展研究。[结果]西平县、上蔡县、平舆县、新蔡县的补偿值分别为0.40,0.46,0.58和0.88元/t,与相关研究结果较为相符。[结论]基于治理成本模型的水质生态补偿标准核算模型能够很好地反映流域水污染因子的单位成本,为生态补偿机制的构建打下了坚实的基础。     

1960-2017年贵州省不同水系降雨侵蚀力时空变异特征

[目的] 研究喀斯特生态脆弱区降雨侵蚀力区域特征,为区内水土流失防治、生态保护等工作提供科学参考。[方法] 基于贵州省33个气象站点1960-2017年逐日降雨资料,利用空间插值、线性趋势、重心模型、突变检验、聚类分析等方法,对比分析了不同水系降雨侵蚀力时空变异特征。[结果] 贵州省不同水系多年降雨侵蚀力以波动下降趋势为主,与基于聚类分区的各区域变化趋势基本一致,但突变特征不明显。降雨侵蚀力空间变异性较大,长江流域水系空间分布呈现出从东南向西北递减特征,而珠江流域水系则表现为从东向西递增。大雨与降雨侵蚀力分布密切关联,年内降雨侵蚀力重心迁移路径与大雨重心较为一致,主要集中在贵阳市及其周边县区。降雨侵蚀力与经度、纬度、海拔和坡度均呈不同程度的显著相关性（p<0.05）,与坡向的相关性不明显。[结论] 贵州省各水系降雨侵蚀力时空变异性较强,区域特征明显。应根据区域特征进行喀斯特生态脆弱区水土流失定向阻控。     

基于综合营养状态指数和BP神经网络的黑河富营养化评价

[目的]探究黑河流域富营养状态,为黑河流域水体污染综合防治提供基础数据和理论依据。[方法]选取叶绿素a(Chl.a)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(COD_{Mn_})、透明度(SD)作为评价因子,使用综合营养状态指数法和BP神经网络对黑河流域的富营养化进行综合评价。[结果]黑河富营养化状况主要以中营养级为主,其中野牛沟和张掖湿地的营养指数接近轻度富营养程度,东居延海处于重度富营养化,尤其是总氮指数很高,应该及时进行治理和保护。[结论]相对于综合营养状态指数法,BP神经网络对黑河流域的评价结果更加贴近实际结果,较为客观可靠。