苏ICP备112451047180号-6
不同阈值设定对小流域划分差异性分析
摘 要
基于数字高程模型（ Digital Elevation Mode，简称DEM）提取小流域及相关流域信息是数字水文研究中的热点问题。以沂源县为研究区域，采用25m分辨率的DEM作为研究对象，运用Arc SWAT模块和河网密度相结合的方法合理分析不同阈值条件下研究区的河网的变化规律，得出沂源县河网提取的最佳阈值，进而通过最佳河网研究沂源县小流域划分的最佳阈值。研究结果表明：集水面积阈值越小，则河网越详细，长度越大，小流域个数越多，面积越小，与沂源县实际情况相差就越大；反之亦然。当集水面积阈值为5km2时，相对误差Re=2.99%，相关系数R2=0.947，纳什效率系数Ens=0.94，提取的河网水系最为接近沂源县的实际河网；当集水面积阈值为15 km2时，提取的小流域与最符合实际情况，并将研究区划为50个小流域。其中，小流域的面积主要分布在 10～50 km2，小流域平均海拔在 262.23～540.93m,小流域平均坡度在 4.08°～15.38°，起伏度集中在227～768m，最大汇流量处于408869～466556032之间。
关键词：Arc SWAT模块、DEM、阈值、最佳河网、小流域、
摘 要
基于数字高程模型（ Digital Elevation Mode，简称DEM）提取小流域及相关流域信息是数字水文研究中的热点问题。以沂源县为研究区域，采用25m分辨率的DEM作为研究对象，运用Arc SWAT模块和河网密度相结合的方法合理分析不同阈值条件下研究区的河网的变化规律，得出沂源县河网提取的最佳阈值，进而通过最佳河网研究沂源县小流域划分的最佳阈值。研究结果表明：集水面积阈值越小，则河网越详细，长度越大，小流域个数越多，面积越小，与沂源县实际情况相差就越大；反之亦然。当集水面积阈值为5km2时，相对误差Re=2.99%，相关系数R2=0.947，纳什效率系数Ens=0.94，提取的河网水系最为接近沂源县的实际河网；当集水面积阈值为15 km2时，提取的小流域与最符合实际情况，并将研究区划为50个小流域。其中，小流域的面积主要分布在 10～50 km2，小流域平均海拔在 262.23～540.93m,小流域平均坡度在 4.08°～15.38°，起伏度集中在227～768m，最大汇流量处于408869～466556032之间。
关键词：Arc SWAT模块、DEM、阈值、最佳河网、小流域、
Analysis on the difference of small watershed division with different threshold setting
ABSTRACT
Extraction of small watershed and related watershed information based on digital elevation model have became a popular research in digital hydrology. The study took Yiyuan as the example and used 25m resolution DEM as the research object. In order to drew the optimal threshold in Yiyuan drainage network extraction,the method of SWAT model combining with drainage density was used to reasonably analyze the regulation of the change between threshold and drainage network. After getting the optimal drainage network, the study continue to research the optimal threshold of Yiyuan watershed extraction.The results show that: when the catchment area threshold is set smaller, the network is more detailed and its length is longer. What’s more, the number of small watershed would become bigger and the area of it would be smaller.As a result, it is more different from the actual situation of the Yiyuan. The opposite is established. When the catchment area threshold was 5km2, relative error Re=2.99%, correlation coefficient R2=0.947, Nash efficiency coefficient Ens=0.94. And the extracted drainage network was the closest to the real one. When the catchment area threshold was 15km2, extraction of small watershed as the closest to the real one and the study area was divided into 50 small watershed. Among the 50 small watershed, the area of the watershed is mainly distributed between 10 and 50 km2，and the average altitude is between 262.23 and 540.93m，and the average gradient is between 4.08°and 15.38°，and the waviness is between 227and768m, and the flow accumulation is between 408869 and 466556032.
Key words：Arc SWAT model; DEM;threshold; optimal river network; small watershed
目 录
1 引言 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究概况 1
2 研究区概况 4
2.1 地理位置 4
2.2 地形地貌 4
2.3 水文气候 5
2.4 土壤植被 5
2.5 社会经济 5
3 研究内容、方法与技术路线 7
3.1 研究内容 7
3.1.1 探索不同阈值与河网提取的关系，确定最佳河网 7
3.1.2 加载最佳河网，确定小流域提取的最佳阈值 7
3.2 研究方法 7
3.2.1 生成DEM 7
3.2.2 河网及小流域提取方法 8
3.2.3 最佳河网水系的确定方法 9
3.2.4 小流域最佳阈值的确定方法 10
3.3 技术路线 11
4 结果与分析 12
4.1 最佳河网水系的确定 12
4.1.1 河网的提取 12
4.1.2 河网密度的比较 13
4.1.3 模拟精度验证 14
4.2 小流域最佳阈值的确定 15
4.2.1 最佳小流域的确定 15
4.2.2 流域特征分析 18
结 论 22
致 谢 23
参考文献 24
结 论
本研究以山东省沂源县为研究区域，以1：5万地形图生成的25m×25m DEM为数据源，在Arc SWAT水文模块环境下，经过数据预处理、流向分析、汇流分析和流域识别等过程，最终自动提取河网和小流域。在对提取的河网和小流域相关参数进行分析，可以得到以下结论：
1.不同阈值设定对小流域划分精度具有重要影响。小流域的精度受两个方面的影响：一方面，加载的河网与实际河网误差越小，则提取的小流域越准确，而阈值越小，提取的河网条数越多，长度越大，河网密度越大，实际上并不存在的河网条数越多，与沂源县实际河网的误差也就越大；反之亦然。另一方面，集水面积阈值的设定对小流域提取的影响和河网相似，当阈值过小时，提取的小流域个数越多，面积越小，不符合小流域划分规范的个数也就越多；反之，当阈值过大时，则划分的小流域个数过少，面积过大，不符合小流域划分原则。所以，加载最佳河网水系及确定小流域划分的最佳阈值，是提高小流域的划分精度重要措施。
2.通过河网密度法可协助锁定Arc SWAT模块所需的集水面积阈值范围，减少Arc SWAT的模拟工作量，排除利用DEM提取流域河网时的随意性。当集水面积阈值为5km2 时，对沂源县进行河网提取，并将其与实际手绘河网比较分析，通过相对误差Re、相关系数R2、纳什效率系数Ens三个参数的综合评价，得到Re=2.99%，R2= 0.947，Ens=0.94，表明此阈值条件下提取的河网水系与实际河网有着良好的匹配度，通过加载该河网水系，可以增加小流域提取的精度，减小提取误差。
3.结合Google Earth、地形图、遥感影像，对比各个阈值下小流域与实际地形地貌的吻合程度，并对小流域的各项参数进行分析，结果发现：当阈值设定为15km2 时，沂源县被划分为63个小流域，90.48%的小流域符合小流域划分规范，即处于3～100km2，且边界与实际匹配良好，可视为最佳阈值。最后，人工修改后，将沂源县划分为50个小流域。
4.从5个方面对50个小流域进行了特征分析。研究发现: 小流域的面积主要分布在10～50km2；平均海拔在262.23～540.93m，地势西北高、东南低、南北高、中间低；所有坡度有均在25°以下，有利于水土保持；起伏度主要集中在200～500m，因此研究区大部分地区属于小起伏山地；有90%的小流域最大汇流量在500000以上，说明这些小流域的汇流能力很强，容易形成地表径流。
参考文献
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结 论
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1.不同阈值设定对小流域划分精度具有重要影响。小流域的精度受两个方面的影响：一方面，加载的河网与实际河网误差越小，则提取的小流域越准确，而阈值越小，提取的河网条数越多，长度越大，河网密度越大，实际上并不存在的河网条数越多，与沂源县实际河网的误差也就越大；反之亦然。另一方面，集水面积阈值的设定对小流域提取的影响和河网相似，当阈值过小时，提取的小流域个数越多，面积越小，不符合小流域划分规范的个数也就越多；反之，当阈值过大时，则划分的小流域个数过少，面积过大，不符合小流域划分原则。所以，加载最佳河网水系及确定小流域划分的最佳阈值，是提高小流域的划分精度重要措施。
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4.从5个方面对50个小流域进行了特征分析。研究发现: 小流域的面积主要分布在10～50km2；平均海拔在262.23～540.93m，地势西北高、东南低、南北高、中间低；所有坡度有均在25°以下，有利于水土保持；起伏度主要集中在200～500m，因此研究区大部分地区属于小起伏山地；有90%的小流域最大汇流量在500000以上，说明这些小流域的汇流能力很强，容易形成地表径流。
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