[发明专利]一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及水文领域，具体涉及一种复杂平原河网地区水文模型处理方法。

背景技术

水文模型就其建模原理可分为分布式水文模型和集总式水文模型。分布式水文模型一般应用于地形高程起伏较大的山丘区域。对于平原河网地区，由于不存在明显的分汇水边界，产汇流计算一般采用集总式水文模型。随着计算水力学的发展，一维河网水动力模型与集总式水文模型耦联求解复杂平原河网地区水文水动力过程得到越来越多的应用，如MIKE11-NAM模型、太湖流域模型等。然而如何对平原河网地区进行快速合理的子流域划分尚无较好的解决办法。一些学者利用SWAT模型在平原河网地区子流域划分方面进行尝试，但必须将原本“环树”结合的河网处理为单一的树状河网，与实际不符。传统的根据雨量站划分泰森多边形的方法虽然能够将研究区域快速分块，但由于平原河网地区河道众多，且纵横交错，泰森多边形将区域分块后，会使一条河道出现多个断点，不利于一维水动力模型建模。综上，在复杂平原河网地区子流域划分方面应当尽量遵循以下四个原则：（1）保持原状河网的基本形态；（2）集水域产流便于就近汇流；（3）减少河道分段；（4）充分利用各个雨量站资料。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，能够考虑城市、乡村以及水面区域的空间分布，且避免了将水动力模型河网过度分割。此外，该处理方法生成的集水域便于与不同的水文模型进行耦合，在汇流过程计算中考虑了城市区域和圩区与河网水体交换的特性，引入排涝模数与城市管网最大过流能力分别对乡村和城市集水域径流过程进行再调整。

技术方案：本发明提供了一种基于ArcGIS的复杂平原河网地区水文模型处理方法，在子流域划分方面包括如下步骤：

（1）确定研究区域；

（2）根据下垫面类型分割研究区域为城市、乡村以及水面；

（3）用ArcGIS中的“Polygon To Raster”工具将城市和乡村面要素离散为栅格，栅格大小取10~30m为宜，栅格尺寸过大可能导致子流域分割过粗，边界处呈锯齿状，栅格过小则会使计算速度变慢；

（4）用“Feature To Line”工具将河网在分汊点处进行打断；在一维水动力模型建模时需要将河道分段，在分汊点处设置河道连接，在ArcGIS中将河网打断便于统计河段长度，有利于水动力模型建模，另一作用是能够使得每个河段均能分配到一个集水域，便于后期实现集水域与一维水动力模型河段一一对应；

（5）用“Euclidean Allocation”工具将各栅格分配至与之距离最近的河道；

（6）用“Raster To Polygon”工具将分配后的栅格根据所属的河道名称转为面要素，这些面即为用于水文计算的集水域；

（7）由于湖泊及城市区域的存在，属于同一条河段的乡村集水域可能出现不连续现象，用“Dissolve”工具将分配于同一条河道的不连续乡村集水域合并；

（8）用“Feature To Line”工具将河网在城市与乡村集水域交界处进行打断，实现了城市、乡村集水域与河段的一一对应；

（9）删除低于集水域转化容差缝隙的小河段；

（10）用“Feature To Point”工具求出各集水域与湖泊的形心；

（11）用“Near”工具求出与各形心距离最近的雨量站，关联于同一雨量站的集水域构成一个子流域。

进一步，步骤（2）城市下垫面用与城镇已建成区面积相等的圆形代替，水面下垫面仅包括湖泊，不考虑河道所占面积，以线要素处理，其余部分则认为是乡村下垫面。

进一步，步骤（5）进行“Euclidean Allocation”操作时，需要的设定有：（a）输入栅格要分配到的要素；（b）分配后的栅格输出路径；（c）设置输出栅格的像元大小，最好与步骤（3）中设定的栅格大小一致；（d）将整个计算区域面图层设置为分配范围；（e）以掩膜（Mask）的方式输入要分配的栅格，即城市与乡村栅格。

进一步，子流域划分完成后，根据不同的下垫面特性选择对应的水文方法进行产汇流过程计算；更进一步，城市集水域采用适合城市地区的水文模型，如SWMM、MIKE Urban、InfoWorks CS等进行产汇流计算；乡村集水域采用适合乡村下垫面特性的水文模型，如新安江模型、NAM模型、Tank等模型进行产汇流计算；水面以净雨乘以总水面面积计算产流量。