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，相关系数R² = 0.974，相对误差Re = 2.99%，纳什效率系数E_ns = 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, correlation coefficient R²=0.974, relative error Re=2.99%, Nash efficiency coefficient E_ns=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

1 引言

1.1 研究目的及意义

近年来，随着GIS技术的不断发展，其在空间分析、数据管理以及可视化的显示和制图方面显示出了卓越的功能，对水文科学的发展起到了非常重要的作用。基于DEM的水文分析研究已成为水文学界研究的重要手段，DEM数据中包含了丰富的地形、地貌及水文信息，有效地反映了区域的基本地形空间分布规律和地貌特征，这不仅可以保证水文分析工作的效率，保证数据提取的精度，而且对于数字流域的建设、水资源系统管理以及水土保持的规划等方面具有重要的指导意义，同时也为水文模拟和分析计算提供了强大的支持，基于DEM的水文模型系统的研究和应用已经成为当代水文分析研究领域的热点之一。

进行科学的小流域划分，以小流域为基本单元进行水土流失监测治理和面源污染治理，是沂源县实现生态经济可持续发展的重要任务。本研究基于沂源县DEM，运用Arc SWAT水文分析模块探索不同阈值设定下小流域划分的差异性变化，确定小流域划分的最佳阈值。反映沂源县监测区范围内不同地区自然、社会等特性，减少小流域划分过程中集水面积、河网长度等误差，为气象部门开展流域降水预报工作、推进生态环境保护和生态环境建设工作提供依据，同时为水土流失预测模型提供基础数据，为水土保持规划与水土流失防治工作提供良好数据支撑。

1.2 国内外研究概况

自DEM概念提出以来，国内外学者将DEM与小流域划分相结合，进行了大量的研究，大幅度减少了小流域划分的时间和劳动力。在提取小流域的过程中，学者们通过不断地探索，不仅改进了小流域的划分方法，提高了划分精度，而且不断创新，使小流域的划分方法更加多样。

20世纪50年代中期，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任C.L.Miller将计算机与摄影测量技术结合在一起，解决了道路工程的计算机辅助设计问题。他提出了数字地面模型“Digital Terrain Models” 概念，即DTM^[1]。1958年C.L.Miller又提出DEM概念^[2]。60年代，研究者们注重于发展地形高程的存储和插值方法，通过研究数学插值方法来减少为建立数字高程模型所必需的数据采样的点数。70年代，DEM的研究与应用得到迅速发展并进行深入研究。我国学者陈述彭、王之卓、廖克、刘岳等人最早在七十年代末采用格网DEM进行了计算机辅助制图研究^[3-4]。