基于空间信息技术的高原冰川区班公湖流域研究.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43 Suppl.No.1Aug.,2023基于空间信息技术的高原冰川区班公湖流域研究邵玉祥，计扬，赵 锴，何海云，严步青，张坤，冯 刚，何绍林（1.中国地质调查局军民融合地质调查中心，成都6 10 0 36；2.浙江省生态环境科学设计研究院，杭州310 0 0 0）摘要：本文选取班公湖流域为研究对象，结合分辨率为30 m的ASTERGDEM数据，使用ArcHydroTools软件中的水文分析和DEM修正模块，对流域水文特征进行提取，并在此基础上讨论河网提取准确性并分析班公湖流域分布特征。结果显示，班公湖流域面积约为3.32 10 km，我国境内部分约为3.0 6 10 km，约占总面积的92.13%。我国境内的玛卡藏布和多玛河是流域内产流情况较好的补给水源，也是维护班公湖湿地生态平衡的重要保障，因此，要加强这些流域综合治理和水资源合理开发，以促进湖泊流域生态持续发展。关键词：班公湖流域；数字河网提取；ArcHydroTools；A ST ERG D EM 数据中图分类号：P333DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.0241研究背景江河湖泊是地球的大动脉，是陆域水体的重要组成部分，具有丰富的利用价值和资源（郑小敏等，2023）。水是生命赖以生存的基础，湖泊流域流水在人类历史发展中起着重要作用，是人类生境所在。但随着社会发展，工农业中土地的过度利用对湖泊流域导致的生态环境退化、污染等问题也逐渐显现。高原湖泊生态系统本身具有生态敏感性和脆弱性，加之流域面积较广和行政辖区分割等特征，导致了湖泊流域面临的生态治理、管控等西藏自治区问题较为复杂（吴炳方，2 0 19）。西藏自治区新疆维吾尔自治区班公湖流域是中印跨境流域，地处青藏高原西北部，由于地域偏远，人烟稀少，气候恶劣等因素，国内外对整个流域的水文特征研究相对较少。大多数已有的研究重点在构造地质(刘芳晓等,2 0 13；Cowardet al.,1988;Zhao et al.,2021)和岩矿地质（DunlapandWysoczanski,2002;Zhao et al.,2021；陈华，2 0 11）方面，水文地质（Zhao et al.，2 0 0 5;Huntington,1906;Srivastava etal.2020）相关研究多集中在区域东侧的淡水特征；水文地理研究方面，全国的水系等级划分（徐新良等，2 0 0 4）对于该流域的划分存在部分河网数据缺失和不准确的情况。整体来看，流域内发育的水文特征研究相对较少，具体的河网信息、流域划分不够全面。基于数字高程模型数据（DEM）计算和提取水文特征和参数具有大范围、高时效等特点,对研究区资料较少的区域有较好的针对性。本文利用基于ArcGIS开发的 Arc Hydro收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 2资助项目：班公湖一带综合地质调查（DD20211580）作者简介：邵玉祥（1993一），男，湖北枣阳人，工程师，主要从事水文地质方面研究通讯作者：严步青（1990 一），男，青海乐都人，工程师，主要从事应用地质调查工作文献标识码：AN古巴龙龙河图例县镇国界省界水系公路湖泊注：该图国境线、省界基于自然资源部标准地图GD（2 0 19）4344制作，水系、公路等按照影像图修饰123文章编号：10 0 6-0 9 9 5（2 0 2 3）S1-0123-05喇喀斯潘古尔湖达河冈沙尔送湖中华人民共和国卡藏布河新印控克什米尔底图1班公湖流域地理位置图500km仑新山研究区位置昆藏泽错多玛河公湖日土县藏斯公路0喝尔县拉萨路埃永错热邦错山2550kmDEM栅格数据基于空间信息技术的高原冰川区班公湖流域研究Tools软件（曾红伟等，2 0 11），通过对分辨率为30 m的ASTERGDEM数据处理，提取班公湖整个流域水文特征，分析流域河网和地形分布情况，旨在为后期流域水体水化学研究工作和生态保护和流域管理提供研究基础。2研究区概况班公湖位于西藏自治区日土县城西部，流域范围包括班公湖补给河流域以及斯潘古尔湖、泽错、热帮错、沙尔达湖和埃永错等若干小湖群流域区，地理坐标位于7 8 38 8 115E，32 40 3430 N。班公湖为狭长构造湖，湖体呈近东西向展布，东西向长约145km。湖北岸的主要补给为展多玛河、强隆河以及山间湖盆泽普错流域，湖南侧的主要补给为日土县南侧玛卡藏布及山间湖盆斯潘古尔湖和通达河流域（杨惠安等，2 0 0 3）（图1）。班公湖地处高原亚寒带干旱气候区，空气稀薄，日照较长，寒冷干燥。10月至次年2 月为干季，干冷多风，59月为湿季，多雨雪、冰電，年降雨量约7 5mm，多集中在7 8 月，年均气温约为零下0.3。3数据来源与研究方法3.1数据来源在实验中使用了美国国家航空航天局公开发布的DEM数据，数据分辨率为1，投影后的距离相当于30 m。在下载DEM数据中，大致估计班公湖全流域的坐标范围，然后登陆地理空间数据云网站，输人所需数据范围获取数据。下载的数据为栅格图像，坐标系为WGS84。实验使用的DOM影像数据选用近期资源三号卫星拍摄的影像，分辨率为9.5m，云量小于5%，人射角小于5，数据来源于中国资源卫星应用中心，该数据用于直观判断水系几何特征。3.2研究方法3.2.1 河网提取Arc Hydro Tools是基于ArcGIS开发的水文分析模块，可以较为方便的完成河网提取过程。首先填洼处理下载好的DEM数据，填补突出或凹陷异常的区域，可以有效消除不合理高程区域；然后确定水流方向，通过某DEM栅格与邻近的8 个栅格高程之间的比较，采用D8算法从而确定每个栅格的流向；结合得到的流向图划分流域边界，而后计算每个流域区的栅格总数，即可获取流域面积，同时每个流域汇流量大的栅格则绘制成河网线。为了减少DEM的精度和地形特征等因素导致在河网汇流计算中出现的误差，本文结合DOM影像数据中的实际河网信息，通过ArcHydroTools中的DEM修正（Callowetal.,2007）的方式来修改对应DEM栅格的高程值，最后达到提取河网接近真实的情况。最后，通过设置流量阈值划分子流域范围，并结合既定径流算法提取河网，划分河网等级并形成流域图（Changetal.，2 0 19）（图2）。3.2.2精度计算不同分辨率DEM数字河网提取存在河道偏移和信息丢失的情况，使用距离偏差（RSD）来定量分析数字河网偏离真实河网的程度（詹蕾，2 0 0 8；刘远等，2 0 12），示意图如图3，其计算公式为：式中，RSD为距离偏差（m），A;是河网叠加形成的多边形的面积（km），L是对应实际河网长度（km）。距离偏差越小表示数字河网整体偏离真实河网程度越小，反之则偏离程度大。真实河网则是使用流域的DOM影像进行配准，得到相对准确的手工河网。融合、填洼数据预处理D8算法确定流向设置集水计算流量面积阈值河网分级栅格河网矢量化生成河网河流链接划分子流域结果分析图2 DEM数字河网提取分析步骤手工河网数字河网图3数字河网套合差示意图修正DEM地形分区与手工河网对比1242023年8 月第43卷增刊第1期4结果与分析4.1提取结果分析4.1.1DEM修正对河网提取的影响没有经过修正的DEM在河网提取过程中会出现河流逆向、平行河道、河道偏离等与实际河网不相符的情况，尤其在地势较为平缓的地区，这些问题更为严重（宁忠瑞等，2 0 2 0；王欢等，2 0 18）。依据地形分类方法（梁丽芳等，2 0 14），本文基于流域DEM影像数据获取的班公湖流域坡度及相对高程2 个指标，将流域划分为大起伏山地区、宽阔河谷中等起伏区和湿地、冲积扇平缓区，计算不同区域修正前后的河网距离偏差，从而讨论DEM修正对河网提取的影像。经划分，大起伏山地区主要分布在各支流河道及汇流源区河道的范围，高程范围为47 36 6 7 7 1m，相对高差为2 0 35m；宽阔河谷中等起伏区主要分布在班公湖流域各内流河的主干河道流经范围，高程范围42 515413m，相对高差116 2 m；湿地、冲积扇平缓区主要分布在班公湖南北两岸内流河冲积扇所在区域，主要代表有玛卡藏布、多玛河在人湖口冲洪积形成的班公湖湿地，高程范围为42484318m,相对高差7 0 m。经统计，不同地形区距离偏差的结果见表1。结果显示，修正前各地形分区距离偏差顺序为，大起伏山地区（6 1.6 7 m）宽阔河谷中等起伏区（399.2 2 m）湿地、冲积扇平缓区（50 4.38 m）。可以看出，未经修正的DEM在平缓地区提取的结果与实际河网距离偏差较大。在DEM修正程中，使用Arc HydroTools中的AGREE算法对初始DEM进行修正预处理，结合DOM影像绘制的手工沟谷河网为修正的矢量数据。修正后的结果如图4所示，可以看出，大起伏山地区沟谷处修正前后的数字河网形态有很小的变化，但宽阔河谷地区和平缓地区的提取的河网变化明显，结果更接近影像图中的河道。大起伏山地区、宽阔河谷中等起伏区和湿地、冲积扇平缓区距离偏差统计见表1，可见三个地形分区距离偏差分别下降至2 3.2 3m、12.98 m、9.20m，说明了DEM修正能够明显削弱了数字河网提取中产生的误差，提升河网提取精度。四川地质学报表1修正前后不同地形分区的数字河网套合距离偏差地形分区湿地、冲积扇平缓区宽阔河谷中等起伏区大起伏山地区总计河网长度（km）1 11.63修正前距离偏差（m）504.38修正后距离偏差（m）23.23Vol.43Suppl.No.1Aug.,20231 488.48399.2212.983 676.72161.679.245 276.84235.9310.59图例修正后提取的河网修正前提取的河网1km手工河网（a）大起伏山地区图例修正后提取的河网修正前提取的河网1km手工河网（b）宽阔河谷中等起伏区图4修正前后三种地地形分区河网提取情况图例修正后提取的河网修正前提取的河网I km手工河网（c）湿地、冲积扇平缓区a.网格数为 6 0 0 04.1.2不同集水阅值对河网提取的影响集水面积值又称河道临界支撑面积，是能够支持河流存在的最小集水面积（Montgomery andDietrich,2018），该值的选取决定了数字河网提取的精细程度及与真实河网的匹配程度。使用网格数为10 0 0、2 0 0 0、125b.网格数为 130 0 0图5流域河网随集水阈值变化情况c.网格数为2 0 0 0 0基于空间信息技术的高原冰川区班公湖流域研究4000、190 0 0、2 0 0 0 0 下各阈值来运行河网提取的过程。从而获取不同河网下的数字河网的长度、流域面积等参数，计算流域内数字河网密度，而后绘制并分析河网密度与格网阈值的拟合关系。从图5可知，阈值的选取对提取的河网空间分布特征影响较小，但随着集水面积阈值的减小，提取的河网随之愈密，提取的河网逐渐从主河道延展至细小沟谷乃至山坡坡面上。2L1.50.500班公湖流域数字河网密度与面积阈值拟合的关系如图6 a所示。可以看出，各河流数字河网密度与集水阈值之间的关系符合前人研究的经验指数公式（李照会等，2 0 18）。许多研究通过拟合集水阈值与河网密度之间函数的导数求解转折点的方法来确定最佳集水阈值（叶章蕊等，2 0 16）。本文则通过拟合的河网密度与集水阈值函数进行二阶差分，通过差分值的拐点来确定最佳集水阈值，差分的结果如图6b，可见集水面积阈值在40 0 0 6 0 0 0 范围内出现明显的拐点。将提取的数字河网与通过DOM影像矢量化的水系河网密度比较，集水阈值在450 0 时提取的数字河网与实际情况较为接近（图7）。与传统的确定阈值试错法比较，拟合关系差分值求拐点能够避免复杂的手动调节，可以更为快速准确的模拟出最佳阅值。4.2流域分布特征班公湖流域范围整体较为广阔，最高海拔位于泽普错东侧山脉，为6 7 7 1m，最低海拔为班公湖湖面，DEM栅格数据显示的平均海拔约为42 47 m，此外班公湖西侧有相对较低的河谷段，当夏季冰川融水导致湖水上涨时，湖水可通过该河谷汇流至什约克河。图8 为班公湖河网信息及子流域分布图（黑线代表国境线），从图中可以看出，班公湖流域大致可将划分为8 个子流域。1流域为多玛河流域，为常年河流域，于乌江村直接补给班公湖。2 为埃永错流域，为季节性山间湖盆流域，降雨或冰川融水通过第四系孔隙补给下游而后排人班公湖内。3为玛卡藏布河流域，为常年河，于日土县西侧湿地汇人班公湖。4为通达河流域，部分流域流经印控克什米尔地区，其子流域包含斯潘古尔湖流域，于印度丘舒尔北侧汇人班公湖。5为古巴龙河流域，地处印控克什米尔地区，于班公湖最西侧汇入。6 为强隆河，为常年河，于昌隆滩汇人班公湖。7 为贡布隆曲，为季节性河流。表2 为班公湖流域面积统计表。经统计，班公湖整个流域面积约为3317 4.0 1km，我国境内部分约为30 56 1.91km，约占整个流域的1260.50.40.3J=22.99元:0.490.2P2=0.990.1050100集水面阅值（网格数）10 a.河网密度与集水阈值关系图图6 班公湖流域河网密度随阈值变化趋势未名流域1502000b.河网密度与集水阈值二阶差分图例一提取河网班公湖RGB红色：Band1绿色：Band_2蓝色：Band_3图7班公湖流域数字河网与流域DOM影像水系叠合02550kmL图8 班公湖水系子流域划分图1.多玛河流域；2.埃永错流域；3.玛卡藏布流域；4.通达河流域；5.古巴龙河流域；6.强隆河流域；7.贡布隆曲流域；8.班公湖周边50集水面阈值（网格数）/10 02510050km150200N2023年8 月第43卷增刊第1期92.13%，而班公湖印控克什米尔部分约2 6 12.10 km，约占7.8 7%。其中，面积大且水量丰富的玛卡藏布、多玛河等流域均位于我国境内。河流多玛河埃永错玛卡藏布通达河古巴龙河强隆河贡布隆曲班公湖沿岸班公湖流域面积(km)9.841.6占比29.6%国内面积（km）9 841.6国外面积（km）05结论四川地质学报表2 班公湖流域面积统计表4.354.99 661.213.1%29.1%4.354.99661.200Vol.43Suppl.No.1Aug.,20232.705.6504.18.16%1.5%1 667.101 038.5504.11 791.45.4%1 783.08.3729.42.2%729.403585.410.8%2.524.41 061.033 174.0100%30561.92 612.1（1）空间信息技术具有高时效、大范围等特点，对地区偏远、跨国界等无法收集到相关数据的流域研究有很好的帮助，本文使用ASTERGDEM数据对班公湖流域进行分析，通过ArcHydroTools软件及数字水文分析，得到班公湖流域面积约为3317 4.0 1km,我国部分约为30 56 1.91km,约占整个流域的92.13%，印控克什米尔部分约为2 6 12.10 km。2（2）D EM 数据的修正对河网提取的准确程度有很大影响，相反，集水阈值的选取对主河道影响较小，但对河网提取的详细程度有很大影响，集水面积越小，提取的流域河网越密。（3）班公湖主要补给为流域东侧的多玛河和玛卡藏布，两条河流产汇流条件较好，且流域均位于我国境内。说明了从我国流人班公湖的水量决定了班公湖水质水量等特征，当前应当合理利用上游水资源，保证人湖水量，防止湖泊萎缩，从而保护班公湖湿地生态环境。参考文献：郑小敏，张玉叶，涂耀等.2 0 2 3.川南昭觉布拖地区水文地质特征及地下水开发利用J四川地质学报，154(2)：2 7 1-2 7 8.吴炳方.2 0 19流域遥感M北京：科学出版社.刘芳晓，刘德民，李德威等2 0 13.青藏高原班公错的湖盆成因及构造演化J.地球科学，38(4)：7 45-7 54.Coward M P,Kidd W,Pan Y et al.1988.The Structure of the 1985 Tibet Geotraverse,Lhasa to GolmudJJ.Philosophical Transactions of 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