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地势东高西低,中部山峦自东向西,将境域分为南乡和北乡。
东白山,主峰称太白峰,海拔1194.6米,为境内最高峰。
白云街道吴山村,海拔67米,为全市最低点。
大盘山脉入境后在境内东部、东南部呈东西向延伸,约895平方公里,占全境山陵总面积的74.3%。
会稽山脉入境后呈东向西延伸,约250平方公里,占山陵总面积的20.7%。
仙岭余脉在境西南角伸延,约60平方公里,占山陵总面积的5%。
境内主要河流义乌江主流走向从东向西,经婺江、兰江流入钱塘江。
义乌市位于浙江省中部,地属金华市,位于金衢盆地东部。
面积1105平方公里,全市森林覆盖率49.8%,地理位置东经119°
49′至120°
17′,北纬29°
02′至29°
33′,浙江省地理中心地处境内。
东邻东阳市,南界永康市、武义县,西连金东区、兰溪市,北接浦江县和绍兴的诸暨市。
义乌属亚热带季风气候,温和湿润,四季分明,年平均气温在17℃左右,平均气温以七月份最高,为29.3℃,一月份最低,为4.2℃。
年平均无霜期为243天左右。
年平均降水量为1100~1600mm之间。
河流属钱塘江水系,境内最长的河流义乌江,还有大陈江和洪巡溪等河流。
2研究过程与研究方法
2.1基于DEM的地形因子分析
2.1.1首先对DEM进行预处理
加载ASTGTM_N29E119H.img和YW1_polygon.shp,利用空间分析模块中的ExtractbyMask工具将其与义乌江流域栅格图运算,得到与行政区划边界一致的DEM图。
图1金衢盆地DEM图图2义乌江流域
图3ExtractbyMask窗口图4义乌江流域DEM图
2.1.2坡度计算作为侵蚀动力的加速因子,坡度被定义为水平面与局部地表面之间夹角的正切值,是高度的变化的最大值比率,表示地表面在该点的倾斜程度。
坡度因子对土壤侵蚀的影响主要表现在:
直接影响径流冲刷能力;
影响径流输移;
影响溅蚀作用。
坡度有两种计算方法:
一种为水平面与地形面之间夹角的正切值—坡度;
另一种为增量与水平增量之比的百分数—坡度百分比。
本文采用的是第一种计算方法[2]。
(1)点击SpatialAnalyst工具条上的SpatialAnalyst>
>
SurfaceAnalysis>
Slope,打开Slope对话框,在Inputsurface窗口选择Extract_ASTG2,在Outputraster窗口输入输出文件的名称及储存路径。
(2)得到义乌区坡度图
图5坡度(Slop)窗口图6义乌江流域坡度图
2.1.3求m值
LS=(l/72.6)m×
(65.4sin2θ+(65.4sin2θ+4.56sinθ+0.065)
式中:
LS为地形因子值,l为坡长,单位为m;
θ为坡度度数
当θ≥2.86°
,m=0.5;
当1.27°
≤θ≤2.86°
,m=0.4;
当0.75°
≤θ≤1.27°
,m=0.3;
当θ≤0.75°
,m=0.2。
图7栅格计算窗口图8m值图示
2.1.4求l,l即坡长
计算坡长通常采用的算数表达式为:
L=m×
cosθq
式中:
L为坡长,m为地表面沿流向的水流长度,θ指水流地区的地面坡度值。
然而,由于地表的复杂性,利用公式要计算出较为精确的坡长结果困难异常。
因此本文利用原始的DEM数据,通过洼地填充提取坡长的基础数据、计算流水方向得出水流流向的栅格数据,以此求出整个路径的水流长度来估测义乌江流域的坡长[3]。
(1)首先对DEM进行填洼
DEM是比较光滑的地形表面模型,但由于DEM误差以及一些真实地形或特殊地形的影响,使得DEM表面存在一些凹陷的区域。
在进行水流方向计算时,由于这些区域的存在,往往得到不合理的甚至错误的水流方向。
因此,在进行水流方向的计算之前,应该首先对原始DEM数据进行洼地填充,得到无洼地的DEM。
打开ArcToolbox,在ArcToolbox列表框中点击SpatialAnalysisTools\Hydrology,双击Fill工具,打开Fill操作的对话框。
从列表中选择要进行填充的DEM图层,确定输出文件的名称及路径。
.
图9填挖窗口图10填挖后的流域图
(2)求水流方向
在GIS相关专业软件里没有直接求的坡长的命令,在高精度DEM的支持下,利用水流长度的计算方法来估测提取义乌江流域的坡长。
水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。
对于每一格网。
水流方向指水流离开此网格的指向。
在ARCGIS中,通过对中心栅格的1、2、4、8、16、32、64、128等8个邻域栅格编码,中心栅格的水流方向便可有其中的某一值来确定。
启动ArcToolbox,应用水文分析模块(Hydrology)下的流向确定(FlowDirection)命令,生成8方向水流流向图[4]。
图11水流方向窗口图12流域水流方向图
2.1.5求LS
通常将坡度和坡长因子合并为一个因子,称为地形因子LS因子,通过叠加分析运算得到坡度坡长因子[5]。
1)点击SpatialAnalyst工具条上的SpatialAnalyst>
RasterCalculator,打开RasterCalculator对话框。
2)运用公式:
Pow(100*Sqrt([flowdirec])/22.1,[mfac])*(65.41*Pow(Sin([slope]*0.01745),2)+4.56*Sin([slope]*0.01745)+0.065)
flowdirec是水流方向栅格,mfac是m值栅格,slope是坡度栅格(角度)。
得到地形因子(LS)图。
图13计算LS的栅格计算窗口图14流域LS图
2.1.6求小流域的地形因子
1)加载流域盆地.shp和LS.shp,
利用空间分析模块中的ExtractbyMask工具将其与流域盆地栅格图运算,得到与流域盆地边界一致的地形因子图。
图15小流域图16流域LS图
图17ExtractbyMask窗口图18小流域LS图
2.2基于DEM的水文分析
2.2.1汇流累积量计算
通过汇流积累量可进行流域汇流分析,目的是确定河流网络,进而在河流网络的基础上确定流域边界即分水线。
在地表径流模拟过程中,汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。
首先基于无洼地DEM生成水流方向图,利用该数据,双击Hydrology工具集中的FillAccumulation工具计算出汇流累积量数据[6]。
图19汇流累积量计算窗口图20汇流累积量图
2.2.2水流长度计算
水流长度指地面上一点沿水流方向到流向起点(或终点)间的最大地面距离在水平面上的投影长度。
它分为顺流计算及溯流计算两种,可通过双击Hydrology工具集中的Flow
Length工具实现。
水流长度的提取和分析在水文学或水土保持工作中均具有很重要意义,因为水流长度直接影响地面径流的速度,进而影响地面土壤的侵蚀力[7]。
图21河流长度计算窗口图22河流长度图
2.2.3河网的提取
目前河网提取方法主要采用地表径流漫流模型。
假设每一个栅格携带一份水流,那么栅格的汇流累积量就代表该栅格的水流量。
因而,当汇流量达到一定值时,就会产生地表水流,所有汇流量大于临界值的栅格就是潜在的水流路径,由这些水流路径构成的网络,就是河网[8]。
河网的生成河网的生成基于汇流累积量数据,运行工具[SpatialAnalystTools]>
[MapAlgebra]>
SingleMapOutput在[地图代数表达式]中输入公式:
con(FlowAcc_Flow2>
800,1)[输出栅格]指定为:
StreamNet
(1)
生成河网
图23SingleOutputMapAlgebra窗口图24河网图
(2)栅格河网矢量化
1)在上一步的基础上进行,执行工具条[Hydrology]中的菜单命令[Hydrology]>
[StreamAsFeature],在出现的对话框中将[Inputstreamraster]参数指定为“StreamNet”,[Inputflowdirectionraster]参数指定为“FlowDir-fill”。
2)平滑处理打开[编辑器]工具栏,执行工具栏中的命令[Editor]\[starEditing],确保目标图层为河流网络图层[StreamT-StreamN1],通过打开属性表,并选择属性表的所有行选择图层[StreamT-StreamN1]中的所有要素,也可以通过要素选择按钮选择图层中所有要素。
执行[Editor]工具栏中的命令[Editor]>
[MoreEditorTools]\[AdvancedEditor]点击其上的[平滑]按钮:
在[平滑]处理对话框中输入参数[允许最大偏移]:
3[8]
图25StreamT-SreamN1的属性表
图26高级编辑器
图27平滑后的矢量河网
2.2.4StreamLink的生成
StreamLink记录河网中结点之间的连接信息,它主要是记录河网的结构信息,其中每一条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点。
StreamLink的生成可以通过双击Hydrology工具集中的StreamLink工具实现,其属性表中记录着每个片段所包含的栅格个数信息。
图28StreamLink窗口图29StreamLink后的图
2.2.5流域盆地的确定
流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域,可利用水流方向确定出所相互连接并处于同一流域盆地的栅格区域。
双击Hydrology工具集中的Basin工具可以计算出流域盆地图。
图30Basin窗口图31盆地图
2.2.5河网分级
不同级别的河网所代表的汇流累积量不同,级别越高,汇流累积量越大,一般是主流,而级别较低的河网一般则是支流。
在ARCGIS的水文分析中,双击Hydrology工具集的StreamOrder工具,可提供两种常用的河网分级方法:
Shreve分级。
图32河网分级窗口图33河网分级图
将局部放大后的图像
图34局部放大后的图
2.2.7集水流域的的确定
除用流域盆地来描述外,在水文分析中,经常基于更小的流域单元进行分析,结合水流方向,双击Hydrology工具集中的Watershed工具,分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格,直至生成集水流域为止,对计算结果重新分级后可以更方便寻找感兴趣的流域研究区。
图35Watershed窗口图36集水流域图
图37集水流域与河网图
2.2.8流域矢量化
打开[SpaticalAnalysis]工具栏,执行命令:
[SpaticalAnalysis]>
[Convert]>
[RasterToFeature]将StreamO-stre2栅格图层转换成为矢量图层。
图38栅格转为矢量窗口图39LayerProperties窗口
图40流域矢量图
3结果分析
土壤侵蚀是全球最严重的环境问题之一,是破坏生态环境的主要形式,土壤侵蚀本身是一个非常复杂的人为和自然过程,主要受气侯、地形、土壤、植被、降雨和径流等自然过程及人类活动的综合影响[9]。
本文选取了水文因子和地形因子作为研究义乌江流域土壤侵蚀情况的指标。
从义乌流域的坡度图中可以看出,该流域四周坡度大,中部的地区坡度大些,显示出三山夹两盆、两盆涵两江的地貌,地势东高西低的地貌特征;
一般坡度越大,土壤侵蚀程度强烈,微、轻度侵蚀集中分布在地面坡度一般较小,中度侵蚀和强度侵蚀区的坡度较陡,极强度侵蚀集中布在坡度一般在坡度稍大的沟边、沟坡和顺坡地带[10];
坡度图与地形因子(LS)图的大致分布比较一致。
坡度对土壤侵蚀的影响主要表现为:
坡度影响承载雨量的面积和土体稳定。
由于坡度的存在大大减少了坡面上单位面积所承载的雨量,因而单位面积径流量及冲刷量也随之减少,所以坡度与冲刷量成负相关。
坡度还影响入渗量和产流量,随着坡度增大,降雨过程中土壤入渗量减少,因此产生更大的径流,引发更强的土壤流失量。
有相关实验表明,土壤入渗量并不是随着坡度的增加而无限增强,当坡度<
18°
时,入渗量随坡度变化较大,当坡度>
时,入渗量随坡度的变化不再明显。
此外,坡度对流速和冲刷量产生影响。
坡度越大,坡面径流的重力顺下坡的分力就越大,产生的动能就越大,因此对土壤侵蚀力加强[11]。
坡长影响坡面径流的流速、流量以及水流挟沙力,进而影响土壤侵蚀强度,坡长与土壤侵蚀的关系比较复杂,当其他条件相同时,土壤侵蚀的强度依据坡的长度来决定,坡面越长,汇聚的流量越大,其侵蚀力就越强,坡长直接影响地面径流的速度,从而影响对地面土壤的侵蚀力。
运用ArcGIS软件的水文分析模块,提取河网水系,对河网进行分级。
从上文可以看出,采用ArcGIS提供的水文工具和其他的栅格处理工具以及数据转换工具可以实现基于DEM的水文资料的方便提取。
采用ArcGIS运算的义乌江流域水系和河网分级,反映了研究区河流水系的空间分布规律。
但也有不吻合的地方,这是由于流域受人为干扰因素较大。
随着数据质量的提高和程序算法的不断改进,基于DEM的水文资料的提取将更为高效、准确。
参考文献
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[7]符素华,张卫国.北京山区小流域土壤侵蚀模型[J].水土保持研究,2001,8(4):
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[11]杨子生.滇东北山区坡耕地土壤侵蚀的地形因子[J].山地学报,1999(17):
16-18
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