[分享]ArcGIS水文分析水库库容计算

发表于2020-09-03     46人浏览     1人跟帖     总热度:250  


水库库容计算的知识准备,如果不了解原理,换了一个数据,换了一个地点,可能就无法计算出结果。


  1. 必须了解相关的水文专业名词,如河流、出水口、流域、分水岭、河流链接等。水文专业人员基本上没问题,但如果其他非水利从业者,估计需要花点时间进行词汇的对接。

  2. 必须了解一些特定的GIS名词。如DEM数据、栅格数据、矢量数据。GIS常用的数据格式。

  3. 了解ArcGIS 水文分析工具的原理、流程及每个工具的细节参数对水文分析的影响。

  4. ArcGIS 桌面软件是一个非常庞大的体系,除了掌握水文分析的几个工具之外,必须配合其他工具一起使用,例如栅格转面、重分类、条件函数、要素折点转点等一些周边的工具。

  5. 最好能够掌握modelbuilder建模方法,对于复杂的流程可以制作分析模型来操作。


水库库容计算的基本流程


这里使用的是利用DEM的方式进行精确计算。在水利行业中,计算库容自然有自己的一套公式和方法。也不是说这种方法不准确和不科学,主要是能够有比较直观的、快捷的方式,而且是可调节参数的方式,不妨可以通过新的方法去替换掉原有的方法。


本文认为技术是不断革新的,如果基于传统的计算方式,计算水库的库容只是得出一串数字,那在水利的综合应用上没什么大的意义,充其量也就是水利工程上得知具体的数值而后确定其方案的合理性。但跟GIS结合在一起就完全不一样了。GIS具有非常高的运算能力,有非常良好的地图可视化功能,可以通过调节不同的参数计算出不同水位淹没的区域,从而计算出库容。淹没的空间范围可以看作水库移民的依据,与土地利用图层叠加分析,还可以计算出哪些地方被淹没后需要作出多少的补偿。如果库容不足,是否需要开挖,挖方量是多少,结合工程施用需要多少泥头车进行拉运泥土。移民、征地、青苗补偿、开挖、运泥等等一系列的问题都跟钱(财政)有着密切的联系。所以,如果将水库库容计算只看作一次性的数值计算,那就相当浪费了。


水库库容的计算方法:


通过水库的坝口(也就是说要筑坝的地方,可以用点来表示)作为出水口,计算出该区域的集水区;

利用集水区裁剪出DEM数据;

设定该区域一个最高的蓄水高程(指的是水库蓄水最高时水平面的海拔高度)与集水区的DEM数据进行裁剪;

裁剪后的结果可以利用ArcGIS的表面体积工具计算出其实际库容。


分析流程


 第一步:地形预处理,生成无凹陷点的DEM数据。DEM预处理可以查看原来的章节《ArcGIS水文分析实战教程(4)地形预处理》,这里不再做详细的介绍。

第二步:利用坝口作为出水口,捕捉到最近的倾泻点,并计算出该倾泻点的流域。其实就是一个流域提取的过程。 将一些必要的信息加入到地图中,例如坝口位置,图中黄色十字位置。更多干货敬请关注:GIS前沿 坝口位置一般为选定的水坝位置。如下图 


ArcGIS水文分析水库库容计算_1


通过无凹陷点的DEM数据,进行流向和流量分析。然后利用捕捉倾泻点工具捕捉到坝口的倾泻点栅格。如下图所示 


ArcGIS水文分析水库库容计算_2


虽然坝口位置即便可以看成是出水口,但也不能直接使用。因为它与原DEM不是同一份数据,位置上跟DEM对应的出水口还是有差别的。所以,必须要进行捕捉,以确保捕捉到的倾泻点是该点流量最大的栅格。否则就会出现像第七章《ArcGIS水文分析实战教程(7)细说流域提取》出现的那种很小的面。

利用【分水岭】工具计算出坝口的集水区。这里要求输入的倾斜点就是捕捉到的倾斜点。如下图所示


ArcGIS水文分析水库库容计算_3


其结果是一个栅格面数据,如下图


ArcGIS水文分析水库库容计算_4


为了方便后续的分析和查看,可以利用【栅格转面】工具将这个栅格的集水区转换为矢量面数据。通过将矢量面设置只显示边界,去除填充部分,就可以非常清晰的看到这个集水区的边界了。下图是该集水区的边界范围


ArcGIS水文分析水库库容计算_5


第三步:利用集水区边界裁剪原始的DEM。要注意的是,这里的DEM是原始的DEM,而不是填洼过的无凹陷点DEM。切记,因为后续要基于这个准确的DEM去计算体积。 利用【数据管理】-【栅格】-【栅格处理】-【裁剪】工具,对该原始DEM进行栅格裁剪。裁剪的时候一定要注意,必须要勾选上【使用输入要素裁剪几何】这个参数,不然裁剪出来的是集水面的矩形区域。 


ArcGIS水文分析水库库容计算_6


裁剪的结果如下图所示,是一个跟集水面边界一模一样的区域 


ArcGIS水文分析水库库容计算_7


其实关于水文分析部分到这一步就已经完全完成了。接下来就是利用GIS工具计算一定该区域“蓄水”的计算了,这就是传统GIS部分的计算。


第四步:根据水位的海拔高度计算出水库蓄水时淹没的区域。 这是一个关键的步骤,因为蓄水高度一旦定下来,那水面与下垫面之间的空间就是整个水库的库容了。怎么计算蓄水的边界是个问题。 ArcGIS提供了栅格计算器工具,可以使用setnull工具来计算;或者直接调用【spatial analyst】--【条件分析】--【设为空函数】工具。


笔者强烈推荐使用第二种方法,因为在modelbuilder里面这个工具比较直观。


这个工具的作用是将识别到的像元值设置为NoData. 假如将集水区栅格通过该工具查找象元值大于2000米,将会将大于2000米的所有像元都设置为没有数据,这样的出来的就是一个只有最高高程为2000米的区域。多干货敬请关注:GIS前沿 这就好比水面像一把刀子一样将高于2000米的区域削去。 其设置如下图 


ArcGIS水文分析水库库容计算_8


最终可以得到一个最大水位时的淹没区,该淹没区也是个栅格数据,如下图所示 

ArcGIS水文分析水库库容计算_9


第五步:计算最终的库容。使用【3D 分析】--【功能性表面】--【表面体积】工具,计算这个淹没区下垫面的体积。 该工具如下图所示,在【参考平面】参数选择Below ,这表示计算下垫面的体积。 


ArcGIS水文分析水库库容计算_10


最终计算出来的是一个文本文件,里面包含了一些结果信息。如下图 


ArcGIS水文分析水库库容计算_11


可以看到该区域的蓄水量就是16370702100 立方米。


假如这个数值还没达到预期的库容量,可以通过调整蓄水面的高度进行计算。当然,如果高度已经是工程评估过的最高水位,仍达不到理想的库容,要么就是放弃该区域,要么就是通过人工挖方来扩容。将理想的库容量减去计算出来的库容量,就是需要挖方的实际数值。


为了方便,笔者特意利用modelbuilder写了一个处理流程,这样比较方便进行数据上的调整。 


ArcGIS水文分析水库库容计算_12ArcGIS水文分析水库库容计算_13


在前后两处蓄水高度的调整可以直接输入数值,然后对输出结果进行比较。如下图 


ArcGIS水文分析水库库容计算_14


这样就方便多了。


属于GIS的外延部分


水库库容的计算是给水利工程使用的。对于这个工程对周边的影响,其计算就是GIS最拿手的地方。 例如通过计算出蓄矢量面,与居民点进行叠加,可以找出需要移民的居民地。如下图高亮选中的居民点属于必须移民的居民点 


ArcGIS水文分析水库库容计算_15


而落在黄色区域外红色区域内的居民点属于存在淹没风险的区域。而这两个区域划定之后,基本上可以确定哪些农田是被淹没的,哪些农田是没有淹没,还可以正常耕作,这样就为移民补偿作精准的依据。


总结


利用GIS做水库库容计算,既需要充分利用水文分析的一些知识,也需要数量掌握GIS有效的工具,这样才能做到科学和准确。同时GIS作为一种可视化的手段,比实际数学公式计算出来的数值结果更加直观,更具说服力,能够在其他环节中为水库的选择作出科学的断定。


来源:GIS制图乐园

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 发表于2020-09-03   |  只看该作者      

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