基于ArcGIS水文分析工具进行内蒙古乌审旗某煤矿区流域特征分析.pdf

CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 地 质基于ArcGIS水文分析工具进行内蒙古乌审旗某煤矿区流域特征分析徐增裕（中铁十五局集团有限公司，上海 200070）摘 要：为提高矿区开采安全，有效预防洪灾，以内蒙古乌审旗某煤矿区为研究区，对其流域特征进行研究。基于研究区30m分辨率的地面高程数据，利用ArcGIS自带的水文分析工具进行小流域划分，并获取其流域属性数据，包括流域的面积、流域的地形起伏度、流域内的河网密度、流域内的最大汇流累积量以及流域的形状。从以上5个方面对其流域特征进行分析，得到相应数据结果。关键词：煤矿区；流域特征；水文分析中图分类号：X820.3文献标识码：A0引言随着全球经济的迅猛发展，矿产资源的大量消耗成为不争的事实。因此，保障矿产资源开采区的安全开采和矿区所在区域的生态环境可持续发展至关重要。矿区所在流域的特征与洪水风险有一定的关联。因此，对矿区所在流域的研究对提高开采工作的安全性有重要意义。随着科技的发展，计算机和空间分析技术在水文领域的应用越来越广泛。数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM 数据）是其中应用最多、最基础的技术之一。DEM 数据的可获取性让基于 DEM 的水文模型研究成为现代水文学研究的热门方向。基于 DEM 数据提取水系和流域特征更是让流域参数化易于快速实现。以内蒙古乌审旗某煤矿区的 DEM 数据为基础，利用 ArcGIS 水文分析工具对矿区的小流域进行划分，并提取各个小流域的基本属性。在此基础上，对矿区的流域特点进行分析。研究结果能够为矿区内资源的安全开采、洪灾预防、生态安全以及环境保护提供决策依据、技术支持和数据支撑。1数据与方法1.1 研究区概况、数据和总体研究方法研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市的乌审旗中部，地处毛乌素沙漠腹地，地势特征为西北高东南低，整体地貌以风沙地貌为主，伴有沙丘、沙地、黄土梁等多种地貌类型。乌审旗内存在 70 多处湖泊和沼泽地，湖泊多为碱水湖，较大的有呼和套勒盖淖尔、浩通音查干淖尔、苏日淖尔、毛敦查干淖尔、巴嘎淖尔等。该区域的流域很丰富，主要的常年性河流有 3 条无定河、纳林河和海流兔河，还有一条季节性河流白河。该研究使用的 DEM 数据来自地理空间数据云平台（https:/ 30m，整体包含 24076032 个栅格单元。ArcGIS 水 文 分 析 工 具 以 DEM 数 据 为 工 作 数 据源，调用 ArcGIS 中的多个工具，在工具对话框中输入数据、设置属性，然后完成洼地填充、流向计算、汇流量计算、河流网络提取以及流域划分工作，最后获取流域属性特征和水文影响因子。研究区的 DEM 分布特征如图 1 所示。图 1 研究区的 DEM 分布特征1.2 填洼如果地表存在洼地，必然影响后续的小流域划分精度，最显著的影响是各个小流域网格和地形分隔线容易误连。为了避免这个问题，必须对洼地进行填平处理。该项操作主要是基于 DEM 数据获取洼地所在范围、最大高程和最小高程，然后根据洼地的最大高程差值设置填充阈值，将洼地的最小高程与填充阈值相加，由此，洼地的底部高程就等于洼地出水口的高37煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 地 质程。采用 Fill 工具实现填洼操作。1.3 水流的运动方向分析在一个流域内，地表水流总是从地势高的地方流向地势低的地方，最终从流域出口排泄出去。要了解整个流域的水流方向，首先要明确水流离开每个栅格时的运动方向。ArcGIS 使用 D8 算法（见图 2）获得水流方向。在该算法中，首先取任意一个栅格作为中心栅格，将中心栅格周边 8 个方向的距离最近栅格作为其邻域栅格，一共有 9 个栅格；其次计算中心栅格高程与每个邻域栅格高程之间的差值。取拥有最大高程差的邻域栅格作为流出栅格，水流方向从中心栅格指向流出栅格。采用 Flow Direction 工具完成水流运动方向计算。图 3 为研究区流域的水流方向特征，图中数字代表水流的 8 个有效运动方向，1 为东，2 为东南，4 为南，8 为西南，16 为西，32 为西北，64 为北，128为东北。图 2 D8 算法示意图图 3 研究区水流方向分布特征1.4 汇流累积量计算栅格的汇流累积量与汇流能力成正比，等于上游区域中能够汇入该栅格的水流量，以栅格数统计水流量。已获取水流运动方向特征，因此可以计算汇入该栅格的栅格数。汇入的栅格数越多，汇流累积量越大，越容易形成地表径流，形成河谷。当汇流累积量为零时，则形成分水岭。这部分工作采用 Flow Ac-cumulation 工具进行。1.5 河网提取在 ArcGIS 中，河网的提取过程基于地表径流的漫流模型处理。根据模型原理，栅格的汇流累计量即为其水流量，一旦大于最小集水阈值，便会产生地表径流。取超过阈值的栅格作为水流运动路径，多条路径交织，便会产生河网。提取的河网密度取决于阈值大小，阈值越小，河网密度就越大。基于汇流累积量计算结果，设置不同的最小集水阈值（20000、40000、50000、100000）进行河网提取，然后将提取出的河网与矿区现场观察到的河流、水系进行对比，对比结果表明，最小集水阈值取 50000 时，提取的河网与实际水系吻合。因此，该研究取最小集水阈值为 50000，提取的河网如图 4 所示。图 4 研究区的水系分布特征1.6 小流域划分第一，进行河网节点编号，基于河网结构信息确定水文节点，将河网划分为不包含汇合点的弧段，标记河段出口和入口，这个过程采用 Stream Link 工具完成。第二，根据河段出口、入口信息和流向信息，搜索所有流入该河段的栅格像元，予以标记，分配每个流域的栅格，由此可以确认流域的边界信息。采用Watershed 工具处理这一过程。整体划分为 371 个小流域，小流域分布特征如图 5 所示。图 5 小流域分布特征2流域特征分析研究区流域被划分成 83 个小流域，图 6 为区内各个小流域的分布情况。提取流域的面积、流域的地形起伏度、流域内的河网密度、流域内的最大汇流累积量以及流域的形状数据，基于以上信息分析其流域特征。2.1 流域面积分析在气候条件和下垫面特征相同的情况下，流域出口节点处的流量与流域总面积呈现正相关关系，流域总面积越大，径流调节能力越强，洪水经历时间越长，洪水过程线越平缓，越不容易出现陡涨陡落的洪水。研究区的 83 个小流域中，最大流域面积为 247.7km2，最小流域面积为 0.001km2。其中，79.5%的流域面积超过 5km2，69.8%的流域面积超过 30km2，1.2%的流域面积为 15km2，19.3%的流域面积低于 1km2。说明研究区内的多数流域面积较大，洪水灾害对研究区采矿工作的威胁程度较低。38CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 地 质图 6 研究区的小流域分布特征注：数字为流域编号2.2 地形起伏度分析流域的地形起伏度等于该流域内最大海拔与最小海拔的差值。研究区流域的地形起伏度介于 0247m 之 间，其 中 超 过 9 成 的 小 流 域 起 伏 度 为 0200m。地形起伏度最小流域为编号 1013、31、40、59、62、64 的流域，主要位于研究区北面和西南面，其地形起伏度均为 0，说明地势较平坦。地形起伏度最大流域为编号 74 的流域，起伏度为 247m，位于研究区的东南部。地形起伏度越小，越不利于洪水聚集，可见研究区整体地形平坦，起伏较小，洪水风险较低。2.3 河网密度分析河网密度等于流域面积为 1 个单位时的河流长度，河网密度计算如式（1）所示：D=LA（1）式（1）中：D河网密度（km/km2）；L河流的总长度（km）；A流域面积（km2）。计算结果显示，研究区内流域的河网密度介于 031km/km2之 间，98%以 上 流 域 的 河 网 密 度 介 于 03km/km2之间，超过 9 成流域河网密度低于 1km/km2，河网密度最大的流域为 70 号流域。河网密度大，表明该流域的地表沟壑发育较好，地表切割程度较高，地表岩土较破碎，地表稳定性较低，可见研究区内大部分流域的地表稳定性较高。2.4 流域最大汇流累积量分析每个小流域包含数个栅格，以流域出口所在栅格的汇流累积量作为该流域的最大汇流累积量。研究区流域的最大汇流累积量在 04292264 之间，汇流累积量最大的流域是 78 号流域，位于研究区的南部边缘。51%的流域汇流累积量为 010000，表明研究区内的半数流域汇流能力较弱，洪水灾害对矿区工作的威胁程度较低。此外，24.1%的流域汇流累积量超过50000，汇流能力较强，需防范洪水灾害。2.5 流域形状分析流域的形状系数可以反映其几何形状特征，形状系数的数值越低，流域越倾向于狭长形。形状系数的数值越靠近 1，流域越倾向于圆形。流域的形状系数等于其面积与相同周长圆的面积的比值，流域形状系数计算如式（2）所示：k=ff0（2）式（2）中：k流域形状系数；f流域面积（km2）；f0相同周长圆的面积（km2）。计算结果表明，研究区的流域形状系数为 0.1322.08。其 中，3.6%的 流 域 形 状 系 数 在 0.91.1 之间，这些流域的形状近似于一个圆，圆形流域的降水量容易迅速在干流汇集，从而形成较大洪峰。74.7%的流域形状系数低于 0.8，可见研究区内大部分流域形状狭长，降水量不易集中，洪水过程线较平缓，洪水在整个流域内均匀宣泄且历时较长，径流速度和径流量的变化都较缓，不易形成大洪峰，洪水风险较低。3结论第一，以内蒙古鄂尔多斯某煤矿区为研究对象，基于 30m 分辨率的 DEM 数据，通过 ArcGIS 自带的水文分析工具提取研究区内的水系，然后进行流域划分。最小集水阈值为 50000 时，提取的水系与实际最吻合，研究区流域整体可划分为 83 个小流域。第二，基于流域的面积、流域地形起伏度、流域内的河网密度、流域的最大汇流累积量、流域的形状 5 个方面进行流域特征分析。分析结果显示，近 8 成流域的面积超过 5km2，95%的小流域起伏度位于 0200m 之间，92.8%的流域河网密度低于 1km/km2。51%的流域汇流 累 积 量 为 010000，74.7%的 流 域 形 状 系 数 低 于0.8，表明研究区内的多数流域面积较大、地形起伏较小、河网密度较低、地表稳定性较高、汇流能力较弱、形状狭长，洪水灾害对研究区矿产资源开发工作的威胁 程 度 较 低。另 外，24.1%的 流 域 汇 流 累 积 量 超 过50000，汇流能力较强，不可忽视洪水风险。参考文献：1田佳，林孝松，喻莎莎，等.山区公路沿线小流域划分及流域特征分析J.重庆交通大学学报，2013(3)：467-470+510.2胥斌辉，郁文，于伟，等.基于 ArcGIS 的矿区泥石流特征调查J.甘肃科技纵横，2022（7）：10-13.作者简介：徐增裕（1989-），男，汉族，山东诸城人，硕士研究生，工程师，从事矿产勘查及矿山开发工作。责任编辑：宋潇潇39