ArcGIS水文分析实战教程GIS与水文学

Posted 2022-12-02 李远祥

ArcGIS水文分析实战教程（1）GIS与水文学

对于大部分GIS从业人员或者利用GIS作为研究方向的人员来说，水文学过于专业，更偏重于理论化，很难从GIS的角度来模拟和分析水文的过程。这其实是个普遍性的问题，任何跨专业跨学科去解决问题，都是需要付出极大的代价的，尤其是时间和精力，因为必须同时具备两方面的专业知识，才可以挖掘出更好的方法来解决问题。在本章节中，笔者以一个GIS从业者的角度来谈谈GIS与水文分析的一些看法。By 李远祥

浅谈一下GIS与水文学

水文学不同于GIS，GIS是一个多学科的集合，更多的是使用工具来解决实际问题。如果非要对两个专业来做评论的话，笔者认为水文学是彻头彻尾的专业学科，而GIS则是一项可具体操作的工具。
虽然水文学和GIS都涉及到大量的数据公式和分析模型，但水文学利用数学公式和模型去实现理论的支撑，而GIS则利用这些来变成具体的代码和程序，服务于行业应用。

当然，GIS在近20年来在国内逐渐流行并壮大，大量的各种院校中以一门专业的身份出现，并输送了大量的GIS专业人才。同时在其他非GIS专业里面也大量的出现了GIS课程，GIS与其他学科的交叉使用也是非常多专家学者愿意研究的。
　　
　　水文学中研究最多的是水文循环，水文循环是一个物理过程，在很长一段时间研究这方面的人都是从物理的角度入手的。但随着科学的交叉渗透，也有一些人通过化学同位素等方式去深入研究整个循环过程。水文学有非常多的分支，如河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、地下水文学、水文气象学、工程水文学、水资源学、环境水文学、城市水文学、生态水文学、水资源学、数字水文学等。也可以看到其专业划分的细致程度。
　　如果说水文专业是纵向学科，那么GIS专业更像是横向的，尽管它往往是以计算机软件和系统的形式出现，但其理论支撑是非常多的。如计算机图形学、测绘学、摄影测量学、统计学、程序语言等。

笔者是GIS专业出身，GIS从业十年，水利信息化方面也有七八年的时间。但对于水文专业，还是相对比较陌生，感觉水文方面就跟气象一样专业，属于小众系的专业，正因如此，能够找到GIS与水文分析结合的例子就相对要少一些。而且一旦涉及到水文分析模型，基本上不是一些从事计算机、信息化专业、GIS专业的人能够搞定的事情。所以，后面的内容都是以一个GIS从业人员角度去探讨水文分析，难免会对水文分析上存在一些认识上的误差，如有不正确之处，欢迎指正。

GIS中的水文分析

水文分析就像GIS空间分析一样，是一个非常大的概念，所以很难简单阐明其分析边界。下面来看一张水文循环的图，该图从水文循环的角度来看整个水文过程。
　　

这是非常典型的水-土-植 循环模型，非常的经典，甚至在地理学的经典教程中都有其示意图。从该经典图中可以看到，一个完整的水文循环过程包括了蒸发（水面、植被蒸腾、土壤）、降水、下渗、径流等几个方面。每一个方面都可以作为水文过程的一个重要因子进行分析，当然，分析的最终结果，很多水文人员都希望能够最终实现水文预报。
　　
　　还有一种做法是在水文分析的前期或者成果的基础上用GIS做辅助分析和二次分析，这主要是从水文分析参数获取和二次应用上去使用GIS。
　　
　　相对于GIS应用开发公司来说，GIS平台厂商相对来说会考虑深远一些，会在其GIS软件中集成一部分的水文分析辅助工具。为什么说是辅助工具，那是因为它们提供的都不是最终的分析模型，而是通过一些基础的分析工具去辅助水文人员或者GIS人员去实现其水文分析模型。所以，一般利用GIS专业软件去实现水文分析都是大体遵循以下方式：

GIS工具+水文模型+地图模拟=GIS水文分析模型

针对特定的水文模型结合GIS技术去实现不会在本系列的文章中讨论，这里主要讨论的是利用GIS去做水文分析的一些思路，属于方法论的范畴。

GIS平台厂商中水文分析工具

GIS平台厂商相对来说会有更多的资金和技术力量来研究水文分析工具，而不是水文分析模型。这有点跟遥感软件相类似，只提提供基础分析工具，而具体的模型需要另外研究。
　　
　　目前来说，在这方面能够找到的比较多的资料一般都是使用ArcGIS软件来实现。

理由似乎很简单，首先是ArcGIS软件提供了一些水文分析常规的工具，都是从GIS角度去实现。其次是每一个工具里面都是详细说明其原来，使用了什么样的算法，引用了哪个水文学者哪一篇论文。而水文模型的研究人员非常在意这些理论依据，在有特别说明并且能够被学术界广泛认可该算法在软件平台上实现的准确性，那就可以直接拿来使用，而不是自己重新根据原来去实现算法。
　　
　　ArcGIS中的水文分析工具，可以看下图

在水文工具箱中只有11个水文分析工具，基本上是辅助工具，没看到具体的分析模型，这也是符合国际惯例，毕竟它不是专门的水文分析软件。
　　

如果单从这几个工具入手，确实是比较难去理解ArcGIS是如何做水文分析。毕竟一些工具的命名跟水文专业上也需要一些衔接。GIS人员使用还好说，因为对水文专业不熟悉，所谓无知即无畏，不会存在太多的诧异，最多就是再结合ArcGIS的其他工具去做一些分析。但水文专业的人员就不一样了，这里存在一个期望值，就是希望工具拿来即用，直接输入参数并输出最终的水文结果。这就是一个相互认知的过程。ArcGIS的工具更多的是作为水文研究的一些辅助手段，能够辅助水文分析模型的构建，并能直观显现其分析结果。至于模型研究，还是需要在专业领域上构建的。

ArcGIS的水文分析工具在ArcGIS的早期版本就有，如果笔者没有记错，应该在8.x系列已经存在。但由于当时ArcGIS只有英文版，包括帮助也是英文的，所以对于其在国内推广还是相对比较困难。直到后来推出了ArcGIS10.0 才是第一个完成中文版，包括了中文帮助。目前笔者使用的是当前最新版本ArcGIS10.5 版本。

ArcGIS水文分析的一些重要原理

很多人在使用ArcGIS 的水文分析工具的时候其实是不知道其运行原理的。因为大部分使用者都是从院校走出来的，水文分析的使用都是从授课老师那里教学而来，虽然整个分析过程是记住了，但一旦离开了实验数据，很多分析结果就出不来了。而原理部分，由于以前没有中文版，要看专业的英文文档，基本上不是学生们可以办到的了。其实也只有一部分英文水平比较好的学者才去看原理部分。

如果在某度上搜索一下ArcGIS 水文分析，估计绝大部分出来的都是某些学生上传上去的实验报告文档。虽然也有一些分析步骤比较清晰的，由于不明白原理或者没有阐述原理，在参照其分析流程的过程中会出现很多问题，尤其是换一份数据去测试。所以，实验离最终应用还是有很大的距离。

所以，如果阁下是功利性比较强的人，可能会直接跳过原理部分，那么在后期的分析中可能就会遇到种种问题。笔者强烈建议去阅读ArcGIS关于其水文分析工具的原理部分。如果还有时间和精力，还是非常有必要去看看水文学原理的相关书籍。毕竟是交叉学科中的应用，必须两方面都要去学习。
　　
点开ArcGIS的帮助（建议使用中文版），查找到[水文分析工具集]，如下图所示

可以在这里作为一个总入口，去查看相关的一些理论说明。例如点击[了解水系]，会弹出一个关于ArcGIS软件对水系的认知说明，如下图

对于水文专业的人员来说，水系是最熟悉不过了，根本不需要再去理解了。如果抱有这种想法，估计后面有很多工具的使用会让人不知所云。虽然开发水文工具的人员都会学习一些水文知识，但程序员与水文人员之间是存在一定的隔阂的。为此，笔者专门买了一些水文学方面的书籍来查看，并且也咨询了一些水文从业人员。中文帮助中基本上对专业名词的描述是对的，虽然有一点点的偏差，但至少不会出现明显的错误。

中文帮助的这些水文专业名词偏差应该是跟翻译的人有很大的关系。因为翻译方面是不具备水文专业基础的，他们是需要做一些名词对照。英文帮助是非常正确的，但不适合国内的一般使用者去阅读。所以这里存在一个偏差，需要找一个平衡点。这也就是笔者为什么推荐中文版的时候也要求去查看其原理，因为原理中包含了一些专有名词在软件界面中的对照。笔者还经常调侃说，那是香港人用普通话告诉了北京人，北京人根据自己的理解再写了一本粤语教程。当然这只是玩笑，现实没那么糟糕。

在使用ArcGIS水文分析之前，弄清楚几个关键的名词，如分水岭、河流、出水口、流域、集水区等。看似很简单的名词，其实有很多相关联的地方。所以，还是这一张经典的图片，不厌其烦的再放一次。
　　

• 水系：接收雨水的区域以及雨水到达出水口前所流经的网络被称为水系。流经水系的水流只是通常所说的水文循环的一个子集，水文循环还包括降雨、蒸发和地下水流。

ArcGIS水文分析工具重点处理的是水在地表上的运动情况。

• 流域盆地：流域盆地是将水和其他物质排放到公共出水口的区域。流域盆地的其他常用术语还有分水岭、盆地、集水区或汇流区域。该区域通常定义为通向给定出水口或倾泻点的总区域。

• 倾泻点：倾泻点是水流出某个区域的点。该点通常是沿流域盆地的边界的最低点（即该汇水区内径流累计最大值的点）。

• 分水岭：两盆地之间的边界称为流域分界线或分水岭边界。

• 其他名词：水到达出水口前流经的网络可显示为树，树的底部是出水口。树的分支是河道。两条河道的交点称为结点或交汇点。连接两个相邻交汇点或连接一个交汇点和出水口的河道的河段称为河流连接线。

从这些名词中可以看出一些特点，看似有非常多的名词，其实表达的意思是有限。

1. 盆地、流域、集水区，其实是一回事。从物理的角度上看，盆地、流域都是集水区，只不过术语不一样。盆地更多的时一个地理学地形的名词，流域是从水文管理方面的术语，集水区是水文循环形成一个物理区域。

2. 出水口、倾泻点也是同一样东西。倾泻点更多用在某一河段最终出水的位置表达；出水口则可以理解为整个流域中树状河流最终汇水的那一点。

3. 为什么ArcGIS水文分析工具出来的是树状河流结构？在水文学上河流是分为树枝状河流和网状河流。在降雨后自然形成地表径流，没有人工干涉的情况下，流域内会形成树枝状河流；网状河流一般是在地势比较平坦的地方，很难自然形成规律的地表径流，还有一部分是人为的在地表开挖河流和渠道所导致的。
   
   
   看上图两张图，左图是树枝状的水系，有图是网状水系。在清楚这两种形式的河流结构后，其实对使用工具尤其重要。因为ArcGIS水文分析工具中使用的是单流向的D8算法，比较适合由于地势自然形成径流的情况，也就是说对口的时树枝状河流的形式，这种河流形成的区域一般都是偏山区、丘陵地带；而由于采用的是单流向算法，因此对于地势平坦的地区，尤其是平原区域或者城市区域，基本上不适用。

在树枝状的水系中，又分为羽毛状水系、平行状水系和混合状水系，分别对应下面三张图。

这三种形状基本上可以概括了所有的树枝状水系的情况。研究这个主要是为了做水情预报。其实通过看图可以理解，如果在同一个大小的流域，同样的降雨强度，河流的数量也一致的情况下，洪水在到达出水口位置，羽毛状水系的洪峰要来得晚一些；平行状水系由于各支流到出水口的时间都差不多，因此洪峰要来得早一些；混合状水系则在二者范围内。

为什么要了解这些水文的概念，那是因为一旦需要做水文分析，那就需要有理论依据，不同的地形，不同的河网，对水文分析、水文预报等都有着非常大的影响。ArcGIS这些基础的GIS软件只会提供基础的工具，并不提供直接可用的分析模型，因此在建立模型的时候需要有非常扎实的水文学功底。

本章节先介绍了水文分析与GIS的关系，以及一些常用的水文学术语。下一章将会介绍ArcGIS水文分析的几个工具所用到的基础算法。