ArcGIS水文分析实战教程水库库容计算

Posted 2022-12-02 李远祥

ArcGIS水文分析实战教程（8）水库库容计算

本章导读：前面花了整整七个章节来详细介绍常见的水文专业名词以及ArcGIS水文分析工具的原理，虽然也有一些操作部分，但距离实战还是有一定距离，充其量只能算是教科书式的教程。本章开始会结合具体的使用场景去使用ArcGIS水文分析工具，力求从理论转向实践。所以，本章先从一个最实际的例子–水库库容计算，去了解GIS如何与水利水文进行结合。BY 李远祥

水库库容计算的知识准备

如果没有ArcGIS的水文分析的基础，那么可以回到前面七个章节仔细阅读，先不要急着跟着做。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。

笔者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。坝口位置一般为选定的水坝位置。如下图

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

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

其结果是一个栅格面数据，如下图

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

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。

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

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。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

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

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。

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

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。

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

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

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。

如果读者对水文分析感兴趣的话，可以持续关注CSDN的GIS制图乐园，以及微信公众号【GIS制图乐园】。BY 李远祥