ArcGIS水文分析實戰教程（8）水庫庫容計算

本章導讀：前面花了整整七個章節來詳細介紹常見的水文專業名詞以及ArcGIS水文分析工具的原理，雖然也有一些操作部分，但距離實戰還是有一定距離，充其量只能算是教科書式的教程。本章開始會結合具體的使用場景去使用ArcGIS水文分析工具，力求從理論轉向實踐。所以，本章先從一個最實際的例子–水庫庫容計算，去了解GIS如何與水利水文進行結合。BY 李遠祥

水庫庫容計算的知識準備

如果沒有ArcGIS的水文分析的基礎，那麼可以回到前面七個章節仔細閱讀，先不要急着跟着做。如果不瞭解原理，換了一個數據，換了一個地點，可能就無法計算出結果。

必須瞭解相關的水文專業名詞，如河流、出水口、流域、分水嶺、河流鏈接等。水文專業人員基本上沒問題，但如果其他非水利從業者，估計需要花點時間進行詞彙的對接。
必須瞭解一些特定的GIS名詞。如DEM數據、柵格數據、矢量數據。GIS常用的數據格式。
瞭解ArcGIS 水文分析工具的原理、流程及每個工具的細節參數對水文分析的影響。
ArcGIS 桌面軟件是一個非常龐大的體系，除了掌握水文分析的幾個工具之外，必須配合其他工具一起使用，例如柵格轉面、重分類、條件函數、要素折點轉點等一些周邊的工具。
最好能夠掌握modelbuilder建模方法，對於複雜的流程可以製作分析模型來操作。

水庫庫容計算的基本流程

這裏使用的是利用DEM的方式進行精確計算。在水利行業中，計算庫容自然有自己的一套公式和方法。也不是說這種方法不準確和不科學，主要是能夠有比較直觀的、快捷的方式，而且是可調節參數的方式，不妨可以通過新的方法去替換掉原有的方法。

筆者認爲技術是不斷革新的，如果基於傳統的計算方式，計算水庫的庫容只是得出一串數字，那在水利的綜合應用上沒什麼大的意義，充其量也就是水利工程上得知具體的數值而後確定其方案的合理性。但跟GIS結合在一起就完全不一樣了。GIS具有非常高的運算能力，有非常良好的地圖可視化功能，可以通過調節不同的參數計算出不同水位淹沒的區域，從而計算出庫容。淹沒的空間範圍可以看作水庫移民的依據，與土地利用圖層疊加分析，還可以計算出哪些地方被淹沒後需要作出多少的補償。如果庫容不足，是否需要開挖，挖方量是多少，結合工程施用需要多少泥頭車進行拉運泥土。移民、徵地、青苗補償、開挖、運泥等等一系列的問題都跟錢（財政）有着密切的聯繫。所以，如果將水庫庫容計算只看作一次性的數值計算，那就相當浪費了。

水庫庫容的計算方法：

通過水庫的壩口（也就是說要築壩的地方，可以用點來表示）作爲出水口，計算出該區域的集水區；

利用集水區裁剪出DEM數據；

設定該區域一個最高的蓄水高程（指的是水庫蓄水最高時水平面的海拔高度）與集水區的DEM數據進行裁剪；

裁剪後的結果可以利用ArcGIS的表面體積工具計算出其實際庫容。

分析流程
第一步：地形預處理，生成無凹陷點的DEM數據。DEM預處理可以查看原來的章節《ArcGIS水文分析實戰教程（4）地形預處理》，這裏不再做詳細的介紹。

第二步：利用壩口作爲出水口，捕捉到最近的傾瀉點,並計算出該傾瀉點的流域。其實就是一個流域提取的過程。
將一些必要的信息加入到地圖中，例如壩口位置，圖中黃色十字位置。壩口位置一般爲選定的水壩位置。如下圖

通過無凹陷點的DEM數據，進行流向和流量分析。然後利用捕捉傾瀉點工具捕捉到壩口的傾瀉點柵格。如下圖所示

雖然壩口位置即便可以看成是出水口，但也不能直接使用。因爲它與原DEM不是同一份數據，位置上跟DEM對應的出水口還是有差別的。所以，必須要進行捕捉，以確保捕捉到的傾瀉點是該點流量最大的柵格。否則就會出現像第七章《ArcGIS水文分析實戰教程（7）細說流域提取》出現的那種很小的面。

利用【分水嶺】工具計算出壩口的集水區。這裏要求輸入的傾斜點就是捕捉到的傾斜點。如下圖所示

其結果是一個柵格面數據，如下圖

爲了方便後續的分析和查看，可以利用【柵格轉面】工具將這個柵格的集水區轉換爲矢量面數據。通過將矢量面設置只顯示邊界，去除填充部分，就可以非常清晰的看到這個集水區的邊界了。下圖是該集水區的邊界範圍

第三步：利用集水區邊界裁剪原始的DEM。要注意的是，這裏的DEM是原始的DEM，而不是填窪過的無凹陷點DEM。切記，因爲後續要基於這個準確的DEM去計算體積。
利用【數據管理】-【柵格】-【柵格處理】-【裁剪】工具，對該原始DEM進行柵格裁剪。裁剪的時候一定要注意，必須要勾選上【使用輸入要素裁剪幾何】這個參數，不然裁剪出來的是集水面的矩形區域。

裁剪的結果如下圖所示，是一個跟集水面邊界一模一樣的區域

其實關於水文分析部分到這一步就已經完全完成了。接下來就是利用GIS工具計算一定該區域“蓄水”的計算了，這就是傳統GIS部分的計算。

第四步：根據水位的海拔高度計算出水庫蓄水時淹沒的區域。
這是一個關鍵的步驟，因爲蓄水高度一旦定下來，那水面與下墊面之間的空間就是整個水庫的庫容了。怎麼計算蓄水的邊界是個問題。
ArcGIS提供了柵格計算器工具，可以使用setnull工具來計算；或者直接調用【spatial analyst】–【條件分析】–【設爲空函數】工具。

筆者強烈推薦使用第二種方法，因爲在modelbuilder裏面這個工具比較直觀。

這個工具的作用是將識別到的像元值設置爲NoData. 假如將集水區柵格通過該工具查找象元值大於2000米，將會將大於2000米的所有像元都設置爲沒有數據，這樣的出來的就是一個只有最高高程爲2000米的區域。這就好比水面像一把刀子一樣將高於2000米的區域削去。
其設置如下圖

最終可以得到一個最大水位時的淹沒區，該淹沒區也是個柵格數據，如下圖所示

第五步：計算最終的庫容。使用【3D 分析】–【功能性表面】–【表面體積】工具，計算這個淹沒區下墊面的體積。
該工具如下圖所示，在【參考平面】參數選擇Below ，這表示計算下墊面的體積。

最終計算出來的是一個文本文件，裏面包含了一些結果信息。如下圖

可以看到該區域的蓄水量就是16370702100 立方米。