利用SRTM-DEM对加纳西南部Pra、Tano、Ankobra和Bia河流域进行比较形态测量分析：对流域管理的启示

《Journal of African Earth Sciences》：Comparative morphometric analysis of the Pra, Tano, Ankobra, and Bia River basins in South-Western Ghana using SRTM-DEM: Implications for watershed management

流域形态ometric分析在加纳西南部四个主要流域（Pra、Tano、Ankobra、Bia）中的应用，通过SRTM-DEM和GIS技术提取线性、面积及地形参数，揭示各流域因几何形态和地质结构差异导致的水文响应与地貌演化阶段分化。

　　

沙洛姆·阿杰伊-耶博阿（Shalom Adjei-Yeboah）| 鲁本·阿夸西·弗里姆蓬（Reuben Akwasi Frimpong）| 马武科·卢克·亚乌·安卡（Mawuko Luke Yaw Ankah）| 尼拉杰·博哈特（Neeraj Bohat）

加纳矿业与技术大学地质工程系，邮政信箱237，塔尔夸（Tarkwa），加纳

摘要

排水系统的形态测量参数是理解河流流域水文、地貌和演化特征的重要指标。本研究旨在利用形态测量参数评估和比较加纳西南部普拉（Pra）、塔诺（Tano）、安科布拉（Ankobra）和比亚（Bia）流域的水文和地貌特征。在广泛一致的热带气候条件下，采用遥感和GIS技术作为有效工具来绘制排水网络，并提取线性、面积和地形形态测量参数，这些流域具有不同的几何形状和地形条件。这些流域主要由风化和断裂的比里米安（Birimian）及塔尔夸安（Tarkwaan）基底岩石构成，这些岩石对排水系统发育、渗透能力和地下储水有显著影响。线性形态测量分析表明，普拉流域具有更完善的排水网络和更大的洪水潜力，这与其相对紧凑的流域形状有关。相比之下，细长的塔诺和安科布拉流域则表现出延迟的径流响应。Rho系数值显示比亚流域具有最大的地下水储存能力。地形参数显示普拉流域的侵蚀敏感性较高，而比亚流域的地形较为平缓，侵蚀能量较低。高程分析表明，所有四个流域都处于地貌发育的成熟阶段，反映了在相对稳定的构造条件下长期的风化作用。总体而言，形态测量特征突显了各流域独特的水文行为和地貌成熟度。研究结果表明，基于GIS的形态测量分析是理解加纳西南部及类似热带流域演化过程、支持环境规划、流域管理和可持续土地利用决策的有效方法。

引言

河流流域对国家的社会经济发展至关重要。在加纳西南部，普拉、塔诺、安科布拉和比亚四个流域是四个主要的独立排水系统，每个流域都有独特的集水区边界、排水网络和水文特征。这些流域支持农业生产、矿物开采和工业活动，对国民经济贡献显著（Asenso-gyamb?b?等人，2022年；Ofori-Sarpong和Amankwah，2019年）。然而，由于森林砍伐、非法采矿和人为景观改造活动造成的持续环境压力，这些流域的生态完整性和水文功能受到了严重破坏（Agodzo等人，2023年；Karikari等人，2021年）。这些变化增加了洪水风险，加速了土壤侵蚀，并降低了水质，迫切需要科学措施来指导有效的管理和保护工作。 形态测量是对排水系统特征（包括其大小、形状和地形特征的排列）的定量研究和数学评估（Pande和Moharir，2017年；Singh等人，2025年），它是理解地表排水系统行为的关键框架。它能够系统地评估水文对气候变化的响应、突发洪水的易感性以及整体水文动态（Basahi等人，2016年；Islam和Deb Barman，2020年）。形态测量分析从三个主要维度定量评估河流流域的特征：线性、面积和地形（Bogale，2021年；Shekar和Mathew，2024年）。近年来，形态测量分析已从传统的基于地图的手动方法转向现代地理空间工具和数字高程模型（DEM），这些工具能够更高效地评估排水系统的形态测量参数（Bohat和Joshi，2024年；Godif和Manjunatha，2022年；Gomez-Heras等人，2019年）。这些参数源自DEM数据集，为了解流域的地貌演化和水文行为提供了系统的见解（Horton，1945年；Melton，1957年；Memon等人，2024年；Miller，1953年；Strahler，1964年）。 尽管河流流域在水资源管理、洪水风险评估和生态系统可持续性方面发挥着关键作用，但对加纳西南部主要河流流域的比较形态测量研究仍然有限。值得注意的是，以往的研究主要依赖于高级星载热辐射和反射辐射计（ASTER）（Ampoho-Appiah，2016年），其精度低于航天雷达地形测绘任务（SRTM）DEM。比较研究表明，SRTM-DEM在大多数地形类型中具有更高的可靠性和精度，尤其是在排水系统形态测量分析和水文建模方面（Kabite和Gessesse，2018年；Karabulut和?zdemir，2019年；Kovalchuk等人，2019年）。SRTM的雷达技术可以穿透树冠捕捉地表反射，而ASTER主要记录植被的反射（Krishnan和Ramasamy，2024年）。此外，ASTER DEM在狭窄山谷中可能会低估高程，并错误表示山脊线，可能导致溪流网络划分的不准确（Pandya等人，2024年）。迄今为止，尚未有全面的比较分析使用SRTM-DEM系统地评估加纳西南部的四个主要流域，以识别其独特的水文行为和特定于流域的管理重点。 本研究通过结合SRTM-DEM与地形和地质地图，对加纳西南部的四个独立流域（普拉、塔诺、安科布拉和比亚）的线性、面积和地形形态测量参数进行了综合比较分析，从而实现了流域间排水组织、流域几何形状以及地形对水文响应的系统评估。该分析解决了关键的知识空白，并为流域优先级排序、地下水潜力区域的划定以及识别易受环境危害（包括土壤侵蚀、突发洪水和干旱）影响的区域提供了基于证据的建议，从而有助于实现联合国可持续发展目标（SDGs）6、13和15。

研究区域

加纳的西南河流系统包括四个主要的排水流域：普拉、塔诺、安科布拉和比亚流域（图1）。这些流域位于加纳西南部，纬度介于5°N至7.7°N之间，经度介于0.3°W至3.2°W之间（Ampoho-Appiah，2016年），总面积约为53,000平方公里，占加纳陆地面积的23%。其中普拉流域最大（23,183.81平方公里），其次是塔诺（14,544.79平方公里）、安科布拉（8,380.22平方公里）和比亚（6,156.58平方公里）。

材料与方法

形态测量分析使用了多种高分辨率地理空间数据集，包括航天雷达地形测绘任务数字高程模型（SRTM DEM）、加纳测绘局的详细地形图以及加纳地质调查局的地质测绘数据（表1）。主要数据集SRTM 1弧秒级全球DEM来自美国地质调查局（USGS），空间分辨率为30米。

研究区域的线性特征

加纳西南部流域的线性形态测量参数见表3。排水系统的线性特征存在时空变化，显著影响流域的水文行为和响应（Soni，2017年）。

线性参数

普拉流域达到更高的河流等级，表明其排水系统更为层次分明且集成度更高，这通常与长期的地貌演化和增强的河道连通性有关（Lisenby等人，2020年）。相比之下，塔诺流域观察到的最大河流等级相对较低。

结论

本研究表明，形态测量分析为比较加纳西南部大型流域的水文行为和地貌演化提供了坚实的基础。尽管普拉、塔诺、安科布拉和比亚流域具有相似的气候和地质条件，但它们的形态测量差异揭示了径流响应、地下水储存潜力、侵蚀强度和演化阶段的明显差异。Rho系数突显了地下条件的显著差异。

CRediT作者贡献声明

沙洛姆·阿杰伊-耶博阿（Shalom Adjei-Yeboah）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。 鲁本·阿夸西·弗里姆蓬（Reuben Akwasi Frimpong）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、调查实施、数据分析。 马武科·卢克·亚乌·安卡（Mawuko Luke Yaw Ankah）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢加纳测绘局提供用于本研究的详细地形数据。同时，也感谢加纳水资源委员会（WRC）提供相关的水文和空间数据以支持分析工作。作者还感谢匿名审稿人的建设性评论和富有洞察力的建议，这些意见显著提升了手稿的质量。