基于DEM中小河流流域幾何特征分析與應(yīng)用

胡天祥

一、問題提出

臨溪水文站為績(jī)溪縣境內(nèi)僅有的一處水文站，位于楊子水、大源河及登源河匯口處，從中小河流治理規(guī)劃水文計(jì)算角度，現(xiàn)有水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足，不能滿足直接法進(jìn)行水文計(jì)算的要求，但縣域境內(nèi)有長(zhǎng)系列的降水站點(diǎn)3處（績(jī)溪、楊溪、伏嶺），結(jié)合鄰近站點(diǎn)，區(qū)域暴雨特征參數(shù)成果已有結(jié)論，可以滿足間接法推算設(shè)計(jì)洪水的要求?，F(xiàn)行由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的方法中，流域幾何特征是計(jì)算方法的重要參數(shù)，傳統(tǒng)算法基于1/50000地形圖，以手工獲取相關(guān)信息，數(shù)據(jù)采集工作量巨大。隨著數(shù)字高程技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法被計(jì)算機(jī)算法取代，相關(guān)文獻(xiàn)介紹了基于DEM流域幾何特征計(jì)算方法，為了快捷利用，同時(shí)為了獲取縣域境內(nèi)流域幾何特征的變化規(guī)律，對(duì)境內(nèi)典型流域幾何特征逐一分析，提高中小河流治理中水文計(jì)算的效率。

二、計(jì)算方法

流域幾何特征主要包括流域面積、河流長(zhǎng)度、河網(wǎng)密度、河道平均坡降、流域面積坡度等，本文重點(diǎn)提取流域面積、河道坡度和流域面積坡度。其中流域面積坡度與河道平均坡度的算法如下：

流域面積坡度Sf：按照給定的高程閥值（Δh）從流域出口處開始，分別統(tǒng)計(jì)不同高程范圍內(nèi)（Hi～Hi+Δh）的面積，以大于等于特定高程（Hi）對(duì)應(yīng)的累計(jì)面積為橫坐標(biāo)，Hi為縱坐標(biāo)，繪制高程～面積關(guān)系曲線，見圖1，其中（ 1）是流域最高點(diǎn)，面積為 0，（ 6）是流域出口最低點(diǎn)。通過點(diǎn)（6）作一直線交縱軸于A點(diǎn)，使直線所包面積與曲線所包面積相等，OA即為ΔH，流域面積坡度

河道平均坡度SL：自出口斷面起沿著干流按照給定的高差閥值（Δh）逐一測(cè)量其距離出口斷面的距離及對(duì)應(yīng)點(diǎn)的河道中泓線河底高程,點(diǎn)繪河道縱斷面，從出口斷面處作一直線交縱軸于B點(diǎn)，如圖1（b），使直線所包圍的面積與曲線所包圍的面積相等，主河道坡度

基于DEM的流域幾何特征值量算原理與傳統(tǒng)方法完全一致，只是采樣點(diǎn)依照數(shù)字高程自動(dòng)完成，效率極高，利用此優(yōu)勢(shì)，就特定區(qū)域的河流水系而言，按照主干關(guān)系分別梯次定位，實(shí)現(xiàn)批量處理，計(jì)算成果既滿足特定流域水文計(jì)算要求，同時(shí)為分析區(qū)域內(nèi)河流水系幾何特征的相似性提供支撐。

三、計(jì)算實(shí)例

本文選擇計(jì)算范圍包括境內(nèi)新安江流域楊子水、登源河、大源河及長(zhǎng)江流域西津河上游金沙河、弋溪等。節(jié)點(diǎn)選取從境內(nèi)河流分界點(diǎn)開始，先干后支，逢支流匯入既確定一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以滿足計(jì)算河流流域幾何特征沿程變化特征。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別建立各條河流Sf～F、SL～F關(guān)系，見圖2。

從圖2知，境內(nèi)長(zhǎng)江流域西津河上游金沙段及弋溪兩條河流的流域面積坡度相似，但河道坡度差異較大。境內(nèi)新安江流域的三條河流，面積坡度以登源河最大，大源河其次，楊之水最小，河道坡度對(duì)比與面積坡度一致。就新安江流域而言，同等凈雨條件下，登源河洪峰模數(shù)相對(duì)較大。

四、結(jié)語

河流水系的流域幾何特征值量算，理論上可以劃定最小流域單元，逐一計(jì)算，本文只選取績(jī)溪縣境內(nèi)主要河流，為了達(dá)到一致的效果，嵌套流域以河流主干為對(duì)象，沿著干流自下而上，水文計(jì)算查算時(shí)，先判別治理河流是否納入已經(jīng)計(jì)算的河流，若為一致，可根據(jù)治理河段以上流域面積直接查算。非主要河流或小面積如30km2以下的按照指定的坐標(biāo)單獨(dú)計(jì)算