基于DEM提取流域特征在單位線法洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

黃曉林

（河池水文中心，廣西 河池 547000）

0 引言

數(shù)字高程模型（DEM）可以簡單的理解為，以有限的X、Y、Z三維空間數(shù)據(jù)序列，描述地形地貌信息，是研究分析地形、流域、地物識(shí)別的重要原始資料。可以從DEM數(shù)據(jù)中獲取大量的、一定水平和垂直精度范圍內(nèi)的研究區(qū)域的平面、高程數(shù)據(jù)，通過特定的算法生成等高線、斷面橫向剖面圖、河流縱向剖面圖、地貌圖、水系圖、流域圖，在水文領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。DEM是“智慧水文”發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)性資料。結(jié)合GIS技術(shù)，可以應(yīng)用于河網(wǎng)生成、面雨量計(jì)算、產(chǎn)匯流分析、蓄洪計(jì)算、淹沒分析、動(dòng)態(tài)洪水展示等。

本文以環(huán)江縣小環(huán)江上游2020年7月10日洪水為例，基于30 m分辨率ASTER GDEM數(shù)據(jù)（以下簡稱DEM數(shù)據(jù)），利用GIS軟件處理DEM數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于DEM的流域地形三維顯示，通過GIS軟件對(duì)小環(huán)江上游流域進(jìn)行分析，提取流域面積、河流長度、河道比降等參數(shù)，推求瞬時(shí)單位線參數(shù)n、K值，代入瞬時(shí)單位線，開展洪水分析。通過對(duì)比不同方法下推求的流域面積、河道干流平均坡降、洪峰等精度，探討基于DEM數(shù)據(jù)的中小流域水文要素特征提取，在瞬時(shí)單位線法洪水預(yù)報(bào)分析中的可行性。

1 概況

1.1 小環(huán)江流域概況

小環(huán)江，又稱中洲小江，龍江左岸1級(jí)支流，發(fā)源于貴州省荔波縣光輝鄉(xiāng)上寨村西南2 km處，大致南流，貫穿環(huán)江縣東部。干流長153 km，其中貴州省荔波縣境內(nèi)13 km。流域面積2314 km2，其中貴州省荔波縣境內(nèi)39 km2；廣西境內(nèi)2275 km2。廣西境內(nèi)有支流15條，干、支流總長471 km，河網(wǎng)密度0.207 km/km2，年降水量1400～1700 mm，年徑流深700～900 mm，有地下河10條。

2020年7月10日環(huán)江縣小環(huán)江上游流域黔桂兩省交界處局部大暴雨到特大暴雨，受強(qiáng)降雨影響，環(huán)江縣龍巖鄉(xiāng)黃種村、龍巖鄉(xiāng)龍巖社區(qū)，發(fā)生嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。小環(huán)江中上游建有環(huán)江東興水文站，該站位于環(huán)江縣東興鎮(zhèn)東興社區(qū)，水文站以上流域集水面積797 km2。環(huán)江東興水文站上游16 km為龍巖鄉(xiāng)龍巖社區(qū)，龍巖社區(qū)上游25 km為龍巖鄉(xiāng)黃種村，黃種村以上流域集水面積123 km2，龍巖鄉(xiāng)黃種村至貴州省交界處為雨量站、水文站布設(shè)空白區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)資料情況

1.2.1 ASTER GDEM數(shù)據(jù)情況

ASTER GDEM數(shù)據(jù)分辨率1″（30 m），每個(gè)數(shù)據(jù)文件覆蓋范圍1°×1°。每個(gè)數(shù)據(jù)包含2個(gè)文件，1個(gè)數(shù)字高程模型（DEM）文件和1個(gè)質(zhì)量評(píng)估（NUM）文件。每個(gè)數(shù)據(jù)文件的文件名根據(jù)文件幾何中心左下（西南）角的經(jīng)緯度產(chǎn)生。例如，ASTGTM2_N24E108文件的左下角坐標(biāo)為北緯24°和東經(jīng)108°。AST?GTM2_N24E108_dem和ASTGTM2_N24E108_num對(duì)應(yīng)的分別是數(shù)字高程模型（DEM）和質(zhì)量評(píng)估（NUM）的數(shù)據(jù)。

可以通過中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，免費(fèi)下載中國及周邊區(qū)域范圍內(nèi)ASTER GDEM 30 m分辨率系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本次研究采用2012年水利普查，廣西水文中心下載，并完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。

1.2.2 其他數(shù)據(jù)來源

選取比例尺為1∶1萬的地形圖、2012年水利普查成果流域水系圖為對(duì)比對(duì)象，對(duì)流域特征提取的準(zhǔn)確度進(jìn)行判別。

2 基于DEM數(shù)據(jù)的中小流域特征提取

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用2012年水利普查，廣西水文中心下載，并完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。在GIS應(yīng)用中，將空間分割成有規(guī)律的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格代表一個(gè)單元，稱為柵格數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)在GIS中也稱為DEM柵格數(shù)據(jù)。

環(huán)江縣位于廣西西北部，云貴高原東南麓，九萬大山山麓，根據(jù)環(huán)江縣東經(jīng)度、北緯度，直接在GIS軟件導(dǎo)入含小環(huán)江流域范圍的DEM數(shù)據(jù)：AST?GTM2_N24E108文件。

2.2 水系提取

2.2.1 填洼處理

由于DEM數(shù)據(jù)誤差（數(shù)據(jù)分辨率原因或高程取整造成的誤差）或者在真實(shí)地形中存在，使得DEM表面存在著一些凹陷或者尖峰，這會(huì)使水流方向提取產(chǎn)生誤差，進(jìn)而影響后續(xù)對(duì)河網(wǎng)的提取，會(huì)導(dǎo)致偽河道的產(chǎn)生[1]。水文學(xué)中的填洼是指降水被地面坑洼蓄滯，而GIS填洼是指對(duì)原始的DEM柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一檢查，以周圍表面的趨勢(shì)為基準(zhǔn)，判斷柵格數(shù)據(jù)中的偽洼地（由于數(shù)據(jù)誤差造成的洼地，不是真實(shí)存在的），如果是偽凹地則進(jìn)行填平處理。

2.2.2 水流方向的提取

在GIS軟件中確定水流方向時(shí)采用的是D8（Deterministic eight-neighbors）算法。該算法假設(shè)每一個(gè)柵格都有8個(gè)流向（東、東南、南、西南、西、西北、北、東北8個(gè)方向）[2]，在8個(gè)流向中，分別計(jì)算它們與柵格的比降，按照水往低處流的原理，選擇比降最大的流向，作為柵格的出流方向。通過計(jì)算，每個(gè)柵格只有1個(gè)流向，降落在柵格里的降水，都只能通過這個(gè)唯一的流向流入到附近的柵格。

2.2.3“流量”計(jì)算

在GIS軟件中的“流量”是指有多少個(gè)柵格的水匯流到某一個(gè)點(diǎn)上，是一個(gè)空間范圍的概念?？梢岳斫鉃橐运恼緸閰R流點(diǎn)，“流量”就是水文站以上流域?qū)?yīng)的集水面積。計(jì)算“流量”的方法是通過流向柵格圖搜索水流路徑，采用遞歸式運(yùn)算，從流域出口斷面（最低點(diǎn)）開始向上游搜索，一直搜索到只有流出沒有流入的柵格單元才停止（既流域邊界，只有流出，沒有流入），再計(jì)算出每1個(gè)柵格單元的上游匯水面積，即得到匯流柵格圖，由于假定每個(gè)柵格落下1個(gè)單位的水量，所以匯水面積值是用柵格數(shù)目表示的。基于水流方向的匯流累積量計(jì)算過程見圖1。

圖1 匯流累積量計(jì)算示意圖

2.2.4 流域水系提取

在GIS軟件中可以通過設(shè)定集流閾值（根據(jù)流域大小假定，試錯(cuò)法確定）提取河網(wǎng)（見圖1），圖1標(biāo)注35個(gè)流量的柵格是水流集中區(qū)，可識(shí)別為河網(wǎng)。生成河網(wǎng)之后需要對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行矢量化，同時(shí)對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行平滑處理。通過試錯(cuò)法，提取結(jié)果與現(xiàn)有的水系圖疊加對(duì)比，最終取閾值為800，提取出的柵格水系圖與現(xiàn)有的水利普查成果水系圖疊加進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：干支流基本吻合，且增加了很多50 km2以下流域面積水系（見圖2）。

圖2 柵格水系與普查成果對(duì)比（局部）

2.3 流域提取

2.3.1 流域提取

以環(huán)江縣小環(huán)江上游2020年7月10日洪水災(zāi)害點(diǎn)為研究區(qū)域，分別創(chuàng)建龍巖社區(qū)、黃種村兩個(gè)斷面作為流域傾斜點(diǎn)，設(shè)置為研究區(qū)域的最低出水口點(diǎn)。利用GIS軟件分水嶺功能，分別提取斷面以上流域面積。

2.3.2 柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)

在GIS軟件中需要將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，再通過投影和變換才能計(jì)算流域面積。通過疊加DEM流域與1∶1萬地圖流域，兩個(gè)流域邊界幾乎完全吻合（見圖3）。DEM提取出的龍巖社區(qū)、黃種村斷面以上流域面積與1∶1萬地圖流域面積相對(duì)誤差分別為0.57%、-0.26%（見表1）。由表1可知，通過DEM提取流域面積是可行的，精度可信。

圖3 DEM流域與1∶1萬地圖流域?qū)Ρ?/p>

表1 DEM流域與1∶1萬地圖流域面積對(duì)比

2.3.3 河流平均比降計(jì)算

在GIS軟件中可以通過柵格河網(wǎng)矢量化提取河流折點(diǎn)，利用河流折點(diǎn)，獲取折點(diǎn)坐標(biāo)值（東經(jīng)度、北緯度）、像元值（高程值），結(jié)果見表2。這里需要注意，高程的獲取所依賴的DEM必須是填洼后的無凹陷點(diǎn)DEM。

表2 黃種村以上小環(huán)江干流折點(diǎn)坐標(biāo)值和高程

河道干流平均坡降反映河道高程沿河長平均變化情況，根據(jù)河道沿程特征高程點(diǎn)，采用加權(quán)平均法計(jì)算，DEM比降與1∶1萬地圖比降計(jì)算結(jié)果較為接近（見表3）。

表3 DEM比降與1∶1萬地圖比降對(duì)比

3 單位線法洪水預(yù)報(bào)

（1）產(chǎn)、匯流分區(qū)圖配準(zhǔn)。利用GIS軟件地圖配準(zhǔn)功能，通過一些關(guān)鍵點(diǎn)的匹配，將廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)流分區(qū)圖、匯流分區(qū)圖[3]定位到DEM坐標(biāo)系中，這樣既節(jié)約翻閱資料的時(shí)間，又更加精準(zhǔn)的定位中小流域所在產(chǎn)、匯流分區(qū)。經(jīng)查圖，小環(huán)江龍巖鄉(xiāng)黃種村斷面屬非巖溶地區(qū)一（1）區(qū)，將流域面積、比降數(shù)據(jù)代入非巖溶區(qū)m1、n值分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算n、K值，推求瞬時(shí)單位線，再根據(jù)實(shí)時(shí)降雨，推求洪水過程。

（2）洪水預(yù)報(bào)成果。以黃種村以上流域?yàn)槔?，?∶1萬地圖和DEM分別獲得的數(shù)據(jù)代入瞬時(shí)單位線進(jìn)行計(jì)算，洪峰流量分別為968、959 m3/s，相對(duì)誤差0.93%。由此可知，通過DEM提取流域參數(shù)，代入瞬時(shí)單位線，開展中小流域洪水預(yù)報(bào)分析精度可信。

4 結(jié)語

DEM和GIS軟件為流域河網(wǎng)信息的提取提供一種快捷、簡便和實(shí)用的途徑。提取的流域水文特征參數(shù)、地形參數(shù)、土壤類型參數(shù)、土地利用參數(shù)等，可直接作為分布式流域洪水預(yù)報(bào)模型的輸入，不僅使工作效率得到了提高，還保證了信息提取的準(zhǔn)確性?；贒EM和GIS軟件提取流域河網(wǎng)信息、水文參數(shù)、地形參數(shù)等，結(jié)合瞬時(shí)單位線法，開展中小流域洪水預(yù)報(bào)分析，對(duì)無資料地區(qū)洪水計(jì)算和預(yù)報(bào)具有參考價(jià)值。