基于DEM中小河流流域幾何特征分析與應用

胡天祥

一、問題提出

臨溪水文站為績溪縣境內僅有的一處水文站，位于楊子水、大源河及登源河匯口處，從中小河流治理規劃水文計算角度，現有水文監測站點不足，不能滿足直接法進行水文計算的要求，但縣域境內有長系列的降水站點3處（績溪、楊溪、伏嶺），結合鄰近站點，區域暴雨特征參數成果已有結論，可以滿足間接法推算設計洪水的要求。現行由設計暴雨推求設計洪水的方法中，流域幾何特征是計算方法的重要參數，傳統算法基于1/50000地形圖，以手工獲取相關信息，數據采集工作量巨大。隨著數字高程技術發展，傳統數據采集方法被計算機算法取代，相關文獻介紹了基于DEM流域幾何特征計算方法，為了快捷利用，同時為了獲取縣域境內流域幾何特征的變化規律，對境內典型流域幾何特征逐一分析，提高中小河流治理中水文計算的效率。

二、計算方法

流域幾何特征主要包括流域面積、河流長度、河網密度、河道平均坡降、流域面積坡度等，本文重點提取流域面積、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，分別統計不同高程范圍內（Hi～Hi+Δh）的面積，以大于等于特定高程（Hi）對應的累計面積為橫坐標，Hi為縱坐標，繪制高程～面積關系曲線，見圖1，其中（ 1）是流域最高點，面積為 0，（ 6）是流域出口最低點。通過點（6）作一直線交縱軸于A點，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）逐一測量其距離出口斷面的距離及對應點的河道中泓線河底高程,點繪河道縱斷面，從出口斷面處作一直線交縱軸于B點，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方法完全一致，只是采樣點依照數字高程自動完成，效率極高，利用此優勢，就特定區域的河流水系而言，按照主干關系分別梯次定位，實現批量處理，計算成果既滿足特定流域水文計算要求，同時為分析區域內河流水系幾何特征的相似性提供支撐。

三、計算實例

本文選擇計算范圍包括境內新安江流域楊子水、登源河、大源河及長江流域西津河上游金沙河、弋溪等。節點選取從境內河流分界點開始，先干后支，逢支流匯入既確定一個節點，以滿足計算河流流域幾何特征沿程變化特征。根據計算結果分別建立各條河流Sf～F、SL～F關系，見圖2。

從圖2知，境內長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，登源河洪峰模數相對較大。

四、結語

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，逐一計算，本文只選取績溪縣境內主要河流，為了達到一致的效果，嵌套流域以河流主干為對象，沿著干流自下而上，水文計算查算時，先判別治理河流是否納入已經計算的河流，若為一致，可根據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單獨計算