基于DEM提取流域特征在單位線法洪水預報中的應用

黃曉林

（河池水文中心，廣西 河池 547000）

0 引言

數字高程模型（DEM）可以簡單的理解為，以有限的X、Y、Z三維空間數據序列，描述地形地貌信息，是研究分析地形、流域、地物識別的重要原始資料?？梢詮腄EM數據中獲取大量的、一定水平和垂直精度范圍內的研究區域的平面、高程數據，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，在水文領域有著廣泛的應用。DEM是“智慧水文”發展必不可少的基礎性資料。結合GIS技術，可以應用于河網生成、面雨量計算、產匯流分析、蓄洪計算、淹沒分析、動態洪水展示等。

本文以環江縣小環江上游2020年7月10日洪水為例，基于30 m分辨率ASTER GDEM數據（以下簡稱DEM數據），利用GIS軟件處理DEM數據，實現基于DEM的流域地形三維顯示，通過GIS軟件對小環江上游流域進行分析，提取流域面積、河流長度、河道比降等參數，推求瞬時單位線參數n、K值，代入瞬時單位線，開展洪水分析。通過對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數據的中小流域水文要素特征提取，在瞬時單位線法洪水預報分析中的可行性。

1 概況

1.1 小環江流域概況

小環江，又稱中洲小江，龍江左岸1級支流，發源于貴州省荔波縣光輝鄉上寨村西南2 km處，大致南流，貫穿環江縣東部。干流長153 km，其中貴州省荔波縣境內13 km。流域面積2314 km2，其中貴州省荔波縣境內39 km2；廣西境內2275 km2。廣西境內有支流15條，干、支流總長471 km，河網密度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日環江縣小環江上游流域黔桂兩省交界處局部大暴雨到特大暴雨，受強降雨影響，環江縣龍巖鄉黃種村、龍巖鄉龍巖社區，發生嚴重的洪澇災害。小環江中上游建有環江東興水文站，該站位于環江縣東興鎮東興社區，水文站以上流域集水面積797 km2。環江東興水文站上游16 km為龍巖鄉龍巖社區，龍巖社區上游25 km為龍巖鄉黃種村，黃種村以上流域集水面積123 km2，龍巖鄉黃種村至貴州省交界處為雨量站、水文站布設空白區。

1.2 數據資料情況

1.2.1 ASTER GDEM數據情況

ASTER GDEM數據分辨率1″（30 m），每個數據文件覆蓋范圍1°×1°。每個數據包含2個文件，1個數字高程模型（DEM）文件和1個質量評估（NUM）文件。每個數據文件的文件名根據文件幾何中心左下（西南）角的經緯度產生。例如，ASTGTM2_N24E108文件的左下角坐標為北緯24°和東經108°。AST?GTM2_N24E108_dem和ASTGTM2_N24E108_num對應的分別是數字高程模型（DEM）和質量評估（NUM）的數據。

可以通過中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據服務平臺，免費下載中國及周邊區域范圍內ASTER GDEM 30 m分辨率系列數據產品。本次研究采用2012年水利普查，廣西水文中心下載，并完成數據配準的30 m分辨率DEM數據。

1.2.2 其他數據來源

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比對象，對流域特征提取的準確度進行判別。

2 基于DEM數據的中小流域特征提取

2.1 數據預處理

采用2012年水利普查，廣西水文中心下載，并完成數據配準的30 m分辨率DEM數據。在GIS應用中，將空間分割成有規律的網格，每個網格代表一個單元，稱為柵格數據。DEM數據在GIS中也稱為DEM柵格數據。

環江縣位于廣西西北部，云貴高原東南麓，九萬大山山麓，根據環江縣東經度、北緯度，直接在GIS軟件導入含小環江流域范圍的DEM數據：AST?GTM2_N24E108文件。

2.2 水系提取

2.2.1 填洼處理

由于DEM數據誤差（數據分辨率原因或高程取整造成的誤差）或者在真實地形中存在，使得DEM表面存在著一些凹陷或者尖峰，這會使水流方向提取產生誤差，進而影響后續對河網的提取，會導致偽河道的產生[1]。水文學中的填洼是指降水被地面坑洼蓄滯，而GIS填洼是指對原始的DEM柵格數據進行逐一檢查，以周圍表面的趨勢為基準，判斷柵格數據中的偽洼地（由于數據誤差造成的洼地，不是真實存在的），如果是偽凹地則進行填平處理。

2.2.2 水流方向的提取

在GIS軟件中確定水流方向時采用的是D8（Deterministic eight-neighbors）算法。該算法假設每一個柵格都有8個流向（東、東南、南、西南、西、西北、北、東北8個方向）[2]，在8個流向中，分別計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。通過計算，每個柵格只有1個流向，降落在柵格里的降水，都只能通過這個唯一的流向流入到附近的柵格。

2.2.3“流量”計算

在GIS軟件中的“流量”是指有多少個柵格的水匯流到某一個點上，是一個空間范圍的概念?？梢岳斫鉃橐运恼緸閰R流點，“流量”就是水文站以上流域對應的集水面積。計算“流量”的方法是通過流向柵格圖搜索水流路徑，采用遞歸式運算，從流域出口斷面（最低點）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），再計算出每1個柵格單元的上游匯水面積，即得到匯流柵格圖，由于假定每個柵格落下1個單位的水量，所以匯水面積值是用柵格數目表示的?；谒鞣较虻膮R流累積量計算過程見圖1。

圖1 匯流累積量計算示意圖

2.2.4 流域水系提取

在GIS軟件中可以通過設定集流閾值（根據流域大小假定，試錯法確定）提取河網（見圖1），圖1標注35個流量的柵格是水流集中區，可識別為河網。生成河網之后需要對河網進行矢量化，同時對河網進行平滑處理。通過試錯法，提取結果與現有的水系圖疊加對比，最終取閾值為800，提取出的柵格水系圖與現有的水利普查成果水系圖疊加進行對比，結果顯示：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比（局部）

2.3 流域提取

2.3.1 流域提取

以環江縣小環江上游2020年7月10日洪水災害點為研究區域，分別創建龍巖社區、黃種村兩個斷面作為流域傾斜點，設置為研究區域的最低出水口點。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 柵格數據轉為矢量數據

在GIS軟件中需要將柵格數據轉為矢量數據，再通過投影和變換才能計算流域面積。通過疊加DEM流域與1∶1萬地圖流域，兩個流域邊界幾乎完全吻合（見圖3）。DEM提取出的龍巖社區、黃種村斷面以上流域面積與1∶1萬地圖流域面積相對誤差分別為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∶1萬地圖流域對比

表1 DEM流域與1∶1萬地圖流域面積對比

2.3.3 河流平均比降計算

在GIS軟件中可以通過柵格河網矢量化提取河流折點，利用河流折點，獲取折點坐標值（東經度、北緯度）、像元值（高程值），結果見表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DEM。

表2 黃種村以上小環江干流折點坐標值和高程

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

表3 DEM比降與1∶1萬地圖比降對比

3 單位線法洪水預報

（1）產、匯流分區圖配準。利用GIS軟件地圖配準功能，通過一些關鍵點的匹配，將廣西壯族自治區產流分區圖、匯流分區圖[3]定位到DEM坐標系中，這樣既節約翻閱資料的時間，又更加精準的定位中小流域所在產、匯流分區。經查圖，小環江龍巖鄉黃種村斷面屬非巖溶地區一（1）區，將流域面積、比降數據代入非巖溶區m1、n值分區經驗公式，計算n、K值，推求瞬時單位線，再根據實時降雨，推求洪水過程。

（2）洪水預報成果。以黃種村以上流域為例，將1∶1萬地圖和DEM分別獲得的數據代入瞬時單位線進行計算，洪峰流量分別為968、959 m3/s，相對誤差0.93%。由此可知，通過DEM提取流域參數，代入瞬時單位線，開展中小流域洪水預報分析精度可信。

4 結語

DEM和GIS軟件為流域河網信息的提取提供一種快捷、簡便和實用的途徑。提取的流域水文特征參數、地形參數、土壤類型參數、土地利用參數等，可直接作為分布式流域洪水預報模型的輸入，不僅使工作效率得到了提高，還保證了信息提取的準確性。基于DEM和GIS軟件提取流域河網信息、水文參數、地形參數等，結合瞬時單位線法，開展中小流域洪水預報分析，對無資料地區洪水計算和預報具有參考價值。