基于DEM中小河流流域几何特征分析与应用

胡天祥

一、问题提出

临溪水文站为绩溪县境内仅有的一处水文站，位于杨子水、大源河及登源河汇口处，从中小河流治理规划水文计算角度，现有水文监测站点不足，不能满足直接法进行水文计算的要求，但县域境内有长系列的降水站点3处（绩溪、杨溪、伏岭），结合邻近站点，区域暴雨特征参数成果已有结论，可以满足间接法推算设计洪水的要求。现行由设计暴雨推求设计洪水的方法中，流域几何特征是计算方法的重要参数，传统算法基于1/50000地形图，以手工获取相关信息，数据采集工作量巨大。随着数字高程技术发展，传统数据采集方法被计算机算法取代，相关文献介绍了基于DEM流域几何特征计算方法，为了快捷利用，同时为了获取县域境内流域几何特征的变化规律，对境内典型流域几何特征逐一分析，提高中小河流治理中水文计算的效率。

二、计算方法

流域几何特征主要包括流域面积、河流长度、河网密度、河道平均坡降、流域面积坡度等，本文重点提取流域面积、河道坡度和流域面积坡度。其中流域面积坡度与河道平均坡度的算法如下：

流域面积坡度Sf：按照给定的高程阀值（Δh）从流域出口处开始，分别统计不同高程范围内（Hi～Hi+Δh）的面积，以大于等于特定高程（Hi）对应的累计面积为横坐标，Hi为纵坐标，绘制高程～面积关系曲线，见图1，其中（ 1）是流域最高点，面积为 0，（ 6）是流域出口最低点。通过点（6）作一直线交纵轴于A点，使直线所包面积与曲线所包面积相等，OA即为ΔH，流域面积坡度

河道平均坡度SL：自出口断面起沿着干流按照给定的高差阀值（Δh）逐一测量其距离出口断面的距离及对应点的河道中泓线河底高程,点绘河道纵断面，从出口断面处作一直线交纵轴于B点，如图1（b），使直线所包围的面积与曲线所包围的面积相等，主河道坡度

基于DEM的流域几何特征值量算原理与传统方法完全一致，只是采样点依照数字高程自动完成，效率极高，利用此优势，就特定区域的河流水系而言，按照主干关系分别梯次定位，实现批量处理，计算成果既满足特定流域水文计算要求，同时为分析区域内河流水系几何特征的相似性提供支撑。

三、计算实例

本文选择计算范围包括境内新安江流域杨子水、登源河、大源河及长江流域西津河上游金沙河、弋溪等。节点选取从境内河流分界点开始，先干后支，逢支流汇入既确定一个节点，以满足计算河流流域几何特征沿程变化特征。根据计算结果分别建立各条河流Sf～F、SL～F关系，见图2。

从图2知，境内长江流域西津河上游金沙段及弋溪两条河流的流域面积坡度相似，但河道坡度差异较大。境内新安江流域的三条河流，面积坡度以登源河最大，大源河其次，杨之水最小，河道坡度对比与面积坡度一致。就新安江流域而言，同等净雨条件下，登源河洪峰模数相对较大。

四、结语

河流水系的流域几何特征值量算，理论上可以划定最小流域单元，逐一计算，本文只选取绩溪县境内主要河流，为了达到一致的效果，嵌套流域以河流主干为对象，沿着干流自下而上，水文计算查算时，先判别治理河流是否纳入已经计算的河流，若为一致，可根据治理河段以上流域面积直接查算。非主要河流或小面积如30km2以下的按照指定的坐标单独计算