基于 DEM 的山洪灾害区小流域划分

程双虎，胡春歧，马存湖，王儒波

（1.河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031；

2.连云港市石梁河水库管理处，江苏 连云港 222323）

基于 DEM 的山洪灾害区小流域划分

程双虎1，胡春歧1，马存湖1，王儒波2

（1.河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031；

2.连云港市石梁河水库管理处，江苏 连云港 222323）

山洪灾害是我国主要灾害之一，山洪灾害预测预警是山洪灾害防治的重要非工程措施，小流域划分及其特征提取是山洪灾害预测预警系统的基础工作。结合流域实际情况，探讨采用 DEM 技术进行小流域划分和特征提取的方法，提出山洪灾害区小流域划分技术，为山洪灾害预测预警奠定技术基础。

山洪；灾害；小流域；划分；特征；技术

0 引言

山洪灾害是指山洪暴发造成的危害，包括溪河洪水泛滥、泥石流、山体滑坡（崩塌）等造成的人员伤亡，财产损失，基础设施损坏，环境破坏等。我国主要位于东亚季风气候区，暴雨频发，地质地貌复杂，以及人类活动影响，导致山洪灾害发生频繁[1]。山洪灾害防治已成为我国目前防灾减灾的主要内容。

山洪灾害预测预警是山洪灾害防治的重要非工程措施，是通过对山洪灾害防治区小流域出口断面洪水阈值指标分析和制定的基础上，根据流域降雨进行洪水预报，当洪水预报值达到或超过阈值时发布预警信号，以便及时告知群众进行转移，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

洪水预报是山洪灾害预测预警工作的核心。近年来，随着计算机技术、RS 和 GIS 等在水文领域的不断应用，在流域洪水预报尤其是中小流域洪水预报中，采用分布式水文模型进行洪水预报已经成为预报工作的发展趋势。基于 DEM（Digital Elevation Model）的小流域划分是建立分布式水文模型的关键技术，也是山洪灾害预测预警工作的重要前提性工作。

1 流域特征的提取

地形因素是影响流域地貌、水文等过程的重要因子[2]。DEM 是精确描述流域地形的数字高程模型，相对于一般地形图具有自动化程度高、地形信息丰富、精度准确可控等特点，因此，在水文模拟中得到了广泛应用。

1.1 流域特征提取的方法

在地理信息系统中，可采用 DEM 提取流域特征。DEM 一般划分为以下 3 种基本类型：

1）等高线模型。等高线模型是由一系列等高线集合和高程值构成的地面高程模型，可以理解为一个带有高程数值属性的简单多边形或多边形弧段，等高线的数值一般被存放在一个有序的坐标点对序列矩阵中。由于等高线模型只表达了区域的部分高程值，通常需要采用数学插值法计算等高线以外其它点的高程数值。

2）规则网格模型。规则网格一般指正方形，也可以是矩形或三角形等其它规则网格。规则网格将区域空间划分为规则的单元网格，每个单元网格对应 1 个数值。目前基于 DEM 的流域水文模拟基本上都是利用规则网格模型进行的。

3）不规则三角网模型。不规则三角网通过从分布不规则的数据点生成的连续三角面来逼近区域地形表面，能以不同层次的分辨率精确地描述地形表面[3]，是模拟区域地形表面最常用的基本形式之一。

DEM 的生成有多种途径与方式，主要依据工作目的及信息源和数据采集的硬件、软件设备等决定采用的方式，一般有以下 3 种方法：

1）摄影测量。摄影测量是 DEM 数据采集最常用的方法之一，是以数字影像为基础，通过计算机进行影像匹配，自动相关运算识别同名象点得其象点坐标，并根据少量的野外像控点进行空三加密，建立各像对的立体模型。

2）地面测量。利用全站仪、RTK 和 GPS 等仪器，通过在野外进行实地测量，并自动记录实地测量数据，将这些数据直接输入计算机中进行分析和处理。当记录点数达到一定数量和密度后，即可形成相应精度的 DEM。

3）地形图矢量化。利用手扶跟踪数字化仪或扫描仪等仪器设备，对现有地形图上的高程点、等高线等信息进行采集，再通过数学内插方法生成相应的 DEM。目前，在水文领域应用最广的是地形图矢量化生成方法[4]。

1.2 洼地和平坦区域的处理

流域下垫面复杂多样、凹凸不平，既有河流、植被、水面，也有坡地、平地和洼地等。在实际工作中，对洼地的处理是最复杂的[5]。因为在确定洼地区域内单元网格中水流方向的过程中，往往会出现水流逆流的现象，所以需对洼地 DEM 进行修正处理，以求得与实际情况相符的结果。处理的方法和步骤如下：

1）搜索 DEM 矩阵确定洼地单元网格（洼地单元网格是指相邻 8 个单元网格高程都不低于本单元网格高程的单元网格）。在搜索过程中，每当遇到洼地单元网格时，就搜索以洼地单元网格为中心的窗口，位于窗口内的单元网格如果沿着下坡和平坦区域能够到达洼地单元网格，则标记为洼地单元网格，否则不进行标记。

2）重复搜索，直到窗口内没有单元网格能够被标记为止。所有被标记为洼地单元网格组成的区域即为洼地区域，把洼地集水区域内所有高程低于出流点的单元网格高程提升至出流点高程，洼地就变为一个可以确定水流方向的平坦区域。

对平坦区域，根据流域地形实际情况，对平坦区域范围内的单元网格分别增加 1 个微小的高程增量或幅度（增量的大小和幅度可根据实际工作需要确定，但最大增量或幅度以不影响 DEM 精度为限），使抬升后的平坦区域内的每个单元网格都有一个明确的水流方向，从而形成规范化的 DEM 数据。

1.3 水流方向的确定

为了模拟整个流域内地表径流的流动情况，需确定流域上每个单元网格内的水流方向。单元网格内的水流方向是指水流流出该单元网格的唯一流向[6]。对于 DEM 内的某一单元网格，与其相邻的共有 8 个单元网格。为了唯一确定单元网格内的水流流向，采用 1～9 的数值代码分别表示它流向相邻网格的方向。方向编码可以采用不同的形式或代码，但对于同一个 DEM，最后确定的水流流向结果是完全相同的。

首先对中心网格的 8 个相邻网格进行编码，水流流向用其中一个数值代码表示，如图1 所示。如中心网格的水流流向正右方，则水流方向数值代码为 6；如流向左下角，则水流方向数值代码为 1。

图1 网格水流流向编码示意图

假定中心网格点的平面坐标（行、列）为（i，j），则相邻的 8 个点中任何一个点的平面坐标可以表示为（i+ m，j+ n），其中 m =-1，0，1；n =-1，0，1，但 m，n 不能同时为 0。因此，中心网格与相邻任一网格的坡度 I 可按下式计算：

式中：H(i，j)为中心网格的高程；H(i+m，j+n)为相邻的单元网格高程；Δ ι 为网格宽度。

如某一网格与相邻网格之间的坡度用 I1，I2，I3，…，I9表示，则中心网格的最大坡度用 Imax表示，当 Imax大于 0 且等于 Id，则该中心网格的水流方向为 d。

1.4 流域的划分及特征提取

流域是指水流分水岭（线）所包围的集水区域。流域的划分，首先要确定单元网格内的水流流向和流域内的水流网络（流域内水流轨迹形成的网络），在流域内采用 3×3 窗口搜索每一个单元网格，确定流域内每一个单元网格的水流流向，搜索完毕后即可形成整个流域的水流网络；然后从流域的出口沿河道向上游逐级搜索每一条河道的集水区域范围，搜索到的所有单元网格所占区域的边界即为流域的分水岭（线），分水岭（线）所包围的区域即为流域。

流域面积是指流域周围分水岭（线）与流域出口断面之间所包围的面积，也就是所有水流流出流域出口断面的单元网格所占的全部面积。首先初始化上游集水面积矩阵为零，然后依次搜索水流流向矩阵，从每个单元网格出发，沿着与水流流向相反的方向进行逐个追踪，直至到达流域的分水线为止。当整个水流流向矩阵搜索完毕后，上游集水面积矩阵中的数值乘以每个单元网格的面积，即为流域集水面积矩阵。

图2 河段长度特征图

在河网水系提取的同时，通过 DEM 即可自动计算和生成流域内所有河段的河长及比降的特征参数。根据 DEM 自动生成的河北省张家口市崇礼小流域河段长度特征如图2 所示。原则为，山丘区河流流域面积在 10～50 km2之间，深山无人居住区可适当增大；水文站控制断面、山区性河流的出山口、靠近主要村镇的河道断面、水库入库断面及坝址处必须作为节点。在此基础上，对提取的河网所对应的流域进行必要的合并或增加节点，形成山洪灾害防治区小流域。山洪灾害防治区小流域划分后，通过合并可得某个区域的小流域划分图。河北省李营站以上小流域划分成果如图3 所示。

2 小流域的划分

在提取数字河流水系的同时，可以得到与该河流水系中各河段对应的流域。但为了山洪灾害预测预警工作实际需要，必须在此基础上进行小流域划分。小流域划分是为了在流域产流计算过程中充分考虑降雨和下垫面条件等影响因素在空间上的分布不均匀性[7]，更重要的是为了中、小流域出口等重要断面处山洪防御工作的需要。小流域划分的基本

图3 河北省李营站以上小流域划分成果示意

3 结语

结合山洪灾害防治工作实际需要，采用 DEM方法对山丘区流域特征的提取方法进行了探讨和应用，并以河北省 1∶50 000 地形图为基础，对河北省山洪灾害防治区小流域的河流水系特征进行了提取，取得了令人满意的结果。

在对山丘区流域特征提取的基础上，对河北省境内的山洪防治区小流域进行了划分，获得了河北省域小流域划分成果，为山洪灾害区采用分布式水文模型进行洪水预测预警奠定了技术基础。

参考文献：

[1] 吴现兵，程伍群，孟霄，等.河北省中小河流防洪现状及减灾对策分析[J].南水北调与水利科技，2014,13 (6): 35-38.

[2] 李硕，曾志远，张运生.数字地形分析技术在分布式水文建模中的应用[J].地球科学进展，2002, 17 (5): 769-775.

[3] 李志栋，朱庆.数字高程模型[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000: 62-78.

[4] 余新晓，赵玉涛，张志强.基于地形指数的 Topmodel 研究进展与热点跟踪[J].北京林业大学学报，2002,24 (4): 117-121.

[5] Turcotte R, Fortin J P, Rousseau A N, et al..Determination of the drainage structure of a watershed using a digital elevation model and a digital river and lake network[J].Journal of Hydrology, 2001, 240: 225-242.

[6] 周贵云，刘瑜，邬伦.基于数字高程模型的水系提取方法[J].地理学与国土研究，2000,16 (4): 78-81.

[7] 芮孝芳，朱庆平.分布式流域水文模型研究中的几个问题[J].水利水电科技进展，2002, 22 (3): 56-58.

Partition of Small Watershed on Mountain Torrent Disaster Area based on DEM

CHENG Shuanghu1, HU Chunqi1, MA Cunhu1, WANG Rubo2
(1.Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang 050031, China;
2.Shilianghe Reservoir Management Office of Lianyungang City, Lianyungang 222323, China)

Mountain flood disaster is one of the main disasters in China.Flood forecasting and warning is an important non engineering measures for flood prevention.Classification and feature extraction of small watershed is the basic work of mountain flood disasters early warning system.Combined with the actual situation of watershed, the article discusses the method of classification and feature extraction of small watershed using DEM technology, and proposes the technology of dividing small watershed torrent disaster area.It gives the technical foundation for flash flood forecasting warning.

flood; disaster area; small watershed; partition; basin characteristics; technology

P33；TV39

A

1674-9405(2014)06-0032-04

2014-09-17

河北省水利科技项目（编号 2014-50）；江苏省水利科技项目（编号 2013063）

程双虎（1963－），男，河北辛集人，高级工程师，长期从事水文水资源及防洪减灾工作。