基于HEC-GeoHMS模块的青山河子流域划分研究

彭楚杰

（湖南省湘潭水文水资源勘测局，湖南 湘潭 411100）

0 引言

近40a 来，地理信息与计算机技术发展突飞猛进，为水文学和地理信息系统的结合打下了坚实的基础，最大的改变在于可以将数字地理信息数据直接运用于水文学研究，为水文模拟带来极大便利，从而在分布式水文模型等领域涌现出大量的研究成果。而且，伴随着地理信息与遥感技术的进一步推广应用，计算机建模水平的不断提高，这一研究方式将成为以后的主要发展方向[1]。

流域数字高程模型（DEM）是一种在地理信息技术中以其便捷的提取分析和方便的存储而成为一种应用的文件类型，通过三维坐标将地形表面情况转化为数字表示形式，并对一部分已知坐标点的信息进行插值采样，从而形成连续的地面数字表达形式[2]。利用 DEM 数据进行地形处理、河网提取在国内外均有广泛应用，国外学者 Bhandari 等[3]从网格数字高程模型自动识别山脊线和河网，提出一种新的河网划分方法；杨旭等[4]针对 DEM 的误差及时效性可能会导致提取出的水文要素与实际情况出现偏差的问题，提出利用遥感信息与 DEM 综合提取水系的方法；孔辉等[5]利用 DEM 数据，借助Hydrology 水文分析模块，对黑河流域进行了水系网提取，取得了较好的效果。HEC-GeoHMS 是美国水文工程中心（HEC）开发的，可以对输入的 DEM数据进行地形处理，通过分析数字地形信息，把雨水排水路径和流域边界转化成水文数据结构[6]，处理过程主要包括地形和工程处理2个部分。

本研究选取青山河流域为研究区域。青山河为湘江二级支流，全长 32.0 km，流域集水面积为277 km2，河流坡降为 2.44‰；地形三面环山，东北、西北、西南地势均较高，全流域地势最高点在西面的荆紫峰，最高点海拔为728m，东南面地势最低，为流域出口方向，最低点海拔为58m。研究区属中亚热带季风湿润气候区，全年降水量为1200～1500mm。山丘区总体植被覆盖较好，丘陵区主要以农业耕作区为主。

本研究采用 ArcGIS10.0，嵌入 HEC-GeoHMS及 Arc Hydro Tool 模块，导入青山河流域的 DEM数据，进行地形特性与水文分析，建立数字河网模型，结合地形高程数据计算分水岭，进一步划分子流域单元。Arc Hydro Tool 是支持地表水资源应用研究的工具集，也是一个功能强大的水文分析工具，有学者利用该工具集，对涪江流域 DEM 数据进行流域提取，提取的效率和实验结果的精度均能满足要求[7]。通过 HEC-GeoHMS 提取后的成果可以直接导入 HEC-HMS 分布式水文模型中以构建降雨-径流模型，张利敏等[8]利用这一模型推求西江流域水库群的区间入流，王纳纳[9]利用该模型模拟泥石流的暴雨汇流过程，均取得良好的实践效果。这种流域划分形式以地形特征为依据，充分考虑了地形分布特性，能最大程度地保证与下垫面的吻合，使子流域划分更加精细、合理。

1 子流域提取过程

1.1 子流域提取流程

子流域提取过程总体可分为以下主要步骤：由于获取到的原始 DEM 数据图幅较大，需要从中提取出青山河流域的地形栅格数据；原始 DEM 采用的是 WGS-84 坐标系，为方便后续模型计算，需要对原始 DEM 数据进行坐标转换并进行投影；将提取出的青山河流域栅格进行填洼等地形预处理后，对流域进行水文分析，进而生成数字水系及流域分水岭，划分出各子流域边界，在此基础上实现对各子流域的提取分析。子流域提取流程如图1所示。

图1 子流域提取流程图

1.2 流域 DEM 处理过程

流域提取成果受 DEM 分辨率影响较大，DEM数据分辨率对流域地形参数取值存在重要影响[10]，有学者曾采用 1∶10000地形图结合软件生成 DEM数据[11]。为简化提取过程，在本研究中，所采用的流域原始 DEM 数据来源于国家地理信息云平台网，数据源为 ASTGTM2_N27E112，分辨率为30m ×30 m，采用 ArcGIS 软件中的 Spatial Analyst 中的提取分析工具进行提取。具体处理过程如下：

1）将原始 DEM 文件利用 ArcGIS 水文分析工具进行流域划分，选取青山河口为汇流点，捕捉青山河流域分水岭生成面要素文件；

2）利用面要素文件在原始 DEM 中提取出研究区域。提取出的栅格数据采用高斯-克里格投影到北京54坐标系，选取默认单位 m。提取后的青山河流域地形图如图2所示。

图2 青山河流域地形图

2 流域划分成果

2.1 填洼操作

填洼是对 DEM 数据进行处理的第1步，DEM生成数字水系的过程中，由于不同地形条件与 DEM数据精度的影响，会使程序自动识别产生较大误差，通常在较平坦或者存在洼地的情况下，必须要对原始栅格数据进行填洼操作，以减少沉降点的数量与本身的高程，从而实现消除洼地的作用。填洼之后，对水流方向的判断计算会更符合流域的实际水系流向，这也是后续计算的基本保障。在 ArcGIS空间分析工具栏中的水文分析工具里，同样有这一处理能力。本次计算中，采用 HEC-GeoHMS 中的Fill Sinks 工具进行处理。

2.2 流向与流量分析

填洼操作能保证水流自由的流动，但不能保证水流按照实际情况进行汇流，所以需要对流向做进一步分析。在 HEC-GeoHMS 模块中，Flow Direction 函数能对栅格中每一个像元里的水流方向进行计算，最终确定该像元中的水流走向。对水流方向进行计算的算法有许多种，在本研究实例中，采用 D8 算法[1]。这种算法是将1个单元与周围8个单元根据水流方向进行赋值，分为8个方向，与指南针类似，通过计算比较，哪一边坡度最大，则认定水流方向就是这一边方向，通过这种方式，最终可以将所有的单元区域内水流方向确定下来。流向分析计算中，以填洼后的栅格作为输入，计算后生成流向文件。在 HEC-GeoHMS 模块中，运用 Flow Accumulation 工具，以流向分析成果作为输入进行流量分析，流量分析是对栅格数据中汇聚水流能力进行计算的过程，其中的函数计算过程是逆向的，根据流向分析，反向推算每一个单元中流入的单元数，然后将单元的面积代入，则可以得出汇流量。需要说明的是，这里的流量分析与水文概念中流量概念并不完全一样，水文中的流量概念指的是单位时间内通过某断面的水的体积，而这里的流量仅仅只是代表一种矢量数据之和。生成的流向与流量分析成果如图3所示。

图3 流向与流量分析成果图

2.3 河流定义与分段

河流定义步骤中，将流量累积大于用户定义阈值的所有单元格分类为属于产流网络的单元格。用户指定的阈值可以指定为以面积表示的区域，也可以指定为若干单元格（个数）。特定单元范围内的流量累积必须超过要设定流量的定义阈值。这个阈值可以自己设定，默认值为整个 DEM 中最大排水面积的 1%。选择的阈值越小，在接下来的步骤中描述的子流域数量就越多，分布的流域也越精细，但同时计算量也越大，耗时越长。许斌等[12]基于DEM，在利用 ArcGIS 软件提取沱江流域边界和河网时，结合分形理论分析了不同汇流累积阈值下河网分形维数和密度变化率特征，在本次提取中，也参考这一成果确定汇流累积参数。经过河流定义与分段后，即可确定出水口，然后初步生成河网拓扑结构。

2.4 子流域划分及精度检验

流域栅格划分（Catchment Grid Delineation）正式生成划分后的子流域栅格，以出水口与流向栅格作为输入，将青山河流域划分成为62个子流域，同时根据子流域栅格生成流域矢量图层。生成的子流域分布情况如图4a 所示，从图中可以看出，HECGeoHMS 中子流域划分的成果与青山河流域内分水岭走向基本一致，其中河网结构也与实际水系分布情况基本吻合。考虑到青山河现有实测资料较少，在流域中选取青山桥水文站作为一部分子流域汇水点进行结果检验，选取的检验区域如图4b 所示。检验区域内提取出的各子流域平均坡度与面积如表 1所示。

将划分边界利用工具软件重叠于 1∶10000地形图上，然后进行测量，按划分边界计算出的子流域面积与模型生成子流域面积进行对比检验，量测面积及相对误差分析成果一并列入表 1。从表1可看出，验证区域通过子流域提取后面积合计为141.08 km2，采用万分之一地形图进行量测后的青山桥水文站以上流域面积约为 141.58 km2，相对误差为 0.4%。各自提取出的子流域面积与量测面积大体一致，但部分相对误差较大，相对误差绝对值与子流域平均坡度散点图如图5所示。对表1和图5中的数据进行分析，可以看出，流域划分面积在2km2以下的，相对误差绝对值也会随着划分面积的变小而增大，这一误差来源可归结于计算与绘图的精度。在忽略由于精度造成的误差样本后，利用剩下的27个样本进一步进行统计分析，在统计分析软件SPSS 中采用 Pearson 双变量进行相关性分析，并采用二次项拟合（y= 48.87 - 3.92x+ 0.08x2），分析得出：相对误差绝对值与流域平均坡度的 Pearson 相关系数达到 - 0.638（相关性在 0.01 水平显著），为负相关，具有强相关性（相关系数在 0.6～0.8 之间为强相关），体现为流域坡度越大，生成流域面积与量测面积的误差越小，说明地形特性对于流域提取有较大影响，地形坡度越陡，提取精度越高。

图4 青山河子流域划分与检验范围示意图

表1 提取出的子流域平均坡度与面积及检验误差

3 结语

本研究运用 HEC-GeoHMS 结合 ArcGIS 软件平台，对青山河流域 DEM 数据进行子流域提取分析，采用万分之一地形图量测流域面积进行校验，结果表明，HEC-GeoHMS 提取出的子流域划分方式与特征值基本符合青山河流域实际情况，误差在可控范围以内，成果可以运用于下一步产汇流计算。但从误差值分析可以看出，提取精度对于地形条件有一定的要求，这也体现了模型的使用存在一定的局限性，需要对流域情况进行综合考量。同时，由于模型提取以 DEM 数据为基础，未考虑土地开发利用情况，更适用于处于天然情况下未进行大范围开发的区域，使用过程中应该注意。今后的研究中，将对土地开发状况影响下的提取效果做进一步分析。

图5 相对误差绝对值与流域平均坡度散点图