基于DEM提取流域特征在单位线法洪水预报中的应用

黄晓林

（河池水文中心，广西 河池 547000）

0 引言

数字高程模型（DEM）可以简单的理解为，以有限的X、Y、Z三维空间数据序列，描述地形地貌信息，是研究分析地形、流域、地物识别的重要原始资料。可以从DEM数据中获取大量的、一定水平和垂直精度范围内的研究区域的平面、高程数据，通过特定的算法生成等高线、断面横向剖面图、河流纵向剖面图、地貌图、水系图、流域图，在水文领域有着广泛的应用。DEM是“智慧水文”发展必不可少的基础性资料。结合GIS技术，可以应用于河网生成、面雨量计算、产汇流分析、蓄洪计算、淹没分析、动态洪水展示等。

本文以环江县小环江上游2020年7月10日洪水为例，基于30 m分辨率ASTER GDEM数据（以下简称DEM数据），利用GIS软件处理DEM数据，实现基于DEM的流域地形三维显示，通过GIS软件对小环江上游流域进行分析，提取流域面积、河流长度、河道比降等参数，推求瞬时单位线参数n、K值，代入瞬时单位线，开展洪水分析。通过对比不同方法下推求的流域面积、河道干流平均坡降、洪峰等精度，探讨基于DEM数据的中小流域水文要素特征提取，在瞬时单位线法洪水预报分析中的可行性。

1 概况

1.1 小环江流域概况

小环江，又称中洲小江，龙江左岸1级支流，发源于贵州省荔波县光辉乡上寨村西南2 km处，大致南流，贯穿环江县东部。干流长153 km，其中贵州省荔波县境内13 km。流域面积2314 km2，其中贵州省荔波县境内39 km2；广西境内2275 km2。广西境内有支流15条，干、支流总长471 km，河网密度0.207 km/km2，年降水量1400～1700 mm，年径流深700～900 mm，有地下河10条。

2020年7月10日环江县小环江上游流域黔桂两省交界处局部大暴雨到特大暴雨，受强降雨影响，环江县龙岩乡黄种村、龙岩乡龙岩社区，发生严重的洪涝灾害。小环江中上游建有环江东兴水文站，该站位于环江县东兴镇东兴社区，水文站以上流域集水面积797 km2。环江东兴水文站上游16 km为龙岩乡龙岩社区，龙岩社区上游25 km为龙岩乡黄种村，黄种村以上流域集水面积123 km2，龙岩乡黄种村至贵州省交界处为雨量站、水文站布设空白区。

1.2 数据资料情况

1.2.1 ASTER GDEM数据情况

ASTER GDEM数据分辨率1″（30 m），每个数据文件覆盖范围1°×1°。每个数据包含2个文件，1个数字高程模型（DEM）文件和1个质量评估（NUM）文件。每个数据文件的文件名根据文件几何中心左下（西南）角的经纬度产生。例如，ASTGTM2_N24E108文件的左下角坐标为北纬24°和东经108°。AST⁃GTM2_N24E108_dem和ASTGTM2_N24E108_num对应的分别是数字高程模型（DEM）和质量评估（NUM）的数据。

可以通过中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务平台，免费下载中国及周边区域范围内ASTER GDEM 30 m分辨率系列数据产品。本次研究采用2012年水利普查，广西水文中心下载，并完成数据配准的30 m分辨率DEM数据。

1.2.2 其他数据来源

选取比例尺为1∶1万的地形图、2012年水利普查成果流域水系图为对比对象，对流域特征提取的准确度进行判别。

2 基于DEM数据的中小流域特征提取

2.1 数据预处理

采用2012年水利普查，广西水文中心下载，并完成数据配准的30 m分辨率DEM数据。在GIS应用中，将空间分割成有规律的网格，每个网格代表一个单元，称为栅格数据。DEM数据在GIS中也称为DEM栅格数据。

环江县位于广西西北部，云贵高原东南麓，九万大山山麓，根据环江县东经度、北纬度，直接在GIS软件导入含小环江流域范围的DEM数据：AST⁃GTM2_N24E108文件。

2.2 水系提取

2.2.1 填洼处理

由于DEM数据误差（数据分辨率原因或高程取整造成的误差）或者在真实地形中存在，使得DEM表面存在着一些凹陷或者尖峰，这会使水流方向提取产生误差，进而影响后续对河网的提取，会导致伪河道的产生[1]。水文学中的填洼是指降水被地面坑洼蓄滞，而GIS填洼是指对原始的DEM栅格数据进行逐一检查，以周围表面的趋势为基准，判断栅格数据中的伪洼地（由于数据误差造成的洼地，不是真实存在的），如果是伪凹地则进行填平处理。

2.2.2 水流方向的提取

在GIS软件中确定水流方向时采用的是D8（Deterministic eight-neighbors）算法。该算法假设每一个栅格都有8个流向（东、东南、南、西南、西、西北、北、东北8个方向）[2]，在8个流向中，分别计算它们与栅格的比降，按照水往低处流的原理，选择比降最大的流向，作为栅格的出流方向。通过计算，每个栅格只有1个流向，降落在栅格里的降水，都只能通过这个唯一的流向流入到附近的栅格。

2.2.3“流量”计算

在GIS软件中的“流量”是指有多少个栅格的水汇流到某一个点上，是一个空间范围的概念。可以理解为以水文站为汇流点，“流量”就是水文站以上流域对应的集水面积。计算“流量”的方法是通过流向栅格图搜索水流路径，采用递归式运算，从流域出口断面（最低点）开始向上游搜索，一直搜索到只有流出没有流入的栅格单元才停止（既流域边界，只有流出，没有流入），再计算出每1个栅格单元的上游汇水面积，即得到汇流栅格图，由于假定每个栅格落下1个单位的水量，所以汇水面积值是用栅格数目表示的。基于水流方向的汇流累积量计算过程见图1。

图1 汇流累积量计算示意图

2.2.4 流域水系提取

在GIS软件中可以通过设定集流阈值（根据流域大小假定，试错法确定）提取河网（见图1），图1标注35个流量的栅格是水流集中区，可识别为河网。生成河网之后需要对河网进行矢量化，同时对河网进行平滑处理。通过试错法，提取结果与现有的水系图叠加对比，最终取阈值为800，提取出的栅格水系图与现有的水利普查成果水系图叠加进行对比，结果显示：干支流基本吻合，且增加了很多50 km2以下流域面积水系（见图2）。

图2 栅格水系与普查成果对比（局部）

2.3 流域提取

2.3.1 流域提取

以环江县小环江上游2020年7月10日洪水灾害点为研究区域，分别创建龙岩社区、黄种村两个断面作为流域倾斜点，设置为研究区域的最低出水口点。利用GIS软件分水岭功能，分别提取断面以上流域面积。

2.3.2 栅格数据转为矢量数据

在GIS软件中需要将栅格数据转为矢量数据，再通过投影和变换才能计算流域面积。通过叠加DEM流域与1∶1万地图流域，两个流域边界几乎完全吻合（见图3）。DEM提取出的龙岩社区、黄种村断面以上流域面积与1∶1万地图流域面积相对误差分别为0.57%、-0.26%（见表1）。由表1可知，通过DEM提取流域面积是可行的，精度可信。

图3 DEM流域与1∶1万地图流域对比

表1 DEM流域与1∶1万地图流域面积对比

2.3.3 河流平均比降计算

在GIS软件中可以通过栅格河网矢量化提取河流折点，利用河流折点，获取折点坐标值（东经度、北纬度）、像元值（高程值），结果见表2。这里需要注意，高程的获取所依赖的DEM必须是填洼后的无凹陷点DEM。

表2 黄种村以上小环江干流折点坐标值和高程

河道干流平均坡降反映河道高程沿河长平均变化情况，根据河道沿程特征高程点，采用加权平均法计算，DEM比降与1∶1万地图比降计算结果较为接近（见表3）。

表3 DEM比降与1∶1万地图比降对比

3 单位线法洪水预报

（1）产、汇流分区图配准。利用GIS软件地图配准功能，通过一些关键点的匹配，将广西壮族自治区产流分区图、汇流分区图[3]定位到DEM坐标系中，这样既节约翻阅资料的时间，又更加精准的定位中小流域所在产、汇流分区。经查图，小环江龙岩乡黄种村断面属非岩溶地区一（1）区，将流域面积、比降数据代入非岩溶区m1、n值分区经验公式，计算n、K值，推求瞬时单位线，再根据实时降雨，推求洪水过程。

（2）洪水预报成果。以黄种村以上流域为例，将1∶1万地图和DEM分别获得的数据代入瞬时单位线进行计算，洪峰流量分别为968、959 m3/s，相对误差0.93%。由此可知，通过DEM提取流域参数，代入瞬时单位线，开展中小流域洪水预报分析精度可信。

4 结语

DEM和GIS软件为流域河网信息的提取提供一种快捷、简便和实用的途径。提取的流域水文特征参数、地形参数、土壤类型参数、土地利用参数等，可直接作为分布式流域洪水预报模型的输入，不仅使工作效率得到了提高，还保证了信息提取的准确性。基于DEM和GIS软件提取流域河网信息、水文参数、地形参数等，结合瞬时单位线法，开展中小流域洪水预报分析，对无资料地区洪水计算和预报具有参考价值。