程雙虎，胡春歧，馬存湖，王儒波

（1.河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031；

2.連云港市石梁河水庫管理處，江蘇 連云港 222323）

基于 DEM 的山洪災(zāi)害區(qū)小流域劃分

程雙虎1，胡春歧1，馬存湖1，王儒波2

（1.河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031；

2.連云港市石梁河水庫管理處，江蘇 連云港 222323）

山洪災(zāi)害是我國主要災(zāi)害之一，山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)警是山洪災(zāi)害防治的重要非工程措施，小流域劃分及其特征提取是山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作。結(jié)合流域?qū)嶋H情況，探討采用 DEM 技術(shù)進行小流域劃分和特征提取的方法，提出山洪災(zāi)害區(qū)小流域劃分技術(shù)，為山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)警奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

山洪；災(zāi)害；小流域；劃分；特征；技術(shù)

0 引言

山洪災(zāi)害是指山洪暴發(fā)造成的危害，包括溪河洪水泛濫、泥石流、山體滑坡（崩塌）等造成的人員傷亡，財產(chǎn)損失，基礎(chǔ)設(shè)施損壞，環(huán)境破壞等。我國主要位于東亞季風(fēng)氣候區(qū)，暴雨頻發(fā)，地質(zhì)地貌復(fù)雜，以及人類活動影響，導(dǎo)致山洪災(zāi)害發(fā)生頻繁[1]。山洪災(zāi)害防治已成為我國目前防災(zāi)減災(zāi)的主要內(nèi)容。

山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)警是山洪災(zāi)害防治的重要非工程措施，是通過對山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域出口斷面洪水閾值指標分析和制定的基礎(chǔ)上，根據(jù)流域降雨進行洪水預(yù)報，當(dāng)洪水預(yù)報值達到或超過閾值時發(fā)布預(yù)警信號，以便及時告知群眾進行轉(zhuǎn)移，最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

洪水預(yù)報是山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)警工作的核心。近年來，隨著計算機技術(shù)、RS 和 GIS 等在水文領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，在流域洪水預(yù)報尤其是中小流域洪水預(yù)報中，采用分布式水文模型進行洪水預(yù)報已經(jīng)成為預(yù)報工作的發(fā)展趨勢?；?DEM（Digital Elevation Model）的小流域劃分是建立分布式水文模型的關(guān)鍵技術(shù)，也是山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)警工作的重要前提性工作。

1 流域特征的提取

地形因素是影響流域地貌、水文等過程的重要因子[2]。DEM 是精確描述流域地形的數(shù)字高程模型，相對于一般地形圖具有自動化程度高、地形信息豐富、精度準確可控等特點，因此，在水文模擬中得到了廣泛應(yīng)用。

1.1 流域特征提取的方法

在地理信息系統(tǒng)中，可采用 DEM 提取流域特征。DEM 一般劃分為以下 3 種基本類型：

1）等高線模型。等高線模型是由一系列等高線集合和高程值構(gòu)成的地面高程模型，可以理解為一個帶有高程數(shù)值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段，等高線的數(shù)值一般被存放在一個有序的坐標點對序列矩陣中。由于等高線模型只表達了區(qū)域的部分高程值，通常需要采用數(shù)學(xué)插值法計算等高線以外其它點的高程數(shù)值。

2）規(guī)則網(wǎng)格模型。規(guī)則網(wǎng)格一般指正方形，也可以是矩形或三角形等其它規(guī)則網(wǎng)格。規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間劃分為規(guī)則的單元網(wǎng)格，每個單元網(wǎng)格對應(yīng) 1 個數(shù)值。目前基于 DEM 的流域水文模擬基本上都是利用規(guī)則網(wǎng)格模型進行的。

3）不規(guī)則三角網(wǎng)模型。不規(guī)則三角網(wǎng)通過從分布不規(guī)則的數(shù)據(jù)點生成的連續(xù)三角面來逼近區(qū)域地形表面，能以不同層次的分辨率精確地描述地形表面[3]，是模擬區(qū)域地形表面最常用的基本形式之一。

DEM 的生成有多種途徑與方式，主要依據(jù)工作目的及信息源和數(shù)據(jù)采集的硬件、軟件設(shè)備等決定采用的方式，一般有以下 3 種方法：

1）攝影測量。攝影測量是 DEM 數(shù)據(jù)采集最常用的方法之一，是以數(shù)字影像為基礎(chǔ)，通過計算機進行影像匹配，自動相關(guān)運算識別同名象點得其象點坐標，并根據(jù)少量的野外像控點進行空三加密，建立各像對的立體模型。

2）地面測量。利用全站儀、RTK 和 GPS 等儀器，通過在野外進行實地測量，并自動記錄實地測量數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)直接輸入計算機中進行分析和處理。當(dāng)記錄點數(shù)達到一定數(shù)量和密度后，即可形成相應(yīng)精度的 DEM。

3）地形圖矢量化。利用手扶跟蹤數(shù)字化儀或掃描儀等儀器設(shè)備，對現(xiàn)有地形圖上的高程點、等高線等信息進行采集，再通過數(shù)學(xué)內(nèi)插方法生成相應(yīng)的 DEM。目前，在水文領(lǐng)域應(yīng)用最廣的是地形圖矢量化生成方法[4]。

1.2 洼地和平坦區(qū)域的處理

流域下墊面復(fù)雜多樣、凹凸不平，既有河流、植被、水面，也有坡地、平地和洼地等。在實際工作中，對洼地的處理是最復(fù)雜的[5]。因為在確定洼地區(qū)域內(nèi)單元網(wǎng)格中水流方向的過程中，往往會出現(xiàn)水流逆流的現(xiàn)象，所以需對洼地 DEM 進行修正處理，以求得與實際情況相符的結(jié)果。處理的方法和步驟如下：

1）搜索 DEM 矩陣確定洼地單元網(wǎng)格（洼地單元網(wǎng)格是指相鄰 8 個單元網(wǎng)格高程都不低于本單元網(wǎng)格高程的單元網(wǎng)格）。在搜索過程中，每當(dāng)遇到洼地單元網(wǎng)格時，就搜索以洼地單元網(wǎng)格為中心的窗口，位于窗口內(nèi)的單元網(wǎng)格如果沿著下坡和平坦區(qū)域能夠到達洼地單元網(wǎng)格，則標記為洼地單元網(wǎng)格，否則不進行標記。

2）重復(fù)搜索，直到窗口內(nèi)沒有單元網(wǎng)格能夠被標記為止。所有被標記為洼地單元網(wǎng)格組成的區(qū)域即為洼地區(qū)域，把洼地集水區(qū)域內(nèi)所有高程低于出流點的單元網(wǎng)格高程提升至出流點高程，洼地就變?yōu)橐粋€可以確定水流方向的平坦區(qū)域。

對平坦區(qū)域，根據(jù)流域地形實際情況，對平坦區(qū)域范圍內(nèi)的單元網(wǎng)格分別增加 1 個微小的高程增量或幅度（增量的大小和幅度可根據(jù)實際工作需要確定，但最大增量或幅度以不影響 DEM 精度為限），使抬升后的平坦區(qū)域內(nèi)的每個單元網(wǎng)格都有一個明確的水流方向，從而形成規(guī)范化的 DEM 數(shù)據(jù)。

1.3 水流方向的確定

為了模擬整個流域內(nèi)地表徑流的流動情況，需確定流域上每個單元網(wǎng)格內(nèi)的水流方向。單元網(wǎng)格內(nèi)的水流方向是指水流流出該單元網(wǎng)格的唯一流向[6]。對于 DEM 內(nèi)的某一單元網(wǎng)格，與其相鄰的共有 8 個單元網(wǎng)格。為了唯一確定單元網(wǎng)格內(nèi)的水流流向，采用 1～9 的數(shù)值代碼分別表示它流向相鄰網(wǎng)格的方向。方向編碼可以采用不同的形式或代碼，但對于同一個 DEM，最后確定的水流流向結(jié)果是完全相同的。

首先對中心網(wǎng)格的 8 個相鄰網(wǎng)格進行編碼，水流流向用其中一個數(shù)值代碼表示，如圖1 所示。如中心網(wǎng)格的水流流向正右方，則水流方向數(shù)值代碼為 6；如流向左下角，則水流方向數(shù)值代碼為 1。

圖1 網(wǎng)格水流流向編碼示意圖

假定中心網(wǎng)格點的平面坐標（行、列）為（i，j），則相鄰的 8 個點中任何一個點的平面坐標可以表示為（i+ m，j+ n），其中 m =-1，0，1；n =-1，0，1，但 m，n 不能同時為 0。因此，中心網(wǎng)格與相鄰任一網(wǎng)格的坡度 I 可按下式計算：

式中：H(i，j)為中心網(wǎng)格的高程；H(i+m，j+n)為相鄰的單元網(wǎng)格高程；Δ ι 為網(wǎng)格寬度。

如某一網(wǎng)格與相鄰網(wǎng)格之間的坡度用 I1，I2，I3，…，I9表示，則中心網(wǎng)格的最大坡度用 Imax表示，當(dāng) Imax大于 0 且等于 Id，則該中心網(wǎng)格的水流方向為 d。

1.4 流域的劃分及特征提取

流域是指水流分水嶺（線）所包圍的集水區(qū)域。流域的劃分，首先要確定單元網(wǎng)格內(nèi)的水流流向和流域內(nèi)的水流網(wǎng)絡(luò)（流域內(nèi)水流軌跡形成的網(wǎng)絡(luò)），在流域內(nèi)采用 3×3 窗口搜索每一個單元網(wǎng)格，確定流域內(nèi)每一個單元網(wǎng)格的水流流向，搜索完畢后即可形成整個流域的水流網(wǎng)絡(luò)；然后從流域的出口沿河道向上游逐級搜索每一條河道的集水區(qū)域范圍，搜索到的所有單元網(wǎng)格所占區(qū)域的邊界即為流域的分水嶺（線），分水嶺（線）所包圍的區(qū)域即為流域。

流域面積是指流域周圍分水嶺（線）與流域出口斷面之間所包圍的面積，也就是所有水流流出流域出口斷面的單元網(wǎng)格所占的全部面積。首先初始化上游集水面積矩陣為零，然后依次搜索水流流向矩陣，從每個單元網(wǎng)格出發(fā)，沿著與水流流向相反的方向進行逐個追蹤，直至到達流域的分水線為止。當(dāng)整個水流流向矩陣搜索完畢后，上游集水面積矩陣中的數(shù)值乘以每個單元網(wǎng)格的面積，即為流域集水面積矩陣。

圖2 河段長度特征圖

在河網(wǎng)水系提取的同時，通過 DEM 即可自動計算和生成流域內(nèi)所有河段的河長及比降的特征參數(shù)。根據(jù) DEM 自動生成的河北省張家口市崇禮小流域河段長度特征如圖2 所示。原則為，山丘區(qū)河流流域面積在 10～50 km2之間，深山無人居住區(qū)可適當(dāng)增大；水文站控制斷面、山區(qū)性河流的出山口、靠近主要村鎮(zhèn)的河道斷面、水庫入庫斷面及壩址處必須作為節(jié)點。在此基礎(chǔ)上，對提取的河網(wǎng)所對應(yīng)的流域進行必要的合并或增加節(jié)點，形成山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域。山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域劃分后，通過合并可得某個區(qū)域的小流域劃分圖。河北省李營站以上小流域劃分成果如圖3 所示。

2 小流域的劃分

在提取數(shù)字河流水系的同時，可以得到與該河流水系中各河段對應(yīng)的流域。但為了山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)警工作實際需要，必須在此基礎(chǔ)上進行小流域劃分。小流域劃分是為了在流域產(chǎn)流計算過程中充分考慮降雨和下墊面條件等影響因素在空間上的分布不均勻性[7]，更重要的是為了中、小流域出口等重要斷面處山洪防御工作的需要。小流域劃分的基本

圖3 河北省李營站以上小流域劃分成果示意

3 結(jié)語

結(jié)合山洪災(zāi)害防治工作實際需要，采用 DEM方法對山丘區(qū)流域特征的提取方法進行了探討和應(yīng)用，并以河北省 1∶50 000 地形圖為基礎(chǔ)，對河北省山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域的河流水系特征進行了提取，取得了令人滿意的結(jié)果。

在對山丘區(qū)流域特征提取的基礎(chǔ)上，對河北省境內(nèi)的山洪防治區(qū)小流域進行了劃分，獲得了河北省域小流域劃分成果，為山洪災(zāi)害區(qū)采用分布式水文模型進行洪水預(yù)測預(yù)警奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻：

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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

河北省水利科技項目（編號 2014-50）；江蘇省水利科技項目（編號 2013063）

程雙虎（1963－），男，河北辛集人，高級工程師，長期從事水文水資源及防洪減災(zāi)工作。