肖 鵬，謝小燕，醋院科

（1.貴州黔源電力股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

降雨是水電企業(yè)產(chǎn)生效益的重要影響因素之一，而未來(lái)降雨預(yù)報(bào)是梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度決策的主要依據(jù)。中央氣象臺(tái)每日滾動(dòng)發(fā)布的未來(lái)24 h～168 h 降雨預(yù)報(bào)是面向公眾的社會(huì)服務(wù)產(chǎn)品，其作為中國(guó)最高水平的氣象產(chǎn)品，對(duì)水庫(kù)調(diào)度具有很強(qiáng)指導(dǎo)意義，但并沒(méi)有針對(duì)水電企業(yè)的專(zhuān)業(yè)服務(wù)，沒(méi)有針對(duì)流域進(jìn)行邊界劃分，流域區(qū)域（邊界）不明確導(dǎo)致專(zhuān)業(yè)人員、非專(zhuān)業(yè)人員只能憑經(jīng)驗(yàn)判斷降雨區(qū)域，即無(wú)法準(zhǔn)確判斷降雨是否在流域區(qū)域內(nèi)。流域區(qū)域降雨預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確會(huì)影響到來(lái)水預(yù)測(cè)，引起發(fā)電方式安排不科學(xué)合理等一系列問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足水電精益化調(diào)度分析的需求。為此，本文研究基于數(shù)字流域[1]的流域邊界生成方法，通過(guò)DEM模型提取流域邊界，精確繪制了水電站所在流域，使天氣預(yù)報(bào)圖中流域范圍可視化。

1 流域及資料概況

北盤(pán)江[2]是西江水系的一級(jí)支流，跨滇、黔兩省，至貴州省雙江口與南盤(pán)江交匯，流域面積26569 km2。流域西部和東南部與烏江水系的分水嶺為苗嶺山脈，西部以界河可渡河、拖長(zhǎng)江和干流岔河口至都格段與云南相望，東南與檬江為鄰，南部與南盤(pán)江相接。流域?qū)賮啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候區(qū)。冬季主要受西風(fēng)北支急流影響，夏季主要受太平洋副熱帶高壓控制和印度洋孟加拉灣的西南暖濕氣流的影響。流域降水量豐沛，多年平均降雨量為1178.8 mm。北盤(pán)江流域梯級(jí)主要有萬(wàn)家口子（180 MW）、毛家河（180 MW）、響水（230 MW）、善泥坡（185.5 MW）、光照（1040 MW）、馬馬崖（558 MW）及董箐（880 MW）水電站組成。流域各水電站均建有完善的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，由近百個(gè)遙測(cè)站組成，遙測(cè)站坐標(biāo)準(zhǔn)確，可作格點(diǎn)劃分，遙測(cè)站承擔(dān)了雨量、水位以及流量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)資料較為齊全。

2 數(shù)字流域模型構(gòu)建

2.1 對(duì)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM 進(jìn)行預(yù)處理

對(duì)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM[3]進(jìn)行填洼處理，得到無(wú)洼地的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM。DEM在離散化過(guò)程中的插值誤差和采樣誤差，造成許多洼地（凹陷型洼地和阻擋型洼地），這些洼地將在水流方向計(jì)算時(shí)，造成有些水不能流出流域邊界，從而產(chǎn)生很大的誤差或不能計(jì)算出合理的結(jié)果。流域信息的提取需要高質(zhì)量的DEM，要求沒(méi)有坑和壩，需要對(duì)DEM進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)原始的DEM進(jìn)行填洼處理，得到無(wú)洼地的DEM。填洼過(guò)程是對(duì)DEM進(jìn)行地表面水流動(dòng)的模擬，假設(shè)有無(wú)限量的降水，雨水不斷在地表形成徑流，由于洼地是在周邊地形中無(wú)水流方向的像元，則可以根據(jù)水流方向判斷出洼地的位置，繼而將凹陷處填平。通過(guò)不斷地迭代，即填平之后再次判斷是否存在洼地，如果存在則繼續(xù)填洼處理，直到設(shè)定高程閾值（判斷洼地的高程差）內(nèi)所有的洼地填充完成。計(jì)算水流方向矩陣的方法為，利用D8 算法[4]計(jì)算水流的路徑及方向，得到與DEM維數(shù)相同的水流方向矩陣，具體方法如下：

（1）將中心像元的八鄰域像元編碼，所述八鄰域像元編碼用于表示水流方向，見(jiàn)圖1；每個(gè)水流方向（水流離開(kāi)中心像元的指向）都有固定的編碼，以編碼矩陣表示該區(qū)域水流的方向；其次根據(jù)中心像元及八鄰域像元的高程關(guān)系，計(jì)算下降方向，公式為:

式中：z 為鄰域像元的高程；value 為中心像元的高程；distance表示像元中心之間的距離；如果像元大小為1，則兩個(gè)正交像元之間的距離為1，兩個(gè)對(duì)角線像元之間的距離為；下降方向最大值即為最陡下降方向；若八鄰域像元中存在多個(gè)最陡下降方向，則擴(kuò)大相鄰像元范圍，直至得到唯一最陡下降方向?yàn)橹?；水流方向的連線即為水流路徑。

圖1 八鄰域像元編碼圖

（2）利用最陡下降方向?qū)?yīng)的像元中的編碼對(duì)輸出像元進(jìn)行賦值，最終得到與DEM維數(shù)相同的水流方向矩陣。

2.2 計(jì)算集水面積

根據(jù)水流方向矩陣計(jì)算得出匯流累積量，即上游累積集水面積，每個(gè)像元的匯流累積量表示最終匯流經(jīng)過(guò)像元的上游像元的水量。首先依次遍歷水流方向矩陣的像元，若當(dāng)前像元的八鄰域像元中沒(méi)有流入的水流，則當(dāng)前像元的匯流累積量為零，即當(dāng)前像元的輸出值為零；如果當(dāng)前像元的八鄰域像元中存在匯入方向的水流，則根據(jù)分配的水量權(quán)重疊加計(jì)算匯流累積量，作為當(dāng)前像元的輸出值；所述水量權(quán)重可以缺省，缺省值為1，即認(rèn)為以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字高程模型的每個(gè)單元都有一個(gè)單位的水量。最終獲得當(dāng)前區(qū)域中每個(gè)像元的匯流累積量，形成匯流累積量矩陣，即為集水面積矩陣，見(jiàn)圖2。高流量的單元是集中流動(dòng)區(qū)域，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越容易形成地表徑流。

圖2 集水面積矩陣圖

2.3 生成水系和單元

在集水面積矩陣中，大于預(yù)設(shè)的面積閾值的像元為河道，在集水面積矩陣上標(biāo)注出河道的位置，生成河流網(wǎng)絡(luò)柵格；本文研究實(shí)例中面積閾值設(shè)置為38841。細(xì)化河流網(wǎng)絡(luò)柵格，直到留下彼此連通的由單個(gè)柵格點(diǎn)組成的圖形；所述細(xì)化河流網(wǎng)絡(luò)柵格具體為從曲線的邊緣開(kāi)始，每次剝掉一個(gè)柵格寬的一層，直到留下彼此連通的由單個(gè)柵格點(diǎn)組成的圖形。細(xì)化后的河流網(wǎng)絡(luò)柵格即為骨架柵格，從骨架柵格的西北角開(kāi)始，根據(jù)八鄰域進(jìn)行搜索，依次跟蹤相鄰柵格，將柵格點(diǎn)轉(zhuǎn)換為矢量點(diǎn)坐標(biāo)序列并連線，得到矢量化的水系，水系間的分水嶺則構(gòu)成單元。

2.4 生成流域邊界

確定一個(gè)流域出水口，即集水區(qū)的最低點(diǎn)，結(jié)合水流方向矩陣，從出水口開(kāi)始遍歷每個(gè)像元的八鄰域，尋找水流方向流向當(dāng)前像元的鄰域單元，記為當(dāng)前像元的上游像元；以上游像元繼續(xù)向上游逐層搜索，直到某一層上游像元的八鄰域均不流向當(dāng)前像元時(shí)停止；最終生成一個(gè)柵格流域的包圍圈，即流域邊界，見(jiàn)圖3。

圖3 流域邊界圖

2.5 水電站流域邊界與天氣預(yù)報(bào)圖疊加融合

設(shè)定水電站流域邊界投影方式與天氣預(yù)報(bào)降雨預(yù)報(bào)圖的投影方式相同，將流域邊界與降雨預(yù)報(bào)圖疊加融合，確定落在流域邊界內(nèi)的格點(diǎn)，獲取格點(diǎn)降雨預(yù)報(bào)數(shù)值，從而計(jì)算出流域降雨量預(yù)報(bào)數(shù)值。中央氣象臺(tái)降雨量預(yù)報(bào)圖每日8 點(diǎn)、20點(diǎn)會(huì)更新。采用自動(dòng)下載程序每隔半小時(shí)刷新、下載新的預(yù)報(bào)圖至本地文件夾。將生成好的流域邊界與降雨量預(yù)報(bào)圖疊加融合，設(shè)定流域邊界投影方式（與中央氣象臺(tái)降雨量預(yù)報(bào)圖采用同樣的投影方式），將流域邊界與降雨預(yù)報(bào)圖疊加融合，確定落在流域邊界內(nèi)的格點(diǎn)，就可以獲取格點(diǎn)降雨預(yù)報(bào)數(shù)值，從而計(jì)算出流域降雨量的預(yù)報(bào)數(shù)值，提高流域降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

3 模型應(yīng)用

典型實(shí)例：選取2019 年8 月4 日8：00 中央氣象臺(tái)發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)，全國(guó)降水量預(yù)報(bào)圖，疊加融合北盤(pán)江流域梯級(jí)水電站的覆蓋范圍，可以清晰識(shí)別出流域降水量分布特征，預(yù)報(bào)中下游有降水，上游無(wú)降水，見(jiàn)圖4；同時(shí)通過(guò)確定落在流域邊界內(nèi)的格點(diǎn)，獲取格點(diǎn)降雨預(yù)報(bào)數(shù)值，可以計(jì)算出未來(lái)24 小時(shí)的流域降雨量預(yù)報(bào)數(shù)值，為調(diào)度提供詳盡的預(yù)報(bào)雨量，將提高降雨洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖5。

圖4 數(shù)字流域邊界提取應(yīng)用生成精細(xì)化可視化降雨預(yù)報(bào)

圖5 數(shù)字流域邊界提取應(yīng)用生成數(shù)值降雨預(yù)報(bào)

可見(jiàn)通過(guò)數(shù)字流域邊界提取生成的水電站流域圖，借助中央氣象臺(tái)每日滾動(dòng)發(fā)布的降雨預(yù)報(bào)天氣圖，生成精細(xì)化可視化的流域降雨預(yù)報(bào)（見(jiàn)圖4），將降雨預(yù)報(bào)圖準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為降雨預(yù)報(bào)數(shù)值，可以使專(zhuān)業(yè)人員、非專(zhuān)業(yè)人員判斷降雨分布區(qū)域及量級(jí)，實(shí)現(xiàn)流域區(qū)域內(nèi)降雨的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，進(jìn)一步提高水電精益化調(diào)度水平。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字流域邊界提取為水電站精細(xì)化降雨預(yù)報(bào)提供了準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)流域范圍，對(duì)于合理利用雨水資源和減輕暴雨洪災(zāi)損失具有積極意義。同時(shí)，數(shù)字流域邊界提取為水庫(kù)調(diào)度提供了更準(zhǔn)確更精細(xì)的降雨預(yù)報(bào)，通過(guò)將降雨預(yù)報(bào)與流域地形和暴雨洪水特性結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字流域與新安江模型的有機(jī)結(jié)合，可以為水電精益化調(diào)度提供更高準(zhǔn)確率的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果?？梢?jiàn)數(shù)字流域在梯級(jí)水庫(kù)水電站降雨預(yù)報(bào)研究中的應(yīng)用，在水電行業(yè)內(nèi)具有重要的借鑒意義。