基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向平原河网区的流域集水单元划分方法，技术应用领域为水文 分析与模拟。
【背景技术】
[0002] 分布式水文模型被广泛应用于流域水文过程的模拟，成为科学认识与合理解决水 资源和水环境问题不可或缺的工具。为了更好地反映地理要素和地理过程的空间可变性， 分布式水文建模需要将整个流域划分成较小的、具有相对单一水文过程的空间单元，空间 单元的合理划分是分布式水文模拟的重要基础。
[0003]目前流域的划分通常采用基于数字高程模型（DEM)的水文分析方法，其中具有代 表性的是以D8 (Deterministic eight-neighbors)流向模型为基础的算法，即D8方法。D8 方法利用DEM的高程信息计算坡面水流流向，再通过设定汇水累积阈值提取河网，进而划 分子流域。然而，D8方法在平坦地区的应用受到限制，这是由于大多DEM数据的精度不足以 描述平坦区的细微地形，导致计算的水流方向不准确，提取的河网与真实河网偏差很大。为 了解决这个问题，许多学者进行了研究，并在D8方法的基础上提出了一系列改进的方法， 如被广泛应用的"Stream Burning"方法，这些方法通过对DEM数据的高程值进行修正，迫 使模拟的水流流向指定的方向，从而得到与真实河网更接近的水流路径。尽管这些方法使 得从DEM提取的河网准确性得到了很大的提高，但这种本质上基于DEM计算格网流向-提 取河网-划分子流域三步骤的流域划分方法在平原河网区仍面临一些问题。
[0004] 平原河网区具有地势平坦、河网纵横交错、湖荡星罗棋布、圩区众多的特点。在平 原河网区，湖泊、水库和圩区都是具有独立集水功能的单元，在流域划分过程中应该作为单 独的集水单元进行划分。此外，平原河网区的河网呈网状结构，与丘陵、山区的枝状河网结 构截然不同，河段与湖泊、水库和圩区之间也具有复杂的水文关联关系。然而，平原河网区 这种复杂的流域特征无法从DEM数据中进行识别，这使得现有方法难以在平原河网区进行 合理的集水单元划分，也将影响分布式水文模型在平原河网区的应用。
【发明内容】
[0005] 本发明为了克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种基于数字河湖网络的流域 集水单元划分方法。该方法通过构建平原河网区水文空间要素数据模型建立真实河湖网 络的拓扑关系，用于辅助定义格网流向与划分集水单元，解决了现有基于DEM的子流域划 分方法无法合理表达平原河网区网状河网结构、湖泊、水库和圩区的问题，能够将流域划分 为湖泊、水库、圩区和坡面集水区四种类型，对于平原河网区的分布式水文模拟具有重要意 义。
[0006] 本发明的技术解决方案为：
[0007] 基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，该方法通过建立平原河 网区的数字河湖网络矢量数据模型，将其用于辅助栅格流向的确定和流域的划分，其具体 步骤是：
[0008] 第一步、构建平原河网区水文空间要素数据模型：对平原河网区的河段、湖泊、水 库、圩区、坡面集水区和水文节点6种要素的空间结构与水文联系进行解析，设计点、线和 面的矢量数据结构对各要素进行组织，采用上、下游关系属性来建立各要素之间的拓扑关 系，拓扑关系包括：水文节点与水文节点之间的上下游关系、水文节点与河段之间的关联关 系、水文节点与湖泊、水库、圩区、坡面集水区之间的关联关系、河段与河段之间的上下游关 系、河段与湖泊、水库、圩区、坡面集水区之间的关联关系；通过Geodatabase数据模型对矢 量要素进行存储；
[0009] 第二步、水文节点提取与类型定义：按照矢量河段、湖泊、水库和圩区之间的邻接 拓扑关系以及水文站点与圩区排灌站位置数据，提取水文节点数据，并根据节点的水文功 能定义节点类型，节点类型包括：河道源节点、河道连接节点、流域出口节点、湖泊出口节 点、湖泊入口节点、水库出口节点、水库入口节点、圩区排灌站节点和水文站节点；
[0010] 第三步、定义矢量河网流向：根据水文节点数据的类型和河流流向拓扑规则，确定 矢量河网一部分河段的流向，其余河段流向定义为与流域平均坡向一致，最后结合河流流 向拓扑规则与水文观测数据对河网流向进行纠正；其中，河流流向拓扑规则为：关联2条 以上河段的水文节点，其关联的河段中至少有一条是流入节点并且至少有一条是从节点流 出；将河段流向定义为与流域平均坡向一致的方法为：分别求取河段端点连接线段的两个 方向的向量与流域平均坡向向量的夹角，取能使向量夹角为锐角的那个河流方向；
[0011] 第四步、基于矢量河网流向数据和平原河网区水文空间要素数据模型建立河段、 湖泊、水库、圩区以及水文节点之间的拓扑关系；
[0012] 第五步、栅格流向定义与编码：河网所在栅格流向根据矢量河网的流向，逐河段进 行定义并采用多流向栅格编码方法设定栅格流向，湖泊、水库和圩区所在栅格值设定为唯 一要素识别码，其余坡面栅格流向先使用D8方法进行定义再根据坡面栅格与河段、湖泊、 水库、圩区的空间位置关系对其流向进行修正；其中，多流向栅格编码方法为：将D8模型的 8个单流向编码（1、2、4、8、16、32、64、128)中的若干方向编码进行"按位或"运算，即得到这 几个方向的复合编码；反之，将复合编码与8个单流向编码逐一进行"按位与"运算，结果不 为〇的方向即为分解出来的单流向；坡面栅格流向修正方法为：将每条河段两侧一定缓冲 距离内的栅格流向修正为流向最近的河段栅格，将湖泊、水库和圩区外围相邻栅格流向修 正为沿外围边界流入最近的河道栅格，其中各河段的缓冲距离定义为该河段两侧绝对平坦 地形的最大宽度；
[0013] 第六步、集水单元划分与拓扑关系构建：基于栅格流向数据和水文节点、湖泊、水 库、圩区的空间位置进行集水单元划分，得到湖泊、水库、圩区和坡面集水区四种类型的集 水单元数据，并根据河网流向建立集水单元、水文节点、河段之间的拓扑关系。
[0014] 本发明的方法改变了传统利用DEM生成栅格流向和集水面积来提取河网的步骤， 直接采用数字化的真实河湖网络，再辅助用于栅格流向的定义和集水单元划分，解决了平 原河网区难以准确提取水系网络和合理划分集水单元的问题，并通过设计多流向栅格编码 方法实现了对平原河网区交叉河网结构的表达，对于分布式水文模型在平原河网区的应用 具有重要意义。
【附图说明】
[0015] 图1本发明方法的实现流程图；
[0016] 图2流域水文节点与矢量河网流向示意图；
[0017] 图3多流向编码示意图；
[0018] 图4河网栅格流向定义示意图：（a)矢量河网，（b)河网所在栅格的流向，（c)河 网所在栅格流向编码，其中斜线阴影栅格为河网所在栅格，深色阴影栅格为多流向栅格；
[0019] 图5坡面栅格流向定义示意图：(a)原始DEM高程值与河段（带箭头线段）、湖泊 (灰色多边形）位置，（b)填洼处理（深灰色填充）后的DEM高程值、河段（斜线阴影）与 湖泊（灰色填充）所在栅格、河段两侧绝对平坦地形范围（虚线框），（c)D8法计算的原始 坡面栅格流向、河段栅格流向与湖泊栅格识别码，（d)修正后（粗线框）的栅格流向；
[0020] 图6划分的集水单元示意图，其中右上角的插图为图中方框部分的放大图。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，本发明基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法包括 如下步骤：
[0022] 第一步，构建平原河网区水文空间要素数据模型。首先，对平原河网区的河段、湖 泊、水库、圩区、坡面集水区和水文节点6种要素的空间结构与水文联系进行解析，分别设 计点、线和面的矢量数据结构对各要素进行组织，采用上、下游关系属性来建立各要素之间 的拓扑关系。其中，点要素即为水文节点，包括：河道源节点、河道连接节点、流域出口节点、 湖泊出口节点、湖泊入口节点、水库出口节点、水库入口节点、圩区排灌站节点和水文站节 点9种类型；线要素即为河段；面要素即为集水单元，包括：湖泊、水库、圩区和坡面集水区 4种类型。然后，通过Geodatabase数据模型对矢量要素进行存储，每个要素具有唯一的标 识码，各要素之间的拓扑关系通过上、下游属性字段进行存储。
[0023] 第二步，利用平原河网区的数字河湖网络提取水文节点并定义节点类型。首先，从 水系图和水工设施专题图中数字化河网、湖泊、水库、排灌站和水文站，按照平原河网区水 文空间要素数据模型进行组织与存储。其次，根据各要素之间的空间邻接关系提取水文节 点。最后，根据水文资料手动定义流域出口节点、湖泊出入口节点和水库出入口节点，根据 要素关联关系自动定义河道源节点和河道关联节点。
[0024] 第三步，矢量河网流向定义。首先，根据节点类型的含义，自动定义与河道源节点、 流域出口节点、湖泊出入口节点和水库出入口节点相关联的河段的流向。其次，根据节点关 联河段中至少有一条流入和流出的河流流向规则，自动定义一部分与河道连接节点关联河 段的流向。再次，剩余未定