一种近坝区子流域单元划分方法、装置及存储介质与流程

1.本发明涉及一种近坝区子流域单元划分方法、装置及存储介质，属于水文技术领域。


背景技术：

2.流域水文模型通过对水文过程的概化描述，由一定的结构和参数对流域上产生的某一场洪水径流过程进行模拟并推求出口断面处的流量数据，是目前洪水预报工作的重要工具。随着地理信息技术、遥感技术及计算机科学地发展，即便在无资料或资料短缺地区，流域地理条件亦可以通过数字高程模型(dem)、土地利用及土壤分类地图等遥感影像获取。
3.流域面上存在着降雨分布的不均匀性、下垫面性质的不均匀性及河网性质的不均匀性等特性。为了考虑这些不均匀性,常将计算流域划分为多块单元流域,在每块单元流域内分别进行降雨-径流计算。流域分块数目不同,对不均匀性的处理也就不同,有关影响因素对径流形成过程的平均作用也不同,模型参数也需相应做出改变。
4.如何利用dem数据和降雨数据来对流域进行合理划分，从而在一定程度上考虑地理特征空间不均匀性对于流域洪水模拟的影响，也是流域洪水模拟与预报走向分布化，精细化过程中的重点和难点之一。
5.在研究近坝区流域分块方法时，首先面临的挑战就是子流域划分的数量以及划分依据，汇流阈值的确定。在目前的实际应用中，主要采用经验法进行子流域的划分。这种方法由于没有很强的基础依据，因此不能保证其合理性。
6.针对以上不足，如何建立一种合理的子流域单元划分方法，方便采用水文模型进行流域洪水预报正是发明人需要解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种近坝区子流域单元划分方法、装置及存储介质，具有数据来源稳定可靠、计算效率高、结果客观合理等优点，值得推广。
8.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
9.第一方面，本发明提供了一种近坝区子流域单元划分方法，包括：
10.基于dem数据生成近坝区水系和流域；
11.结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌；
12.结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图；
13.根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分。
14.进一步的，所述基于dem数据生成近坝区水系和流域，包括：
15.基于所研究流域的数字高程dem数据，对流域进行填洼，采用填洼函数，进行填洼计算；
16.对流域流向进行提取，流向判断采用以下原则：从n＝0开始，用2的n次方表示，按
照逆时针分别用数字1、2、4、8、16、32、64、128来表示东、东南、南、西南、西、西北、北、东北8个方向，在3
×
3的窗口上，计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差，8个方向里坡度最陡的栅格流向确定为水流方向；
17.基于水流方向数据对流域进行汇流累积计算；
18.给定汇流阈值t，对流域进行河道提取，若生成的水系过于稀疏则使用阈值计算公式更改阈值计算后重新提取河道；
19.提取子流域的分水岭，划分流域基本单元，流域基本单元的数量与提取河道的数量一致。
20.进一步的，所述结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌，包括：
21.利用dem提取流域的基本地形特征要素,基本地形包括控制地形地貌分布特征的点、线、面，用来进行地形地貌划分研究，特征要素包括坡度坡向、坡率变向；
22.生成研究流域边界后进行坡度、坡向计算，地表上任一点的坡度s和坡向a 是地形曲面在东西、南北方向上高程变化率的函数；
23.根据研究流域的dem获得每两条等高线间的面积和各条等高线的长度；
24.在地表坡度的提取基础上进行对坡向变化率值的二次提取，计算获取坡向变率。
25.进一步的，所述结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图，包括：
26.获取水文站点、雨量站点坐标及其历史降雨量，坐标用于在地图中确定站点位置，历史降雨量用于后续的插值计算；
27.进行空间确定性插值，采用反距离加权法进行插值；
28.通过插值计算出来的暴雨中心图是覆盖在整个流域的方形图，进一步对其裁剪成适合的流域形状，以及调整其雨量变化的幅度范围和颜色，确保不同场次洪水对应的暴雨中心图比对量级是一致的。
29.进一步的，所述根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分，包括：
30.将所述流域基本单元进行合并，初步划分子流域；
31.根据计算出的坡度、坡向变率区分流域内不同下垫面的特性，分析流域内地形地貌及土地利用类型特征，然后计算求取土地利用分维数值，其中，当分维数小代表受人类活动影响小，反之，维数越大代表受人类活动影响越大；
32.综合运用所述子流域初步划分结果以及暴雨中心图，确定子流域单元；
33.将划分好的各个子流域单独提取出来，之后将各个子流域质心提取出来，求出子流域最长流径长度。
34.进一步的，还包括根据人类活动影响大的区域对不同位置对子流域进行划分，所述人类活动影响大的区域包括城镇、山地与平原。
35.进一步的，综合运用所述子流域初步划分结果以及暴雨中心图，确定子流域单元，包括：
36.由所述反距离加权法，根据每个雨量站点的降雨数据，设置阈值，计算得到流域空间上的雨量分布；利用颜色表示雨量的大小，颜色越深代表雨量越大，颜色越浅代表雨量越小，暴雨中心图深色的圈状地区即是暴雨中心位置；
37.针对第一场洪水，基于暴雨中心图采用目视法调整子流域单元初步划分结果，保证该场洪水的多个暴雨中心均在不同的子流域内；
38.执行调整子流域单元划分结果步骤，所述调整子流域单元划分结果步骤包括：对于一个子流域存在多个暴雨中心的情形，则进一步采用目视法调整子流域单元划分结果；
39.分析流域内多场洪水的暴雨中心图，重复所述调整子流域单元划分结果步骤，直到一个子流域内存在不超过一个暴雨中心为止，得到子流域单元划分结果。
40.第二方面，本发明提供一种近坝区子流域单元划分装置，包括：
41.第一提取单元，用于基于dem数据生成近坝区水系和流域；
42.第二提取单元，用于结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌；
43.暴雨中心图绘制单元，用于结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图；
44.子流域单元划分单元，用于根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分。
45.第三方面，本发明提供一种近坝区子流域单元划分装置，包括处理器及存储介质；
46.所述存储介质用于存储指令；
47.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
48.第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
49.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
50.本发明综合考虑了地形地貌及暴雨中心位置对近坝区流域子流域单元划分的影响，依据地形地貌和暴雨中心区划分子流域单元，可以清楚反映出山地和平原等不同下垫面的产汇流方式，体现暴雨中心对产汇流的影响，使子流域单元划分更加合理，方便考虑流域产汇流物理特性，洪水预报精度得到提高，保证了数据来源稳定可靠，计算结果精确合理，解决了湿润地区近坝区流域如何划分的问题，有利于子流域划分研究的深入发展。
附图说明
51.图1是本发明实施例提供的一种近坝区子流域单元划分方法的流程示意图；
52.图2是本发明实施例提供的流域dem数据图；
53.图3是本发明实施例提供的流向确定原则示意图；
54.图4是本发明实施例提供的研究区地形地貌图；
55.图5是本发明实施例提供的研究区暴雨中心图；
56.图6是本发明实施例提供的流域子流域单元划分图。
具体实施方式
57.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
58.实施例1
59.本实施例介绍一种近坝区子流域单元划分方法，包括：
60.基于dem数据生成近坝区水系和流域；
61.结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌；
62.结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图；
63.根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分。
64.如图1至图6所示，本实施例提供的近坝区子流域单元划分方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
65.s1、一种综合考虑地形地貌、暴雨中心的近坝区子流域单元划分方法，其特征在于，所述步骤1中，提取出近坝区流域的填洼数据、流向数据、汇流累积数据、河道、分水岭等，具体包括以下步骤：
66.1)准备研究流域的数字高程(dem)数据(图2)，由于dem是较光滑的地表模拟图，但实际地形中会有凹陷的区域，使得流向计算后与实际不符，所以需要对流域进行填洼。采用填洼函数，进行填洼计算。
67.2)对流域流向进行提取，流向判断采用以下原则(图3)：从n＝0开始，用2的n次方表示，按照逆时针分别用数字1、2、4、8、16、32、64、128来表示东、东南、南、西南、西、西北、北、东北8个方向。即在3
×
3的窗口上，计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差，8个方向里坡度最陡的栅格流向确定为水流方向。
68.3)对流域进行汇流累积计算，汇流累积量是基于水流方向数据计算而来的。对每一个栅格来说，其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个栅格的水流流经该栅格，汇流累积值越大，该区域越易形成地表径流。
69.4)给定汇流阈值t，对流域进行河道提取，若生成的水系过于稀疏则使用阈值计算公式更改阈值计算后重新提取河道。
70.阈值计算公式：
[0071][0072]
式中：acck为编号为k的栅格单元内的累积值，t为流域的河道阈值，r＝1表示该栅格单元为河道栅格单元，即定义为河道。r＝0表示该栅格单元为坡地栅格单元，表示不定义为河道。
[0073]
5)提取子流域的分水岭，划分流域基本单元，流域基本单元的数量与提取河道的数量一致，水系提取的越密集，子流域划分的越细致，方便后续的合并处理。
[0074]
s2、一种综合考虑地形地貌、暴雨中心的近坝区子流域单元划分方法，其特征在于，所述步骤2中，结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌，具体包括以下步骤：
[0075]
1)利用dem提取流域的基本地形特征要素(图4),主要是指控制地形地貌分布特征的点、线、面，可以用来进行地形地貌划分研究。特征要素主要包括坡度坡向、坡率变向。
[0076]
2)生成研究流域边界后可进行坡度、坡向计算，地表上任一点的坡度s和坡向a是地形曲面在东西(y轴)、南北(x轴)方向上高程变化率的函数：
[0077][0078]
[0079]
式中：f
x
——南北方向上高程的变化率；fy——东西方向上高程的变化率。
[0080]
3)根据研究流域的dem可获得每两条等高线间的面积和各条等高线的长度。先计算两条等高线之间的坡度为：
[0081][0082]
式中：δh——等高距；b——两条等高线间的水平距离，即b＝2f1/(l0+l1)
[0083]
在此基础上可获得任意两条等高线之间的坡度，假设共有n条等高线，则有：
[0084][0085]
则流域的平均坡度为为：
[0086][0087]
式中：f——研究流域面积。
[0088]
4)坡向变率，是指在地表坡度的提取基础上进行对坡向变化率值的二次提取，即坡向之坡率(slope of aspect，soa)，是坡向在水平方向的变率。
[0089]
首先计算带有误差的soa1；其次基于dem计算soa2，坡向变率的具体计算公式为：
[0090][0091]
s3、一种综合考虑地形地貌、暴雨中心的近坝区子流域单元划分方法，其特征在于，所述步骤3中，结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图，具体包括以下步骤：
[0092]
1)获取水文站点、雨量站点坐标及其历史降雨量，坐标用于在地图中确定站点位置，历史降雨量用于后续的插值计算。
[0093]
2)进行空间确定性插值，采用反距离加权法进行插值。
[0094]
反距离加权(inverse distance weighted，idw)插值法是基于相近相似的原理：即两个物体离得近，它们的性质就越相似，反之，离得越远则相似性越小。它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点的权重越大。公式如下：
[0095][0096]
式中，z(s0)为s0处的预测值；
[0097]
n为预测计算过程中要使用的预测点周围样点的数量；
[0098]
λi为预测计算过程中使用的各样点的权重，该值随着样点与预测点之间距离的增加而减少；
[0099]
z(si)是在si处获得的测量值。
[0100]
确定权重的计算公式为；
[0101][0102][0103]
式中：p为指数值，是预测点s0与各已知样点si之间的距离。
[0104]
样点在预测点值的计算过程中所占权重的大小与指数p有关；也就是说，如果采样点与预测值之间距离的减小，标准样点对预测点影响的权重就会按指数规律增加。在预测过程中，各样点值对预测点值作用的权重大小是成比例的，而这些权重值的总和为1。
[0105]
3)通过idw插值计算出来的暴雨中心图是覆盖在整个流域的方形图，需要进一步的裁剪成适合的流域形状，以及调整其雨量变化的幅度范围和颜色，确保不同场次洪水对应的暴雨中心图(图5)比对量级是一致的。
[0106]
s4、一种综合考虑地形地貌、暴雨中心的近坝区子流域单元划分方法，其特征在于，所述步骤4中，根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分，具体包括以下步骤：
[0107]
1)分维数(fractal dimension)法可以比较准确地测定地物的复杂度和破碎程度。其中适用于n维欧氏空间关系的分形公式：
[0108][0109]
当n＝2时就是二维欧式空间的分形公式，令a(r)和p(r)分别代表以r为测量尺度的图斑面积和周长得出：
[0110]
p(r)
1/d
＝kr
(1-d)/d
a(r)
1/2
[0111]
两边取对数，即
[0112]
lg a(r)＝(2/d)lg p(r)+c
[0113]
d代表分维值，a(r)为土地利用类型图斑面积，p(r)为对应土地利用类型图斑周长，c为待定常数。
[0114]
2)将步骤1中提取出来的流域基本单元进行合并(merge)，初步划分子流域：根据步骤2计算出的坡度、坡向变率区分流域内山地、平原等不同下垫面特性，坡度和坡向变率越大说明地形越陡峭，即表示为山地，再分析流域内地形地貌及土地利用类型特征，然后根据上述公式求取土地利用分维数值，分维数小代表受人类活动影响小，反之，维数越大代表受人类活动影响越大。人类活动同样对地形地貌有着剧烈的影响，人类活动影响大的区域可表示为城镇，与山地、平原等不同地形一起区分出来，根据城镇、山地、平原在流域不同位置对子流域进行一个大体划分。
[0115]
3)综合运用前述基于地形地貌的子流域初步划分结果及暴雨中心图，确定子流域单元，具体步骤如下：
[0116]
(1)由步骤3的反距离加权法，根据每个雨量站点的降雨数据，设置阈值，计算得到流域空间上的雨量分布；利用颜色表示雨量的大小，颜色越深代表雨量越大，颜色越浅代表雨量越小，暴雨中心图深色的圈状地区即是暴雨中心位置；
[0117]
(2)一场洪水可能有多个暴雨中心，针对第一场洪水，基于暴雨中心图采用目视法调整子流域单元初步划分结果，保证该场洪水的多个暴雨中心均在不同的子流域内；
[0118]
(3)若直接采用步骤(2)中第一场洪水暴雨中心图的划分结果，因不同的场次洪水暴雨中心位置不同，对于第二场洪水，可能会出现一个子流域存在多个暴雨中心的情形；
[0119]
(4)对于一个子流域存在多个暴雨中心的情形，则进一步采用目视法调整子流域单元划分结果；
[0120]
(5)分析流域内多场洪水的暴雨中心图，重复上述步骤(4)，直到一个子流域内存在不超过一个暴雨中心为止，得到子流域单元划分结果(图 6)。
[0121]
4)由上述步骤划分得到的子流域单元划分结果不仅能较好地考虑流域产流空间分布，而且便于定量考虑汇流的物理特性：将划分好的各个子流域单独提取出来，之后将各个子流域质心提取出来，求出子流域最长流径长度。洪峰延时t
p
是指单位线峰值时间与对应于净雨分布图的质心时间差，计算公式：
[0122][0123]
式中，lw为子流域最长河道长度，cn为子流域中的平均曲线数，s为子流域最长河道坡度，δt为分析时间步长。
[0124][0125]
实施例2
[0126]
本实施例提供一种近坝区子流域单元划分装置，包括：
[0127]
第一提取单元，用于基于dem数据生成近坝区水系和流域；
[0128]
第二提取单元，用于结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌；
[0129]
暴雨中心图绘制单元，用于结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图；
[0130]
子流域单元划分单元，用于根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分。
[0131]
实施例3
[0132]
本实施例提供一种近坝区子流域单元划分装置，包括处理器及存储介质；
[0133]
所述存储介质用于存储指令；
[0134]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据下述任一项所述方法的步骤：
[0135]
基于dem数据生成近坝区水系和流域；
[0136]
结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌；
[0137]
结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图；
[0138]
根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分。
[0139]
实施例4
[0140]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述任一项所述方法的步骤：
[0141]
基于dem数据生成近坝区水系和流域；
[0142]
结合生成的近坝区水系和流域，基于dem数据提取出近坝区流域的地形地貌；
[0143]
结合dem数据和降雨资料绘出暴雨中心图；
[0144]
根据地形地貌和暴雨中心图对近坝区流域进行子流域单元划分。
[0145]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。