一种反映地表下垫面类型特征的子流域划分和编码方法

技术领域

本发明涉及水文模型技术领域，尤其涉及一种反映地表下垫面类型特征的子流域划分和编码方法。

背景技术

在大尺度流域分布式水文模型构建应用中，采用子流域进行计算单元划分并进行编码是水文模拟的基础。一般情况下，假定划分的子流域具有相同的产汇流结构，按照坡面产流、坡面汇流、河道汇流的顺序进行模拟。然而，在一些特殊类型的子流域中，则可能存在特殊的模拟需求或者缺少部分环节。例如，将平原区按正方形栅格进行划分时，有些平原单元没有对应的河道，此时则不存在河道汇流过程，而且不同平原区单元之间存在着额外的地下水交换过程等等；将湖泊湿地水面划分为一个子流域时，需要进行湖泊湿地水量调蓄模拟，汇入湖泊湿地的部分子流域也没有河道汇流过程等等。此时，传统的编码方式将无法适应新要求，需要增加新的属性以反映不同子流域单元的特殊性，并基于此调用不同的水文模拟模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反映地表下垫面类型特征的子流域划分和编码方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种反映地表下垫面类型特征的子流域划分和编码方法，包括如下步骤，

S1、基于DEM栅格数据计算流域内各栅格流向和栅格汇流累积量，并基于设定的河道阈值和沟道阈值分别提取模拟河网和模拟沟道，从而将流域栅格分为河道栅格、沟道栅格和坡面栅格，所述坡面栅格为非河道非沟道栅格；

S2、从流域出口开始溯源遍历追迹，并根据不同下垫面类型特征采用不同子流域划分模式将整个流域划分成数目不等的子流域，并对每个子流域进行编号且确定各个子流域流向；

S3、根据各个子流域流向和汇流面积确定上游流入各个子流域的干流、支流关系以及不同下垫面类型特征属性；

S4、根据子流域划分结果、上下游关系和相关特征属性信息，编制子流域汇流关系属性表。

优选的，步骤S1中，所述栅格流向采用D8算法计算得出，即将该栅格流向其周边8个栅格中坡度最陡的栅格的流向作为该栅格的流向；坡度计算为当前栅格高程和相邻栅格高程的差与两者之间距离的比值，比值越大则坡度越陡，当比值为负数，则表示相邻栅格流向该栅格；该栅格与其上下左右的四个栅格之间的距离为1个栅格单位长；该栅格与其对角线上的4个栅格之间的距离为

优选的，步骤S1中，所述河道阈值大于或等于沟道阈值，保证通过沟道阈值能够提取出沟道栅格和河道栅格；若某个栅格的汇流累积数大于沟道阈值，则判定该栅格为待定栅格，否则该栅格为坡面栅格；若待定栅格的汇流累积数大于河道阈值，则判定该待定栅格为河道栅格，否则判定该待定栅格为沟道栅格；所有的河道栅格共同构成模拟河网；所有的沟道栅格共同构成模拟沟道；所述模拟河网用于模拟流域内的河道汇流过程；所述模拟沟道用于模拟地下水-沟道产流过程，沟道产流量直接进入河道。

优选的，步骤S2中包括几类子流域划分模式，分别如下，

一般河网划分模式：以模拟河网中的连续无分岔的河段为基础，将河段内的所有河道栅格以及汇入各河道栅格的所有沟道栅格和坡面栅格赋值相同的子流域编号，作为一个子流域单元进行处理；其中，无分岔河段的分割点可以是天然河道分岔、人为指定的分割点、湖泊湿地和模拟河网的交界点、平原区和模拟河网的交界点；

湖泊湿地划分模式：将湖泊湿地范围内的所有栅格赋值同一个子流域编码，作为一个子流域单元进行处理；将所有直接流入湖泊湿地范围内的沟道栅格和坡面栅格赋值为该湖泊湿地子流域编号+1，作为一个子流域单元进行处理；将经由河道栅格流入湖泊的栅格按一般河网划分模式处理；流域内湖泊和湿地作为统一系统进行编码，表示对应的水体，编码为从1开始的自然序号；

平原划分模式：将平原范围内的每个栅格作为一个子流域单元进行处理；将所有直接流入同一个平原栅格的非平原栅格赋值相同子流域编号作为一个子流域单元进行处理；如果流入的非平原栅格上游还有平原区栅格，则递归调用平原划分模式。

优选的，步骤S3中某子流域上游流入子流域的干支流关系确定方法为，根据上游子流域出口河道栅格汇流累积量大小，取最大的那个子流域作为河道干流，其余的作为支流；如果流入的支流子流域有河道栅格，则作为河道支流；如果流入的支流子流域没有河道栅格但有沟道栅格，则作为沟道支流；如果流入的支流子流域既没有河道栅格也没有沟道栅格，则作为坡面支流；在对上游子流域进行编码时，按照坡面支流、沟道支流、河道支流、干流支流的顺序依次进行赋值。

优选的，所述子流域编号为从1开始的依次递增的自然数；子流域上下游关系采用数组形式记录，以所在子流域编号作为数组下标，记录下游子流域编号的是一个一维数组，记录上游子流域编号的是一个多维数组，无上游或下游子流域赋值为0；根据河道流向以及湖泊区域、湿地区域和平原区域栅格汇流关系，确定相关子流域之间的上下游关系，并以此填入上下游关系数组。

优选的，步骤S3中的子流域下垫面类型特征属性包括以下几类，

(1)根据子流域内是否有河道和沟道进行划分，分为河道子流域、沟道子流域和坡面子流域；其中，子流域内有河道栅格即为河道子流域，子流域内有沟道栅格且无河道栅格即为沟道子流域，子流域内无河道栅格和沟道栅格即为坡面子流域；

(2)根据下垫面类型进行划分，分为山区子流域、湖泊子流域、湿地子流域和平原子流域；其中，山区子流域是除湖泊子流域、湿地子流域和平原子流域外的剩余子流域；

(3)根据相对下游子流域关系进行划分，分为河道干流、河道支流、沟道支流和坡面支流；

(4)湖泊湿地编码，0表示没有。

优选的，所述子流域汇流关系属性表包括，当前子流域编号；下游子流域编号，编号等于0则表示无下游；上游子流域个数；上游子流域编号，编号等于0则表示无上游，上游子流域数组大小由流域内所有子流域最大上游个数决定；河道沟道坡面单元标记，标记为2表示河道子流域，标记为1表示沟道子流域，标记为0表示坡面子流域；下垫面类型标记，标记为0表示山区，标记为1表示平原，标记为2表示湖泊，标记为3表示湿地；相对下游关系属性标记，标记为3表示河道干流，标记为2表示河道支流，标记为1表示沟道支流，标记为0表示坡面支流；子流域控制面积。

本发明的有益效果是：1、根据子流域编码溯源规则可以确定，子流域编号越大的子流域处于上游，因此可以按子流域编号降序进行逐个依次模拟，能够保证对某个子流域进行汇流演算时其上游子流域已经完成相关汇流演算。2、可以根据不同子流域单元属性动态调用不同的水文模拟过程，实现不同下垫面差异化模拟。比如河道子流域需要进行坡面产汇流、沟道产汇流、河道产汇流三级模拟；沟道子流域需进行坡面产汇流、沟道产汇流模拟，且其沟道汇流量直接进入当前子流域的河道内；坡面子流域需要进行坡面产汇流模拟，且其坡面汇流量作为当前子流域的沟道汇流过程的输入；平原子流域需要和周边平原子流域做地表水、地下水交换模拟；湖泊、湿地子流域需要做水量平衡模拟。

附图说明

图1是本发明实施例中划分和编码方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中子流域划分及流向结果示意图；

图3是本发明的子流域编码示意图；

图4是本发明实施例中某子流域汇流关系属性表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例中，提供了一种反映地表下垫面类型特征的子流域划分和编码方法，包括如下步骤，

S1、基于DEM栅格数据计算流域内各栅格流向和栅格汇流累积量，并基于设定的河道阈值和沟道阈值分别提取模拟河网和模拟沟道，从而将流域栅格分为河道栅格、沟道栅格和坡面栅格，所述坡面栅格为非河道非沟道栅格；

S2、从流域出口开始溯源遍历追迹，并根据不同下垫面类型特征采用不同子流域划分模式将整个流域划分成数目不等的子流域，并对每个子流域进行编号且确定各个子流域流向；

S3、根据各个子流域流向和汇流面积确定上游流入各个子流域的干流、支流关系以及不同下垫面类型特征属性；

S4、根据子流域划分结果、上下游关系和相关特征属性信息，编制子流域汇流关系属性表。

本实施例中，划分和编码方法主要包括四部分内容，下面分别针对上述四个步骤展开解释。

一、基于DEM栅格数据，计算流域内各栅格流向和栅格汇流累积量，并基于设定的河道阈值和沟道阈值分别提取模拟河网和模拟沟道

所述栅格流向采用D8算法计算得出，即将该栅格流向其周边8个栅格中坡度最陡的栅格的流向作为该栅格的流向；坡度计算为当前栅格高程和相邻栅格高程的差与两者之间距离的比值，比值越大则坡度越陡，当比值为负数，则表示相邻栅格流向该栅格；该栅格与其上下左右的四个栅格之间的距离为1个栅格单位长；该栅格与其对角线上的4个栅格之间的距离为

所述河道阈值大于或等于沟道阈值，保证通过沟道阈值能够提取出沟道栅格和河道栅格；若某个栅格的汇流累积数大于沟道阈值，则判定该栅格为待定栅格，否则该栅格为坡面栅格；若待定栅格的汇流累积数大于河道阈值，则判定该待定栅格为河道栅格，否则判定该待定栅格为沟道栅格；所有的河道栅格共同构成模拟河网；所有的沟道栅格共同构成模拟沟道；所述模拟河网用于模拟流域内的河道汇流过程；所述模拟沟道用于模拟地下水-沟道产流过程，沟道产流量直接进入河道。

在DEM提取时，河道和沟道在概念上基本一致，即当某个栅格的汇流累积数大于某个给定阈值时，则认为该栅格为河道栅格或沟道栅格，河道阈值要大于或等于沟道阈值，这样能够保证沟道阈值提取的栅格为河道栅格和沟道栅格的综合。

提取后的流域栅格主要包括三种类型，分别为河道栅格、沟道栅格和坡面栅格，坡面栅格即为非河道且非沟道的栅格。

二、从流域出口开始溯源遍历追迹，并根据不同下垫面类型特征采用不同子流域划分模式将整个流域划分成数目不等的子流域，并对每个子流域进行编号且确定各个子流域流向

本实施例中，如图2所示，包括几类子流域划分模式，分别如下，

一般河网划分模式：以模拟河网中的连续无分岔的河段为基础，将河段内的所有河道栅格以及汇入各河道栅格的所有沟道栅格和坡面栅格赋值相同的子流域编号，作为一个子流域单元进行处理；其中，无分岔河段的分割点可以是天然河道分岔、人为指定的分割点、湖泊湿地和模拟河网的交界点、平原区和模拟河网的交界点等；

湖泊湿地划分模式：将湖泊湿地范围内的所有栅格赋值同一个子流域编码，作为一个子流域单元进行处理；将所有直接流入湖泊湿地范围内的沟道栅格和坡面栅格赋值为该湖泊湿地子流域编号+1，作为一个子流域单元进行处理；将经由河道栅格流入湖泊的栅格按一般河网划分模式处理；流域内湖泊和湿地作为统一系统进行编码，表示对应的水体，编码为从1开始的自然序号；

平原划分模式：将平原范围内的每个栅格作为一个子流域单元进行处理；将所有直接流入同一个平原栅格的非平原栅格赋值相同子流域编号作为一个子流域单元进行处理；如果流入的非平原栅格上游还有平原区栅格，则递归调用平原划分模式。

具体的，子流域划分的原则是将所有流入同一河段的栅格标记为相同的子流域编号，作为一个子流域单元进行处理。

对于湖泊区域或湿地区域而言，需要将整个湖泊区域或湿地区域范围内的栅格赋值相同的子流域编号，作为一个子流域单元进行处理；对流入湖泊区域或湿地区域的栅格分两种情况处理，

A、相关栅格先流入河道栅格，再由河道栅格流入湖泊区域或湿地区域范围；该情况下的子流域编号根据其所流入的河段编号而定；

B、所有不经过河道栅格直接流入湖泊区域或湿地区域的栅格(包括沟道栅格和坡面栅格)，都划分到同一子流域，子流域编号＝湖泊区域或湿地区域子流域编号+1；

对湖泊区域或湿地区域进行划分子流域时，先对湖泊区域或湿地区域内的栅格作为一个子流域单元进行编码，再对流入湖泊区域或湿地区域范围的非河道栅格作为一个子流域单元进行编码，最后再对流入湖泊区域或湿地区域的存在复数分岔的河道栅格及流入该河段的栅格进行编码。

对于平原区域而言，直接将栅格单元作为一个计算单元进行处理；将所有直接流入同一个平原栅格的非平原栅格赋值相同子流域编号作为一个子流域单元进行处理；如果流入的非平原栅格上游还有平原区栅格，则递归调用平原划分模式。

本实施例中，如图3所示，所述子流域编号为从1开始的依次递增的自然数；子流域上下游关系采用数组形式记录，以所在子流域编号作为数组下标，记录下游子流域编号的是一个一维数组，记录上游子流域编号的是一个多维数组，无上游或下游子流域赋值为0；根据河道流向以及湖泊区域、湿地区域和平原区域栅格汇流关系，确定相关子流域之间的上下游关系，并以此填入上下游关系数组。由于是从河口开始溯源追迹，因此小编号子流域位于流域下游，大编号位于上游，在水文模型模拟计算时可以按子流域编号降序排列，如此，当对某个子流域进行模拟时，其上游子流域已经完成相应产汇流计算过程，下游子流域可以直接使用当前时段上游子流域输出作为输入。

三、根据各个子流域流向和汇流面积确定上游流入各个子流域的干流、支流关系以及不同下垫面类型特征属性

本实施例中，某子流域上游流入子流域的干支流关系确定方法为，根据上游子流域出口河道栅格汇流累积量大小，取最大的那个子流域作为河道干流，其余的作为支流；如果流入的支流子流域有河道栅格，则作为河道支流；如果流入的支流子流域没有河道栅格但有沟道栅格，则作为沟道支流；如果流入的支流子流域既没有河道栅格也没有沟道栅格，则作为坡面支流；在对上游子流域进行编码时，按照坡面支流、沟道支流、河道支流、干流支流的顺序依次进行赋值。

本实施例中，子流域特征属性包括以下几类：

(1)根据子流域内是否有河道和沟道进行划分，分为河道子流域、沟道子流域和坡面子流域；其中，子流域内有河道栅格即为河道子流域，子流域内有沟道栅格且无河道栅格即为沟道子流域，子流域内无河道栅格和沟道栅格即为坡面子流域；

河道子流域主要进行坡面产汇流、沟道产汇流、河道产汇流过程模拟；沟道子流域主要进行坡面产汇流、沟道产汇流模拟；坡面子流域主要进行坡面产汇流模拟。

(2)根据下垫面类型进行划分，分为山区子流域、湖泊子流域、湿地子流域和平原子流域；其中，山区子流域是除湖泊子流域、湿地子流域和平原子流域外的剩余子流域；湖泊子流域需要额外进行湖泊水量平衡计算模拟；平原子流域需要进行和周边平原子流域地下水交换模拟；

(3)根据相对下游子流域关系进行划分，分为河道干流、河道支流、沟道支流和坡面支流；

(4)湖泊湿地编码，0表示没有。

本实施例中，如图4所示，所述子流域汇流关系属性表包括，当前子流域编号；下游子流域编号，编号等于0则表示无下游；上游子流域个数；上游子流域编号，编号等于0则表示无上游，上游子流域数组大小由流域内所有子流域最大上游个数决定；河道沟道坡面单元标记，标记为2表示河道子流域，标记为1表示沟道子流域，标记为0表示坡面子流域；下垫面类型标记，标记为0表示山区，标记为1表示平原，标记为2表示湖泊，标记为3表示湿地；相对下游关系属性标记，标记为3表示河道干流，标记为2表示河道支流，标记为1表示沟道支流，标记为0表示坡面支流；子流域控制面积。

本实施例中，在水文模型使用过程中，根据子流域上下游关系数组确定各子流域的上下游关系，一般按子流域编号降序依次进行模拟，能够保证对某个子流域进行汇流演算时其上游子流域已经完成相关汇流演算；根据子流域汇流关系属性表的单元属性动态调用不同的模拟过程，实现不同下垫面差异化模拟；具体包括

(1)根据子流域编码溯源规则可以确定，子流域编号越大的子流域处于上游，因此可以按子流域编号降序进行逐个依次模拟，能够保证对某个子流域进行汇流演算时其上游子流域已经完成相关汇流演算。

(2)河道子流域需要进行坡面产汇流、沟道产汇流、河道产汇流三级模拟；沟道子流域需进行坡面产汇流、沟道产汇流模拟，且其沟道汇流量直接进入当前子流域的河道内；坡面子流域需要进行坡面产汇流模拟，且其坡面汇流量作为当前子流域的沟道汇流过程的输入。

(3)平原子流域需要和周边平原子流域做地表水、地下水交换模拟。

(4)湖泊、湿地子流域需要做水量平衡模拟。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种反映地表下垫面类型特征的子流域划分和编码方法，根据子流域编码溯源规则可以确定，子流域编号越大的子流域处于上游，因此可以按子流域编号降序进行逐个依次模拟，能够保证对某个子流域进行汇流演算时其上游子流域已经完成相关汇流演算。可以根据不同子流域单元属性动态调用不同的水文模拟过程，实现不同下垫面差异化模拟。比如河道子流域需要进行坡面产汇流、沟道产汇流、河道产汇流三级模拟；沟道子流域需进行坡面产汇流、沟道产汇流模拟，且其沟道汇流量直接进入当前子流域的河道内；坡面子流域需要进行坡面产汇流模拟，且其坡面汇流量作为当前子流域的沟道汇流过程的输入；平原子流域需要和周边平原子流域做地表水、地下水交换模拟；湖泊、湿地子流域需要做水量平衡模拟。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。