CN112257260B - 一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法，包括以下步骤：S1、基于DEM数据，计算其坡向数据并将流域划分成子流域；S2、判断子流域是否需要考虑山坡的不对称性，并将其划分出源头、左坡和右坡；S3、判断山坡是否需要考虑高程带，并将山坡划分出高程带；S4、判断高程带是否需要考虑坡向，并将高程带基于不同坡向划分为计算单元；S5、分别对子流域、山坡、高程带和计算单元进行编号。本发明通过自适应考虑子流域的划分要素，将流域逐步划分计算单元，保持了不同单元的空间连续性，能用于表征下垫面和气象属性的空间异质性，进一步提高了水文模拟的计算效率；该方法仅依据容易获得的高程数据进行划分，划分过程与机制简单明确，适用于山区大流域。
Description
技术领域
本发明涉及水文水利的计算方法，尤其涉及一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法。
背景技术
山区大流域作为众多河流的发源地，为大自然和人类生活提供了重要的水资源，对山区大流域进行水文模拟，理解山区大流域的水文过程，具有十分重要的意义。
在山区大流域的水文模拟中，划分出合理的计算单元，能够对模拟的有效性和准确性起到重要的作用。山区地形复杂多变，计算单元需要同时满足空间代表性强和划分效率高两大要求。
目前对于山区大流域计算单元划分的主要方法有基于网格划分和基于子流域划分。
基于网格划分的方法，划分单元多，计算量过大，效率不高。
基于子流域划分的方法，能够提高计算效率。子流域内部划分又包括基于水文响应单元划分和基于山坡属性划分。基于水文响应单元划分无法保持空间连接性，不能反映真实水文过程。而基于山坡属性的划分方法虽然提高了计算效率，并保持了空间连接性，但是，现有的基于山坡划分方法较为复杂，且未考虑不同坡向的异质性，不能完全反映流域的空间异质性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法，充分考虑划分因素，将流域逐步划分计算单元，既能够保持空间连接性与反映空间异质性，又能够提高计算效率，所需数据容易获得且稳定可靠，方法机制简单明确。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法，具体包括以下步骤：
S1、基于流域的DEM数据，计算流域的坡向数据，并将流域划分成子流域；
S2、判断子流域是否需要考虑山坡的不对称性，基于河网和陆面栅格位置对需要考虑山坡不对称性的子流域划分出源头、左坡和右坡；
S3、判断山坡是否需要考虑高程带，基于高程差阈值对需要考虑高程带的山坡划分高程带；
S4、判断高程带是否需要考虑坡向，基于坡向数据将需要考虑坡向的高程带划分为阴坡、阳坡和半阳坡，每一个坡向为一个计算单元；
S5、基于空间位置分别对子流域、山坡、高程带和计算单元进行编号。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1的具体操作步骤为：
S1-1、获取流域的DEM数据；
S1-2、基于流域的DEM数据计算获得坡向栅格数据，判断每个栅格所属的坡向类别，判断依据为：(315-359°，0-45°)属于阴坡，(135-225°)属于阳坡，(45-135°,225-315°)属于半阳坡；
S1-3、划分子流域：对流域的DEM数据依次进行填洼、汇流和提取河网，再将流域划分为多个子流域。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2的具体操作步骤为：
S2-1、通过公式(1)计算每个所述子流域的不对称系数AC：
式中：AC为不对称系数；Al为左侧山坡的面积，Ar为右侧山坡的面积；
S2-2、判断是否考虑山坡的不对称性：根据不对称系数判断是否需要考虑山坡的不对称性：当不对称系数大于0.4时，即两岸一侧面积大于另一侧1.5倍，则需要考虑山坡的不对称性；当小于等于0.4时，不考虑山坡的不对称性；
S2-3、划分子流域的源头：对于需考虑山坡不对称性的子流域，提取子流域中河网源头栅格的位置，判断是否位于子流域边界，若未在子流域边界，则子流域具有源头，搜索子流域中河网源头栅格的上游汇流累计栅格作为子流域的源头；若河网源头栅格位于子流域边界，则该子流域无源头；
S2-4、划分子流域的左坡和右坡：对子流域中剩余的陆面栅格进行遍历，判断每一个陆面栅格与河网的相对位置，若陆面栅格位于河道流向的左侧，则该栅格属于子流域的左坡，若位于河道流向的右侧，则属于子流域的右坡，遍历结束后，汇总分别属于左坡、右坡的陆面栅格，分别作为子流域的左坡、右坡；对于不需要考虑山坡对称性的子流域，认为一个子流域为一个山坡。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3的具体操作步骤为：
S3-1、判断是否考虑高程带：基于DEM数据获得每个山坡的高程的最高值Hmax与最低值Hmin，计算出每个山坡的高程差，若高程差大于200m，则考虑高程带，若小于等于200m则不考虑高程带；
S3-2、划分高程带：对于需要考虑高程带的山坡，设置划分高程带的高程差阈值Δh，通过公式(2)计算每个山坡的高程带数量：
式中CEILING()为向上取整函数；FLOOR()为向下取整函数；
通过公式(3)确定每个高程带的高程范围：
在山坡中遍历每个陆面栅格，判断每个栅格高程所属的高程带，遍历结束后，将山坡划分为多个高程带；
对于不考虑高程带的山坡，认为一个子流域为一个高程带。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S4的具体操作步骤为：
S4-1、判断是否考虑坡向：基于坡向数据计算每个子流域中阴坡、阳坡和半阳坡的比例，若子流域中面积最大坡向占比高于75％，则不考虑坡向要素，若低于或等于75％则考虑坡向；
S4-2、划分坡向：对于需考虑坡向的高程带，将高程带划分为阴坡、阳坡和半阳坡，三个坡向区域分别代表三个计算单元；不考虑坡向的高程带，则认为一个高程带是一个计算单元。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S5的具体操作步骤为：
S5-1、按照从上游至下游的顺序自1开始对子流域编号；
S5-2、在每一个子流域中，按照右坡、左坡、源头的顺序自1开始对山坡编号，即右坡为1，左坡为2，源头为3；
S5-3、在每一个山坡中，按照自上而下的顺序自1开始对高程带编号；
S5-4、在每一个高程带中，按阴坡、阳坡、半阳坡的顺序自1开始对计算单元编号，即阴坡为1，阳坡为2，半阳坡为3。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S5的具体操作步骤为：
S5-1、按照从下游至上游的顺序自1开始对子流域编号；
S5-2、在每一个子流域中，按照源头、左坡、右坡的先后顺序自1开始对山坡编号，即源头为1，左坡为2，右坡为3；
S5-3、在每一个山坡中，按照自下而上的顺序自1开始对高程带编号；
S5-4、在每一个高程带中，按阳坡、半阳坡、阴坡的顺序自1开始对计算单元编号，即阳坡为1，半阳坡为2，阴坡为3。
对于编号顺序，步骤S5-1至步骤S5-4中的每一步中，同一类空间的编号顺序能够按照需要调整先后次序，在此不一一列举。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过在子流域中自适应考虑不对称山坡，高程和坡向，将流域逐步划分计算单元，既能够保持不同计算单元的空间连续性，又能够用于表征下垫面和气象属性的空间异质性，提高了水文模拟的计算效率；该方法仅依据容易获得且稳定可靠的高程数据进行计算单元的划分，划分过程与机制简单明确，适用于山区大流域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的基于地形属性的自适应流域划分的设计框图；
图2是本发明的基于地形属性的自适应流域划分的流程图；
图3是本发明怒江流域中一个子流域的划分结果图；
图4是本发明的左坡、右坡和源头划分的流程图。
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，以下结合附图和怒江流域的数据，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。
现以怒江流域作为目标研究区，说明本发明方法的有效性与合理性。怒江流域位于中国西南地区，流域面积约14万km2，怒江流域是典型的自然山区大流域。参看图1和图2，计算单元划分方法的具体步骤为：
S1、根据怒江流域范围选取出DEM数据，利用地理信息系统计算坡向栅格数据，并重新分类为阴坡、半阳坡和阳坡。对流域DEM数据依次进行填洼、汇流、提取河网和划分子流域，将怒江流域划分为561个子流域。参看图3所示的怒江流域中的一个子流域。
S2、根据公式
计算怒江流域每个子流域的不对称系数，选出不对称系数大于0.4的子流域，将这些子流域划分为左坡、右坡和源头。图4为划分山坡的流程图，具体步骤为：
提取子流域中河网源头栅格的位置，判断是否位于子流域边界，若未在子流域边界，则子流域具有源头，搜索子流域中河网源头栅格的上游汇流累计栅格作为子流域的源头；若河网源头栅格位于子流域边界，则该子流域无源头；对子流域中剩余的陆面栅格进行遍历，判断每一个陆面栅格与河网的相对位置，若陆面栅格位于河道流向的左侧，则该栅格属于子流域的左坡，若位于河道流向的右侧，则属于子流域的右坡，遍历结束后，汇总分别属于左坡、右坡的陆面栅格作为子流域的左坡、右坡。图3子流域的不对称系数为0.42，大于0.4，故需考虑山坡的不对称性，左坡、右坡和源头的划分结果如图3所示。
S3、计算怒江流域每个山坡的高程差，当高程差大于200m时，需要考虑高程带，否则不需要考虑高程带。根据怒江流域的植被垂直分布流域面积，设置其划分高程带的高程差阈值Δh＝500m。基于公式
式中CEILING()为向上取整函数；FLOOR()为向下取整函数；
确定每个需要考虑高程带的山坡的划分高程带数目，基于公式
式中CEILING()为向上取整函数；FLOOR()为向下取整函数；
确定每个高程带的高程范围。如图3所示，每个山坡中相同填充样式的多边形为一个高程带。
S4、基于坡向数据计算每个子流域中阴坡、阳坡和半阳坡的比例，判断是否考虑坡向因素，若子流域中面积最大坡向占比高于75％，则不考虑坡向要素，否则考虑坡向。对于需考虑坡向的高程带，将高程带划分为阴坡、阳坡和半阳坡，三个坡向区域分别代表三个计算单元。不考虑坡向的高程带，认为一个高程带是一个计算单元。如图3所示，每个高程带中的最小的独立多边形为一种坡向。即一个计算单元。
S5、首先基于怒江流域的子流域的空间位置关系，按从上游至下游的顺序自1开始对子流域进行编号；在每一个子流域中，按右坡、左坡、源头的顺序自1开始对山坡编号；在每一个山坡中，按自上而下的顺序自1开始对高程带编号；在每一个高程带中，按阴坡、阳坡、半阳坡的顺序自1开始对计算单元编号。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。
Claims (4)
1.一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、基于流域的DEM数据，计算流域的坡向数据，并将流域划分成子流域；
S2、判断子流域是否需要考虑山坡的不对称性，基于河网和陆面栅格位置对需要考虑山坡不对称性的子流域划分出源头、左坡和右坡；
步骤S2的具体操作步骤为：
S2-1、通过公式(1)计算每个所述子流域的不对称系数AC：
式中：AC为不对称系数；Al为左侧山坡的面积，Ar为右侧山坡的面积；
S2-2、判断是否考虑山坡的不对称性：根据不对称系数判断是否需要考虑山坡的不对称性：当不对称系数大于0.4时，即两岸山坡中一侧面积大于另一侧的1.5倍时，则需要考虑山坡的不对称性；当小于等于0.4时，不考虑山坡的不对称性；
S2-3、划分子流域的源头：对于需考虑山坡不对称性的子流域，提取子流域中河网源头栅格的位置，判断是否位于子流域边界，若未在子流域边界，则子流域具有源头，搜索子流域中河网源头栅格的上游汇流累计栅格作为子流域的源头；若河网源头栅格位于子流域边界，则该子流域无源头；
S2-4、划分子流域的左坡和右坡：对子流域中剩余的陆面栅格进行遍历，判断每一个陆面栅格与河网的相对位置，若陆面栅格位于河道流向的左侧，则该栅格属于子流域的左坡，若位于河道流向的右侧，则属于子流域的右坡，遍历结束后，汇总分别属于左坡、右坡的陆面栅格，分别作为子流域的左坡、右坡；对于不需要考虑山坡对称性的子流域，认为一个子流域为一个山坡；
S3、判断山坡是否需要考虑高程带，基于高程差阈值对需要考虑高程带的山坡划分高程带；
步骤S3的具体操作步骤为：
S3-1、判断是否考虑高程带：基于DEM数据获得每个山坡的高程的最高值Hmax与最低值Hmin，计算出每个山坡的高程差，若高程差大于200m，则考虑高程带，若高程差小于等于200m时，不考虑高程带；
S3-2、划分高程带：对于需要考虑高程带的山坡，设置划分高程带的高程差阈值Δh，通过公式(2)计算每个山坡的高程带数量：
式中CEILING()为向上取整函数；FLOOR()为向下取整函数；
通过公式(3)确定每个高程带的高程范围：
在山坡中遍历每个陆面栅格，判断每个栅格高程所属的高程带，遍历结束后，将山坡划分为多个高程带；
对于不考虑高程带的山坡，认为一个子流域为一个高程带；
S4、判断高程带是否需要考虑坡向，基于坡向数据将需要考虑坡向的高程带划分为阴坡、阳坡和半阳坡，每一个坡向为一个计算单元；
步骤S4的具体操作步骤为：
S4-1、判断是否考虑坡向：基于坡向数据计算每个子流域中阴坡、阳坡和半阳坡的比例，若子流域中面积最大坡向占比高于75％，则不考虑坡向要素，若占比低于或等于75％时，考虑坡向；
S4-2、划分坡向：对于需考虑坡向的高程带，将高程带划分为阴坡、阳坡和半阳坡，三个坡向区域分别代表三个计算单元；不考虑坡向的高程带，则认为一个高程带是一个计算单元；
S5、基于空间位置分别对子流域、山坡、高程带和计算单元进行编号。
2.根据权利要求1所述的基于地形属性的水文模型计算单元划分方法，其特征在于：所述步骤S1的具体操作步骤为：
S1-1、获取流域的DEM数据；
S1-2、基于流域的DEM数据计算获得坡向栅格数据，判断每个栅格所属的坡向类别，判断依据为：(315-359°，0-45°)属于阴坡，(135-225°)属于阳坡，(45-135°,225-315°)属于半阳坡；
S1-3、划分子流域：对流域的DEM数据依次进行填洼、汇流和提取河网，再将流域划分为多个子流域。
3.根据权利要求2所述的一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法，其特征在于：所述步骤S5的具体操作步骤为：
S5-1、按照从上游至下游的顺序自1开始对子流域编号；
S5-2、在每一个子流域中，按照右坡、左坡、源头的先后顺序自1开始对山坡编号，即右坡为1，左坡为2，源头为3；
S5-3、在每一个山坡中，按照自上而下的顺序自1开始对高程带编号；
S5-4、在每一个高程带中，按阴坡、阳坡、半阳坡的顺序自1开始对计算单元编号，即阴坡为1，阳坡为2，半阳坡为3。
4.根据权利要求2所述的一种基于地形属性的水文模型计算单元划分方法，其特征在于：所述S5的具体操作步骤为：
S5-1、按照从下游至上游的顺序自1开始对子流域编号；
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| PB01 | Publication | ||
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