一种内流河流域的子流域划分方法

摘要

本发明公开了一种内流河流域的子流域划分方法，包括：设内流河流域内低洼地或湖泊中心为其虚拟出口点；将DEM中虚拟出口点栅格处高程值设为Null，得到DEM1；绘制矢量虚拟河网，使该河网最终连向虚拟出口点，并转成参考河网栅格；将内流河流域内外边界转成栅格；对DEM1中参考河网和流域内外边界栅格位置处高程进行修正，得到DEM2；从DEM2提取模拟河网；对湖泊范围进行编码并转化成栅格；对模拟河网栅格进行溯源遍历，并考虑湖泊范围进行河网编码；以模拟河网栅格为起点，对非河网栅格进行溯源遍历，将该河网栅格的河网编码设为所有汇入当前河网栅格的非河网栅格子流域编码。本发明能够对无河流出口的内流河流域进行子流域划分，且确保湖泊位于同一个子流域内。

说明书

技术领域

本发明涉及水文模型领域，具体涉及一种内流河流域的子流域划分方法。

背景技术

在水文模型中，常规的提取流域及子流域的方法包括使用GIS(GeographicInformation System，地理信息系统)软件的水文分析模块从DEM(Digital ElevationModel，数字高程模型)开始经历填洼、流向计算、汇流累积数计算、模拟河网提取、子流域划分等步骤；该方法能正确进行子流域划分的前提是需要有一个或多个可经一系列栅格流出DEM边界的流域出口。

对于内流河流域而言，流域出口一般位于流域内部中心，且周边栅格高出一大截，而且一个大的内流河流域往往由多个相对独立的小内流区组成。如果采用上述常规方法提取流域及子流域，存在以下问题：

(1)在进行填洼时，流域内部的出口会被填平，且从边界较低的区域流出边界，在子流域划分时容易得出错误的上下游汇流关系以及将多个独立小内流区域合并为一个区域；

(2)对于内流河流域而言，上游一般发源于山区水量充足，一般是常流河，中下游一般都是季节河，最末端一般是湿地或者尾闾湖泊，其水分基本用于蒸发不会流出流域外；为了方便湖泊水量平衡分析，需要将湖泊范围划分到同一个子流域内；常规方法无满足上述要求，常出现将湖泊划到多个子流域的问题；

(3)对于内流河流域中下游而言，由于区域内高差相对较小，按常规方法划分的子流域范围同水资源规划等其他已有成果往往相差较大，在模型模拟分析时不容易统一到相同的单元进行分析，而且会导致边界区域划分异常，使得周边非流域区域划到当前流域或者当前流域缺失一部分面积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有常规的提取流域以及子流域的方法，在对内流河流域进行子流域划时，存在子流域上下游汇流关系异常、将独立小内流区合并、湖泊划分到多个子流域以及子流域范围划分错误等问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种内流河流域的子流域划分方法，包括以下步骤：

步骤S10、设待划分内流河流域内的局部高程最低点或者无出口的湖泊中心位置为内流河流域虚拟出口点，以该虚拟出口点作为内流河流域河流流向终点；

步骤S20、采用GIS软件将对应流域DEM中虚拟出口点所在位置栅格高程值置空，得到一个修正DEM图层DEM1；

步骤S30、根据内流河流域的DEM高程以及实测河网信息，绘制虚拟河网，且使该河网能够最终连向某个虚拟出口点，并根据DEM栅格位置和大小转成栅格，得到参考河网栅格；

步骤S40、将收集的内流河流域边界根据DEM栅格位置和大小转化成栅格；

步骤S50、将参考河网栅格和内流河流域边界栅格信息烧录到DEM1中，并分别对参考河网栅格和内流河流域边界栅格所在位置进行高程修正，得到内流河流域边界栅格位置高出原始DEM一定高程，参考河网栅格位置高程低于原始DEM一定高程的修正DEM图层DEM2；

步骤S60、对DEM2采用GIS软件的水文分析模块提取模拟河网；

步骤S70、对收集的内流河流域内的各个湖泊范围进行唯一且不重复的湖泊编码，并根据DEM栅格位置和大小将其转化成栅格；

步骤S80、依次从每个虚拟出口点开始，根据栅格流向对模拟河网栅格进行溯源遍历，对每个河段进行唯一不重复河网编码，且使具有相同湖泊编码的模拟河网栅格的河网编码相同；

步骤S90、以每一个模拟河网栅格作为起点，根据栅格流向对非模拟河网栅格进行溯源遍历，查找所有汇入当前模拟河网栅格的非河网栅格，并设查找到的非河网栅格子的子流域编码为该模拟河网栅格的河网编码，再按照子流域编码对内流河流域进行子流域划分。

在上述方法中，在设定虚拟出口点前先收集待划分内流河流域区域信息；

待划分内流河流域区域信息包括该内流河流域DEM高程；内流河流域内的湖泊数量、范围及其位置信息；内流河流域边界信息；

其中，内流河流域边界信息包括内边界信息和外边界信息；外边界为包含整个内流河流域范围的边界，内边界为内流河流域内水资源分区的边界。

在上述方法中，在步骤S10中，在整个内流河流域范围内，当存在独立、不联系的多个水资源分区时，在每个独立、不联系的水资源分区内要分别设置虚拟出口。

在上述方法中，在步骤S30中，绘制的虚拟河网包括两种形式：

第一种为延长已有实测河网至某个虚拟出口的虚拟河网；

第二种为在大面积无实测河网区域，根据DEM高程新绘制且与实测河网相对独立，使其最终连向某个虚拟出口的虚拟河网。

在上述方法中，在步骤S30中，绘制的虚拟河网先将虚拟河网与实测河网合并成一个线状矢量图层，再将合并后的线状矢量图层根据DEM栅格位置和大小转成栅格。

在上述方法中，在绘制虚拟河网时，当河流上有湖泊时，在湖泊内部绘制一条连接上下游河段的虚拟河网。

在上述方法中，在步骤S50中，根据参考河网栅格和内流河流域边界栅格信息，按照优先级分别对参考河网栅格和内流河流域边界栅格所在位置进行高程修正，具体为：

将内流河流域边界栅格所在位置的DEM1高程数值增加一个固定值；相应的，将参考河网栅格所在位置的DEM1高程数值减小一个固定值；

如果一个栅格既是外边界栅格又是参考河网栅格，则作为边界栅格处理，将所在位置的DEM1高程数值增加一个固定值；

如果一个栅格既是内边界栅格又是参考河网栅格，则作为河网栅格处理，将所在位置的DEM1高程数值减小一个固定值。

在上述方法中，湖泊编码、河网编码为从1开始的连续自然数编码。

在上述方法中，步骤S80具体为：

根据栅格流向对模拟河网栅格进行溯源遍历，对每个河网栅格赋予一个唯一的编码；

如果没有遇到分岔的模拟河网栅格或者湖泊栅格，则下一河网栅格编码等于当前栅格的河网编码；

如果遇到分岔的模拟河网栅格或者湖泊栅格，则下一个河网栅格的河网编码等于当前栅格的河网编码加1；

如果遇到湖泊栅格，且当前模拟河网栅格也具有相同的湖泊编码，则不论是否分岔，下一模拟河网栅格的河网编码都等于当前模拟河网栅格河网编码；

河网编码相同的模拟河网栅格属于同一个河段；

当某个虚拟出口上游河流遍历完成后，再对其他虚拟出口进行溯源遍历，此时新溯源遍历的起始河网编码为前一阶段最大编码加1。

与现有技术相比，本发明以DEM为基础，结合实测河网、流域边界、湖泊范围等信息，采用多个虚拟出口点分别提取不同的子流域范围，并在考虑湖泊范围的基础上，进行河网编码，能够保证划分得到的子流域基本符合内流河流域内上下游关系，且使一个湖泊只位于一个子流域内，保证子流域范围划分正确性。

附图说明

图1为本发明提供的一种内流河流域的子流域划分方法的流程图；

图2为本发明中具有两个湖泊和两个分区的具体实施例示意图；

图3为本发明中对图2进行虚拟出口设置后的示意图；

图4为本发明中对图3进行虚拟河网绘制后的示意图；

图5为本发明中对图4进行模拟河网提取后的示意图；

图6为本发明中对图5进行河网编码后的示意图；

图7为本发明中对图6的非模拟河网栅格进行子流域编码后实现子流域划分的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种内流河流域的子流域划分方法，以DEM为基础，结合实测河网、流域边界、湖泊水面范围等信息，采用多个虚拟出口点分别提取不同的子流域范围，能够保证划分得到的子流域基本符合内流河流域内上下游关系，且使一个湖泊只位于一个子流域内，保证子流域范围划分正确性。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种内流河流域的子流域划分方法，包括以下步骤：

步骤S10、设待划分内流河流域内低洼地(在整个内流河流域范围内的局部高程最低点)或者无出口的湖泊中心位置为内流河流域虚拟出口点，以该虚拟出口点作为内流河流域河流流向终点；

在设定虚拟出口点前先收集待划分内流河流域区域信息，包括该内流河流域DEM高程，内流河流域内的湖泊数量、范围及其位置信息，内流河流域边界等信息；其中，内流河流域边界信息包括内边界信息和外边界信息，外边界为包含整个内流河流域范围的边界(如图3中外围实线)，内边界为内流河流域内水资源分区的边界(如图3中内部虚线)；然后，根据各水资源分区内DEM高程，在高程最低的点(低洼地或者无出口的湖泊中心位置)设置虚拟出口点；由于一个内流河流域内存在独立不联系的水资源分区，所以需要分别在上述互不联系的不同水资源分区内设置虚拟出口点，因此根据流域特征具体情况，一个内流河流域可以设置多个虚拟出口点，至少有1个虚拟出口点。如图2所示，在该实施例中，收集的该内流河流域区域信息包括2个湖泊(黑色区域)，分别位于常流河上的湖泊a和河流尾闾的湖泊b，流域内有两个水资源分区，水资源分区边界为图2中虚线，将整个内流河流域分为分区I和分区II两个水资源分区；根据DEM高程，分别在分区I和分区II中设立了虚拟出口点，如图3所示，分别为靠近分区边界处的圆圈A和圆圈B。

步骤S20、采用GIS软件将对应流域DEM中虚拟出口点所在位置栅格高程值置空(即设置为Null值)，得到一个在虚拟出口点位置被掏空的修正DEM图层，称为DEM1。

步骤S30、根据内流河流域的DEM高程以及实测河网(线状矢量)信息，绘制(手动)虚拟河网(线状矢量)，且使该河网能够最终连向某个虚拟出口点，并根据DEM栅格位置和大小转成栅格，得到参考河网栅格。

在本发明中，绘制的虚拟河网包括两种形式，一种为实测河网的延伸，即延长实测河网至某个虚拟出口点；另一种是单独存在的独立虚拟河网，在大面积没有河道的区域，根据DEM高程新绘制与实测河网相对独立的河网，使其最终连向某个虚拟出口点。绘制完虚拟河网后，需要将其与实测河网合并成一个线状矢量图层后，再将合并后的线状矢量图层根据DEM栅格位置和大小转成栅格。当河流上有湖泊时，则需要在湖泊内绘制一条虚拟河网连接上下游河段。如图4为对图3所示实施例进行的虚拟河网绘制，在常流河上的湖泊a中绘制一条虚拟河网确保其上下游河段相连，再根据DEM高程将分区I和分区II的实测河网延长至对应的虚拟出口点；并为了对分区II左上角大面积没有河道区域进行子流域划分，在该处添加了一条独立虚拟河网，并连向对应虚拟出口点B，这样就可以将该区域独立划分为一个子流域(即图6中的2号河段，如果不添加该虚拟河段，则7中2号和4号子流域将合并为1个子流域)。

步骤S40、将收集的内流河流域边界(线状矢量)根据DEM栅格位置和大小转化成栅格；

步骤S50、将参考河网栅格和内流河流域边界(包括内边界和外边界)栅格信息烧录到DEM1中，并分别对参考河网栅格和内流河流域边界栅格所在位置进行高程修正，得到一个在虚拟出口点位置被掏空，内流河流域边界栅格位置高出原始DEM一定高程，参考河网栅格位置高程低于原始DEM一定高程的修正DEM图层，称为DEM2。

在本发明步骤S50中，根据参考河网栅格和内流河流域边界栅格信息，按照优先级对DEM1内参考河网栅格、外边界栅格、内边界栅格所在位置的高程进行修正，具体为：

将内流河流域边界(内边界和外边界)栅格所在位置的DEM1高程数值增加一个固定值(例如1000m)；相应的，将参考河网栅格所在位置的DEM1高程数值减小一个固定值(例如1000m)；

如果一个栅格即是外边界栅格又是参考河网栅格，则作为外边界栅格处理(高程数值增加一个固定值)；如果一个栅格即是内边界栅格又是参考河网栅格，则作为河网栅格处理(高程数值减小一个固定值)。

步骤S60、对DEM2采用GIS软件的水文分析模块提取模拟河网，即经过填洼、流向计算、汇流累计数计算、模拟河网阈值设置及提取等步骤得到模拟河网，如图5中点划线为对图4进行提取得到的模拟河网；一般提取的模拟河网密度要大于实测河网，且河流长度也不一致。

步骤S70、对收集的内流河流域内的各个湖泊范围(面状矢量)进行唯一且不重复的湖泊编码，并根据DEM栅格位置和大小将其转化成栅格；其中，湖泊编码为从1开始的连续自然数编码。

步骤S80、依次以每个虚拟出口点开始，根据栅格流向对模拟河网栅格进行溯源遍历，对每个河段进行河网编码，且使具有相同湖泊编码的模拟河网栅格的河网编码相同，即在编码过程中考虑湖区范围的影响，使得同一个编码的湖区位于相同的子流域中。在本发明中，步骤S80具体为：

根据栅格流向对模拟河网栅格进行溯源遍历，对每个河网栅格赋予一个唯一的编码；

如果没有遇到分岔的模拟河网栅格或者湖泊栅格，则下一河网栅格编码等于当前栅格的河网编码；

如果遇到分岔的模拟河网栅格或者湖泊栅格，则下一个河网栅格的河网编码等于当前栅格的河网编码加1；

如果遇到湖泊栅格，且当前模拟河网栅格也具有相同的湖泊编码，则不论是否分岔，下一模拟河网栅格的河网编码都等于当前模拟河网栅格河网编码，以使得位于同一个湖泊范围内的河网栅格具有相同河网编码；

河网编码相同的模拟河网栅格属于同一个河段，河段的河网编码是从1开始的连续自然数编码；

当某个虚拟出口上游河流遍历完成后，再对其他虚拟出口进行溯源遍历，此时新溯源遍历的起始河网编码为前一阶段最大编码加1。

以图5为例，图5所示的模拟河网栅格依次从2个虚拟出口点开始溯源遍历，先遍历分区II再遍历分区I，对每个河段进行编码，共18个河段，如图6所示；其中，河段的河网编码为1的对象是对位于尾闾湖泊水体范围内4条河段，因为这些河段位于同一个湖泊内，具有相同的湖泊编码，所以河网编码相同，其余河网编码对象则是无分岔的单独河段。

步骤S90、以每一个模拟河网栅格作为起点，根据栅格流向对非模拟河网栅格进行溯源遍历，查找到所有汇入当前模拟河网栅格的非河网栅格，并设查找到的非河网栅格子的子流域编码为该模拟河网栅格的河网编码，最后按照子流域编码对内流河流域进行子流域划分，即相同子流域编码为同一子流域，不同子流域编码为不同子流域，从而实现内流河流域子流域划分，如图7所示，共划分得到18个子流域。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。