一种顾及地类与流向的城市子汇水区划分方法

摘要

本发明公开了一种顾及地类与流向的城市子汇水区划分方法，包括S1、依据城市研究区域的自然地形情况和河流间的汇流关系，以具有实际流域排水功能的主干河流作为划分边界，将城市研究区域初步划分为若干个一级汇水区；S2、依据一级汇水区的划分结果，将两边布设有排水管道的主次干道和具有排水功能的干渠作为划分边界，将各一级汇水区划分为中尺度相对独立的单元，获取若干个二级汇水区等步骤。优点是：充分考虑区域大尺度积水分析需求，利用迭代确定算法实现区域内大尺度汇水区划分，可适用于区域内大尺度的汇水区精细划分，划分结果与真实地类分布一致，具有良好的可行性。

说明书

技术领域

本发明涉及汇水区划分技术领域，尤其涉及一种顾及地类与流向的城市子汇水区划分方法。

背景技术

近年来，随着全球气候变化的加剧及城市化的快速发展，城市内涝灾害呈现频发和广发态势，严重威胁着城市公共基础设施和居民的生命财产安全，加大城市暴雨洪水管理和预报预警愈显重要。其中，汇水区划分作为城市暴雨洪水预警的重要环节和关键步骤，其划分的合理性与否很大程度影响暴雨积涝预测的精度。因此，如何准确合理的确定汇水区边界，对于实现更优的城市内涝灾害管理与预测具有重要意义。

汇水区划分方法主要包括基于数字高程模型(DEM)的水文分析方法和基于节点的几何方法。基于DEM的水文分析方法一般是借助DEM，基于D8等算法提取流域流向，进而对汇水区进行划分；然而该方法应用于地势平坦地区时，易造成水流流向一致产生平行伪河道，导致提取出的汇水区边界与实际情况有很大的差异，因此，为真实反映城市平坦地区汇水区分布，有研究提出了RIDEM模型，该模型的主要思想是将影响汇流流向的道路、水系等地物信息叠加进DEM，对DEM进行修正，对此先后有学者通过叠加建筑物等信息对DEM进行修正，提高城市地区汇水区划分精度。基于DEM的水文分析方法充分考虑了自然地形对水流流向的影响，但忽略了城市内部排水系统及管网对汇流的作用。基于节点的几何方法，主要思想是基于排水管道中雨水井的空间分布，利用Voronio算法确定汇水区，该方法简单可行且充分考虑了人工排水设施对城市积水的疏散作用；但由于该方法仅基于几何方法，在划分过程中未考虑自然地形条件，易导致子流域内汇流流向与实际流向不同。约2015年之前，大多数研究仍侧重某单一方法开展汇水区划分，但城市排水是排水管道系统和地形的结合，近几年，一些学者尝试综合两种方法进行汇水区划分。比如Huang et al.(2019)综合两种方法，围绕区域内小尺度(小于10km

然而，已有最新方法(综合两种方法进行汇水区划分)虽然综合考虑了自然地表汇水节点与雨水井，但城市内部雨水井分布不均匀，在建立雨水井Voronoi图时，对于雨水井密度过小的区域，直接通过叠加与雨水井功能不同的自然汇水节点进行划分，易导致划分结果存在很大不确定性；此外，城市中心地区雨水井一般密度较大，这对于区域内小尺度研究的影响不大，然而，在应用于区域内大尺度时，过多的多边形数量会直接导致划分结果无法实际应用。此外，由于最新方法在汇水区划分时，主要通过Voronio算法对汇水区进行简单几何分割，导致微观汇水区划分结果与复杂下垫面的真实地表径流存在偏差，如同一建筑物被划分至多个汇水区内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顾及地类与流向的城市子汇水区划分方法，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：

一种顾及地类与流向的城市子汇水区划分方法，包括如下步骤，

S1、依据城市研究区域的自然地形情况和河流间的汇流关系，以具有实际流域排水功能的主干河流作为划分边界，将城市研究区域初步划分为若干个一级汇水区；

S2、依据一级汇水区的划分结果，将两边布设有排水管道的主次干道和具有排水功能的干渠作为划分边界，将各一级汇水区划分为中尺度相对独立的单元，获取若干个二级汇水区；

S3、对城市研究区域的修正DEM进行流向分析，确定主流方向及汇水点，并基于主流方向与汇水点，对各二级汇水区进行划分，获取初步三级汇水区；

S4、结合城市研究区域的地表类型，创建三级汇水区精细划分迭代算法，对初步三级汇水区进行精细划分，获取三级精细子汇水区。

优选的，步骤S3中，城市研究区域的修正DEM通过下式获取，

E

其中，E

优选的，步骤S3具体包括如下内容，

S31、利用水文分析工具对城市研究区域的修正DEM进行填挖处理，并基于D8算法，对城市研究区域的修正DEM的中心栅格依次向周围东、南、西、北、东南、东北、西南和西北八个方向进行DEM高程差计算，确定差值最大的下降方向为该中心栅格的水流方向；

S32、计算该中心栅格上游有多少栅格的水流会通过该中心栅格，并确定这些栅格的汇水量，将汇水量高于汇水阈值的栅格连接起来形成汇水脊线，则汇水脊线的交汇点即为汇水点；

S33、以汇水点为起点，将流向相同的汇水脊线中包含的所有栅格划分至同一个独立的汇水区，即获取初步三级汇水区。

优选的，步骤S4具体包括如下内容，

S41、通过叠加初步三级汇水区与城市研究区域的地表类型，计算获取每个地类图斑的面积；

S42、计算某地类图斑的面积与其所在的初步三级汇水区总面积的比值，并判断比值与地类图斑面积占比阈值之间的大小关系，若比值大于或等于地类图斑面积占比阈值且该地类图斑周边预设距离阈值以内存在雨水井数量大于0时，则该地类图斑为单一子汇水区，将该地类图斑单独划分子汇水区，获取三级精细子汇水区；若比值小于地类图斑面积占比阈值，则该地类图斑为混合子汇水区，将该地类图斑与其邻近的地类图斑进行拓扑关联与合并，获取三级精细子汇水区；

S43、重复步骤S42，遍历所有地类图斑，直到所有的三级精细子汇水区的面积大于或等于地类图斑面积占比阈值或单独地类图斑中存在雨水井数量大于0或相邻地类图斑之间的流向不同时，迭代结束，三级精细子汇水区划分完成。

优选的，所述地表类型包括草坪、树林、耕地、荒地、建筑物和广场道路；子汇水区包括草坪子汇水区、树林子汇水区、建筑物子汇水区和广场子汇水区。

优选的，地类图斑与其邻近的地类图斑进行拓扑关联与合并的规则函数表达为，

Merge(i,j)＝f(AreaSNei

其中，i＝1,2,…,m，m为地类图斑的总数量；j＝1,2,…,n，n为地类图斑i的邻近地类图斑j的总数量；AreaSNei

语义邻近度数学模型表示为

其中，L

则地类图斑i与邻近地类图斑j的拓扑关联与合并的规则函数表达为：

其中，δ为地类图斑面积占比阈值；w

本发明的有益效果是：1、本发明方法在汇水区划分时，不仅顾及了城市宏观自然地形和人工建设排水设施对排水的双重作用，还充分考虑了真实地表类型分布对地表径流的影响，使得汇水区划分更符合真实排水情景。2、提高了汇水区划分精度，且通过阈值设置与迭代，还解决了区域内大尺度下，汇水区划分过于细碎导致无法实际应用于水文模型的问题。3、充分考虑区域大尺度积水分析需求，利用迭代确定算法实现区域内大尺度汇水区划分，可适用于区域内大尺度的汇水区精细划分，划分结果与真实地类分布一致，具有良好的可行性。4、能够反映区域内大尺度汇水单元在空间上的异质性，在保持与真实地类分布、地表流向一致性方面，明显优于现有汇水区划分方法。

附图说明

图1是本发明实施例中划分方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中一级汇水区划分示意图；

图3是本发明实施例中二级汇水区划分示意图；

图4是本发明实施例中基于建筑物高度的DEM修正示意图；

图5是本发明实施例中基于流向的初步三级汇水区划分示意图；

图6是本发明实施例中单一汇水区与混合汇水区示意图；

图7是本发明实施例中三级精细子汇水区及上下游关系示意图；

图8是本发明实施例中城市研究区域汇水区划分结果示意图；

图9是本发明实施例中原始DEM与修正DEM流向对比示意图

图10是本发明实施例中Huang(2019)划分方法与本发明划分方法的划分结果对比示意图；

图11是本发明实施例中采用本发明划分方法将不同流向地类分为不同汇水区示意图。

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，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。

实施例一

如图1所示，本实施例中，提供了一种顾及地类与流向的城市子汇水区划分方法，包括如下步骤，

S1、依据城市研究区域的自然地形情况和河流间的汇流关系，以具有实际流域排水功能的主干河流作为划分边界，将城市研究区域初步划分为若干个一级汇水区；

S2、依据一级汇水区的划分结果，将两边布设有排水管道的主次干道和具有排水功能的干渠作为划分边界，将各一级汇水区划分为中尺度相对独立的单元，获取若干个二级汇水区；

S3、对城市研究区域的修正DEM进行流向分析，确定主流方向及汇水点，并基于主流方向与汇水点，对各二级汇水区进行划分，获取初步三级汇水区；

S4、结合城市研究区域的地表类型，创建三级汇水区精细划分迭代算法，对初步三级汇水区进行精细划分，获取三级精细子汇水区。

本实施例中，针对现有划分方法与实际地表类型分布存在的差异，以及缺乏适应区域内的大尺度汇水区划分方法的问题，本发明提供了一种划分方法，实现区域内大尺度汇水区精准划分。首先基于地形、干渠、管网等分布对区域进行初步汇水区划分，进而根据初步划分结果，通过创建汇水区精细划分迭代算法，实现区域大尺度的汇水区精准划分。具体的，本划分方法包括三部分内容，基于自然地形的宏观尺度一级汇水区划分、基于干渠和管网的二级汇水区划分、基于地类及流向的微观尺度三级汇水区划分。下面针对上述三部分内容分别阐述其划分过程。

一、基于自然地形的宏观尺度一级汇水区划分(具体划分过程可参考图2)

该部分内容对应划分方法中的步骤S1；城市一级排涝系统负责较大区域暴雨涝水排至江外，一般由区域内主干河网组成。主干河网对城市区域进行整体分割，形成了若干独立的自然汇水区块。基于此，本发明一级汇水区划分主要是依据城市自然地形情况和区域河流间的汇流关系，以具有实际流域排水功能的主干河流(Stream-M)作为划分边界，将区域初步划分为若干个汇水区，保证划分的汇水区符合城市自然地形下主干河流分割特点。如图2所示，将城市研究区域的主干河流为划分界限，则可将城市研究区域划分为A、B、C、D、E五个一级汇水区(First Level-catchment，FL catchment)。

二、基于干渠和管网的二级汇水区划分(具体划分过程可参考图3)

该部分内容对应划分方法中的步骤S2；一级汇水区的划分充分考虑了城市地形地物因素的影响，但城市在建设过程中自然地形已经发生改变，城市集水特征既受宏观地形影响，又受人工建设排水系统限制引导。与自然地表径流相比，城区内地表径流空间异质性强，径流流向一般会受人工不透水面影响而发生改变。城市二级排涝系统负责将城市街道等区域的雨水排入主干河网，一般由雨水管网或人工干渠等组成。其中，分布在主次干道两边的地下管网往往是局部区域地表径流和地下排水的主要渠道，其功能类似于自然河道或排水干渠，在局部排水过程中起着重要的作用。本发明提出了基于排水干渠及管网的二级汇水区划分方法(Second Level-catchment，SL catchment)，主要依据两边布有排水管道的主次干道和具有排水功能的干渠作为划分依据，将研究区划分为中尺度相对独立的单元。由于排水管网大多埋设在主次干道两边，因此二级汇水区划分结果主要体现为主次干道以及支流水系的分割。图3表示了对一级汇水区C的二级汇水区划分，利用主要干渠和管网的二级汇水区划分可有效保证后续汇水区划分的均匀性。

三、基于地类及流向的微观尺度三级汇水区划分

该部分内容对应划分方法中的步骤S3和步骤S4。三级子汇水区是构建水文模型的最小单元，其划分准确度直接影响分析结果的精度。为保证汇水区划分结果与真实地类保持一致，本发明结合地形流向与精细土地利用类型开展三级汇水区划分。首先，基于修正DEM，利用D8算法进行流向分析，确定主流方向，并基于主流方向，对二级汇水区进行划分，得到初步三级汇水区(Direction-based catchment，D-B catchment)；然后，结合地表类型，创建三级汇水区精细划分迭代算法，对D-B catchment进行精细划分，最终得到最小单元的汇水区。具体的第三部分包括如下内容：

1、修正DEM(具体修正过程可参考图4)

城市区域内地表径流过程和径流方向不仅由地形决定，还受到建筑物、道路、干渠等因素影响。考虑到城市下垫面对径流路径的影响，本发明对原始DEM进行细化与修正，其基本思想是将影响汇流途径的不同地物信息融入DEM，通过对含有这些地物信息的DEM栅格点的高程值，人为的增高或降低一定高度或比例来改变这些栅格的汇水能力，从而达到反映排水系统空间状态的目的。由于本发明在二级汇水区划分时，已充分考虑了道路和干渠对径流的影响，因此在修正DEM时仅需考虑建筑物分布对径流的阻挡作用即可。

则，步骤S3中，城市研究区域的修正DEM通过下式获取，

E

其中，E

2、基于流向的三级汇水区初步划分(具体划分过程可参考图5)

此部分内容对应步骤S3的内容，具体包括

S31、流向分析；利用ArcGIS水文分析工具对城市研究区域的修正DEM进行填挖处理，并基于D8算法，对城市研究区域的修正DEM的中心栅格依次向周围东、南、西、北、东南、东北、西南和西北八个方向进行DEM高程差计算，确定差值最大的下降方向为该中心栅格的水流方向；

S32、汇水点提取；计算该中心栅格上游有多少栅格的水流会通过该中心栅格，并确定这些栅格的汇水量，将汇水量高于汇水阈值的栅格连接起来形成汇水脊线，则汇水脊线的交汇点即为汇水点；其中，在流向提取时，汇流阈值会影响主干水流与支流的选取结果，因此本发明通过多次实验，选取最佳汇流阈值1000。

S33、初步三级汇水区划分；以汇水点为起点，将流向相同的汇水脊线中包含的所有栅格划分至同一个独立的汇水区，即获取初步三级汇水区(D-B catchment)。

3、基于地类的三级汇水区精细划分(具体划分过程可参考图6和图7)

此部分内容对应步骤S4的内容，为更真实反映城市汇水区分布，本发明结合高精度土地利用类型数据及雨水井分布数据，创建汇水区精细划分迭代算法，对D-B catchment汇水区进行精细划分，得到最小汇水单元(Smallest catchment,S-catchment)，也就是三级精细子汇水区。具体包括如下内容

S41、通过叠加初步三级汇水区与城市研究区域的地表类型，计算获取每个地类图斑的面积Area

S42、计算某地类图斑的面积Area

其中，m为地类图斑的总数量，Area为第i个地类图斑所在初步三级汇水区D-Bcatchment的汇水区总面积。所述预设距离阈值可设置为100米。

基于AreaShare

S43、重复步骤S42，遍历所有地类图斑，直到所有的三级精细子汇水区的面积大于或等于地类图斑面积占比阈值或单独地类图斑中存在雨水井数量大于0或相邻地类图斑之间的流向不同时，迭代结束，三级精细子汇水区划分完成。

本实施例中，地类图斑与其邻近的地类图斑进行拓扑关联与合并的规则函数表达为，

Merge(i,j)＝f(AreaSNei

其中，i＝1,2,…,m，m为地类图斑的总数量；j＝1,2,…,n，n为地类图斑i的邻近地类图斑j的总数量；AreaSNei

语义邻近度数学模型表示为

其中，L

则地类图斑i与邻近地类图斑j的拓扑关联与合并的规则函数表达为：

其中，δ为地类图斑面积占比阈值；w

本实施例中，划分方法执行完毕后，依据S-catchment汇水区内水流方向添加子汇水区上下游关系，可以为后续水文模型计算提供信息。本发明的划分方法不仅提高了汇水区划分精度，且通过阈值设置与迭代，还解决了区域内大尺度下，汇水区划分过于细碎导致无法实际应用于水文模型的问题。

实施例二

本发明以东营市东营区东部城区作为实验样区开展汇水区划分，该区域面积为44平方公里，属于汇水区划分研究的大尺度区域。东营区位于山东省东北部，是东营市的中心区，地跨东经118°12′42″～118°59′52″，北纬37°14′13″～37°31′57″，东濒渤海，西依黄河，主要由东城、西城两大部分组成，其中东城建成区为本发明主要试验区。东营区地处中纬度，受亚欧大陆和西太平洋共同影响，属暖温带大陆性季风气候，降水多集中在夏季，占全年降水量的65％，夏季极易遭受内涝灾害。研究区地势平坦，地面平均高度6-8米，区域既有城市化比较发达的区域，也有农田郊区，多种土地利用类型并存。

本发明采用的试验数据主要包括：(1)基础地理数据：土地利用类型、道路矢量数据、水系矢量数据，0.05m高分辨率遥感影像，0.5m*0.5m分辨率DEM数据，来源于东营市自然资源局。(2)管网数据：东营市主城区内管道(15151条)、检查井(15791个)、排放口(147个)等数据，来源于东营市气象局。

1、整体汇水区划分结果

图8显示了利用本发明方法对东营市东城区一级、二级及三级精细汇水区的划分结果。其中，图8(a)表示的是一级、二级汇水区划分结果；图8(b)表示的是三级精细子汇水区划分结果；由图可以看出，本发明划分的汇水区边界较为规整，其分布与研究区内的河流、道路网、排水管网及建筑物边界分布较为一致，说明本发明方法在汇水区划分时，不仅顾及了城市宏观自然地形和人工建设排水设施对排水的双重作用，还充分考虑了真实地表类型分布对地表径流的影响，使得汇水区划分更符合真实排水情景。

本发明划分汇水区共包括4个一级汇水区、111个二级汇水区、804个三级最小汇水区，其中最大的汇水区面积为72.86hm

2、局部区域方法对比与讨论

为更详细验证本发明方法的可靠性，即汇水区划分结果与真实地类及径流一致，分别对利用原始DEM与利用地类修正DEM的流向分析结果、Huang et al.(2019)利用Voronio算法与本发明方法的汇水区划分结果进行对比。

(1)原始DEM与修正DEM流向对比

为更清晰地反映原始DEM与修正DEM对流向的影响，本发明选取了含有人工设施的区域作为对比区域，如图9(a)显示了基于原始DEM生成的流向，图9(b)为基于地类修正DEM生成的流向。由图黑色框可明显看出，基于原始DEM的流向直接穿过建筑物内部，与真实地表径流不符，这主要是由于原始DEM未考虑建筑物高度，无法体现建筑物对地表径流的阻碍作用。而基于地类修正后的DEM，由于增加了人工建筑物区域对应的地表高度，能很好地反映建筑物对地表径流的阻挡作用，流向提取效果与实际径流更为符合。但值得注意的是，本发明在流向分析时，未对道路等其他人工设施进行DEM修正，这是由于考虑到排水管网一般都埋藏在主干道路下，在二级汇水区划分时，已充分结合道路及管网对汇水区进行了分割，因此流向分析未对道路区域进行DEM修正。

(2)基于Voronio算法汇水区划分与本发明方法对比

考虑到本发明研究区域面积较大、雨水井数量较多，利用Huang et al.(2019)方法划分汇水区时易导致计算机宕机，本发明选取城市研究区域内1.6km

图10(b)显示了基于本发明方法划分的汇水区，可以明显看出，与Huang et al.(2019)划分地块大致位置相同，且每个汇水区都有与雨水井或管道对应的排水点，说明划分结果能够体现较真实的城市排水情况。不同的是，基于本发明方法划分的汇水区与区域内的主干河流、主干道路边界一致，且连续分布的同一地类基本不会被分割至多个汇水区，有效保证了复杂下垫面下与真实地类分布的一致性。同时，该方法还精准顾及了地表真实流向，即使两个地类相邻，但由于其地表流向不同仍会被规则的划分至两个不同汇水区(如图11的两个地块，其大致流向呈相反方向，白色箭头表示)。此外，本发明方法通过设置地类图斑面积阈值及考虑地类图斑之间雨水井等因素，划分的汇水区单元几何形状规则且能够反映地表径流的空间异质性；迭代确定方法还可有效解决区域大尺度下，汇水区划分过于细碎导致无法实际应用于水文模型的问题。表1显示了本发明方法与Huang et al.(2019)汇水区划分方法的对比。

表1汇水区划分方法对比

3、结论

汇水区划分是城市暴雨洪水预警的前提和关键环节，其划分的准确性对于城市暴雨积涝高精度预测具有重要意义。目前现有方法中，虽然能够综合考虑自然地形与人工管道对汇水区的影响，但由于简单借助Voronio算法，在精细汇水区划分时易导致划分结果与复杂下垫面的真实地表分布存在偏差；此外，现有方法多聚焦区域小尺度汇水区划分，尚缺乏适应于不同区域大尺度汇水区划分方法。为此，本发明围绕区域大尺度，提出了一种顾及地类与流向的子汇水区划分方法，不仅综合考虑了自然地形与人工管道等分布，而且通过考虑地类图斑、流向等约束规则，有效提高了汇水区划分精度与真实地表的一致性。此外，本发明方法充分考虑区域大尺度积水分析需求，利用迭代确定算法实现区域内大尺度汇水区划分。通过东营市大尺度(44km

(1)在整体汇水区划分方面，本发明方法共划分804个精细汇水区，整体汇水区几何形状规整，与自然河流、人工道路网、排水管网及建筑物边界分布较为吻合，说明本发明方法充分顾及了自然与人工设施对地表径流的影响；此外，划分的汇水区中，除水系坑塘、湿地等地表类型外，其他汇水单元面积的均方根差为3.18，中心城区汇水区面积相比城郊区域较小，表明本发明方法不仅能够反映区域内大尺度汇水单元在空间上的异质性，还能够保证汇水单元整体几何形状均匀。

(2)在局部对比方面，本发明方法与Huang et al.(2019)方法划分的汇水区单元大致位置相同，且均能够实现每个汇水区含有至少一个与雨水井或汇水点相对应的排水点，说明划分结果能够体现较真实和的城市排水情况。但本发明方法在保持与真实地类分布、地表流向一致性方面，明显优于现有汇水区划分方法。

本发明所提方法可适用于区域内大尺度的汇水区精细划分，划分结果与真实地类分布一致，具有良好的可行性。此外，为保证方法适用于区域大尺度，本发明方法设置了地类面积占比阈值参数，并根据研究区特征将地块阈值设为0.15。

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：

本发明提供了一种顾及地类与流向的城市子汇水区划分方法，本发明方法在汇水区划分时，不仅顾及了城市宏观自然地形和人工建设排水设施对排水的双重作用，还充分考虑了真实地表类型分布对地表径流的影响，使得汇水区划分更符合真实排水情景。提高了汇水区划分精度，且通过阈值设置与迭代，还解决了区域内大尺度下，汇水区划分过于细碎导致无法实际应用于水文模型的问题。充分考虑区域大尺度积水分析需求，利用迭代确定算法实现区域内大尺度汇水区划分，可适用于区域内大尺度的汇水区精细划分，划分结果与真实地类分布一致，具有良好的可行性。能够反映区域内大尺度汇水单元在空间上的异质性，在保持与真实地类分布、地表流向一致性方面，明显优于现有汇水区划分方法。

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。