分布式水文模型子流域划分方法

　　摘要：子流域划分是构建分布式水文模型的重要工作之一，它关系到水文模拟和预报精度的好坏。通过综述分布式水文模型子流域划分方法的国内外研究进展，总结了现有子流域划分方法在不完整流域的子流域划分、无分叉长河段的子流域划分、水文站和水库控制范围确定以及子流域划分软件等方面存在的问题，提出了水文实践对子流域划分方法的需求，最后针对该问题从开发适用性更高的子流域划分算法、开发通用的子流域划分软件和加强子流域划分层次或水平的研究等三个方面对子流域划分研究方向进行了展望。

　　关键词：子流域划分；编码：算法：Pfafstetter法；DEM；软件；问题

　　中国分类号：P333；TV12 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2011）03-0101-05

　　分布式水文模型是从水循环的动力学机制来描述流域水文问题，且能够分析流域下垫面变化后的产汇流变化规律的数学模型。20世纪60年代开始萌芽了分布式水文模型建模思想，如今，逐步发展起来的“基于DEM的分布式水文模型”，已成为当今水文学界研究的热点[1-2]。自然子流域作为分布式水文模型的计算单元，最大好处是单元内和单元之间的水文过程十分清晰，而且单元水文模型很容易引进传统水文模型，从而简化计算，缩短模型开发时间，得到了广泛的应用[3]。子流域划分不仅是构建分布式水文模型的重要内容之一，同时也是分布式水文模型进行洪水预报与调度的前提。

　　1 子流域划分方法国内外研究进展

　　1.1 国外研究进展

　　在国外，最早主张以序列原则来划分水道大小的人是Gravelius（1914）[4]，他规定：在任何一个河网内，最大的主流为第一级水道，汇入主流的最大支流为第二级水道，汇入大支流的小支流为第三级水道，这样一直把全部大小支流命名完为止。而基于DEM的流域分析的研究从20世纪60年代开始，80-90年代出现高峰。国外对子流域划分的研究主要包括两个方面：一是子流域划分与编码方法的研究，二是集成子流域划分与编码方法软件的开发。

　　1.1.1子流域划分与编码方法的研究

　　目前，比较通用的子流域划分方法主要有Horton法[5]、Strahler法[6]、Shreve法[7]和Pfafstetter法[8]。Horton法是基于河道分叉来确定水道级别的，该方法简单易懂，但通过该方法划分出来的较高级水道的上游几乎与第一级水道具有完全相似的特征；Strahler法是在Horton法基础上，从形态与水文要素综合分析中提出的，并且划分的河道结构具有拓扑关系，因而应用十分广泛；Shreve法对河道的等级划分与Strahler法基本相同，只是在河流的等级划分中采用了加和的方法，其优点在于能够全面考虑所有河道等级的作用[9]；Pfafstetter法基于河网的拓扑关系及河道的集水面积，对流域进行从大到小逐级划分和编码，流域和研究区域可被划为很多较小的子流域，并且每个子流域都被赋给唯一的Pfafstetter编码，该法具有诸多优点，如编码中包含有拓扑信息，编码规则富有规律性，便于计算机处理，适用范围广等。

　　Verdin等[10]应用Pfafstetter法对子流域进行划分和编码，经验证表明Pfafstetter法不仅可以根据编码进行河段的直接定位，而且其编码具有显著的拓扑关系。Vogt等[11]也将Pfafstetter法应用到欧洲泰晤士河等流域，对其进行了子流域划分。Weishar等[12]也进行了类似的应用研究。

　　1.1.2集成子流域划分与编码方法软件的开发

　　随着计算机技术的迅速发展，国外对基于DEM的子流域划分已做了大量的工作，研究开发了许多能计算水流路径、自动生成河网和进行子流域划分等一系列操作的软件，如美国ESRI公司提供的Arc/Info、Arcview、ArcGIS及相应的水文分析模块；美国陆军工程公司研制的GRASS（Geographic Resources Analysis Support System）系统[13]；RIVIX提供的RiverTools工具，目前已发展到3.0版本；Garbrecht和Martz研制的数字高程模型DEDNM（Digital Elevation Drainage Network Model）[14]和TOPAZ（Topographic PA-rameteriXation）工具[15]；美国Brigham Young大学环境型研究室开发的WMS（Watershed Modeling System）软件[16]等。

　　不同的软件包含着不同的算法，而且各有特点。ArcGIS和River Tools在可视化分析和数据管理上要明显的优于其它软件，但对于大型平坦区的处理不尽如意；GRASS提供了多种软件接口，可以接收多种数据资源；WMS具有强大的前后处理、图形显示和可视化功能；DEDNM包含很多子程序且每一子程序都完成一种算法；TOPAZ虽然算法完善、执行效率高，但程序须在DOS下运行，其结果要借助GIS实现可视化[17]。

　　1.2 国内研究进展

　　相比国外，国内对基于DEM的子流域划分的研究起步比较晚，从20世纪90年代才开始，起初主要集中在对软件的应用，随着科技的不断进步，国内也在子流域划分方面做了很多研究，取得了一定的成果。

　　1.2.1软件应用方面

　　任立良，刘新仁[18]采用数字高程流域水系模型（DEDNM）建立河网结构拓扑关系，将其应用于淮河史灌区流域，结果表明模型能够很好地自动生成流域水系。李春红等[19]基于辽河水系老哈河流域栅格DEM数据，分别采用DEDNM、RiverTools和Arcview软件对凹陷区域识别、水系、子流域及其拓扑关系生成进行简要说明和对比，认为DEDNM的可修改性较好，RiverTools使用方便，可视化程度高，作图和分析功能强大，Arcview更易于二次开发。左文君等[20]针对城市河网借助ArcGIS的缓冲区功能，以实际水系修正网格流向来提高水系特征提取精度，并根据雨水实际汇流路径来提高子流域划分精度。类似的应用研究还有很多[21-24]。

　　1.2.2子流域划分方法应用方面

　　沈涛等[22]进行基于DEM的河流多尺度显示方法的研究和试验，采用Strahler法对河流线进行分级，提出了对河流的主支流的自动判别的方法，最终以国家基础地理信息的全国1：25万数据库为数据源实现了实验区域数字河流的多尺度显示。陈于林[23]根据Strahler划分水系网级别的原理，对水系进行分级，并对如何实现Strahler水系分级提出了详细的步骤和方案，取得了较好的测试结果。许宝荣等[24]根据Shreve与Strahler提出的流域结构图，进行了基于DEM的河网系统自动提取的应用研究，通过对柴达木盆地流域定量水系级别关系的研究，提出Strahler水系级别模式更加适合本流域。熊立华等[25]采用了一种由Garbrecht和Martz提出的比较系统的数字河道网络提取和结构特征描述方法，从汉江流域上游的旬河流域的数字高程模型中进行河道分级和编码，其中河流分级采用Strahler法，河段结点编码采用“从出口节点到上游再回到出口节点”的处理顺序，保证了编码的连续性。

　　1.2.3子流域划分方法创新方面

　　叶爱中等[26]提出了一个新的从DEM直接提取河网与划分子流域的方法AEDNM（Automated Extraction of Drainage Network Model），该法主要解决了通过图的遍历确定流域中每个网格的流向，通过河网将一个流域划分成多个子流域等问题，经过黄河、泾河与白河流域的算例验证，表明该法简单可行。罗翔宇等[27]提出了一种Pfafstetter规则的改进方法，并且按照改进后的Pfafstetter规则来对河网与流域进行编码，解决了Pfafstetter规则不能对河道支流数小于4的情况进行编码的问题。舒栋才等[28]为解决复杂流域洪水的演算集成问题，提出了一种基于多叉树的流域拓扑关系计算方法，该算法将流域中的网格或子流域概化成树形结构的结点图，运用后序遍历递归算法，可快速自动建立反映洪水演算顺序的拓扑结构。针对狭长子流域和水库、水文站控制的子流域问题，Lei等[29]提出了一种基于Pfafstetter规则的通用子流域划分方法，该方法在汉江流域和南水北调中线受水区得到了很好的验证。Li等[30]为解决现有子流域划分算法对大尺度流域处理能力不足的问题，提出了一种二叉树理论的河网编码方法，该能够实现任意河段的直接定位和高效的拓扑运算。另外，国内对数字河网水系提取软件也进行了研发[31]。

　　2 现有子流域划分方法的问题

　　2.1 算法方面的问题

　　2.1.1不完整流域的子流域划分问题

　　现有子流域划分算法大多都是针对完整流域进行设计的，而对不完整流域进行子流域划分研究的较少。不完整流域会涉及到多个出口点、入口点的问题，因此，如何支持多个出口点、入口点的流域划分是现有子流域算法面临的一个问题。

　　2.1.2无分叉长河段的子流域划分问题

　　现有的子流域划分算法都是以河道分叉点进行河道编码，然后再进行子流域划分的。这种方法在碰到无分叉长河段时，容易产生狭长子流域，对水文模拟的精度会产生一定的影响。胡连伍等[32]曾在研究SWAT模型中不同子流域划分对流域径流、泥沙、营养物模拟的影响时指出，过多狭长的子流域会引起对水文过程的不真实模拟，影响模型效率。

　　2.1.3水文站、水库控制范围不准确的问题

　　传统的分布式水文模型流域划分方法，都是先以河道分叉点进行子流域划分，然后，再把水文站、水库所在位置定位到已经划分好的子流域中，以水文站、水库所在流域及其上游控制子流域为其控制范围，即把水文站、水库放到其所在子流域出口处。该方法的缺点在于，如果水文站，水库所在河道较长，则其控制的子流域面积就会增大，与实际不符，这样模型计算与率定时会产生较大的误会[33]。

　　2.2 软件方面的问题

　　DEM数据中包含了丰富的地形、地貌及水文信息。基于网格DEM已提出了多种算法计算水流路径、自动生成河网和进行子流域划分等。这些算法也都已成功集成到很多常用的GIS软件、水文分析软件中[34]，这为水文模型系统的研制提供了很大的便利。但在享受这些软件带来便利的同时，人们逐渐发现它们存在着一些缺陷[35]，如TOPAZ软件没有可视化的界面，在流域生成过程中一般需要做许多前期准备工作；RiverTools虽然算法丰富，具有可视化的界面，但在水流经常容易发生分叉的山坡丘陵地区，其划分水流的方法就难以取得理想的效果；ArcGIS软件在子流域划分方面虽然功能强大且应用广泛，但操作比较繁琐，成本费太高，使用者花大量资金购买往往只用到其中的一小部分功能。

　　总之，目前针对子流域划分的软件“各自为政”，有些过于复杂，有些过于简单，通用性差，无法适用不同水文模型的需求。研究表明基于这些软件划分出来的子流域在构建分布式水文模型时，其模拟精度和模型效率会受到一定的制约。因此，亟待开始通用的子流域划分软件以解决目前软件存在的缺陷问题。

　　2.3 其他问题

　　传统的集总式水文模型的子流域划分通常以水文工作人员的经验，手工绘制流域范围，经验程度比较高，对水文工作人员的要求也比较高，但这种手工的方法，不仅工作量巨大，费时费力，而且存大河流级数人为确定以及低级别河流的省略等问题，造成了许多误差[36]。随着基于DEM的子流域划分技术的出现，利用该思想划分集总式水文模型的子流域成为可能。另外，集总式模型以其结构简单、计算效率高等优势，仍然在水文预报中起着非常重要的作用。因此，需要研制一种基于DEM的集总式水文模型流域划分方法。

　　此外，在子流域划分时，如何处理界河、海岸线也是一个要面临的问题。有的区域以界河或者海洋为边界，界河、海岸线上河流出口点众多，如果按照传统流域划分方法，不仅出口点定位工作量大，而且容易遗漏部分小的河流出口点会导致模拟范围与研究区域偏离过大[37]。

　　3 实践需求

　　分布式水文模型应用到洪水预报与调度时，对子流域划分方法提出2个方面的需求：①支持多种精度的子流域划分粒度，以满足不同流域尺度、不同预报精度对子流域划分粒度的要求。②准确描述水文站、水库的控制流域范围，以满足洪水预报与调度对水文模拟精度的要求。

　　3.1 支持多种精度的子流域划分粒度

　　子流域划分粒度是子流域划分大小的反映，不同流域尺度、不同预报精度对子流域划分粒度有不同的要求。通常子流域面积取得越小，流域划分的越细，越能体现下垫面的分布情况，但如果子流域划分的越细就会导致模型计算时间越长，因此，在实际应用中应根据不同的需求设置不同的划分粒度。

　　3.2 准确描述水文站、水库的控制流域范围

　　对水文站、水库的控制流域范围的准确描述，不仅关系到水文模拟范围的准确性，而且还关系到水文过程的准确描述和参数率定的问题。合适的控制流域范围既可以实现对研究范围的精确描述，也可以避免用模型参数修正来弥补由于流域控制范围误差而带来的水文模拟误差。

　　4 研究展望

　　根据目前现有的子流域划分算法及软件存在问题，一方面需要开发适用性更高的子流域划分算法，另一方面需要开发通用的子流域划分软件。另外，还应加强子流域划分层次或水平的研究。

　　4.1 开发适用性更高的子流域划分算法

　　尽管现有的子流域划分算法在实际中得到了广泛应用，但其也存在着很多问题，因此，今后有必要克服现有子流域划分的缺点及问题，面向实际水文模拟及预报中的需求，开发一套适用性更高的子流域划分算法。

　　4.2 开发通用的子流域划分软件

　　针对以上各种流域特征信息提取软件的缺陷，开发一套通用的子流域划分软件是十分必要的。通用的子流域划分软件应支持多出口点、多入口点的子流域划分，可以实现狭长子流域的加密，可以精确定位水文站、水库的位置，可以实现对海岸线的简化处理，且具有操作简便、实用性强、成本低等特点。

　　4.3 加强子流域划分层次或水平的研究

　　子流域划分的层次或水平，受人为选择和所用数字高程模型空间分辨率等主、客观因素的影响，因此，如何选择合适的子流域划分层次或水平及不同的子流域划分层次或水平对水文模拟的影响，有待进一步的研究[38]。

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　　作者简介: 张峰(1985-) , 男, 山东济宁人, 硕士研究生, 主要从事环境水文研究。