Ну в общем, градиент численно можно реализовать
оператором Собеля, например.
Но вообще такое решение (градиент) имеет минусы: оно будет выбирать единственное направление русла или всё множество (в случае плато). Лучше опереться на другой подход, минус которого, правда, в тяжести вычислений.
Для каждой точки вычисляется напряжение, как разность между гравитационными потенциалами точек (высотами). Каждая точка порождает потоки во все направления с отрицательными напряжениями (в точки с меньшей высотой), при этом скорость истечения (сила тока воды) распределяется пропорционально модулям напряжений (водопады, пороги, тихие долинные реки) - аналогично
закону Ома. В случае попадания в локальный минимум (низину), образуется озеро, а следующей точкой истечения определяется наиболее низкий берег (это будет точка с наименьшим положительным напряжением относительно дна). Можно так же ввести модель сопротивления среды (тип дна) - по аналогии с сопротивлением в электрическом контуре. Управляемые плотины будут аналогом конденсаторов (озёра, с ручной регуляцией входного / выходного потенциала). Насосы, очевидно, будут источниками тока (воды): буду создавать заданную силу тока воды и обладать бесконечным внутренним сопротивлением.
Можно подойти к задаче и со стороны CV: распознать контура на карте высот и от них плясать. С другой стороны, реальное русло ещё зависит от характера земной породы: вымывание грунта, подземные реки и прочее.
Upd: поправил термниологию