湖庫型飲用水源地流域特征提取

周 伶，林孝松，劉書軍，蔣天明

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

湖庫型飲用水源地流域特征提取

周 伶，林孝松，劉書軍，蔣天明

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

以重慶市梁平縣沙壩水庫飲用水源為研究對象，利用ArcGIS水文分析模塊，對水源地流域的河網(wǎng)進行提取和子流域劃分。結(jié)果表明:選用集水面積閾值為3 000時提取的河網(wǎng)與實際水系分布最相近，在此基礎(chǔ)上共劃分得到13個子流域。通過對13個子流域土地利用情況的分析，發(fā)現(xiàn)人類活動影響主要集中在水庫周邊的1～5號子流域，尤其是1號子流域受人類影響最嚴(yán)重，需要采取相應(yīng)措施對其進行治理。湖庫型飲用水源地流域特征提取結(jié)果為流域分級管理和治理提供便利，為飲用水源地流域環(huán)境保護提供基礎(chǔ)。

飲用水源地;湖庫;流域特征;沙壩水庫;水文分析

飲水安全事關(guān)國計民生，造成我國飲用水源地環(huán)境不安全的主要原因在于區(qū)域污染控制不力、保護區(qū)內(nèi)污染源未得到有效控制、農(nóng)業(yè)面源潛在威脅、缺乏保護區(qū)劃分和環(huán)境監(jiān)管能力比較薄弱等［1］。飲用水源地主要包括河流、湖泊、水庫和地下水等［2］，其中湖泊水庫在城市飲用水源地中占較大的比重。重慶市特殊的地形地貌使得湖庫型飲用水源地在城市飲用水供水方面有著重要的地位，其中主城80個城市飲用水源地中有27個為湖庫型，遠(yuǎn)郊區(qū)縣64個中有31個為湖庫型，湖庫型占總數(shù)的比例高達(dá)40.28%。由于湖庫型城市飲用水源地特殊的水力特點，加之工業(yè)化與城市化的發(fā)展以及人類物質(zhì)生活水平的提高［3］，使湖庫型飲用水源地安全成為社會關(guān)注的問題。隨著點源污染的逐步有效控制，非點源污染成為影響湖庫型飲用水安全的關(guān)鍵［4-6］。由于非點源污染來源廣、污染物復(fù)雜多變等原因［7］，可根據(jù)流域特點對水源地進行保護區(qū)劃分，并對劃分結(jié)果實行分級管理［8］，制定相應(yīng)措施保護湖庫型水源地安全。筆者運用ArcGIS水文分析模塊基于數(shù)字高程模型（DEM）［9］對重慶市梁平縣沙壩水庫流域進行河網(wǎng)提取和子流域劃分，研究結(jié)果可為該水庫水源地安全保護提供決策依據(jù)。

1 研究方法

ArcGIS水文分析模塊是根據(jù)地表起伏特征進行一系列分析應(yīng)用的功能模塊［10］，它以DEM作為基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，可提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網(wǎng)絡(luò)以及對流域進行劃分等。通過對這些基本水文因子提取和水文分析，可以在DEM表面之上再現(xiàn)水流的流動過程，最終完成流域特征提取過程［11］。研究步驟主要為:無洼地DEM生成、水流方向計算、流域累積量計算、河網(wǎng)提取和子流域劃分等。

1.1 無洼地DEM生成

由于洼地區(qū)域的存在，使進行水流方向計算時，往往得到不合理的水流方向數(shù)據(jù)，從而不能生成合理的數(shù)字河網(wǎng)，因此要事先進行洼地填充。采用的方法主要為洼地填平處理［12］，其主要過程是通過DEM柵格數(shù)據(jù)確定洼地區(qū)域和洼地深度，然后根據(jù)洼地深度設(shè)定填充閾值進行洼地填平。

1.2 水流方向計算

水流方向是指水流離開每一個柵格格網(wǎng)時的指向，流向判定主要建立在3×3 DEM柵格格網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過單流向法進行計算。單流向法假定一個格網(wǎng)中的水流只從一個方向流出格網(wǎng)，然后根據(jù)格網(wǎng)高程判斷水流方向。在ArcGIS中通過將中心柵格的8個鄰域柵格進行從右逆時針旋轉(zhuǎn)的柵格編碼，確定水流往8個方向的流動來確定水流方向，即D8算法（圖1）。D8算法［13］通過計算中心格網(wǎng)與各相鄰格網(wǎng)間的距離權(quán)落差;然后取距離權(quán)落差最大的格網(wǎng)為中心格網(wǎng)的流出格網(wǎng)，該方向即為中心格網(wǎng)的流向［10］;最后通過各柵格單元的水流方向，確定流域水流方向矩陣。其中距離權(quán)落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離。

圖1 D 8算法水流方向計算Fig.1 The direction of flow calculation in D 8 algorithm

1.3 匯流累積量計算

匯流累積量計算主要基于水流方向矩陣數(shù)據(jù)計算［11］，它是提取河網(wǎng)的前提和基礎(chǔ)。流域內(nèi)一個柵格的匯流量反映了其匯聚水流能力的強弱程度。因此，一個柵格的匯流累積量越大，其匯流能力也就越強，該柵格所代表的地形特征就有可能是河谷;反之，匯流累積量為0的地方則可能代表流域的分水嶺。通過水流方向矩陣，計算出每一個柵格單元的上游給水區(qū)范圍，并將其標(biāo)注為該柵格的匯流特征值［14］。水流累積矩陣的每一個單元格的值就代表著注入該單元格的所有柵格單元的數(shù)目，其值越高，注入水流越多。

1.4 河網(wǎng)提取

利用水流累積矩陣可提取河流柵格網(wǎng)絡(luò)。河流柵格的匯流累積量是表示水流經(jīng)該柵格的大小，那么當(dāng)柵格中有水按照自然規(guī)律流入流出到相鄰柵格，隨著這個水的流動?xùn)鸥窬碗S之形成水流。在ArcGIS中，河網(wǎng)的提取首先要對集水面積閾值進行設(shè)定，這對整個河網(wǎng)提取有很重要的作用，閾值的大小直接影響河網(wǎng)提取的結(jié)果。集水面積閾值是設(shè)定形成河道水系所需的最小匯水面積［15］，形成的結(jié)果是大于所設(shè)定閾值的柵格單元稱為河道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。因此設(shè)定該值時應(yīng)結(jié)合研究區(qū)和研究內(nèi)容來判斷設(shè)定閾值大小是否適宜。

1.5 子流域劃分

子流域劃分主要通過流域節(jié)點分析進行，流域節(jié)點是通過水流方向和河流網(wǎng)絡(luò)分析而來。所以當(dāng)集水面積閾值設(shè)定越小時河網(wǎng)越密，劃分得到的子流域也就越多。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)域與原始數(shù)據(jù)

沙壩水庫位于重慶市梁平縣梁山鎮(zhèn)鯉魚村，海拔460 m，過去此地是一個壩寬沙多的地方，因此取名“沙壩”。沙壩水庫背靠高梁山，閘門朝向北面，于1957年動工修建，1958年建成。經(jīng)過幾十年的維修，現(xiàn)在沙壩水庫壩高27 m，水深23.9 m，最大水庫容量502萬m3，現(xiàn)在蓄水354萬m3，為梁平縣城兩個重要的飲用水源地之一，該水庫流域面積共9.5 km2。

實例分析的原始數(shù)據(jù)為2006年版的萬分之一比例尺地形圖4幅，2009年高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)和該水庫流域內(nèi)社會經(jīng)濟調(diào)查數(shù)據(jù)。在分析中采用的柵格數(shù)據(jù)為ArcGIS軟件的ESRIGRID格式，柵格尺寸大小為10 m×10 m，研究區(qū)共得到138 240個柵格網(wǎng)格。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與圖形分層

使用的空間原始數(shù)據(jù)為梁平縣4幅CAD圖。在ArcGIS中，加載4幅CAD圖，用export input工具轉(zhuǎn)存為shp格式。再將4幅圖拼接為1副完整的圖。根據(jù)研究需要，對不同要素的圖層進行提取，提取結(jié)果為土地利用、等高線、交通、水系、建筑物和管道6個圖層。

2.2.2 等高線提取與DEM創(chuàng)建

生成DEM柵格數(shù)據(jù)前需要先對等高線進行高程賦值。利用mapgis高程自動賦值工具可方便、快捷的完成高程賦值步驟。CAD圖中等高線存在被不同地圖要素遮蓋的情況，提取出來的等高線所呈現(xiàn)的形態(tài)是不連續(xù)的。直接賦值容易出現(xiàn)同一等高線不同高程值的錯誤，并且工作量也較為繁瑣，所以賦高程值之前先對等高線進行處理使其連續(xù)或閉合。依據(jù)自然規(guī)律，提取出沙壩水庫流域范圍，在ArcGIS中，用clip工具把流域范圍內(nèi)的等高線提取出來，然后轉(zhuǎn)換成10 m地表分辨率DEM柵格數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 沙壩水庫流域DEMFig.2 Shaba Reservoir basin DEM review

2.2.3 DEM填洼、流向、流域累積量計算

運用Hydrology中 Fill Sinks工具進行填洼處理。填洼后的DEM先后用Hydrology中Flow Direction和Flow Accumulation生成水流方向（圖3）和水流累積量數(shù)據(jù)。

圖3 沙壩水庫流域水流方向分布Fig.3 The flow distribution of the Shaba Reservoir basin

2.3 河網(wǎng)提取和子流域劃分

2.3.1 河網(wǎng)提取

用Map Algebra中Single Output Map Algebra工具進行河網(wǎng)提取。提取中集水面積閾值的選定直接反映河網(wǎng)的復(fù)雜程度。隨著集水面積閾值的變化，生成的河網(wǎng)密度及流域級數(shù)、各級河流的長度都發(fā)生了較大的變化。選用集水面積閾值為1 500，2 000和3 000分別進行水系的自動提取，對比結(jié)果并結(jié)合實際情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)選取集水面積閾值為3 000時，提取的河網(wǎng)結(jié)果更接近實際水系的分布情況，如圖4。

圖4 不同集水面積閾值生成的河網(wǎng)Fig.4 River network obtained from different drainage area threshold numbers

2.3.2 子流域劃分

在河網(wǎng)提取結(jié)果基礎(chǔ)上，先利用Stream Link工具計算出流域節(jié)點，然后運用Watershed功能來劃分子流域，其間集水面積閾值均選取3 000作為參數(shù)設(shè)置值，最終將沙壩水庫流域劃分為13個子流域（圖5）。

圖5 沙壩水庫子流域劃分結(jié)果Fig.5 The division of sub-watershed Shaba Reservoir

將劃分得到的13個子流域及相關(guān)數(shù)據(jù)與研究區(qū)高分辨率遙感影像圖進行配準(zhǔn)，通過遙感影像監(jiān)督分類和目視解譯校核，得到研究區(qū)包括水田、旱地、經(jīng)濟林、有林地和交通建筑等在內(nèi)的5種土地利用類型分布，各類型占總面積的比例結(jié)果如表1。

表1 流域土地利用比例Table 1 The proportion of land use in the basin

從圖5可看出，沙壩水庫污染直接影響區(qū)域為1，2，3，4，5號子流域。實際勘測資料和遙感衛(wèi)星影像圖資料顯示，水庫周圍土地利用類型主要以旱地為主，沿水系分布的土地利用類型以水田為主。結(jié)合表1分析可得，按人類活動造成污染影響的土地利用類型，即表中水田，旱地，經(jīng)濟林和交通建筑，所占個子流域的比重來對沙壩水庫各子流域污染影響程度從高到低進行排序為:1→3→2→6→4→5→7→8→9→12→10→11。污染影響程度高的地區(qū)都分布在水庫周圍。子流域1，3，2污染發(fā)生區(qū)域占各流域的比例分別為 84.76%，64.95%，45.27% 是整個流域污染影響程度最大的地區(qū)。其中1號子流域水田和經(jīng)濟林所占的比重分別為20.21%，84.76%，造成沙壩水庫安全隱患最大。根據(jù)各子流域?qū)ι硥嗡畮煸斐捎绊懗潭?，需要采取相?yīng)措施進行治理。

3 結(jié)論

1）基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS水文分析模塊可對河網(wǎng)水系及子流域劃分等流域特征進行提取。

2）以重慶市梁平縣城飲用水源地沙壩水庫為例，在高程數(shù)據(jù)處理及DEM創(chuàng)建基礎(chǔ)上，通過對該流域的DEM進行填洼、計算水流方向和匯流累積量，最終進行流域河網(wǎng)提取和子流域劃分，研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)集水面積閾值為3 000時，提取的河網(wǎng)與實際情況最接近，由此劃分得到13個子流域。

3）利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)土地利用分布情況，發(fā)現(xiàn)13個子流域中，人類活動對飲用水源地影響較大的主要是1～5號子流域，尤其是1號子流域?qū)λ吹丨h(huán)境影響最大，需要對其采取相應(yīng)措施進行治理。

（References）:

［1］ 鄭丙輝，張遠(yuǎn)，付青.中國城市飲用水源地環(huán)境問題與對策［J］.水工業(yè)市場，2007（10）:31-35.

ZHENG Bing-hui，ZHANG Yuan，F(xiàn)U Qing.The environmental problems and countermeasures of China’s urban drinking water source area［J］.Water-Industry Market，2007（10）:31-35.

［2］ 梁菁，彭曉春，賀濤.湖庫型飲用水源地污染防治對策研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（7）:181-185.

LIANG Jing，PENG Xiao-chun，HE Tao.Research on the prevention and cure countermeasure of drinking water sources in lake reservoirs［J］.Guangdong Agricultural Sciences，2009（7）:181-185.

［3］ 張嘉治，王海澤，王紹斌.我國飲用水污染現(xiàn)狀及防治對策［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，34（6）:460-466.

ZHANG Jia-zhi，WANG Hai-ze，WANG Shao-bin.The strategy and pollution status of drinking water in China［J］.Journal of Shenyang Agricultural University，2003，34（6）:460-466.

［4］ Lane L J.The Water Erosion Prediction Project:Model Overview［C］//New York:In Process National Water Conference of ASCE，1989.

［5］ 胡雪濤，陳吉寧，張?zhí)熘?非點源污染模型研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2002，23（3）:124-128.

HU Xue-tao，CHEN Ji-ning，ZHANG Tian-zhu.A study on nonpoint source pollution models［J］.Chinese Journal of Environmental Science，2002，23（3）:124-128.

［6］ 朱繼業(yè)，竇貽儉.城市水環(huán)境非點源污染控制總量研究與應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1999，19（4）:415-420.

ZHU Ji-ye，DOU Yi-jian.Total quality control of non-point source pollution in urban water environment［J］.Acta scientiae Circumstantiae，1999，19（4）:415-420.

［7］ 鄭艷俠，馮紹元，姜娜，等.北京市北運河流域農(nóng)業(yè)非點源污染類型及貢獻(xiàn)率分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010（8）:30-33.

ZHENG Yan-xia，F(xiàn)ENG Shao-yuan，JIANG Na，et al.An analysis of agricultural non-point source pollution types and contribution rate of the Beiyunhe River basin in Beijing［J］.China Rural Water and Hydropower，2010（8）:30-33.

［8］ 陳敏建，石秋池，王立群.湖庫型飲用水水源地安全保障湖庫型飲用水水源地安全保障［J］.中國水利，2011，16（3）:16-18.

CHEN Min-jian，SHI Qiu-chi，WANG Li-qun.Demand analysis of safety-ensuring technologies of drinking water sources in lake reservoirs［J］.China Water Resources，2011，16（3）:16-18.

［9］ 杜軍，林孝松.校園環(huán)境規(guī)劃中DEM的建立及應(yīng)用［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2004，23（增刊 1）:119-124.

DU Jun，LIN Xiao-song.The establishment and application of the DEM in campus environment planning process［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2004，23（supp1）:119-124.

［10］ 許沖，李金玲，李琰慶.都江堰市白沙河子流域劃分與水系提取研究［J］.工程地質(zhì)計算機應(yīng)用，2009（1）:19-22.

XU Chong，LI Jin-ling，LI Yan-qing.Research on sub-watershed division and drainage network extraction of Baishazi basin in Dujiangyan［J］.Engineering Geology Computer Application，2009（1）:19-22.

［11］ 湯國安.ARCGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［12］ 周啟鳴，劉學(xué)軍.數(shù)字地形分析［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［13］ O’Callaghan J F，Mark D M.The extraction of drainage network from digital elevation data［J］.Computer Vision，Graphics，and Image Processing，1984，28:323-344.

［14］ 葉愛中，夏軍，王綱勝，等.基于數(shù)字高程模型的河網(wǎng)提取及子流域生成［J］.水利學(xué)報，2005，36（5）:531-537.

YE Ai-zhong，XIA Jun，WANG Gang-sheng，et al.Drainage network extraction and sub catchment delineation based on digital elevation model［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2005，36（5）:531-537.

［15］ 鄭子彥，張萬昌，邰慶國.基于DEM與數(shù)字化河道提取流域河網(wǎng)的不同方案比較研究［J］.資源科學(xué)，2009，31（10）:1730-1739.

ZHENG Zi-yan，ZHANG Wan-chang，TAI Qing-guo.A comparative study on different schemes of automatic river system extraction based on DEM and vector channels［J］.Resources Science，2009，31（10）:1730-1739.

Acquisition of Basin Characteristics of Drinking Water Sources in Lake Reservoirs

ZHOU Ling，LIN Xiao-song，LIU Shu-jun，JIANG Tian-ming
（School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Taking Shaba Reservoir of Liangping in Chongqing as research object and use the ArcGIS hydrologic analysis model，the sub-watershed after the procedure is divided and the data of the river network basin are collected and analyzed.The analysis results indicate that when the drainage area threshold amounts to 3000，the extracting river net is most close to the actual distribution of water system.On the basis of this relationship，13 sub-basins are divided.Moreover，according to analysis on conditions of land use，it is suggested that No.1 ～5 sub-watersheds around the reservoir are disturbed by human’s activities，especially No.1 sub-watershed，which needs countermeasures to recover.The characteristics derived from the extraction of the lake type water source provide convenience for the management of watershed grading and recovering，and provide a basis for environment protection of the drinking water source watershed at the same time.

drinking water sources;lake reservoirs;watershed characteristics;Shaba Reservoir;hydrologic analysis

P208

A

1674-0696（2011）06-1404-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.34

2011-06-03;

2011-07-29

重慶市教委科技項目（KJ100406）;重慶交通大學(xué)研究生創(chuàng)新基金［2010（上）15號］

周 伶（1986-），女，云南曲靖人，碩士研究生，主要從事資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)方面的研究。E-mail:124683635@qq.com。