基于DEM的寧波市皎口—周公宅水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)的劃區(qū)定界方法

項(xiàng) 璐，馮秀麗，王 侃，曹 昊

(1.寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波 315211;2.余姚市國(guó)土資源局，浙江寧波 315400)

水是人類生存和發(fā)展不可缺少的重要自然資源。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，對(duì)水資源提出了更高的需求。2005年水利部啟動(dòng)了“全國(guó)城市飲用水水源地安全保障規(guī)劃”，規(guī)劃涉及全國(guó)661個(gè)建制市和1746個(gè)縣級(jí)城鎮(zhèn)的4555個(gè)集中式飲用水源地，其中地表水水源地2405個(gè)，占總數(shù)的52.18%。在所調(diào)查的4555個(gè)集中式飲用水水源地中，有638個(gè)飲用水水源地水質(zhì)不安全，飲用水水源地環(huán)境污染問(wèn)題突出。水庫(kù)作為地表水水源地的主要形式之一，其集水區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)、生活、畜禽養(yǎng)殖等產(chǎn)生的廢水對(duì)水庫(kù)水質(zhì)造成持續(xù)污染，將直接威脅群眾飲水安全。而當(dāng)前對(duì)水庫(kù)水源的保護(hù)大多限于水環(huán)境功能區(qū)的劃分，即對(duì)水庫(kù)及其源頭劃分為自然保護(hù)區(qū)(沿水庫(kù)縱深1000 m的陸域范圍)。目前各級(jí)政府部門在保護(hù)區(qū)內(nèi)開(kāi)展建設(shè)、污染整治等工作無(wú)法可依，難以進(jìn)行有效督管。而且飲用水水源相關(guān)法律法規(guī)中關(guān)于保護(hù)區(qū)劃分的規(guī)定過(guò)于籠統(tǒng)，如HJ/T338—2007《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)范》)雖然對(duì)各種水源保護(hù)區(qū)給出了劃區(qū)定界的規(guī)范，但沒(méi)有明確的技術(shù)流程，劃定水庫(kù)飲用水水源保護(hù)區(qū)存在一定困難，范圍合理、邊界清晰的水源保護(hù)區(qū)難以獲得，從而使相關(guān)部門的水庫(kù)水源保護(hù)工作無(wú)據(jù)可依。

因此，科學(xué)合理地劃定水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)，是保護(hù)水庫(kù)水源地最大可能免受人類活動(dòng)影響、保證水質(zhì)安全的重要措施[1]。目前3S技術(shù)在水文水資源方面的應(yīng)用已相當(dāng)普及并體現(xiàn)出其優(yōu)越性，GIS技術(shù)能夠處理和分析多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)和關(guān)系，用以解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問(wèn)題。利用GIS技術(shù)進(jìn)行河網(wǎng)水系提取、流域盆地劃分、子流域生成、自然環(huán)境專題信息獲取等方面的研究取得了重要進(jìn)展，對(duì)水資源或流域的研究和保護(hù)有重要的參考價(jià)值[2-5]。目前國(guó)內(nèi)利用GIS技術(shù)進(jìn)行水庫(kù)飲用水源保護(hù)區(qū)劃分的研究較少，且沒(méi)有結(jié)合遙感影像對(duì)保護(hù)區(qū)范圍線進(jìn)行修正的相關(guān)研究;同時(shí)，已有關(guān)于飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的研究沒(méi)有具體的操作細(xì)則，兩級(jí)保護(hù)區(qū)的水域和陸域范圍確定沒(méi)有細(xì)化，因此水庫(kù)飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的技術(shù)方法需要進(jìn)一步探究。筆者以寧波市重要的飲用水水庫(kù)水源——皎口水庫(kù)和周公宅水庫(kù)為例，在分析其流域現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討基于DEM技術(shù)的水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)劃分方法，進(jìn)行水源保護(hù)區(qū)的劃區(qū)定界。對(duì)水庫(kù)水源進(jìn)行保護(hù)區(qū)劃區(qū)定界，不僅可有效保護(hù)水源地水質(zhì)，保障飲用水安全，而且污染源監(jiān)督等管理工作也有了執(zhí)法依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

研究范圍為皎口—周公宅水庫(kù)流域，涉及寧波市鄞州區(qū)章水鎮(zhèn)，余姚市鹿亭鄉(xiāng)、大嵐鎮(zhèn)、四明山鎮(zhèn)，總面積259 km2，流域內(nèi)共有行政村39個(gè)，戶籍人口為42950人。皎口—周公宅水庫(kù)流域地形主要為低山及丘陵，山嶺高程一般在300～900 m，最高峰976 m，地勢(shì)自西向北傾斜，河道落差較大，源短流急。皎口水庫(kù)位于鄞州區(qū)章水鎮(zhèn)，距寧波城區(qū)約35 km，總庫(kù)容1.19 億 m3，正常蓄水位 69.9 m，是向?qū)幉ㄊ袇^(qū)供水的5大水源之一;周公宅水庫(kù)位于皎口水庫(kù)上游15 km，總庫(kù)容1.12億 m3，正常蓄水位233.0 m。皎口水庫(kù)和周公宅水庫(kù)通過(guò)聯(lián)合調(diào)度，承擔(dān)向?qū)幉ㄊ袇^(qū)提供50萬(wàn)t/d飲用水的輸水任務(wù)，是寧波市主要飲用水水源，已成為寧波市可持續(xù)發(fā)展的重要支撐因素。

皎口—周公宅水庫(kù)流域范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染是影響水庫(kù)水質(zhì)的主要污染源。水庫(kù)流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)種植以經(jīng)濟(jì)作物為主，需肥量大，地表徑流攜帶大部分化肥進(jìn)入水庫(kù)，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一;此外，水庫(kù)流域內(nèi)村莊人口比較分散，缺少系統(tǒng)的排水管網(wǎng)和配套的污水處理設(shè)施，大部分農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理直接排入附近溪流，最終排入水庫(kù);再次，在水庫(kù)流域范圍內(nèi)還存在相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)企業(yè)，其排放的廢水大部分也進(jìn)入庫(kù)區(qū)，污染水體;最后，隨著水庫(kù)流域內(nèi)農(nóng)家樂(lè)、漂流、四明山景區(qū)等旅游業(yè)的發(fā)展，游客產(chǎn)生的生活垃圾及廢水量大增，影響了飲用水源的水質(zhì)。

研究使用的數(shù)據(jù)包括DEM、航測(cè)影像、2009年1∶10000土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)等。DEM柵格大小為5 m×5 m，遙感影像為研究區(qū)2009年幾何糾正后的航測(cè)影像，分辨率為0.5 m。所用DEM、影像和土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)皆為西安80坐標(biāo)系。

2 方法與流程

2.1 保護(hù)區(qū)界線分層提取

利用ArcGIS中的水文分析模塊對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。步驟如下:①對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，生成無(wú)洼地的DEM;利用無(wú)洼地的DEM進(jìn)行流向分析，得到流向柵格數(shù)據(jù)。②計(jì)算匯流累積量。匯流累積量是提取水網(wǎng)的基礎(chǔ)，匯流累積的數(shù)值越大，就越易形成地表徑流。③在此基礎(chǔ)上，提取河流網(wǎng)絡(luò)柵格，可以將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成河流網(wǎng)絡(luò)矢量數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置參數(shù)，減少小支流的數(shù)量。④采用Stream Order中的Strahler分級(jí)法，將河網(wǎng)分級(jí)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況確定需要重點(diǎn)保護(hù)的高等級(jí)干流。⑤利用水流方向數(shù)據(jù)，通過(guò)Basin工具計(jì)算生成流域盆地集水區(qū)，從中提取出皎口—周公宅水庫(kù)流域盆地。⑥利用Watershed工具，將流域盆地進(jìn)行分割生成低級(jí)的集水區(qū)，即研究區(qū)的子流域[6-7]。將流域柵格進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)換，獲得相應(yīng)的子流域多邊形矢量數(shù)據(jù)與拓?fù)湫畔8]，用于水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)陸域范圍的確定。水庫(kù)沿岸第一重山的山脊線及水庫(kù)上游主要干流沿岸第一重山的山脊線如圖1所示，水庫(kù)上游主要干流沿岸縱深1000m緩沖區(qū)如圖2所示。

2.2 保護(hù)區(qū)定界

按照《技術(shù)規(guī)范》，綜合考慮自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及法律法規(guī)政策等因素，結(jié)合遙感影像、土地利用現(xiàn)狀圖、行政界線、居民點(diǎn)分布、區(qū)域地形特征等，對(duì)保護(hù)區(qū)界線分層提取結(jié)果進(jìn)行GIS疊加分析及修正，最終劃定水庫(kù)水源一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)。

2.2.1 水源一級(jí)保護(hù)區(qū)

皎口水庫(kù)和周公宅水庫(kù)屬于單一供水型水庫(kù)，根據(jù)《技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，將這兩個(gè)水庫(kù)正常水位線以下的全部水域面積以及水庫(kù)沿岸至第一重山的山脊線范圍劃為一級(jí)保護(hù)區(qū)。當(dāng)水庫(kù)沿岸第一重山水平距離太遠(yuǎn)時(shí)，直接跨山頭連接山脊線;對(duì)于上游河流，根據(jù)河流分級(jí)的結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際情況，先確定水庫(kù)上游河流的主要干流，將其全部水面以及干流沿岸縱深1000 m但不超過(guò)沿岸第一重山的山脊線范圍劃為一級(jí)保護(hù)區(qū)，即將第一重山范圍線與沿岸1000 m緩沖區(qū)做空間疊加分析。但由于在實(shí)際劃定保護(hù)區(qū)范圍過(guò)程中要結(jié)合水源保護(hù)區(qū)的地形、地標(biāo)、地物特點(diǎn)，同時(shí)也要考慮居民點(diǎn)、污染源等因素的影響，需對(duì)第一重山范圍線與沿岸1000 m緩沖區(qū)的空間疊加結(jié)果進(jìn)行修正，例如遇到集中分布的居民點(diǎn)，其一部分在河流沿岸縱深1000 m緩沖區(qū)之內(nèi)，其余部分在緩沖區(qū)外，考慮到居民點(diǎn)的整體性，則需修正將整個(gè)居民區(qū)劃入保護(hù)范圍，利用遙感影像，對(duì)范圍線進(jìn)行調(diào)整。如圖3所示，實(shí)線為修正前空間疊加分析的結(jié)果，虛線為修正后的結(jié)果。

圖1 水庫(kù)沿岸第一重山的山脊線

圖2 水庫(kù)沿岸主要干流沿岸縱深1000 m緩沖區(qū)

圖3 初步劃定結(jié)果修正

2.2.2 水源二級(jí)保護(hù)區(qū)

面源污染是皎口—周公宅水庫(kù)流域的主要污染源，二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定，具體可依據(jù)自然地理、環(huán)境特征和環(huán)境管理需要，通過(guò)分析地形、植被、土地利用、森林開(kāi)發(fā)、地面徑流的集水匯流特性、集水域范圍等確定。但是由于皎口水庫(kù)和周公宅水庫(kù)為山區(qū)性水庫(kù)，整個(gè)集雨區(qū)分水嶺內(nèi)一級(jí)保護(hù)區(qū)外的平均海拔約500 m，地形起伏大、相對(duì)高差大，入庫(kù)河流為山溪性河流，上游入庫(kù)河流對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的影響很大，在降雨期河流流速快、流量大，流域內(nèi)各類污染物能夠迅速進(jìn)入水庫(kù)。因此，從有利于環(huán)境管理和水源保護(hù)出發(fā)，依據(jù)該流域的自然地理環(huán)境特征，將整個(gè)水庫(kù)集雨區(qū)內(nèi)除一級(jí)保護(hù)區(qū)外的區(qū)域均劃為二級(jí)保護(hù)區(qū)。

3 結(jié)果與分析

皎口水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)總面積127.00 km2。一級(jí)保護(hù)區(qū)面積70.22 km2，其中水域范圍為皎口水庫(kù)水面和上游干流，面積為3.95 km2;陸域范圍為水庫(kù)沿岸至第一重山的山脊線及上游干流沿岸縱深1000 m但不超過(guò)沿岸第一重山的山脊線，面積66.27 km2。水源二級(jí)保護(hù)區(qū)面積為56.78 km2。

周公宅水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)總面積132.00 km2。其一級(jí)保護(hù)區(qū)的水域范圍和陸域范圍的劃分原則同皎口水庫(kù)。一級(jí)保護(hù)區(qū)面積為50.77 km2，其中水域范圍面積為3.06 km2;陸域范圍面積為47.71 km2。水源二級(jí)保護(hù)區(qū)面積為81.23 km2。

皎口—周公宅水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)劃分范圍如圖4所示。

圖4 水庫(kù)飲用水水源保護(hù)區(qū)劃

水庫(kù)飲用水源保護(hù)區(qū)的劃分要求較嚴(yán)格。飲用水水源一級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍過(guò)大，將對(duì)山區(qū)群眾的生產(chǎn)、生活造成很大的影響，不利于地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;范圍過(guò)小，則流域內(nèi)各類污染源直接影響水庫(kù)水質(zhì)，不利于水庫(kù)水質(zhì)的保護(hù)。二級(jí)保護(hù)區(qū)的劃分主要依據(jù)流域內(nèi)主要環(huán)境問(wèn)題，結(jié)合地形條件分析確定。將第一重山脊線與沿岸1000 m緩沖區(qū)做疊加分析，劃分出的一級(jí)保護(hù)區(qū)與將整個(gè)水庫(kù)集雨區(qū)內(nèi)除一級(jí)保護(hù)區(qū)外的區(qū)域劃為二級(jí)保護(hù)區(qū)，從有利于水源地環(huán)境管理和污染整治的角度出發(fā)，是比較適宜的。

4 結(jié)語(yǔ)

遵循研究區(qū)流域的地形地貌特征和水文特征，并考慮土地利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響，利用DEM，采用GIS技術(shù)，更加快速、準(zhǔn)確地對(duì)寧波市皎口水庫(kù)、周公宅水庫(kù)飲用水水源保護(hù)區(qū)進(jìn)行了劃分，劃分方法較為科學(xué)合理，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)區(qū)范圍的半自動(dòng)化界定[9-10]。將研究成果作為參考，嚴(yán)格執(zhí)行飲用水源保護(hù)區(qū)相關(guān)規(guī)定，對(duì)于飲用水源地水質(zhì)的日常保護(hù)工作具有顯著的意義;同時(shí)，該研究對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用和其他類似的水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)的劃區(qū)定界也具有參考意義。

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