基于ASTER GDEM的流域水文特征分析及水源保護(hù)區(qū)劃分
——以哈爾濱市磨盤(pán)山水庫(kù)為例

劉春麗（哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150028）

基于ASTER GDEM的流域水文特征分析及水源保護(hù)區(qū)劃分
——以哈爾濱市磨盤(pán)山水庫(kù)為例

劉春麗
（哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150028）

以磨盤(pán)山水庫(kù)為研究對(duì)象，選用ASTER GDEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS軟件水文分析模塊（Hydrology），計(jì)算獲得研究區(qū)河網(wǎng)、子流域范圍等流域水文特征信息。并在分析基礎(chǔ)上，依據(jù)國(guó)家水源保護(hù)區(qū)劃分方法劃分研究區(qū)三級(jí)保護(hù)區(qū)。將為哈爾濱市水源區(qū)保護(hù)工作提供技術(shù)支撐。

磨盤(pán)山水庫(kù)；流域；水文特征；水源保護(hù)區(qū)劃分；GIS；ASTER GDEM

20世紀(jì)50年代后，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家提出針對(duì)國(guó)情保護(hù)水源地方案，引起國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)水源保護(hù)研究重視，把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到水源研究方面。近年來(lái)，隨著人類(lèi)活動(dòng)加劇，水資源短缺、污染狀況日趨嚴(yán)重，水資源保護(hù)成為熱點(diǎn)問(wèn)題，而水源地保護(hù)是重要內(nèi)容之一。

ASTER GDEM（先進(jìn)星載熱發(fā)射和反輻射儀全球數(shù)字高程模型）由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）和美國(guó)航天局（NASA）根據(jù)NASA新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra詳細(xì)觀測(cè)結(jié)果聯(lián)合研制，并免費(fèi)面向公眾推出最新地球電子地形數(shù)據(jù)。ASTER GDEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品基于“先進(jìn)星載熱發(fā)射和反輻射（ASTER傳感器：Advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer）”數(shù)據(jù)計(jì)算生成，是目前唯一覆蓋全球陸地表面（ASTER測(cè)繪數(shù)據(jù)范圍為北緯83°至南緯83°，覆蓋陸地表面99%地域；垂直精度達(dá)20 m，水平精度達(dá)30 m）高分辨率高程影像數(shù)據(jù)（比DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精度高），可為工程、能源勘探、自然資源保護(hù)、環(huán)境管理、消防、地質(zhì)、城市規(guī)劃及公共工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域研究人員提供有效地形與高程信息。磨盤(pán)山水庫(kù)位于五常市，是哈爾濱市第二水源地，對(duì)哈爾濱市供水、水資源綜合開(kāi)發(fā)利用具有重大影響[3]。因此，開(kāi)展磨盤(pán)山水庫(kù)流域水文特征分析及水源地劃分研究具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

磨盤(pán)山水庫(kù)位于哈爾濱市五常市沙河子鎮(zhèn)，東經(jīng)127°41′20″，北緯44°23′40″，是黑龍江省年徑流高值區(qū)。本研究區(qū)共采用1景Landsat-8 OLI影像和17幅ASTER GDEM V2高分辨率高程數(shù)據(jù)，均來(lái)源于http://www.gscloud.cn/（地理空間數(shù)據(jù)云）平臺(tái)。

1.2 研究方法

1.2.1 GIS水文特征分析方法

對(duì)于柵格圖像每一個(gè)格網(wǎng)，水流方向指水流離開(kāi)格網(wǎng)時(shí)指向。流向判斷大部分以3×3格網(wǎng)為基礎(chǔ)。流向判定法分為單向流法和多向流法，本文選取單流向法中的D8算法：假設(shè)單個(gè)柵格中水流只能流入與之相鄰8個(gè)柵格中。用最陡坡度法確定水流方向，即在3×3 DEM柵格上，計(jì)算中心柵格與各相鄰柵格間距離權(quán)落差（即柵格中心點(diǎn)落差除以柵格中心點(diǎn)之間距離），取距離權(quán)落差最大柵格為中心柵格流出柵格。

1.2.2 基于GIS技術(shù)的水源保護(hù)區(qū)劃分方法

目前，國(guó)內(nèi)水庫(kù)型飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分方法有數(shù)值模型法、類(lèi)比經(jīng)驗(yàn)法、GIS技術(shù)輔助法。

GIS技術(shù)輔助法是以保護(hù)水體為中心，將分水嶺包括所有水、陸域劃分為一級(jí)保護(hù)區(qū)，一級(jí)保護(hù)區(qū)以外全流域邊界線包括的所有水、陸域劃分為二級(jí)保護(hù)區(qū)。為使保護(hù)區(qū)范圍劃定遵循自然環(huán)境地形特征又有可操作性、必須獲取相關(guān)數(shù)據(jù)（社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)地調(diào)查自然數(shù)據(jù)）。遙感影像數(shù)據(jù)能夠快速客觀地獲取需要多種專(zhuān)題信息。

類(lèi)比經(jīng)驗(yàn)法以不超過(guò)水域范圍為條件，取水口半徑300～500 m范圍內(nèi)水域?yàn)橐患?jí)保護(hù)區(qū)。大型水庫(kù)一級(jí)保護(hù)區(qū)邊界外徑向距離2 000 m范圍劃為二級(jí)保護(hù)區(qū)。中小型水庫(kù)一級(jí)保護(hù)區(qū)界線外范圍設(shè)定為二級(jí)保護(hù)區(qū)。

本文結(jié)合GIS技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)法劃分磨盤(pán)山水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)。

2 磨盤(pán)山水庫(kù)流域水文特征分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1.1 Landsat-8 OLI影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

按543（紅、綠、藍(lán)）波段標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成landsat8 OLI影像后對(duì)影像進(jìn)行多光譜與全色波段融合（Image Sharpening）（一景影像，不需鑲嵌，沒(méi)有地面控制點(diǎn)和可利用基準(zhǔn)圖像未做幾何校正），把波段融合標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像另存成TIFF格式圖在ArcMap10.1中新建一個(gè)面文件，打開(kāi)TIFF格式影像圖矢量化研究磨盤(pán)山水庫(kù)界線結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 Landsat-8 OLI影像數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程Fig.1 OLILandsat-8 image data preprocessing process chart

2.1.2 GDEM數(shù)據(jù)預(yù)處理

流域產(chǎn)生和發(fā)展主要影響因素是坡度。在山體跨度不變時(shí)坡度與海拔成正比。坡度越小，流域越明顯。從地勢(shì)圖中可見(jiàn)地形起伏、流域特征及其分布規(guī)律?；贕DEM V2繪制研究區(qū)坡度和地勢(shì)見(jiàn)圖2。

圖2 坡度圖與磨盤(pán)山水庫(kù)地勢(shì)Fig.2 Slope and topographic map of mopanshan reservoir

流域水文特征分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是無(wú)洼地GDEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中存在洼地、小平原等地形導(dǎo)致提取水系通道不連續(xù)現(xiàn)象。因此，在水文特征提取過(guò)程中必須進(jìn)行填充，使小平原和洼地成為斜坡延伸部分，保證提取水系連續(xù)。把GDEM V216景高分辨率高程影像通過(guò)Mosaic to New Raster工具鑲嵌后，運(yùn)用水文分析工具（Hydrology）下Sink命令檢驗(yàn)洼地（見(jiàn)圖3），隨后用Fill命令開(kāi)始填充（見(jiàn)圖4）。

圖3 洼地檢驗(yàn)Fig.3 Depression test

2.2 流域特征參數(shù)提取

2.2.1 流域方向確定及流域累積量提取

地表水流方向是指徑流從地勢(shì)高處流向低處，從流域出口排出流域。目前最普遍流域方向提取方法是“D8”方法。利用“D8”方法提取出每一個(gè)柵格單元格內(nèi)水流流動(dòng)方向，準(zhǔn)確劃定流域界線（見(jiàn)圖5-A）。（1-東，2-東南，4-南，8-西南。16-西，32-西北，64-北，128-東北）。從圖5中可知流域大致自東南向西北方向流動(dòng)。

流域累積量（匯流累積量）是指上游多少個(gè)水流方向最終匯流經(jīng)過(guò)該柵格。流域累積量計(jì)算以柵格流域方向提取為基礎(chǔ)（見(jiàn)圖5-B）。由圖5可知，匯流累積量隨流域方向變化。利用“D8”方法提取流域方向和匯流累積量計(jì)算柵格值變化見(jiàn)圖6。

圖5 流域積累量變化Fig.5 Variation ofaccumulation of river basin

圖6 柵格值變化過(guò)程Fig.6 Change ofgrid value

2.2.2 提取河網(wǎng)

2.2.2.1 生成河網(wǎng)及矢量化

如果GDEM中柵格點(diǎn)形成水系，必有上游給水區(qū)，因而設(shè)定一個(gè)最小集水面積閾值（河網(wǎng)提取精度，其默認(rèn)值是流域累積量最大值1%），柵格特征閾值不小于給定閾值賦為1（認(rèn)為該柵格在河道上）其余賦0值（當(dāng)作產(chǎn)流區(qū)），把值為1點(diǎn)提取，互相連接即生成流域河網(wǎng)。在得到匯流累積量基礎(chǔ)上，利用水文分析模塊Map Algebra（地圖代數(shù)）下Raster Calculator(柵格計(jì)算器）條件計(jì)算工具（con），依據(jù)河網(wǎng)彌度大、連接性好、水系形態(tài)自然等條件，閾值定為1 000。隨后利用Hydrology工具集下Stream to Feature命令將柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)。

2.2.2.2 河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提取

根據(jù)流域方向和河網(wǎng)柵格運(yùn)用Stream Link工具對(duì)河網(wǎng)分段，可獲取每個(gè)河網(wǎng)弧段始點(diǎn)和終點(diǎn)，獲得河網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息，也可以獲取該流域出水點(diǎn)，作為流域分割基礎(chǔ)。

2.2.2.3 河網(wǎng)分級(jí)

河網(wǎng)分級(jí)（Stream Order）有Strahler（兩條支流匯合時(shí)級(jí)別相同進(jìn)一級(jí)，級(jí)別不同時(shí)不進(jìn)級(jí)且保留上一級(jí)最大級(jí)別）和Shreve（支流匯合后上下支流等級(jí)相加）兩種方法。具體見(jiàn)圖7所示。

圖7 河網(wǎng)提取過(guò)程Fig.7 River network extraction process

2.2.3 流域分割

2.2.3.1 確定流域盆地

分水嶺分割形成的匯水區(qū)域稱為流域盆地。從流域方向數(shù)據(jù)分析確定同一流域盆地相連接?xùn)鸥?。通過(guò)流域盆地分析（Basin）可從大研究區(qū)中分割流域分析。

2.2.3.2 提取子流域

以河網(wǎng)提取中生成河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為匯水區(qū)出水口所在位置數(shù)據(jù)，并以流域方向柵格數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，用Hydrology工具集下Watershed工具獲取流域分割結(jié)果數(shù)據(jù)。生成集水域（Watershed），確定低級(jí)流域出水口是提取子流域前提。疊加提取流域盆地、河網(wǎng)圖層便可得到子流域。

通過(guò)ArcGIS水文分析模塊準(zhǔn)確獲取磨盤(pán)山水庫(kù)流域界線、流域內(nèi)每個(gè)地區(qū)流水方向、流域累積量等參數(shù)，并提取流域內(nèi)河網(wǎng)和子流域（見(jiàn)圖8）。

圖8 流域分割過(guò)程Fig.8 Watershed segmentation process

3 磨盤(pán)山水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)劃分

3.1 流域水文特征

磨盤(pán)山水庫(kù)為拉林河干流最上一級(jí)水庫(kù)，是歷次拉林河流域規(guī)劃中推薦的第一期工程。水庫(kù)總庫(kù)容3.072億m3，屬于大型水庫(kù)。壩址位于拉林河干流上游五常市沙河子鎮(zhèn)沈家營(yíng)村上游1.8 km附近，距河口343 km，控制面積為1 151 km2。

拉林河為松花江干流右岸一級(jí)支流，發(fā)源于長(zhǎng)白山張廣才嶺，流域面積19 200 km2，其中黑龍江省流域面積10 600 km2，占全流域面積55%。拉林河為黑龍江、吉林兩省界河，流經(jīng)尚志、五常、雙城、舒蘭、榆樹(shù)、扶余等6個(gè)市縣，在哈爾濱市區(qū)以上150 km處匯入松花江。拉林河干流磨盤(pán)山水庫(kù)以下有三大支流，右岸牤牛河流域面積5 300 km2；左岸溪浪河流域面積3 040 km2、卡岔河流域面積3 085 km2。

流域內(nèi)地勢(shì)東南高，向西北逐漸降低，最高為大禿頂子1 668 m，河口高程僅121 m。流域內(nèi)山區(qū)面積占36.4%，森林茂密植被良好；丘陵區(qū)占26.4%；平原區(qū)占37.2%。

拉林河全長(zhǎng)450 km，河道彎曲系數(shù)1.95。向陽(yáng)山以上為山區(qū)，谷窄流急，在沈家營(yíng)處河谷寬僅500 m，河道寬55 m，灘地坡降約1/200。向陽(yáng)山至牤牛河口段地勢(shì)漸緩，屬丘陵區(qū)，河谷寬一般在2 km以上，最寬達(dá)5 km。牤牛河口以下為平原區(qū)，河谷灘地寬3～15 km，地面比降1/3 000～1/5 000，兩岸有高15m臺(tái)地。

3.2 水源保護(hù)區(qū)等級(jí)與劃分方法

水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)劃分基于水庫(kù)矢量化數(shù)據(jù)和流域水文特征分析結(jié)果。依據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局2007年發(fā)布《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》，按照不同水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、防護(hù)要求，飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、準(zhǔn)保護(hù)區(qū)（見(jiàn)表1）。

3.3 磨盤(pán)山水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)劃分

磨盤(pán)山水庫(kù)面文件矢量化轉(zhuǎn)成線，在研究區(qū)內(nèi)不超過(guò)水面范圍條件，使用分析工具集下緩沖區(qū)、擦除等工具處理，矢量化后磨盤(pán)山水庫(kù)界線線文件結(jié)果見(jiàn)圖9。

3.3.1 一級(jí)保護(hù)區(qū)

以500 m作為緩沖區(qū)半徑，經(jīng)過(guò)矢量數(shù)據(jù)處理調(diào)整后，屬性表中添加面積字段，運(yùn)用幾何計(jì)算器（Calculator Geometry）總面積為29.226 km2。

3.3.2 二級(jí)保護(hù)區(qū)

在不超過(guò)水面范圍條件下，從一級(jí)保護(hù)區(qū)外半徑為2 000 m作為緩沖區(qū)半徑處理矢量數(shù)據(jù)，步驟同一級(jí)保護(hù)區(qū)，計(jì)算總面積為103.571 km2。

3.3.3 準(zhǔn)保護(hù)區(qū)

在不超過(guò)水面范圍條件下，二級(jí)保護(hù)區(qū)以外流域面積劃定為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。步驟同一級(jí)保護(hù)區(qū)，計(jì)算總面積為1 450.446 km2。

表1 水源保護(hù)區(qū)等級(jí)與劃分方法Table 1 Methods for grade and partition of water source protection zone

圖9 水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)劃分Fig.9 Division of reservoir water protection zone

4 討論

雖然GDEM精度比DEM數(shù)據(jù)高，但研究區(qū)為人工開(kāi)挖建造，對(duì)基于GDEM提取流域特征參數(shù)精度產(chǎn)生影響?；贒EM提取流域特征技術(shù)不斷完善，對(duì)平坦區(qū)域處理仍是難點(diǎn)。從2009年6月29日GDEM V1產(chǎn)生至GDEM V2推出，GDEM在DEM研究基礎(chǔ)上擴(kuò)展，但填洼、削峰仍需進(jìn)行，平坦區(qū)域仍需處理。

本文研究區(qū)水庫(kù)界線為手扶跟蹤矢量化，水庫(kù)面積、總庫(kù)容必受影響。在劃分水源保護(hù)區(qū)時(shí)，沒(méi)有實(shí)地勘察，劃分結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況存在一定差異。因本研究缺少水庫(kù)附近自然或社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，水庫(kù)附近居民點(diǎn)、工礦用地等對(duì)水源有潛在危害數(shù)據(jù)，劃分保護(hù)區(qū)后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步研究。

本文采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)和Landsat-8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS軟件水文分析模塊（Hydrology）和目視解譯方法，獲取磨盤(pán)山水庫(kù)流域水文特征參數(shù)；準(zhǔn)確計(jì)算流向、流水長(zhǎng)度、匯流、河網(wǎng)等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合水面面積等因素，劃分研究?jī)?nèi)三級(jí)保護(hù)區(qū)。劃分結(jié)果：磨盤(pán)山水庫(kù)一級(jí)水源保護(hù)區(qū)面積為29.226 km2，占總保護(hù)區(qū)面積1.82%，在水庫(kù)庫(kù)區(qū)周?chē)韧诮归_(kāi)發(fā)區(qū)。二級(jí)水源保護(hù)區(qū)面積為103.571 km2，占6.43%，此范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)經(jīng)商須嚴(yán)格限制，以防水源污染。準(zhǔn)保護(hù)區(qū)面積為1 450.446 km2，占91.75%，位于二級(jí)保護(hù)區(qū)外圍至取水水庫(kù)上游分水嶺，屬于一般性限制區(qū)。

[1]朱丹.黑河金盆水庫(kù)水源地水環(huán)境調(diào)查和保護(hù)措施研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[2]白昕,劉忠熳,李亞男.磨盤(pán)山水庫(kù)水質(zhì)污染現(xiàn)狀特征及防治措施研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2013,38(7):62-64.

[3]楊超,郭淑珍,王健,等.哈爾濱市磨盤(pán)山水庫(kù)供水工程環(huán)境與衛(wèi)生學(xué)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境與健康,2007,24(9):709-711.

[4]張朝忙,丁樹(shù)文.我國(guó)東部地區(qū)ASTER GDEM高程精度評(píng)價(jià)[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2014,31(1):67-72.

[5]周旗,蔣國(guó)富.基于ASTER GDEM南水北調(diào)中線水源區(qū)水文特征提取及實(shí)現(xiàn)[J].南陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2012,11(9):53-56.

[6]黃碩.水電規(guī)劃中基于ASTER GDEM和Arc Hydro地形提取及水文分析實(shí)用方法研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2011.

[7]張朝忙,丁樹(shù)文.SRTM3與ASTER GDEM數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用進(jìn)展[J].地理與地理信息科學(xué),2012,28(5):29-34.

[8]王云,梁明,汪桂生.基于ArcGIS流域水文特征分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(5):581-585.

[9]劉穎.基于GIS技術(shù)水源功能區(qū)劃分研究-以大連市為例[D].大連:遼寧師范大學(xué),2009.

[10]牟乃夏,劉文寶,王海銀,等.ArcGIS10地理信息系統(tǒng)教程:從初學(xué)到精通[M].北京:測(cè)繪出版社,2012.

[11]王程,韓新海.ArcGIS環(huán)境下基于DEM水文特征提取——以縣南溝流域?yàn)槔齕J].地下水,2011,33(4):74-76.

[12]李俊超.基于ArcGIS水文流域分析及應(yīng)用[J].地理空間信息, 2012,10(6):121-123.

[13]高鑫磊.GIS環(huán)境下基于DEM的流域自動(dòng)提取方法[J].北京水務(wù),2009(2):46-48.

[14]李晶,張征,朱建剛,等.基于DEM太湖流域水文特征提取[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2009,34(5):138-142.

Analysis of hydrological characteristics of watershed and division of water resources protection zone based on ASTER-GDEM——Case of Harbin Mopanshan reservoir as the research object

/LIU Chunli

(Harbin Water Resources Planning and Design Institute,Harbin 150028,China)

Taking mopanshan reservoir as the research object,ASTER GDEM data was chosen as basic data,using Hydrology analysis module in the software of ArcGIS,river network、range of subwatershed and other watershed hydrological characteristic information of research area were obtained by calculating.Based on analysis,the three-grade protection zones were delineated according to the division method of nationalwater source protection area.The results would provide technicalsupport for water source protection work of Harbin City.

Mopanshan reservoir;GDEM;hydrological analysis;water sources protection area; GIS;ASTER GDEM

S273

A

1005-9369（2015）10-0082-07

時(shí)間2015-10-29 13:41:05[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151029.1341.018.html

劉春麗.基于ASTER GDEM流域水文特征分析及水源保護(hù)區(qū)劃分[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,46(10):82-89.

Liu ChunLi.Analysis of hydrologicalcharacteristics of watershed and division of water resources protection zone based on ASTER-GDEM——Case of Harbin Mopanshan reservoir as the research object[J].Journalof NortheastAgriculturalUniversity,2015,46(10):82-89.(in Chinese with English abstract)

2015-05-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD08B05）

劉春麗（1977-），女，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)樗乃Y源。E-mail∶navyl1976@163.com