基于人機(jī)交互的地形復(fù)雜區(qū)小流域劃分研究
——以湖北省為例

韓 培, 王志剛, 高 超, 張平倉, 任洪玉, 董林垚

(1.長江水利委員會 長江科學(xué)院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430010;2.水利部 山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430010; 3.湖北省水土保持監(jiān)測中心, 湖北 武漢 430071)

小流域是以天然溝壑及其兩側(cè)山坡形成的閉合集水區(qū)。每個小流域既是一個獨立的水土流失單元，又是發(fā)展農(nóng)林牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)單元。根據(jù)水利部規(guī)定，目前中國水土保持工作中小流域的面積不超過50 km2[1]。在新形勢下，中國水土保持工作方向發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的水土流失綜合治理轉(zhuǎn)向全面推進(jìn)清潔型小流域建設(shè)；同時大力推進(jìn)水土保持信息化建設(shè)，以水土保持信息化推動現(xiàn)代化[2]。小流域劃分能為區(qū)域的生態(tài)清潔小流域建設(shè)、規(guī)劃等提供小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，同時，能將城市水土流失[3]狀況細(xì)化到小流域單元進(jìn)行數(shù)字化管理，建立小流域水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，滿足新時代水土保持信息化、數(shù)字化的要求。數(shù)字高程模型(digital elevation model， DEM)[4]是小流域劃分的基礎(chǔ)。DEM包含豐富的地形、地貌和水文信息，能夠反映各種分辨率的地形特征。通過DEM可以提取大量的地表形態(tài)信息，如水流方向、匯流累積量、河流網(wǎng)絡(luò)以及流域分割等[5]。目前，利用DEM進(jìn)行流域分析的工具有很多，如：ArcGIS[6]、Global Mapper[7]、WMS(Watershed Modeling System)[8]和MapGIS[9]等。本文選用ArcGIS的水文分析模塊(Hydrology Model[10])作為流域自動劃分的工具，因為Hydrology Model是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司(ESRI)專門針對水文分析提出的，可用于地形和河流網(wǎng)絡(luò)的提取、分析以及地形模型的可視化[11]。陳智虎等[12]基于DEM對典型喀斯特地貌類型區(qū)金沙縣進(jìn)行小流域劃分；朱秀迪等[13]分析了西南巖溶區(qū)小流域的水文特征；朱戰(zhàn)強等[14]基于典型小流域探討了退耕還林對寧南黃土丘陵區(qū)景觀格局的影響。目前，國內(nèi)外采用人機(jī)交互方式對地形復(fù)雜區(qū)小流域劃分研究很少。湖北省是典型的中國南方地形復(fù)雜區(qū)，地貌類型涵蓋了山地、丘陵和平原，且多河流、湖泊分布。本文首先基于DEM使用ArcGIS自動劃分該省小流域，然后在山區(qū)采用溝道、遙感影像、居民點資料輔助人工合并和修正；在平原區(qū)，由于自動提取的溝道太密集，采用高精度水系替代溝道進(jìn)行人工修正；并進(jìn)行適宜集流閾值、小流域面積頻率、精度以及河網(wǎng)密度分析，以期對今后類似地復(fù)雜地形區(qū)的小流域劃分研究提供參考價值。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況和研究數(shù)據(jù)

湖北省位于中國中部偏南、長江中游，地理位置介于29°05′—33°20′N，108°21′—116°07′E之間。長江、漢江橫貫其中，平原區(qū)水系發(fā)達(dá)，星羅密布。全省海拔范圍是7～3 083 m，其中最高點位于神農(nóng)架林區(qū)。地勢大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。在湖北省國土總面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原占20%。山地主要位于恩施州、神農(nóng)架、十堰、宜昌西部、襄陽西南部、隨州北部、荊門北部、孝感北部、黃岡東北部、黃石及咸寧東南部地區(qū)；平原主要是江漢平原[15]，包括荊州、潛江、仙桃、天門、武漢、鄂州以及孝感南部地區(qū)；其他地區(qū)為山區(qū)向平原區(qū)過渡的丘陵地帶。

試驗使用的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是DEM，輔助資料有高分遙感影像、行政區(qū)劃、水系及其他數(shù)據(jù)(表1)。

表1 研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.2 劃分方法

(1) 洼地填充。由于地形洼地的存在，導(dǎo)致連續(xù)柵格中依據(jù)水流方向矩陣提取的排水網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)。因此，在ArcGIS中，用Hydrology—>Fill對DEM進(jìn)行洼地填充。

(2) 水流方向計算。ArcGIS采用最大坡降法(Deterministic eight-node， D8)[6]原理計算水流方向，基于無洼地DEM，運用Hydrology—>Flow Direction實現(xiàn)。

(3) 匯流累積量計算。匯流累積量指各網(wǎng)格上游集流網(wǎng)格的數(shù)量。假定集水區(qū)每個網(wǎng)格有1單位水量，按照水流方向流動，流經(jīng)各網(wǎng)格的匯流累積量都會增加1。在AcrGIS中，基于水流方向，運用Hydrology—>Flow Accumulation實現(xiàn)。

(4) 集流閾值設(shè)置。目前，國內(nèi)河網(wǎng)提取方法主要采用地表徑流漫流模型[13]。當(dāng)匯流累積量達(dá)到集流閾值[14]時，會產(chǎn)生地表水流。集流閾值設(shè)定是河網(wǎng)提取的關(guān)鍵，也影響小流域自動劃分的精細(xì)程度。本文采用循環(huán)統(tǒng)計分析法確定適宜的集流閾值。選取原則是經(jīng)自動化劃分后，面積大于50 km2的子流域很少，小于10 km2的子流域不至于太多、太碎。目的是為減少后期人工修正工作量。具體分析流程為： ①在初始時刻，設(shè)定一個較大集流閾值，進(jìn)行子流域自動提?。?②統(tǒng)計小于10 km2，10～50 km2，大于50 km2的子流域數(shù)量及占比； ③依次減小初始集流閾值，循環(huán)進(jìn)行自動提取與統(tǒng)計； ④遵循選取原則，綜合分析得到適宜集流閾值。

(5) 河網(wǎng)提取。設(shè)定集流閾值后，用Spatial Analyst —>Raster Calculator自動提取河網(wǎng)；經(jīng)矢量化、人工修正獲取溝道，它是后期進(jìn)行山區(qū)微流域合并與修正的重要輔助數(shù)據(jù)。

(6) 河網(wǎng)分級。河網(wǎng)分級是對線性河流用數(shù)字標(biāo)識方式劃分等級，運用Hydrology—>Stream Order實現(xiàn)。

(7) 子流域自動提取。子流域自動提取流程為： ①用Hydrology—>Stream Link提取出水點； ②結(jié)合水流方向，用Hydrology—>Watershed計算柵格集水單元； ③經(jīng)矢量化獲得小流域自動劃分的結(jié)果。

(8) 微流域人工合并。依據(jù)小流域劃分規(guī)范[1]要求，小流域面積宜控制在10～50 km2之間。小流域自動劃分的結(jié)果中存在大量面積小于10 km2的微流域，需進(jìn)行人工合并。

(9) 人機(jī)交互修正。對面積小于0.1 km2的微流域，為減少人工合并工作量，用Generalization—>Eliminate自動合并。對面積大于0.1km2的微流域，在保證地形地貌完整的前提下，輔助溝道、遙感影像、居民點數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工手動修正(包括合并、分割和修正邊界等)。修正工作遵循原則為： ①保證地表上下游匯流關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系正確性。 ②合并后，小流域面積盡量控制在50 km2以內(nèi)。 ③對較大或重要的河流、湖泊以及水庫，在劃分中，可將其單獨作為1個流域。 ④當(dāng)流域邊界跨過村莊，要保證村莊的完整性，需結(jié)合遙感影像、居民點和地形，適當(dāng)調(diào)整小流域邊界。 ⑤為方便行政管理，跨縣界小流域，用縣界進(jìn)行分割[1]。

依據(jù)自然地表匯流關(guān)系與地形特征，進(jìn)行人機(jī)交互修正后，形成不同形態(tài)類型(包括完整型、區(qū)間型、坡面型及狹長型等[1])的小流域。

1.3 結(jié)果驗證

驗證人機(jī)交互方式劃分的小流域成果是否符合要求。將小流域邊界與地形圖進(jìn)行疊加，核查小流域邊界是否與等高線垂直，小流域的分水線必須經(jīng)過山頂點以及鞍部；將小流域與水系進(jìn)行疊加，核查地表匯水關(guān)系及拓?fù)潢P(guān)系是否正確。部分不確定的地區(qū)還需要進(jìn)行野外調(diào)查驗證。

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜集流閾值的選取

按照前面循環(huán)統(tǒng)計分析法原理，將集流閾值依次設(shè)定為3 000，2 000，1 500，1 000，800，500和300，然后運用ArcGIS軟件分別自動提取子流域，分別統(tǒng)計小于10 km2，10～50 km2，大于50 km2的子流域數(shù)目及比例，統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。

表2 不同集流閾值條件下子流域統(tǒng)計

如圖1—2可知： (1) 集流閾值越大，自動劃分的小流域總數(shù)量越少，且面積大于50 km2的子流域占比率較大，因此，集流閾值設(shè)置不宜過大；(2) 隨著集流閾值的減小，自動劃分的小流域越精細(xì)，表現(xiàn)為面積小于50 km2的子流域數(shù)量不斷增加，面積大于50 km2的數(shù)量不斷減少；(3) 隨著集流閾值減小至800時，面積在10～50 km2的子流域占比率呈下降趨勢，但數(shù)量仍在增加；(4) 當(dāng)集流閾值低于500時，隨著集流閾值的減小，10～50 km2的子流域的數(shù)量顯著減少，說明原先在10～50 km2的小流域被細(xì)化；(5) 要保證面積大于50 km2的子流域較少，且自動提取的子流域不太破碎，綜合分析后，集流閾值選取為500較合適。

圖1 子流域數(shù)量統(tǒng)計

圖2 子流域數(shù)量比例統(tǒng)計

2.2 平原區(qū)小流域修正

在設(shè)置合適的集流閾值后，計算機(jī)自動提取的小流域如圖3所示。在平原區(qū)小流域自動劃分中，出現(xiàn)很多密集直線錯誤(如圖3中方框)。

經(jīng)分析可知： ①密集直線錯誤大多出現(xiàn)在平原區(qū)，這是因為計算機(jī)自動化劃分的小流域是基于鄰近柵格的高程差來確定水流方向，平原湖庫區(qū)地勢變化小，水流方向不確定，因此，自動提取的溝道太密集、小流域密集； ②平原區(qū)小流域修正或合并時，不再采用自動提取的溝道作為流向參考，而采用1∶1萬平原區(qū)水系替代溝道，輔以遙感影像、居民點數(shù)據(jù)，按照1.2中方法進(jìn)行人工合并或修正； ③對大型或重要的平原區(qū)河流、湖泊和水庫，參考北京市小流域劃分成果[1]，將其單獨作為1個小流域。

圖3 計算機(jī)自動提取的小流域

在人機(jī)交互修正完成后，經(jīng)驗證和處理獲得最終的小流域劃分結(jié)果(圖4)，湖北省劃分小流域共5 806條。

圖4 湖北省小流域劃分結(jié)果

2.3 面積頻率、精度分析

對湖北省5 806條小流域，按照面積<10 km2，10～20 km2，20～30 km2，30～40 km2，40～50 km2，>50 km2進(jìn)行統(tǒng)計(表3)。由表3可知， ①面積小于10 km2的有215條，占總數(shù)量的3.7%；面積在10～20 km2的有761條，占總數(shù)量的13.12%；面積在20～30 km2的有1 313條，占總數(shù)量的22.61%；面積在30～40的有2 041條，占總數(shù)量的35.15%；面積在40～50 km2的有1 392條，占總數(shù)量的23.97%；面積大于50 km2的有84條，占總數(shù)量的1.45%，主要是大型江河、湖泊和水庫區(qū)； ②總體上，面積分布在30～50 km2區(qū)間的較多，將近60%； ③面積在30～50 km2區(qū)間的提取精度較高，達(dá)到96%，主要分布在山區(qū)； ④面積小于20 km2提取精度較低，約93%，分布在平原區(qū)較密集； ⑤總體上，山區(qū)小流域提取的精度高于平原區(qū)，整體精度達(dá)到95%。

表3 湖北省小流域面積統(tǒng)計

2.4 河流密度分析

按照《小流域劃分及編碼規(guī)范(SL653-2013)》對小流域的河網(wǎng)密度進(jìn)行計算，并按面積<10 km2，10～20 km2，20～30 km2，30～40 km2，40～50 km2，>50 km2進(jìn)行平均河網(wǎng)密度統(tǒng)計(表4)： ①小流域面積小于10 km2的平均河網(wǎng)密度是1.14 km/km2，面積在10～20 km2的平均河網(wǎng)密度是0.44 km/km2，面積在20～30 km2的平均河網(wǎng)密度是0.3 km/km2，面積在30～40 km2的平均河網(wǎng)密度是0.24 km/km2，面積在40～50 km2的平均河網(wǎng)密度是0.19 km/km2，面積在50 km2的平均河網(wǎng)密度是0.16 km/km2； ②總體上，隨著小流域面積的增大，平均河網(wǎng)密度呈減小趨勢(表4)； ③面積小于20 km2的小流域平均河網(wǎng)密度較大，因其主要集中在平原區(qū)，水系較發(fā)達(dá)； ④面積在30～50 km2的小流域平均河網(wǎng)密度較小，主要分布在山區(qū)，山區(qū)河流水系較少； ⑤總體上，平原區(qū)小流域的平均河網(wǎng)密度大于山區(qū)。

表4 小流域平均河網(wǎng)密度統(tǒng)計

3 結(jié) 論

(1) 適宜的集流閾值的選取是個反復(fù)試驗的過程，需經(jīng)過統(tǒng)計、綜合分析來確定。

(2) 計算機(jī)自動劃分的平原區(qū)小流域精度較低，且提取的溝道密集，需用高精度水系替代常規(guī)溝道輔助，進(jìn)行人機(jī)交互修正來提高精度。

(3) 平原區(qū)小流域劃分將是后期我們需進(jìn)一步研究的問題，后期將綜合考慮人工溝渠(非自然溝渠)、城市地下管線等因素，以提高平原區(qū)小流域的劃分精度。本文首次實現(xiàn)了復(fù)雜地形區(qū)小流域劃分，同時為湖北省生態(tài)清潔小流域建設(shè)和規(guī)劃提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。