基于DTGIS的北京市山區(qū)流域水系劃分方法探討

夏照華，李瑞平，康 芮，趙海雷，馮 陽(北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京100084)

北京市山區(qū)河流、流域、小流域劃分工作是北京市第一次水務(wù)普查第一專項(xiàng)——河湖基本情況普查的任務(wù)之一[1-2]，項(xiàng)目成果有效支撐了河湖基本情況、河湖開發(fā)治理與保護(hù)、水利工程、水土保持等專項(xiàng)普查工作。山區(qū)小流域劃分結(jié)果為水源地保護(hù)、河道治理、生態(tài)清潔小流域建設(shè)、水文預(yù)報(bào)模型、水務(wù)精細(xì)化管理等工作的開展提供了支撐，對(duì)助推“三個(gè)水務(wù)”(民生水務(wù)、科技水務(wù)、生態(tài)水務(wù))和“智慧北京”提供了數(shù)據(jù)支持，意義重大。為準(zhǔn)確、快速地提取北京市山區(qū)流域水系，要制定詳細(xì)的劃分原則與方法，以保證劃分成果的質(zhì)量。

1 山區(qū)流域水系劃分原則

1.1 山區(qū)水系劃分原則

根據(jù)北京市第一次水務(wù)普查的要求，結(jié)合北京以流域水系為單元實(shí)施精細(xì)化管理的實(shí)際業(yè)務(wù)需要，以及山區(qū)地形、地貌特征，制定山區(qū)水系劃分主要原則如下：①河流匯水面積原則上不小于10 km2。②保證河流匯流關(guān)系正確。③保證河流上下游連通。④所有水系標(biāo)定為線狀。將面狀水系概化為線狀，上下級(jí)水系交匯于一點(diǎn)，河流入水庫和湖泊時(shí)概化為線狀，形成連通的水系。⑤標(biāo)定時(shí)遵循“寧多勿漏”的原則。匯水面積不到10 km2的河流，如具有重要防洪意義(如河流上建有水庫)，則需要進(jìn)行標(biāo)定。⑥河流長度采用由流域出口至上游源頭“唯遠(yuǎn)唯長”的原則確定，兼顧約定成俗與河流水量大小，并按照逢節(jié)點(diǎn)分段標(biāo)注長度。⑦與山區(qū)平原交界相交的河流標(biāo)注對(duì)接標(biāo)識(shí)。

1.2 山區(qū)流域劃分原則

考慮北京水務(wù)精細(xì)化管理的需要，以及山區(qū)小流域治理、流域水文洪水預(yù)測預(yù)報(bào)等要求，針對(duì)北京市山區(qū)流域、小流域的特點(diǎn)，制定山區(qū)流域劃分的主要原則如下：①山區(qū)流域邊界的確定以小流域邊界為基礎(chǔ)，通過河流水系拓?fù)潢P(guān)系宏觀控制，依據(jù)小流域之間的匯水關(guān)系逐級(jí)確定。②小流域劃分以自然流域分水嶺為基準(zhǔn)，優(yōu)先考慮完整性。③小流域面積原則上不大于50 km2。將無明顯支溝或支溝面積小于10 km2，總面積大于50 km2且小于100 km2的閉合區(qū)域劃定為小流域。④水流匯入境外的區(qū)域，如面積大于5 km2則單獨(dú)作為小流域。⑤遇河道無明顯主溝或一邊無明顯主溝的情況，將兩岸合并為區(qū)間小流域。⑥面積小于5 km2的坡面匯水區(qū)域與對(duì)岸坡面匯水區(qū)域合并作為區(qū)間小流域，面積大于5 km2的坡面作為坡面型小流域。⑦密云水庫155 m等高線以下區(qū)域不劃分小流域。⑧流域出口處理。無沖積扇的，沿分水嶺走向相交于流域出口；有沖積扇、無居民區(qū)的，將沖積扇納入小流域；有沖積扇、有居民區(qū)的，考慮將沖積扇、與溝口橫向相交的道路、上級(jí)河流作為流域出口。

2 山區(qū)流域水系劃分方法

2.1 劃分流程及技術(shù)路線

山區(qū)流域水系劃分采用先建庫，基于DTGIS流域水系模型，采用軟件自動(dòng)劃分及人工輔助修正并結(jié)合實(shí)際調(diào)查的方法。根據(jù)山區(qū)流域水系的匯水關(guān)系及劃分原則，確定山區(qū)流域水系劃分的流程與方法，具體流程如圖1所示。

圖1 山區(qū)流域水系劃分流程

2.2 劃分方法

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)數(shù)字高程數(shù)據(jù)(以下簡稱DEM數(shù)據(jù))：1∶1萬DEM數(shù)據(jù)。

(2)遙感影像數(shù)據(jù)：北京市六環(huán)內(nèi)、外分別采用1 m和0.4 m分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)。

(3)自然要素?cái)?shù)據(jù)：北京市1∶1萬的河流、水系、水庫、湖泊、蓄滯洪區(qū)矢量數(shù)據(jù)和名稱代碼。

(4)界線數(shù)據(jù)：北京市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線。

(5)其他輔助數(shù)據(jù)：1∶1萬的公路、鐵路、各級(jí)政府地名矢量圖，以及各區(qū)人文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況數(shù)據(jù)[3-5]。

2.2.2 構(gòu)建三維連續(xù)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫

利用海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)，將遙感影像和DEM數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)從物理上構(gòu)建成一張工作底圖，為小流域劃分工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；建立拓?fù)潢P(guān)系模型，為構(gòu)建流域-水系拓?fù)潢P(guān)系作準(zhǔn)備；在劃分流域-水系的計(jì)算機(jī)上部署協(xié)同工作環(huán)境，為多人協(xié)同工作作準(zhǔn)備。

2.2.3 微流域及溝道提取

根據(jù)山區(qū)地形地貌范圍，勾畫出一次性自動(dòng)提取的作業(yè)單元范圍，為保證處理質(zhì)量和運(yùn)算速度，單元面積不宜超過200 km2。設(shè)定微流域面積閾值，提取微流域和溝道。將微流域的最小面積設(shè)定為0.1 km2，計(jì)算機(jī)即可將作業(yè)單元內(nèi)集水區(qū)域大于0.1 km2的微流域分水嶺及其對(duì)應(yīng)的溝道弧段、水流出口位置結(jié)點(diǎn)全部提取出來。參照遙感影像，以及水系、湖泊、水庫、水利設(shè)施、重要交通線路等圖層信息，對(duì)自動(dòng)提取的微流域和溝道弧段、水流出口位置結(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，保證水系流程線連續(xù)完整、出水口位置準(zhǔn)確、微流域分水嶺正確。微流域與溝道提取示意見圖2。

圖2 微流域與溝道提取示意

2.2.4 建立流域溝道拓?fù)潢P(guān)系

在提取微流域和溝道的同時(shí)，將提取成果存入流域水系拓?fù)潢P(guān)系模型，通過計(jì)算機(jī)建立微流域之間、溝道之間、微流域與溝道之間的拓?fù)潢P(guān)系，保證地表水網(wǎng)匯流正確。

2.2.5 河流、流域、小流域邊界提取

在DTGIS平臺(tái)下，通過多人協(xié)調(diào)工作，依據(jù)提取的溝道，參照已有成果，根據(jù)河流標(biāo)定原則，對(duì)山區(qū)河流進(jìn)行標(biāo)定。以末級(jí)河流作為宏觀控制區(qū)域，按照自然匯水關(guān)系，選擇所提取的微流域分水嶺形成小流域邊界。先完成支流上小流域邊界的確定，再進(jìn)行主干上小流域邊界的確定，最終標(biāo)定的小流域邊界覆蓋全部山區(qū)區(qū)域。依據(jù)匯水關(guān)系將微流域歸并為小流域示意見圖3。

圖3 按照匯水關(guān)系將微流域歸并為小流域示意

以小流域邊界為基礎(chǔ)，通過河流水系拓?fù)潢P(guān)系宏觀控制，依據(jù)小流域之間的匯水關(guān)系逐級(jí)確定山區(qū)流域邊界。山區(qū)流域邊界確定示意見圖4。

圖4 山區(qū)流域邊界確定示意

由于地形地貌的復(fù)雜性，在歸并微流域的過程中，可根據(jù)自然匯流關(guān)系和地形特征，組成不同形態(tài)類型的小流域，如完整型、區(qū)間型和坡面型小流域。

(1)完整型小流域。這是最常見的小流域形態(tài)，即小流域面積大小符合要求，主溝道明顯，分水線閉合，有一個(gè)出水口，如圖5所示。

圖5 完整型小流域示意

(2)區(qū)間型小流域。小流域跨越上級(jí)流域，分水線不能自然閉合，有一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，溝道為區(qū)間河段。這種類型主要產(chǎn)生于溝谷狹長、兩側(cè)坡面陡峭或一側(cè)坡面較陡、一側(cè)坡面較緩的地帶，如圖6所示。

圖6 區(qū)間型小流域示意

(3)坡面型小流域。這類小流域由多條溝道較短、面積小于3 km2的羽狀微流域組成，主溝道不明顯，出水口有多個(gè)，水流直接匯入上一級(jí)河流，如圖7所示。

圖7 坡面型小流域示意

小流域劃分過程中幾種特殊情況的處理方式如下：

(1)水庫、水閘等水利工程設(shè)施附近小流域界線的確定。水庫范圍可單獨(dú)作為一條小流域。此類小流域范圍包括直接匯入水庫的坡面、面積未達(dá)到小流域面積要求而無法單獨(dú)劃分小流域的匯水區(qū)域，以及上游流域出口。

(2)當(dāng)遇到大型水利工程設(shè)施時(shí)，即使小流域面積已超過50 km2，仍可將其包含在小流域內(nèi)，以便于治理或經(jīng)營管理。如密云水庫小流域的劃分，面積超過200 km2，如圖8所示。

(3)當(dāng)遇到低級(jí)別河道上的小型水庫、塘壩時(shí)，若小流域面積不超過50 km2，則可以將水庫、塘壩包含在小流域內(nèi)，如圖9所示。

圖8 重要水庫單獨(dú)劃分小流域示意

圖9 包含小型水庫的小流域示意

(4)當(dāng)較高級(jí)別的河流穿過水庫，因面積過大造成不能同時(shí)將河流和水庫包含在同一個(gè)小流域內(nèi)時(shí)，可截?cái)嗪恿?，將水庫及周圍向水坡單?dú)劃分為一個(gè)小流域，如圖10所示。

圖10 高級(jí)別河流穿過水庫時(shí)劃分小流域示意

(5)村莊、居民區(qū)附近小流域邊界的確定。當(dāng)小流域邊界處跨過村莊或者居民點(diǎn)時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整小流域邊界，使之盡量不從一個(gè)村莊或居民點(diǎn)中間穿過，以保證村莊或居民區(qū)的完整性，如圖11所示。

圖11 根據(jù)村莊和居民點(diǎn)調(diào)整小流域邊界示意

(6)以河為界的小流域，若河流一側(cè)面積較小，可以將其與對(duì)岸小流域歸并，形成區(qū)間型小流域，如圖12所示。

圖12 河流一側(cè)流域面積較小(小于3 km2)的小流域示意

2.2.6 河流、流域、小流域分級(jí)體系建立

考慮劃分成果與國家河湖基本情況普查成果的對(duì)接，根據(jù)國普河流的級(jí)別確定北京市主要河流的級(jí)別，如永定河為0級(jí)，潮白河為1級(jí)等。先依據(jù)主要河流的級(jí)別，以及各級(jí)河流的拓?fù)潢P(guān)系，建立各級(jí)河流的分級(jí)體系，確定各級(jí)河流的級(jí)別；再根據(jù)流域與河流一一對(duì)應(yīng)的原則，建立流域的分級(jí)體系，確定各級(jí)流域的級(jí)別；小流域作為各級(jí)流域的末端，建立河流、流域、小流域之間的拓?fù)潢P(guān)系，在全市山區(qū)范圍內(nèi)，建立河流、流域、小流域一體化的分級(jí)體系。

2.2.7 成果確認(rèn)、修訂與輸出

將山區(qū)流域水系劃分的初步成果下發(fā)給區(qū)縣水務(wù)局及相關(guān)單位進(jìn)行復(fù)核與成果確定，收集、整理反饋意見，對(duì)初步劃分成果進(jìn)行修正。修正后將成果再次反饋給各單位進(jìn)行確認(rèn)，并咨詢業(yè)內(nèi)專家，根據(jù)專家意見進(jìn)行最終成果的審核與修訂工作，形成最終的山區(qū)流域水系劃分成果。

3 結(jié) 語

(1)結(jié)合北京市山區(qū)地形地貌特點(diǎn)，確定了山區(qū)流域水系劃分的原則、方法及技術(shù)路線。

(2)采用DTGIS協(xié)同工作平臺(tái)，在三維環(huán)境下，基于物理無縫、連續(xù)的北京市DEM及航片等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由多人協(xié)同，完成了全市山區(qū)流域水系劃分工作，經(jīng)實(shí)地及各使用單位檢驗(yàn)，劃分成果符合實(shí)際。

(3)基于DTGIS的三維流域水系劃分方法對(duì)同類地區(qū)的類似工作具有一定的參考價(jià)值。

[1] 國務(wù)院第一次全國水利普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.第一次全國水利普查培訓(xùn)教材之二：河湖基本情況普查[M].北京:中國水利水電出版社,2010:1-10.

[2] 北京市第一次水務(wù)普查工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.北京市第一次水務(wù)普查實(shí)施方案[R].北京:北京市水務(wù)局,2011:62-64.

[3] 中華人民共和國水利部.中國河流名稱代碼:SL 249—1999[S].北京:中國水利水電出版社,1999:25-34.

[4] 北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.北京市地方標(biāo)準(zhǔn) 北京市水利工程名稱代碼:DB 11/T 55—2002[S].北京:中國水利水電出版社,2002:67-82.

[5] 劉延愷,洪世華,李永善.北京水務(wù)知識(shí)詞典[M].北京:中國水利水電出版社,2007:16-66.