基于GIS的薊州山區(qū)水土保持小流域劃分方法

蘇慧敏

(北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京 100084)

薊州山區(qū)是天津市重要的飲用水源地和水源涵養(yǎng)區(qū)，也是天津的后花園和重要生態(tài)屏障，屬燕山國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)。多年來(lái)，天津市十分重視薊縣(現(xiàn)薊州區(qū))山區(qū)水土流失治理工作，大力開(kāi)展了以大流域?yàn)楣歉桑孕×饔驗(yàn)閱卧?，山水田林路統(tǒng)一規(guī)劃，攔蓄灌排節(jié)綜合治理，取得了顯著成效，并積累了豐富的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。然而，隨著政府職能的不斷轉(zhuǎn)變和水務(wù)精細(xì)化、信息化管理要求的不斷提高，現(xiàn)有的管理方式和手段已不適應(yīng)水土保持發(fā)展和創(chuàng)新的需求。尤其是在生態(tài)清潔小流域的規(guī)劃、建設(shè)方面，因小流域邊界不清，基礎(chǔ)信息不詳，禁止或限制的區(qū)域不明，故很難實(shí)施有效的治理和監(jiān)管。

以小流域?yàn)閱卧乃亮魇ЬC合治理是我國(guó)防治水土流失、改善農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要方式。在水土保持工作中，通常將流域面積不超過(guò)50 km2的地表集水區(qū)稱(chēng)之為“小流域”。小流域是水土流失發(fā)生、發(fā)展的基本單元，堅(jiān)持小流域綜合治理是我國(guó)水土保持工作的基本途徑。2014年3月1日施行的《天津市實(shí)施〈中華人民共和國(guó)水土保持法〉辦法》進(jìn)一步強(qiáng)化了天津市生態(tài)清潔小流域建設(shè)的地位。

為貫徹落實(shí)天津市政府進(jìn)一步加強(qiáng)水土保持工作，建設(shè)更加優(yōu)美更加和諧的生態(tài)環(huán)境的要求，以薊州山區(qū)DEM基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)薊州山區(qū)進(jìn)行小流域劃分，并在分析小流域水土流失空間分布特征的基礎(chǔ)上，建立薊州山區(qū)三維可視化數(shù)字小流域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，可為薊州區(qū)水土保持業(yè)務(wù)分析和精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)支撐，為天津水土保持信息化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。基于此，在分析研究薊州山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文特點(diǎn)和行政區(qū)劃、水土流失等因素的基礎(chǔ)上，從水土流失治理和水土保持管理的角度，進(jìn)一步細(xì)化了小流域劃分原則、面積規(guī)模、命名規(guī)則等技術(shù)細(xì)則。

1 小流域劃分原則

1.1 劃分原則細(xì)化

從小流域形態(tài)特征、地表匯流、特殊地形處理等方面提出了劃分原則。①小流域劃分應(yīng)以自然地形地貌為基礎(chǔ)，盡量保證小流域形態(tài)特征完整。②小流域邊界應(yīng)與各級(jí)流域邊界無(wú)縫銜接，不應(yīng)橫跨上級(jí)流域。③小流域劃分應(yīng)充分考慮地表匯水關(guān)系，保證上下游匯水關(guān)系的正確性。④確定小流域邊界時(shí)，可適當(dāng)考慮水庫(kù)、水閘、橋涵等水利工程設(shè)施和村莊、居民點(diǎn)的位置。如根據(jù)水庫(kù)規(guī)模和流域控制面積，宜將水庫(kù)閘口設(shè)定為小流域進(jìn)、出水口；對(duì)于流域出口附近的村莊或居民點(diǎn)，可按屬地關(guān)系適當(dāng)調(diào)整小流域界線，盡量保證歸屬關(guān)系一致。⑤水流匯入境外的區(qū)域可單獨(dú)作為小流域。⑥平緩地區(qū)孤丘小山可包含在小流域內(nèi)，不考慮分水嶺。⑦小流域劃分結(jié)果應(yīng)覆蓋整個(gè)劃分區(qū)域，小流域面積之和應(yīng)等于該區(qū)域總面積。⑧小流域出口處理。無(wú)沖積扇時(shí)沿分水嶺走向相交；有沖積扇、無(wú)居民區(qū)時(shí)將沖積扇納入小流域；有沖積扇、有居民區(qū)時(shí)考慮沖積扇、溝口橫向相交的道路與上級(jí)河流并采取以下處理原則，即流域出口為寬淺平緩谷地時(shí)，將出口順接到上級(jí)溝道或河道，但對(duì)山地平原過(guò)渡地帶，若山地走勢(shì)開(kāi)敞，且無(wú)明顯的河道或溝道時(shí)，依據(jù)灌溉排渠的位置，選擇道路作為小流域界線。⑨小流域命名應(yīng)充分考慮溝域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。⑩小流域編碼應(yīng)盡量與周邊省市相銜接。

1.2 小流域最小單元面積

為了確保小流域劃分精度，便于生態(tài)清潔小流域建設(shè)、管理和維護(hù)，在征求地方水保部門(mén)意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)綜合分析，將微流域面積控制在0.1 km2，將小流域面積控制在3～20 km2。

1.3 特殊地形地物的處理方式

對(duì)以下特殊地形地物，提出了專(zhuān)門(mén)的處理方式：①于橋水庫(kù)面積大于100 km2，為保持庫(kù)區(qū)的完整性，將其管理界線作為小流域邊界，形成一個(gè)小流域。②對(duì)溝谷深切，匯水面積大于20 km2且難以劃分為多個(gè)小流域的狹長(zhǎng)流域，可單獨(dú)作為一個(gè)小流域。③對(duì)山地向平原過(guò)渡區(qū)或河谷寬闊的斷陷區(qū)，當(dāng)單個(gè)微流域面積較小，主溝不明顯，且平行排列時(shí)，可將其歸并成一個(gè)坡面型小流域。④在狹長(zhǎng)河谷地帶，當(dāng)河道兩側(cè)或一側(cè)坡面陡峭，坡面集水區(qū)不能單獨(dú)歸并為小流域時(shí)，可將峽谷地帶的河道及兩側(cè)坡面集水區(qū)劃分成一個(gè)小流域，此類(lèi)小流域稱(chēng)為區(qū)間型小流域。⑤在河道無(wú)明顯主溝或一邊無(wú)明顯主溝的情況下，將兩岸合并為區(qū)間小流域。⑥將面積小于3 km2的坡面與對(duì)岸合并為區(qū)間型小流域，把面積大于3 km2的坡面劃為坡面型小流域。⑦將面積較小、通過(guò)涵洞引排水的封閉集水區(qū)包含在有匯流關(guān)系的小流域中。⑧對(duì)分水嶺不明顯的區(qū)域，參照道路、橋梁確定分水線和小流域出口。

2 小流域劃分技術(shù)方法

傳統(tǒng)小流域基于地形圖進(jìn)行集水區(qū)域的確定，2013年水利部發(fā)布了《小流域劃分及編碼規(guī)范》(SL 653—2013)。此次小流域劃分就是按照水利部發(fā)布的《小流域劃分及編碼規(guī)范》(SL 653—2013)要求，依托ArcGIS軟件的水文分析工具，搭建了水土保持小流域劃分作業(yè)平臺(tái)，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)查的方法自動(dòng)提取小流域邊界，然后再結(jié)合行政區(qū)劃和自然地理要素，通過(guò)人機(jī)交互完成自動(dòng)提取結(jié)果的判別和特殊地形劃分結(jié)果的修正，最后命名編碼形成薊州水土保持小流域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。具體技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)薊州區(qū)DEM數(shù)據(jù)。

(2)薊州區(qū)高分辨率遙感影像。

(3)全國(guó)1∶25萬(wàn)河流矢量數(shù)據(jù)薊州區(qū)部分。

(4)薊州區(qū)行政界線數(shù)據(jù)，包括區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村界線。

(5)其他輔助數(shù)據(jù)：公路、鐵路等矢量數(shù)據(jù)。

(6)天津市第一次水利普查成果資料等。

2.2 作業(yè)平臺(tái)搭建

搭建基于GIS的多人協(xié)同工作環(huán)境，在操作時(shí)遙感數(shù)據(jù)可存放在本機(jī)上，微流域、溝道、小流域等作業(yè)圖層存放在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，不同的人員采用GIS直連的方式連接數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間數(shù)據(jù)。多人協(xié)同工作，可有效地提高信息提取的工作效率。

圖1 薊州區(qū)小流域劃分技術(shù)路線

2.3 溝道和微流域信息提取

2.3.1 溝道和微流域分水線提取

基于DEM，按照小流域劃分技術(shù)細(xì)則設(shè)定的微流域面積閾值，一次性提取薊州區(qū)內(nèi)的溝道和微流域分水線。

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、水流出口位置節(jié)點(diǎn)全部提出。

2.3.2 溝道和微流域分水線檢查及平滑處理

參照薊州區(qū)高分遙感影像及河流、水庫(kù)、湖泊、水利工程、道路、居民點(diǎn)等圖層信息，對(duì)自動(dòng)提取的溝道弧段、微流域分水線進(jìn)行檢查和平滑處理，對(duì)水流出口位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，保證微流域分水線正確、溝道連續(xù)完整、出水口位置準(zhǔn)確。

2.3.3 微流域及溝道拓?fù)潢P(guān)系建立和檢查

為保證地表水匯流正確，在提取溝道和微流域的同時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)建立了微流域之間、溝道之間、溝道與微流域之間的拓?fù)潢P(guān)系。對(duì)特殊地形和地物周邊進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查，結(jié)合遙感影像，修訂異常的線段和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.4 河流標(biāo)定與編碼

在GIS協(xié)作平臺(tái)下，通過(guò)多人協(xié)調(diào)工作，依據(jù)提取的河(溝)道底部流程線，結(jié)合天津市第一次水利普查河湖基本情況普查成果和已有的數(shù)據(jù)資料，并參照高分一號(hào)遙感影像，對(duì)薊州區(qū)全區(qū)河流進(jìn)行標(biāo)定，為建立山區(qū)河(溝)道拓?fù)潢P(guān)系提供依據(jù)。

河流標(biāo)定遵循以下原則：①自然和人工河道全面標(biāo)定。②保證河流匯流關(guān)系正確，保證河流上下游連通。③按照直流入海河流為零級(jí)的原則，將匯入零級(jí)河流的標(biāo)定為一級(jí)河流，依此類(lèi)推。④所有水系標(biāo)定為線狀。對(duì)于面狀水系，概化為線狀，上下級(jí)水系交匯于一點(diǎn)；河流上建有水庫(kù)的，在庫(kù)區(qū)內(nèi)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。

依據(jù)編碼規(guī)范，參照相關(guān)資料和已有的成果，進(jìn)行河流的編碼和命名。對(duì)依資料不能判定名稱(chēng)的河流，結(jié)合實(shí)地調(diào)查進(jìn)行補(bǔ)充。

2.5 小流域邊界確定

按照小流域面積控制指標(biāo)(3～20 km2)和自然匯水關(guān)系，依據(jù)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)行干流小流域邊界的確定，最終標(biāo)定的小流域全部覆蓋山區(qū)。

遵照小流域定界原則，參照高分辨率遙感影像對(duì)特殊地形小流域進(jìn)行邊界修訂，確保小流域邊界與河(溝)道交會(huì)的正確性、山地平原過(guò)渡地帶小流域分割的正確性，同時(shí)正確判定小流域類(lèi)型。

2.6 薊州山區(qū)流域邊界標(biāo)定及拓?fù)潢P(guān)系建立

按流域匯水關(guān)系逐級(jí)建立河流上下游、小流域與河流、流域間的拓?fù)潢P(guān)系，保證匯水關(guān)系及流域包含關(guān)系的正確性和合理性。流域拓?fù)潢P(guān)系建立原則如下：①流域與河流一一對(duì)應(yīng)；②根據(jù)河流級(jí)別確定流域級(jí)別；③境內(nèi)不完整的流域，采用市、區(qū)界閉合；④同級(jí)流域之間不重疊，相鄰?fù)?jí)流域之間無(wú)縫隙；⑤下級(jí)流域不跨越上級(jí)流域；⑦各級(jí)流域之間既不存在縫隙，也無(wú)重疊區(qū)域。按照匯水關(guān)系將微流域歸并為流域的過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 按匯水關(guān)系將微流域歸并為流域的過(guò)程示意

2.7 小流域命名與編碼

2.7.1 小流域命名

薊州區(qū)歷史悠久，文化積淀深厚，許多地名從古代延續(xù)而來(lái)，為便于宣傳和傳承，在小流域命名時(shí)除遵循《小流域劃分及編碼規(guī)范》(SL 653—2013)的命名要求外，還應(yīng)遵循以下規(guī)則：①小流域名稱(chēng)在薊州區(qū)內(nèi)具有唯一性，已有名稱(chēng)的沿用傳統(tǒng)名稱(chēng)。②命名力求簡(jiǎn)明確切、易于辨識(shí)，可采用當(dāng)?shù)販系?、村莊、景區(qū)、特色品名或其他自然地名。③若一個(gè)小流域包含多條溝道，且每條溝道都有名稱(chēng)時(shí)，可采用主溝道名命名。④若一個(gè)小流域內(nèi)包含多個(gè)村莊時(shí)，可采用人口最多的村莊名稱(chēng)命名。

2.7.2 小流域編碼規(guī)則

薊州山區(qū)是燕山山脈的重要組成部分，隨著京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，在水土保持、水資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面都將協(xié)同一致，為了便于將小流域信息共享，小流域編碼應(yīng)與周邊省市編碼保持一致。目前，北京市已完成小流域劃分及編碼工作，因此本次編碼重點(diǎn)參照《天津市第一次水利普查河流編碼規(guī)則》及北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《河流、流域名稱(chēng)代碼》(DB11/T 1172—2015)進(jìn)行編碼。

2.8 野外復(fù)核驗(yàn)證

為了確保薊州山區(qū)流域水系空間信息提取成果的準(zhǔn)確性及小流域劃分的合理性、可操作性，對(duì)有疑問(wèn)的內(nèi)容進(jìn)行了全面的復(fù)核調(diào)查，并抽取了24個(gè)小流域進(jìn)行了河流位置、流域邊界、小流域溝口位置等指標(biāo)的驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)小流域名稱(chēng)也進(jìn)行了全面復(fù)核。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)結(jié)合薊州山區(qū)地形地貌特點(diǎn)，確定了薊州山區(qū)小流域劃分的原則、方法及技術(shù)路線。

(2)采用 GIS多人協(xié)同工作平臺(tái)，基于高分辨率遙感影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由多人協(xié)同，完成了薊州山區(qū)小流域劃分工作。

(3)構(gòu)建了薊州山區(qū)數(shù)字小流域基礎(chǔ)信息管理平臺(tái)，為薊州山區(qū)信息化建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和框架，建議結(jié)合水土保持治理精細(xì)化、水土保持監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、監(jiān)督實(shí)時(shí)化等目標(biāo)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)完善平臺(tái)的應(yīng)用功能，建成集信息管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用為一體的綜合性服務(wù)和管理平臺(tái)，全面提高薊州山區(qū)水土保持信息化水平。