水功能區(qū)水環(huán)境功能區(qū)建庫方法及實現(xiàn)

曾文華，黃 信

（1.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 311100）

水環(huán)境功能區(qū)是根據(jù)水域使用功能、水環(huán)境污染狀況、水環(huán)境承受能力、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要以及污染物排放總量控制的要求，劃定的具有特定功能的水環(huán)境[1-2]，與水功能區(qū)結(jié)合可更有效的對水資源進(jìn)行保護(hù)、管理。生態(tài)部門和水利部門分別從水環(huán)境保護(hù)角度和流域統(tǒng)一管理角度,將水體分為“水功能區(qū)”和“水環(huán)境功能區(qū)”，兩者在空間上趨于一致，只是角度目的不同。因為“水環(huán)境功能區(qū)”更加微觀，因此一個“水功能區(qū)”又可以根據(jù)水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)和要求不同，劃分為多個不同保護(hù)等級的水環(huán)境功能區(qū)。建庫時將水功能區(qū)和水環(huán)境功能區(qū)作為一個空間實體，命名為水功能區(qū)水環(huán)境功能區(qū)（下文統(tǒng)一簡稱功能區(qū)）。

功能區(qū)建庫包括功能區(qū)數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理，利用空間數(shù)據(jù)庫存儲功能區(qū)信息，兼具精確的空間定位和準(zhǔn)確的屬性信息，實現(xiàn)數(shù)字化管理，為水資源的管理決策、開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供強(qiáng)有力的信息支撐。

陳虎[3]研究了基于功能區(qū)長度劃分的方法，探討了長度在功能區(qū)的劃分中的作用；朱思蓉[4]提出了空間數(shù)據(jù)庫在流域數(shù)據(jù)處理過程中各數(shù)據(jù)的組織、約束和管理等方面發(fā)揮的作用,實現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)多用戶共享使用。本文提出了水功能區(qū)水環(huán)境功能區(qū)建庫的方法，對其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，并結(jié)合浙江省的建庫實踐，總結(jié)相關(guān)技術(shù)方法，論證了其可行性。

1 功能區(qū)組成

1.1 空間組成

功能區(qū)在空間上包含了一定的范圍，為了便于采集和管理，抽象表達(dá)為一定空間尺度下的地理實體，包括起始斷面、終止斷面、水體和集水區(qū)。

1）起始斷面和終止斷面。起始斷面和終止斷面在空間范圍上決定了一個功能區(qū)的水體大小和分布范圍，可在空間上進(jìn)行精確標(biāo)注。一般以河流源頭作為起始斷面；以水系交匯處、橋梁、行政交界處等作為終止斷面，針對水庫，一般是大壩作為終止斷面。在一條河流的中間部分，一個功能區(qū)的終止斷面同時又是下一個功能區(qū)的起始斷面。

2）水體。功能區(qū)的水體部分由起始斷面和終止斷面界定，不僅包含河流的水面范圍，也包括符合功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)的水庫、湖泊等水面范圍。一般選擇平水期的水面范圍作為水體的空間分布范圍。

3）集水區(qū)。集水區(qū)是降水匯流排出的陸域地形單元,以分水嶺為界,以排水路(溝、坑、川、溪、河)為枝干,四周地勢高而向排水系統(tǒng)傾斜的區(qū)域。功能區(qū)的集水區(qū)是其所屬河流、水庫、湖泊的集水區(qū)范圍之和。

1.2 屬性數(shù)據(jù)組成

功能區(qū)是以縣級為單位實施劃定的，依據(jù)水利部的《水功能區(qū)劃技術(shù)大綱》、《水功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)GB/T50594-2010》和生態(tài)環(huán)境部的《中華人民共和國水污染防治法》、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》聯(lián)合進(jìn)行地表水體的水功能區(qū)和水環(huán)境功能區(qū)劃分。將水功能區(qū)和水環(huán)境功能區(qū)作為一個空間實體，根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)確定了功能區(qū)屬性字段，屬性結(jié)構(gòu)如表格1所示。

序號表示功能區(qū)的唯一編號，一般以流域水系和順序碼組成。

縣（市、區(qū)）字段表示功能區(qū)所屬行政區(qū)劃。

水功能區(qū)編碼采用主導(dǎo)因素法，將水資源分區(qū)、一級功能區(qū)、二級功能區(qū)等因素進(jìn)行編碼，編碼能表示水域、功能及隸屬關(guān)系。功能區(qū)編碼由14位大寫英文字母和數(shù)字組合碼組成，7位表示功能區(qū)所在水資源分區(qū)，4位表示一級功能區(qū)，3位表示二級功能區(qū)。

水功能區(qū)名稱采用形象化復(fù)合名稱，名稱由3個部分組成：第一部分表示河名；第二部分表示地理位置；第三部分表示水域功能。

水環(huán)境功能區(qū)編碼采用20位數(shù)字字母混合編碼，由6位數(shù)字型行政區(qū)劃代碼（GB2660-1995）、8位河流水系名稱代碼、4位某條河流按縣（市、區(qū)）劃分時的順序碼、2位地表水環(huán)境功能區(qū)類別代碼組成

水環(huán)境功能區(qū)名稱按照自然保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、飲用水水源保護(hù)區(qū)、漁業(yè)用水區(qū)、工業(yè)用水區(qū)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)、景觀娛樂用水區(qū)、過渡區(qū)和混合區(qū)等9類直接命名。若功能重疊，則按“主導(dǎo)功能+第二功能”命名。

流域是指一個水系的干流和支流所流過的整個地區(qū)；水系指具體河流，功能區(qū)的最小單元是河流、水庫、湖泊等，每個功能區(qū)都屬于某個水系及流域。

功能區(qū)起止點基于功能區(qū)起始截面、終止截面采集，若功能區(qū)只包含線性水體，則以線性水體起始截面、終止截面中心點作為功能區(qū)起止點，若功能區(qū)包含水庫、湖泊等面狀水體，則于線性截面和岸線交界處確定起止點。

功能區(qū)長度，以河流中心線來確定河流這種線性水體長度，對于水庫、湖泊等非線性水體則以水體中軸線長度作為該功能區(qū)長度，同時與流入、流出的主要河流保持上下連接關(guān)系。

功能區(qū)面積不僅包含水體部分面積，針對由水體和陸域組成的流域控制單元，還包括其陸域范圍面積。

功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)狀評價的水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況。功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)，是根據(jù)其水質(zhì)現(xiàn)狀、排污狀況、功能區(qū)水質(zhì)類別要求，以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r等條件，確定在規(guī)劃水平要達(dá)到的目標(biāo)水質(zhì)。

2 技術(shù)路線

綜合功能區(qū)建庫的管理需求、空間分布和原始資料情況，1:10 000是一個合理可行的空間表達(dá)尺度，因此空間建庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源是1:10 000基礎(chǔ)地理信息庫，以該數(shù)據(jù)為本底，依據(jù)功能區(qū)系列標(biāo)準(zhǔn)和文件[5-7]，各縣（市、區(qū)）劃分好的功能區(qū)空間組成和屬性組成，以遙感影像為參考數(shù)據(jù)源，對水體矢量要素提取、合并、格式統(tǒng)一、冗余數(shù)據(jù)刪除、缺少數(shù)據(jù)補(bǔ)充等處理，形成標(biāo)準(zhǔn)的功能區(qū)數(shù)據(jù)，滿足信息化利用的相關(guān)數(shù)據(jù)庫，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2.1 功能區(qū)劃定

縣（市、區(qū)）水功能區(qū)劃，由縣級以上地方人民政府水行政主管部門會同同級人民政府環(huán)境保護(hù)行政主管部門和有關(guān)部門擬定，報同級人民政府或者其授權(quán)部門批準(zhǔn)，并報上一級水行政主管部門和環(huán)境保護(hù)行政主管部門備案。在進(jìn)行功能區(qū)劃分時，以人類用水功能需求為劃分基礎(chǔ)，根據(jù)功能區(qū)的劃定標(biāo)準(zhǔn)綜合進(jìn)行本縣（市、區(qū)）的功能區(qū)劃定，并制定每個功能區(qū)的屬性表和空間劃分說明。

2.2 功能區(qū)空間數(shù)據(jù)采集

功能區(qū)空間數(shù)據(jù)庫采用2000國家大地坐標(biāo)系，屬性字段按照表1中表結(jié)構(gòu)創(chuàng)建。1:10 000基礎(chǔ)地理信息庫中包含了水系、地形、影像等要素，數(shù)據(jù)量較大，水系要素根據(jù)綜合尺度不同存在3種空間類型，分別是點狀、線狀和面狀，功能區(qū)主要利用線狀和面狀水系要素作為建庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

表1 功能區(qū)屬性結(jié)構(gòu)表

2.2.1 預(yù)處理

功能區(qū)數(shù)據(jù)在1:10 000基礎(chǔ)地理信息庫上采集，而直接對其中數(shù)據(jù)量較大的水系數(shù)據(jù)處理會速度很慢，影響采集進(jìn)度，因此要對其中水系按流域和政區(qū)等要素進(jìn)行切割分塊預(yù)處理。分塊采集后，再對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲取到完整的功能區(qū)數(shù)據(jù)。

2.2.2 空間范圍采集

空間數(shù)據(jù)精度按照1:10 000矢量數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)精度要求，采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及規(guī)范的數(shù)據(jù)入庫格式，在統(tǒng)一空間信息框架下進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的無縫拼接[8]。

在空間數(shù)據(jù)處理軟件中按照功能區(qū)劃定結(jié)果，基于1:10 000矢量數(shù)據(jù)，再輔助高清遙感影像，按照功能區(qū)層級對水系要素、起止斷面要素、集水區(qū)范圍進(jìn)行采集。先確定水功能區(qū)劃分，采集起止斷面，分割水體，并基于等高線等地形特征要素采集集水區(qū)；如果水功能區(qū)劃定多個水環(huán)境功能區(qū)，則在其內(nèi)部再采集起止斷面，利用斷面對水功能區(qū)的水體和集水區(qū)進(jìn)行分割；如果水環(huán)境功能區(qū)內(nèi)還存在更小的單元劃分，確定起止斷面進(jìn)行下一級的分割。最終完成最低一級功能區(qū)空間要素的采集。

功能區(qū)空間要素采集完成后，根據(jù)一一對應(yīng)原則，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將屬性信息賦予空間要素。

2.2.3 拓?fù)潢P(guān)系處理

功能區(qū)空間要素存在嚴(yán)格的空間拓?fù)潢P(guān)系：①起止斷面與水體存在拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系，如果水體以線狀表示，則斷面位于線狀水體的端點；如果水體以面狀表示，則斷面位于水體的邊線上。②水體與集水區(qū)存在拓?fù)溧徑雨P(guān)系，兩者共邊。③不同功能區(qū)存在拓?fù)溧徑拥年P(guān)系。在構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系時，要進(jìn)行拓?fù)漕A(yù)處理，包括弧段自相交處理、節(jié)點擬合處理、去除重復(fù)線、刪除短懸線等，構(gòu)建拓?fù)浜?，注意去除面重疊、縫隙等問題，做好拓?fù)溧徑?、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系處理。

2.3 質(zhì)量核對檢查

為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，利用調(diào)查資料和基礎(chǔ)測繪資料對每個功能區(qū)進(jìn)行排查分析，逐一核實[9]。主要包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)正確性、空間精度要求、空間要素拓?fù)潢P(guān)系正確性、功能區(qū)要素完整性、功能區(qū)長度面積準(zhǔn)確性等做完整的檢查。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 功能區(qū)劃定方法

水功能區(qū)和水環(huán)境功能區(qū)的劃定是一個綜合評價的過程，每一個功能區(qū)都是唯一的且與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)。根據(jù)《水功能區(qū)劃技術(shù)大綱》、《水功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)GB/T50594-2010》、GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，按照劃區(qū)條件、劃區(qū)指標(biāo)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)功能區(qū)劃定。基本方法為：基礎(chǔ)資料收集、綜合分析評價、定性定量判斷、功能目標(biāo)確定，依據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)文件，在詳細(xì)調(diào)查和分析水域現(xiàn)狀使用功能和潛在功能、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水環(huán)境狀況、污染源分布等有關(guān)資料基礎(chǔ)上，確定各劃定因子，逐一打分，綜合評定。如飲用水源區(qū)的劃定應(yīng)根據(jù)已建生活取水口布局情況，結(jié)合規(guī)劃水平年內(nèi)生活用水發(fā)展需求，應(yīng)選擇開發(fā)利用區(qū)上游或受其他開發(fā)利用影響較小水域，在劃分飲用水源區(qū)時，應(yīng)將取水口附近水源保護(hù)區(qū)涉及的水域一并劃入，遠(yuǎn)離工廠、養(yǎng)殖業(yè)等具有污染源的地區(qū)。

圖2所示的是梅壟溪云和飲用水源區(qū)，屬于浙閩皖流域，甌江水系，梅壟溪（梅隴水庫），起始斷面是菖蒲塘，終止斷面是梅壟水庫大壩，陸域范圍則是正常水位線以上縱深200 m（不超過分水嶺）及入庫溪流周邊山脊線范圍，作為飲用水源區(qū)，水質(zhì)要達(dá)到飲用水水源地水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該功能區(qū)屬于自然生態(tài)紅線區(qū)，位于山區(qū)，遠(yuǎn)離工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等污染源，能夠保證水質(zhì)，且水庫距離居民區(qū)很近，能給居民區(qū)提供飲用水。

圖2 梅壟溪云和飲用水源區(qū)

3.2 功能區(qū)長度

功能區(qū)長度是功能區(qū)的重要指標(biāo)。因為功能區(qū)中包含有線狀水系和面狀水系，對于線狀水系，功能區(qū)長度就是水系的長度，但是對于面狀水系則比較復(fù)雜，要考慮起止斷面的位置、水的流向、線狀水系和面狀水系的交匯情況等。采用帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)剖分提取面域中軸線的方法從面狀水系提取軸線，并通過起止斷面就行約束，再計算功能區(qū)長度。

詳細(xì)步驟如下：

1）使用空間數(shù)據(jù)處理軟件提取面狀水系兩條邊界,以河流邊界和起止斷面（或者線狀水系匯入點）充當(dāng)約束條件，建立帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)。

2）檢查河流中有沒有島嶼，若有，通過交互的方式將島嶼設(shè)為空白的區(qū)域。

3）去掉空白區(qū)域的Delaunay三角形。

4）根據(jù)三角形所有的鄰接三角形的數(shù)量，將兩條河流邊界里面的Delaunay三角形分成3種類型。

5）針對Delaunay三角形，按照“有1個鄰接三角形的連接鄰近邊中點及對應(yīng)頂點；有2個臨近三角形的連接兩鄰近邊中點；有3個臨近三角形的將3條鄰近邊中點分別和三角形重心相連”要求提取其中軸線，把中軸線存儲在二叉樹結(jié)構(gòu)里。

6）遍歷二叉樹，算出最長中軸線。提取軸線后，再通過空間數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計算，獲取其長度。水庫、湖泊等面狀功能區(qū)則需要固定起止點，選取2點之間較短的軸線作為計算依據(jù)。

3.3 基于三維地形的集雨范圍劃定

功能區(qū)不僅包含水體部分，還包含陸域集水范圍，基于地形進(jìn)行雨水匯集，最后匯入水體。首先獲取地形數(shù)據(jù)，即該地區(qū)等高線，包含坡度、坡向、山脊線、山谷線、地形標(biāo)志線等地形特征線。水體范圍劃定后，找到匯入水體的主要溝壑，水流是流向這些溝壑的區(qū)域即水體的集雨區(qū)域。

確定集水區(qū)的邊界按照以下方法：

1）根據(jù)地形數(shù)據(jù)確定水體的分水嶺，分水嶺合圍的范圍即為水體的集水區(qū)。

2）位于集水區(qū)邊界部分區(qū)域,地形圖上的分水嶺不顯著,沒有明顯溝壑，山體高程基本一致的,使用“以中間為分水嶺”方式確定[10]。

3）在集雨區(qū)的邊界區(qū)域開展地形地質(zhì)調(diào)查,重點針對巖溶地貌的地下暗河地形，檢查落水洞、消水坑等地形特征和對水體集雨范圍的影響,按照匯水情況修正集雨區(qū)邊界（見圖3）。

4）對集水面積進(jìn)行計算時，使用等高線提取地表形態(tài)數(shù)據(jù),例如流域柵格單元的坡度、坡向和單元格間關(guān)系等,根據(jù)地形數(shù)據(jù)提取出流域水文特征有多種較成熟的算法[11-12]，通過以上算法計算得到集雨區(qū)的面積。

4 結(jié)語

利用以上方法實現(xiàn)了浙江省共1 112個功能區(qū)的空間化建庫，全省分布較為均勻，現(xiàn)狀水質(zhì)達(dá)到一級、二級的主要分布在山區(qū)、城鎮(zhèn)村莊分布較稀疏地區(qū)，為水資源開發(fā)利用與保護(hù)、水污染防治和水環(huán)境綜合治理提供了重要依據(jù)。通過對功能區(qū)的建庫，探索了利用基礎(chǔ)地理信息庫數(shù)據(jù)構(gòu)建自然資源、生態(tài)環(huán)境重要區(qū)域、重點范圍的方式，發(fā)揮了基礎(chǔ)地理信息庫精度高、覆蓋好、成果新的特點，對其他自然資源、生態(tài)環(huán)境等的信息化建設(shè)有很好的參考價值和推廣意義。