基于流域治理單元的湖北省丹江口庫區(qū)小流域劃分

摘要：丹江口庫區(qū)小流域單元?jiǎng)澐质菐靺^(qū)水質(zhì)安全保障和水生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)性工作。選擇湖北省丹江口庫區(qū)（十堰市）為研究區(qū)域，以高精度DEM、高分辨率遙感影像等為數(shù)據(jù)源，基于《湖北省流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的9個(gè)三級(jí)流域片區(qū)與23個(gè)四級(jí)流域片區(qū)，采用河網(wǎng)自動(dòng)提取和人機(jī)交互修整等方法，劃定了1 472個(gè)五級(jí)小流域單元，形成了一種面向流域綜合治理單元的重要生態(tài)功能區(qū)小流域劃分方法。研究成果可為湖北省丹江口庫區(qū)水土流失防治、小流域治理成效評(píng)估等提供決策依據(jù)，以形成各部門水土流失防治的“合力”。

關(guān) 鍵 詞：小流域單元?jiǎng)澐郑?數(shù)字高程模型； 丹江口庫區(qū)； 流域治理規(guī)劃

中圖法分類號(hào)： S157

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.017

0 引 言

以小流域?yàn)閱卧?，推進(jìn)水土流失綜合治理是防治水土流失、推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措［1］。2022年12月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代水土保持工作的意見》，要“統(tǒng)籌生產(chǎn)生活生態(tài)，在大江大河上中游、東北黑土區(qū)、西南巖溶區(qū)、南水北調(diào)水源區(qū)、三峽庫區(qū)等水土流失重點(diǎn)區(qū)域全面開展小流域綜合治理”。2023年2月，水利部會(huì)同農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家林草局、國家鄉(xiāng)村振興局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)清潔小流域建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要“以防治水土流失為重點(diǎn)，治山保水守護(hù)綠水青山，加強(qiáng)人為水土流失監(jiān)管”。水利部辦公廳印發(fā)的《2023年水土保持工作要點(diǎn)》中提出，“加快推進(jìn)小流域劃分工作，以流域水系為單元推進(jìn)生態(tài)清潔小流域建設(shè)”。

丹江口庫區(qū)位于長江中游支流漢江的上游，伏牛山南麓，豫、鄂、陜?nèi)〗唤缣帯Ｆ渲?，湖北省境?nèi)主要包括十堰市鄖陽區(qū)、丹江口市，是南水北調(diào)中線工程的近壩段和核心水源地，在強(qiáng)化水源地保護(hù)，確?！耙汇逅览m(xù)北上”方面地位突出［1-2］。開展丹江口庫區(qū)水土流失防治和小流域綜合治理工作，減少入庫河流泥沙和面源污染，是保障丹江口庫區(qū)水質(zhì)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3-5］。

流域特征作為重要的地理地貌要素，是分析區(qū)域土地利用、水土流失狀況和生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)［6-7］。在小流域劃分方法方面，依據(jù)SL 653-2013《小流域劃分及編碼規(guī)范》要求，以數(shù)字高程模型（DEM）或數(shù)字地形圖為基礎(chǔ)，結(jié)合高分辨率遙感影像、行政界線、水利設(shè)施分布等資料，通過設(shè)定集雨區(qū)域面積閾值，依次提取“溝道-河網(wǎng)-小流域”［8-9］。該方法適用于單一地形、大多數(shù)集中在山地或水系相對(duì)簡單的平原或山地丘陵區(qū)。吳鵬等針對(duì)河南省地形地貌基本特點(diǎn)，提出了一種遵循水文分析匯水關(guān)系、兼顧居民區(qū)地塊完整性的小流域劃分方法，認(rèn)為該方法符合水務(wù)管理需求、適應(yīng)全地形類型［10］。趙娟等針對(duì)南方喀斯特地區(qū)峰叢、洼地和盲谷等特殊地貌狀況，在現(xiàn)有的完整型、區(qū)間型和坡面型的基礎(chǔ)上，新增提出了“盲谷-洼地型”小流域類型及劃分方法［11］。王雪等利用4種重采樣技術(shù)研究不同分辨率DEM數(shù)據(jù)對(duì)流域特征的影響程度，認(rèn)為分辨率越高的DEM在提取流域特征和細(xì)小水系方面效果越好［12］。

在小流域劃分應(yīng)用場景方面，主要圍繞各級(jí)行政區(qū)和重要生態(tài)功能區(qū)展開。王福嶺等使用河南省小流域劃分適應(yīng)性原則，結(jié)合全省地形地貌特征實(shí)地考察情況，提取了102 118.5 km溝道，劃定了5 576個(gè)小流域［13］。夏照華等根據(jù)北京市山區(qū)地形地貌特征，確定了山區(qū)水系、流域、小流域劃分原則和方法，基于全要素電子地形圖、DEM、航片、行政界線、水利設(shè)施分布圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用DTGIS提取北京市山區(qū)河流水系及流域邊界［14］。齊斐等以山東省淄博市沂源縣為對(duì)象，通過遙感調(diào)查、模型計(jì)算、資料收集和統(tǒng)計(jì)分析等方法，劃分小流域68條，平均小流域面積24.06 km2，溝道密度1.87～2.99 km/km2［15］。高翔等利用Arc Hydro Tools水文數(shù)據(jù)模型與河網(wǎng)密度法，通過確定最佳集水面積閾值，提取祁連山國家公園內(nèi)河網(wǎng)水系并劃分小流域［16］。黃國金等使用ArcGIS軟件的Hydrology水文模型工具，對(duì)30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)確定河流和小流域的最佳集水面積閾值，提取了烏江流域中游巖溶地區(qū)小流域［17］。郭文慧等以丹江口水源區(qū)治理區(qū)1∶50 000 DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用Arc Map水文模塊環(huán)境，開展數(shù)字河網(wǎng)水系及流域邊界提取、子流域歸并等工作，形成624個(gè)小流域單元［18］。

目前，關(guān)于小流域劃分的研究取得了較好的成果，但仍存在著一些短板：① 從劃分方法上看，主要考慮了區(qū)域地形地貌、河流水系等自然要素，忽視了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、安全底線等社會(huì)治理方面的要求；② 從應(yīng)用成效上看，劃分成果只在水土保持、水旱災(zāi)害防御、河湖長制管理等水行政管理方面投入應(yīng)用，尚不具備推廣到自然資源、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等政府其他部門使用的條件。

湖北省高度重視流域綜合治理工作，提出以流域綜合治理明確并守住安全底線，分區(qū)分類分級(jí)建立安全管控清單，推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、新型工業(yè)化、新型城鎮(zhèn)化、信息化同步發(fā)展，因地制宜確立經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展正面清單。2023年1月，湖北省委、省政府聯(lián)合出臺(tái)《湖北省流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃綱要》（以下簡稱《規(guī)劃綱要》），基于省市級(jí)行政區(qū)劃，將全省劃分為長江、漢江、清江3個(gè)一級(jí)流域和16個(gè)二級(jí)流域片區(qū)，制定涵蓋水安全、水環(huán)境安全、糧食和能源資源安全、生態(tài)安全的4條安全底線清單和管控機(jī)制，成為全省建設(shè)全國構(gòu)建新發(fā)展格局先行區(qū)的行動(dòng)綱領(lǐng)。依據(jù)《規(guī)劃綱要》，十堰市委、市政府組織編制《十堰市流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃綱要》，基于市縣級(jí)行政區(qū)劃，將全市劃分為10個(gè)三級(jí)流域片區(qū)、23個(gè)四級(jí)流域片區(qū)，成為全市統(tǒng)籌推進(jìn)四化同步發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的管理要素。

在湖北省行政區(qū)內(nèi)，以省市劃定的流域片區(qū)為基礎(chǔ)，開展重要生態(tài)功能區(qū)小流域劃分工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選擇湖北省丹江口庫區(qū)（十堰市）為典型示范區(qū)，采用水利部推薦的水土流失小流域劃分及編碼方法［5］，基于十堰市流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃綱要?jiǎng)澏ǖ娜?jí)、四級(jí)流域片區(qū)，開展河網(wǎng)水系和小流域單元?jiǎng)澐郑芯砍晒麑?duì)丹江口庫區(qū)水土流失防治、小流域治理成效評(píng)估等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究資料

1.1 研究區(qū)概況

選擇湖北省十堰市為典型研究區(qū)（圖1）。十堰市境內(nèi)的丹江口水庫是國家南水北調(diào)中線水源工程的主體，而且是華中屋脊——湖北神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)屏障區(qū)。全市地處湖北省西北部，位于漢江中上游地區(qū)，地理位置為東經(jīng)109°29′～111°16′，北緯31°30′～33°16′，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖多雨，四季分明，年平均降水量約840 mm，年平均氣溫15.2 ℃。植被覆蓋度高，現(xiàn)狀植被以闊葉林、針葉林和針闊葉混交林為主。

1.2 數(shù)據(jù)資料

（1） 水土保持規(guī)劃資料。包括《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持“十四五”規(guī)劃》《湖北省水土保持規(guī)劃（2016～2030年）》《湖北省流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃綱要》《十堰市流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃綱要》等。

（2） 數(shù)字高程模型。包括1∶50 000 DEM（25 m×25 m、WGS84坐標(biāo)系、UTM投影）。

（3） 其他資料。包括2 m分辨率衛(wèi)星遙感影像（GF-1、ZY-3，水利部下發(fā)）、1∶10 000河流水系分布圖、1∶10 000行政界線矢量圖、1∶10 000交通路網(wǎng)圖。

2 研究方法

2.1 劃分原則

小流域是指二、三級(jí)支流以下以分水嶺和下游河道出口斷面為界集水面積在50 km2以下的相對(duì)獨(dú)立和封閉的自然匯水區(qū)域，其劃分原則主要包括：

（1） 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，小流域自然邊界要與各級(jí)流域自然邊界銜接；流域自然邊界與流域治理邊界沖突時(shí)，優(yōu)先選擇流域治理邊界。

（2） 充分考慮地表匯水關(guān)系，適當(dāng)考慮水庫、水閘、橋涵等水利工程設(shè)施和村莊、居民點(diǎn)的位置，保證上下游匯水關(guān)系的正確性。

（3） 無沖積扇時(shí)沿分水嶺走向相交；有沖積扇、無居民區(qū)時(shí)將沖積扇納入小流域；有沖積扇、有居民區(qū)，且流域出口為寬淺平緩谷地時(shí)，將出口順接到上級(jí)溝（河）道。

（4） 小流域面積原則上控制在3～50 km2；面積小于3 km2時(shí)，與鄰近小流域歸并。

（5） 劃分結(jié)果應(yīng)覆蓋整個(gè)劃分區(qū)域，即小流域面積之和應(yīng)等于該區(qū)域總面積。

2.2 劃分方法

基于數(shù)字高程模型（DEM）提取流域數(shù)字特征，主要包括DEM預(yù)處理、流向分析、匯流累積分析以及河網(wǎng)提取、流域邊界生成、小流域歸并等步驟。

（1） DEM預(yù)處理。通過預(yù)處理工作，去掉洼地和尖峰，將地形改造成斜坡形式，避免在計(jì)算水流方向時(shí)出現(xiàn)逆流的現(xiàn)象。

（2） 流向分析。在填洼后的DEM中，每個(gè)柵格單元都有一個(gè)可以定義的水流方向值，其確定方法有單流向和多流向等。本文采用單流向D8算法，其基本假設(shè)是，每個(gè)單元格水流方向只能流向8個(gè)相鄰的單元格，水流沿最陡坡度的方向流動(dòng)。通過計(jì)算中心單元格與周圍8個(gè)單元格的坡度，即可確定中心單元格的水流方向。

（3） 匯流累積分析。從每個(gè)柵格單元出發(fā)依次掃描流向矩陣，沿水流方向追蹤到DEM邊界，當(dāng)整個(gè)水流方向矩陣掃描完畢，可以得到流域匯流能力的柵格分布圖。匯流柵格上每個(gè)單元的值代表上游匯流區(qū)內(nèi)流入該單元的上游柵格單元格的總數(shù)，值較大者為河谷，值等于零則是流域的分水嶺。

（4） 河網(wǎng)提取。設(shè)定最小支流上游集水區(qū)的面積閾值，以上游集水區(qū)面積大于閾值面積的網(wǎng)格點(diǎn)為該支流的起始點(diǎn)，流域內(nèi)集水面積超過該閾值的網(wǎng)格點(diǎn)為水道，提取匯流累積柵格上所有大于或等于最小集水面積閾值的柵格，形成河網(wǎng)柵格數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為河網(wǎng)矢量圖。

（5） 流域邊界生成。流域（集水區(qū)域）是流經(jīng)其中的水流從一個(gè)公共的出水口排出，形成一個(gè)集中排水區(qū)域。首先確定該集水區(qū)域的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，搜取該出水點(diǎn)上游所有流過該出水點(diǎn)的柵格，直到所有的柵格單元都確定了位置，即得到流域的邊界或分水嶺的位置。當(dāng)流域自然邊界（分水嶺）與流域治理邊界沖突時(shí)，優(yōu)先選擇流域治理邊界為流域邊界。

（6） 小流域歸并。小流域面積原則上控制在3～50 km2。對(duì)于面積小于閾值的小流域，將其歸并到臨近的小流域中。利用高分遙感影像細(xì)分河網(wǎng)水系是進(jìn)行微小流域合并的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用高分辨率遙感解譯與人機(jī)交互修整方法，提高DEM自動(dòng)提取河網(wǎng)的準(zhǔn)確度，生成高精度的小流域劃分單元數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié) 果

十堰市屬于漢江流域一級(jí)片區(qū)，主要分為漢江丹庫以上片區(qū)和漢江中游片區(qū)2個(gè)二級(jí)片區(qū)。在二級(jí)流域單元基礎(chǔ)上，結(jié)合自然地理、地形地貌等因素，將全市劃分為9個(gè)三級(jí)流域片區(qū)與23個(gè)四級(jí)流域片區(qū)（圖2）。

在三級(jí)、四級(jí)流域片區(qū)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌上下游、左右岸、干支流流域關(guān)系，綜合大型水利工程、鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政邊界等因素，依次提取了河網(wǎng)（圖3）、小流域（圖4），并結(jié)合高分辨率遙感影像解譯和人機(jī)交互式修整等方法，劃定了1 472條五級(jí)小流域，小流域平均面積在12～18 km2之間（圖5、表1）。

3.2 討 論

（1） 小流域類型特征。

如圖6所示，根據(jù)溝道匯水特征、出水口位置等，庫區(qū)小流域類型主要包括完整型小流域、坡面型小流域和區(qū)間型小流域。其中，完整型小流域具有明顯的主溝道，分水嶺完全閉合，有且僅有一個(gè)出水口；坡面型小流域呈現(xiàn)多條短溝道并排的羽毛狀微流域，無明顯的主溝道和分水嶺；區(qū)間型小流域的主溝道只有一個(gè)出水口和一個(gè)入水口的區(qū)間河段，分水嶺不閉合［8］。受區(qū)域地形地貌的控制，庫區(qū)小流域以完整型小流域和坡面型小流域?yàn)橹鳌?/p>

（2） 河網(wǎng)提取優(yōu)化。

由于丹江口庫區(qū)坡耕地較多、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目人為擾動(dòng)較大等因素，DEM自動(dòng)提取河網(wǎng)成果和實(shí)際情況出現(xiàn)了一定的偏差。如圖7所示，將DEM自動(dòng)提取結(jié)果和人機(jī)交互修整結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，人機(jī)交互修整方法能夠提高河網(wǎng)提取準(zhǔn)確度，其主要原因在于：① 河道整治、渠道修建和道路交通等涉河生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)對(duì)河道形態(tài)產(chǎn)生了較大的影響；② 由于DEM比例尺限制，難以完整描述自然條件下河道局部彎曲等情況，造成彎曲河道曲率較實(shí)際偏小。

4 結(jié) 論

（1） 從湖北省流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃觀點(diǎn)出發(fā)，選擇湖北省丹江口庫區(qū)（十堰市）為研究區(qū)，提出了一種基于流域治理單元的重要生態(tài)功能區(qū)小流域劃分方法，為全國加快推進(jìn)小流域劃定工作提供了案例經(jīng)驗(yàn)。從劃分方法上看，本文提出的小流域劃分方法，繼承了流域綜合治理和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃成果，確保了小流域單元?jiǎng)澐殖晒挥诟骷?jí)流域片區(qū)內(nèi)，避免了小流域單元跨過安全底線邊界，達(dá)到了小流域單元與國土空間管控的銜接。從應(yīng)用成效上看，小流域劃分成果補(bǔ)充完善了全省水安全管控底圖，通過《規(guī)劃綱要》落地實(shí)施，保證小流域劃分成果在水利、自然資源、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等部門實(shí)際應(yīng)用，形成了多部門水土流失防治“合力”、推動(dòng)了小流域綜合治理提質(zhì)增效，實(shí)現(xiàn)了水土保持與社會(huì)治理的協(xié)調(diào)。

（2） 基于十堰市流域綜合治理規(guī)劃確定的9個(gè)三級(jí)流域片區(qū)與23個(gè)四級(jí)流域片區(qū)，利用數(shù)字高程模型（DEM）、高分辨率遙感影像等數(shù)據(jù)，采用河網(wǎng)自動(dòng)提取和人機(jī)交互修整等方法，確定了1 472個(gè)五級(jí)小流域單元，初步實(shí)現(xiàn)了小流域單元與流域治理單元的銜接。

（3） 本研究劃定的五級(jí)小流域單元面積大多在15～18 km2，距離小流域定義的50 km2門檻有一定差距，存在著過于細(xì)碎的傾向，需要開展小流域單元的歸并整合。此外，要進(jìn)一步分析小流域劃分成果的適用范圍和應(yīng)用潛力，以達(dá)到水利部門劃定的小流域治理單元能在國土資源、生態(tài)環(huán)保、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等部門推廣使用的目標(biāo)，真正形成水土保持各部門齊抓共管的“合力”。

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（編輯：黃文晉）

Sub-watershed division in Danjiangkou Reservoir of Hubei Province oriented to watershed governance unit

LI Zhe1，2，WU Yibang1，2，KAN Hongtao3，XIANG Daxiang1，2，LI Jingwei1，2，CUI Changlu1，2

（1.Department of Spatial Information Application，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Wuhan Smart Watershed Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China； 3.Construction & Management Bureau of North Hubei Water Transfer Project，Wuhan 430060，China）

Abstract：

The division of small watershed units in the Danjiangkou Reservoir Area is fundamental work for ensuring water quality safety and building water ecological civilization in the reservoir area.We selected the Danjiangkou Reservoir Area （Shiyan City） in Hubei Province as the research area and used high-precision DEM，high-resolution remote sensing images，and other data sources.According to the 9 third-level watershed areas and 23 fourth-level watershed areas in Hubei Province watershed comprehensive governance and coordinated development planning outline，1 472 fifth-level sub-watershed units were delineated，forming an important ecological function area small watershed division method for watershed comprehensive governance units by using methods such as automatic river network extraction and human-machine interaction adjustment.The results can provide a decision-making basis for the prevention and control of soil erosion in the Danjiangkou Reservoir of Hubei Province，the evaluation of the effectiveness of small watershed management，and the formation of a joint effort among various departments for soil erosion prevention and control.

Key words：

watershed governance planning； sub-watershed unit division； digital elevation model； Danjiangkou Reservoir Area