湖库型饮用水源地流域特征提取

周 伶，林孝松，刘书军，蒋天明

（重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

湖库型饮用水源地流域特征提取

周 伶，林孝松，刘书军，蒋天明

（重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

以重庆市梁平县沙坝水库饮用水源为研究对象，利用ArcGIS水文分析模块，对水源地流域的河网进行提取和子流域划分。结果表明:选用集水面积阈值为3 000时提取的河网与实际水系分布最相近，在此基础上共划分得到13个子流域。通过对13个子流域土地利用情况的分析，发现人类活动影响主要集中在水库周边的1～5号子流域，尤其是1号子流域受人类影响最严重，需要采取相应措施对其进行治理。湖库型饮用水源地流域特征提取结果为流域分级管理和治理提供便利，为饮用水源地流域环境保护提供基础。

饮用水源地;湖库;流域特征;沙坝水库;水文分析

饮水安全事关国计民生，造成我国饮用水源地环境不安全的主要原因在于区域污染控制不力、保护区内污染源未得到有效控制、农业面源潜在威胁、缺乏保护区划分和环境监管能力比较薄弱等［1］。饮用水源地主要包括河流、湖泊、水库和地下水等［2］，其中湖泊水库在城市饮用水源地中占较大的比重。重庆市特殊的地形地貌使得湖库型饮用水源地在城市饮用水供水方面有着重要的地位，其中主城80个城市饮用水源地中有27个为湖库型，远郊区县64个中有31个为湖库型，湖库型占总数的比例高达40.28%。由于湖库型城市饮用水源地特殊的水力特点，加之工业化与城市化的发展以及人类物质生活水平的提高［3］，使湖库型饮用水源地安全成为社会关注的问题。随着点源污染的逐步有效控制，非点源污染成为影响湖库型饮用水安全的关键［4-6］。由于非点源污染来源广、污染物复杂多变等原因［7］，可根据流域特点对水源地进行保护区划分，并对划分结果实行分级管理［8］，制定相应措施保护湖库型水源地安全。笔者运用ArcGIS水文分析模块基于数字高程模型（DEM）［9］对重庆市梁平县沙坝水库流域进行河网提取和子流域划分，研究结果可为该水库水源地安全保护提供决策依据。

1 研究方法

ArcGIS水文分析模块是根据地表起伏特征进行一系列分析应用的功能模块［10］，它以DEM作为基础输入数据，可提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络以及对流域进行划分等。通过对这些基本水文因子提取和水文分析，可以在DEM表面之上再现水流的流动过程，最终完成流域特征提取过程［11］。研究步骤主要为:无洼地DEM生成、水流方向计算、流域累积量计算、河网提取和子流域划分等。

1.1 无洼地DEM生成

由于洼地区域的存在，使进行水流方向计算时，往往得到不合理的水流方向数据，从而不能生成合理的数字河网，因此要事先进行洼地填充。采用的方法主要为洼地填平处理［12］，其主要过程是通过DEM栅格数据确定洼地区域和洼地深度，然后根据洼地深度设定填充阈值进行洼地填平。

1.2 水流方向计算

水流方向是指水流离开每一个栅格格网时的指向，流向判定主要建立在3×3 DEM栅格格网基础上，通过单流向法进行计算。单流向法假定一个格网中的水流只从一个方向流出格网，然后根据格网高程判断水流方向。在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格进行从右逆时针旋转的栅格编码，确定水流往8个方向的流动来确定水流方向，即D8算法（图1）。D8算法［13］通过计算中心格网与各相邻格网间的距离权落差;然后取距离权落差最大的格网为中心格网的流出格网，该方向即为中心格网的流向［10］;最后通过各栅格单元的水流方向，确定流域水流方向矩阵。其中距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离。

图1 D 8算法水流方向计算Fig.1 The direction of flow calculation in D 8 algorithm

1.3 汇流累积量计算

汇流累积量计算主要基于水流方向矩阵数据计算［11］，它是提取河网的前提和基础。流域内一个栅格的汇流量反映了其汇聚水流能力的强弱程度。因此，一个栅格的汇流累积量越大，其汇流能力也就越强，该栅格所代表的地形特征就有可能是河谷;反之，汇流累积量为0的地方则可能代表流域的分水岭。通过水流方向矩阵，计算出每一个栅格单元的上游给水区范围，并将其标注为该栅格的汇流特征值［14］。水流累积矩阵的每一个单元格的值就代表着注入该单元格的所有栅格单元的数目，其值越高，注入水流越多。

1.4 河网提取

利用水流累积矩阵可提取河流栅格网络。河流栅格的汇流累积量是表示水流经该栅格的大小，那么当栅格中有水按照自然规律流入流出到相邻栅格，随着这个水的流动栅格就随之形成水流。在ArcGIS中，河网的提取首先要对集水面积阈值进行设定，这对整个河网提取有很重要的作用，阈值的大小直接影响河网提取的结果。集水面积阈值是设定形成河道水系所需的最小汇水面积［15］，形成的结果是大于所设定阈值的栅格单元称为河道网络节点。因此设定该值时应结合研究区和研究内容来判断设定阈值大小是否适宜。

1.5 子流域划分

子流域划分主要通过流域节点分析进行，流域节点是通过水流方向和河流网络分析而来。所以当集水面积阈值设定越小时河网越密，划分得到的子流域也就越多。

2 实例分析

2.1 研究区域与原始数据

沙坝水库位于重庆市梁平县梁山镇鲤鱼村，海拔460 m，过去此地是一个坝宽沙多的地方，因此取名“沙坝”。沙坝水库背靠高梁山，闸门朝向北面，于1957年动工修建，1958年建成。经过几十年的维修，现在沙坝水库坝高27 m，水深23.9 m，最大水库容量502万m3，现在蓄水354万m3，为梁平县城两个重要的饮用水源地之一，该水库流域面积共9.5 km2。

实例分析的原始数据为2006年版的万分之一比例尺地形图4幅，2009年高分辨率遥感影像数据和该水库流域内社会经济调查数据。在分析中采用的栅格数据为ArcGIS软件的ESRIGRID格式，栅格尺寸大小为10 m×10 m，研究区共得到138 240个栅格网格。

2.2 数据处理

2.2.1 数据格式转换与图形分层

使用的空间原始数据为梁平县4幅CAD图。在ArcGIS中，加载4幅CAD图，用export input工具转存为shp格式。再将4幅图拼接为1副完整的图。根据研究需要，对不同要素的图层进行提取，提取结果为土地利用、等高线、交通、水系、建筑物和管道6个图层。

2.2.2 等高线提取与DEM创建

生成DEM栅格数据前需要先对等高线进行高程赋值。利用mapgis高程自动赋值工具可方便、快捷的完成高程赋值步骤。CAD图中等高线存在被不同地图要素遮盖的情况，提取出来的等高线所呈现的形态是不连续的。直接赋值容易出现同一等高线不同高程值的错误，并且工作量也较为繁琐，所以赋高程值之前先对等高线进行处理使其连续或闭合。依据自然规律，提取出沙坝水库流域范围，在ArcGIS中，用clip工具把流域范围内的等高线提取出来，然后转换成10 m地表分辨率DEM栅格数据（图2）。

图2 沙坝水库流域DEMFig.2 Shaba Reservoir basin DEM review

2.2.3 DEM填洼、流向、流域累积量计算

运用Hydrology中 Fill Sinks工具进行填洼处理。填洼后的DEM先后用Hydrology中Flow Direction和Flow Accumulation生成水流方向（图3）和水流累积量数据。

图3 沙坝水库流域水流方向分布Fig.3 The flow distribution of the Shaba Reservoir basin

2.3 河网提取和子流域划分

2.3.1 河网提取

用Map Algebra中Single Output Map Algebra工具进行河网提取。提取中集水面积阈值的选定直接反映河网的复杂程度。随着集水面积阈值的变化，生成的河网密度及流域级数、各级河流的长度都发生了较大的变化。选用集水面积阈值为1 500，2 000和3 000分别进行水系的自动提取，对比结果并结合实际情况，发现当选取集水面积阈值为3 000时，提取的河网结果更接近实际水系的分布情况，如图4。

图4 不同集水面积阈值生成的河网Fig.4 River network obtained from different drainage area threshold numbers

2.3.2 子流域划分

在河网提取结果基础上，先利用Stream Link工具计算出流域节点，然后运用Watershed功能来划分子流域，其间集水面积阈值均选取3 000作为参数设置值，最终将沙坝水库流域划分为13个子流域（图5）。

图5 沙坝水库子流域划分结果Fig.5 The division of sub-watershed Shaba Reservoir

将划分得到的13个子流域及相关数据与研究区高分辨率遥感影像图进行配准，通过遥感影像监督分类和目视解译校核，得到研究区包括水田、旱地、经济林、有林地和交通建筑等在内的5种土地利用类型分布，各类型占总面积的比例结果如表1。

表1 流域土地利用比例Table 1 The proportion of land use in the basin

从图5可看出，沙坝水库污染直接影响区域为1，2，3，4，5号子流域。实际勘测资料和遥感卫星影像图资料显示，水库周围土地利用类型主要以旱地为主，沿水系分布的土地利用类型以水田为主。结合表1分析可得，按人类活动造成污染影响的土地利用类型，即表中水田，旱地，经济林和交通建筑，所占个子流域的比重来对沙坝水库各子流域污染影响程度从高到低进行排序为:1→3→2→6→4→5→7→8→9→12→10→11。污染影响程度高的地区都分布在水库周围。子流域1，3，2污染发生区域占各流域的比例分别为 84.76%，64.95%，45.27% 是整个流域污染影响程度最大的地区。其中1号子流域水田和经济林所占的比重分别为20.21%，84.76%，造成沙坝水库安全隐患最大。根据各子流域对沙坝水库造成影响程度，需要采取相应措施进行治理。

3 结论

1）基于DEM数据，利用ArcGIS水文分析模块可对河网水系及子流域划分等流域特征进行提取。

2）以重庆市梁平县城饮用水源地沙坝水库为例，在高程数据处理及DEM创建基础上，通过对该流域的DEM进行填洼、计算水流方向和汇流累积量，最终进行流域河网提取和子流域划分，研究发现:当集水面积阈值为3 000时，提取的河网与实际情况最接近，由此划分得到13个子流域。

3）利用高分辨率遥感数据获取研究区土地利用分布情况，发现13个子流域中，人类活动对饮用水源地影响较大的主要是1～5号子流域，尤其是1号子流域对水源地环境影响最大，需要对其采取相应措施进行治理。

（References）:

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Acquisition of Basin Characteristics of Drinking Water Sources in Lake Reservoirs

ZHOU Ling，LIN Xiao-song，LIU Shu-jun，JIANG Tian-ming
（School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Taking Shaba Reservoir of Liangping in Chongqing as research object and use the ArcGIS hydrologic analysis model，the sub-watershed after the procedure is divided and the data of the river network basin are collected and analyzed.The analysis results indicate that when the drainage area threshold amounts to 3000，the extracting river net is most close to the actual distribution of water system.On the basis of this relationship，13 sub-basins are divided.Moreover，according to analysis on conditions of land use，it is suggested that No.1 ～5 sub-watersheds around the reservoir are disturbed by human’s activities，especially No.1 sub-watershed，which needs countermeasures to recover.The characteristics derived from the extraction of the lake type water source provide convenience for the management of watershed grading and recovering，and provide a basis for environment protection of the drinking water source watershed at the same time.

drinking water sources;lake reservoirs;watershed characteristics;Shaba Reservoir;hydrologic analysis

P208

A

1674-0696（2011）06-1404-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.34

2011-06-03;

2011-07-29

重庆市教委科技项目（KJ100406）;重庆交通大学研究生创新基金［2010（上）15号］

周 伶（1986-），女，云南曲靖人，硕士研究生，主要从事资源环境与地理信息系统方面的研究。E-mail:124683635@qq.com。