辽宁省小型河流空间分布及属性信息研究

2015-01-16董婷婷辽宁省水利水电科学研究院辽宁沈阳110003

水利规划与设计 2015年3期

董婷婷（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003）

辽宁省小型河流空间分布及属性信息研究

董婷婷
（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003）

河湖是地球表面水循环、碳循环、营养物循环和泥沙循环的载体，也是哺育人类历史文明的伟大摇篮，在区域生态安全、经济社会可持续发展、文化传承等方面具有重要意义。本文选取辽宁省内10～50km2河流作为研究对象，充分利用1∶5万DEM、水系轴线、遥感影像等资料，采取计算机自动提取与人工目视判读相结合的方法，实现了10～50km2河流提取，并获取了河流属性信息。与现存资料进行对比分析，本文提取的结果与实际情况较为一致，为我省典型河湖健康调查评价提供了数据保障。

河流；信息；提取；研究

河湖是地球表面水循环、碳循环、营养物循环和泥沙循环的载体，也是哺育人类历史文明的伟大摇篮，在区域生态安全、经济社会可持续发展、文化传承等方面具有重要意义。在大规模经济开发和全球气候变化双重因素的交织作用下，河湖生态健康问题十分突出，不同程度地出现了水质污染、形态结构破坏、水文条件恶化、生境退化、生物多样性受损以及重要或敏感水生生物消亡等问题。因此，开展河湖健康评估工作，具有十分重要的战略意义。

辽宁省水系发达，河流众多。第一次水利普查成果显示，全省流域面积50km2以上河流共有845条，河流总长度28459km。长期以来，受自然环境和人类活动的双重影响，我省河流健康问题逐渐显现，主要表现为:河道来水量减少、淤积持续增加、水面不断萎缩、行洪能力下降、严重的甚至出现了中小河流消失的现象；河流污染问题突出，城乡居民饮水安全受到威胁；河流所处流域生态环境恶化，植被破坏严重、水土流失加剧、旱涝灾害频发。针对辽宁省河流特点，辽宁省省政府于2013年10月31号听取了全省水利工作专题汇报后，指示“水利厅要搞一个调查研究，建国以来有多少河流消失了，消失的原因是什么，采取什么措施能恢复多少河流”。对此，辽宁省水利厅决定对全省10km2以上典型河流开展河湖生态健康状况调查评价课题，其中10～50km2河流提取是其子题之一。

我省已于第一次全国水利普查期间完成了50km2及以上河流的普查工作，本次河流提取工作在其成果之上展开，充分利用1∶5万DEM、水系轴线、遥感影像等资料，采取计算机自动提取与人工目视判读相结合的方法，开展10～50km2河流提取工作。

1 研究区概况

辽宁省位于祖国东北地区南部，地理坐标介于东经118°50′～125°47′，北纬38°43′～43°26′之间。全省水系发达，河流众多。共有三大流域七大水系。三大流域分别为辽河流域、黑龙江流域和海河流域。七大水系分别为辽河流域的辽河水系、辽东湾西部沿渤海诸河水系、辽东湾东部沿渤海诸河水系、辽东沿黄海诸河水系和鸭绿江水系，黑龙江流域的松花江水系，海河流域的滦河及冀东沿海诸河水系。全省流域面积50km2以上的河流有845条。其中，山地河流787条，平原水网河流57条，混合河流1条。山地及混合河流按流域面积划分为三类，分别是大型河流、中型河流和小型河流。其中，大型河流（流域面积5000km2以上）有16条，分别是辽河、老哈河、东辽河、清河、柳河、绕阳河、浑河、太子河、大凌河、小凌河、大洋河、鸭绿江、浑江、爱河、辉发河和青龙河；中型河流（流域面积为1000km2～5000km2）有32条；小型河流（流域面积为50km2～1000km2）有740条。在第一次全国水利普查期间，我省已经完成了50km2以上河流的普查工作，掌握了河流的数量、分布及相关属性信息。此次河流提取工作主要针对10～50km2河流展开。

2 研究内容

河流指陆地表面宣泄水流的通道，是溪、川、江、河等的总称。此次10～50km2河流提取主要考虑在天然和人工控制条件下常年（经常发生）自然的汇流（排水）功能，并有集水区域的河流。不管河流是否常年有水（如北方地区），不管河流的集水区域边界能否清晰准确划定（如平原水网区），也不管河流是天然河道还是人工整治河道。

本研究的主要内容包括两部分，一是提取河流的空间分布信息，二是填补河流的属性信息。其中河流的空间分布信息是指10～50km2河流分布图，河流的属性信息主要包括:河流名称、流域面积、长度、级别、岸别、上级河流、河源地址、河口地址、流经、平均比降、河源点高程、河口点高程和河流类型13个字段。

3 研究方法

根据研究内容和我省河流特点，制定了技术路线。对于山地及混合河流采用计算机自动提取方法，对于平原水网河流采用人工目视判读方法，最后，将两者提取的结果进行汇总得到全省10～50km2河流，进而利用计算机编程自动获取河流属性信息。

3.1 数据源

本次河流提取所用到的数据源主要有以下几种:

（1）1∶5万DEM:主要用于山地及混合河流提取，河源点高程和河口点高程信息获取等；

（2）0.5m分辨率的高清影像和水系轴线:主要用于平原水网河流提取；

（3）50km2以上河流信息，主要用于获取级别、岸别、上级河流等信息；

（4）50km2河流流域界限分布图，主要用于判定山地及混合河流和平原水网河流的分布范围；

（5）灌区分布图，主要用于辅助提取平原水网河流；

（6）省、市、县、乡和村5级行政区划图，主要用于获取河源地址、河口地址、流经等信息；

3.2 山地及混合河流提取方法

山地河流指流域内地形起伏大、流域边界能清晰界定的河流。混合河流指流域内部分区域流域边界能清晰界定、部分区域流域边界无法清晰界定的河流。山地及混合河流提取在50km2以上山地及混合河流所在流域范围内展开，采用坡面径流模拟法，在无洼地的DEM上利用最大坡降方法获取每个栅格单元的流向，按照水流由高向低流动的自然规律，计算每个栅格在水流方向上的汇流累积量，通过设定集水面积阈值提取河网信息，进而对10～50km2的山地及混合河流进行筛选。

山地及混合河流的提取利用Arcgis软件提供的Hydro1ogy模块来实现，主要的操作步骤有:无洼地填充、水流流向确定、汇流累积量计算、河网提取和10～50km2山地及混合河流筛选。（1）无洼地填充:在DEM制作过程中，不可避免会产生一些错误的洼地和尖峰，对于洼地点只有水流流入没有流出，对于尖峰点只有水流流出没有流入，这些错误点会影响水文特征提取。因此，本文首先利用fi11功能对1∶5万DEM数据进行无洼地处理。（2）水流流向确定:水流方向决定了河流走向，是提取流域水文特征的关键步骤。本文采用单流向法中的D 8方法，利用最大坡降计算每个栅格单元与其领域内8个栅格的距离权落差，将距离权落差的最大值作为该栅格的流向，此步骤利用f1owdirection功能对无洼地填充的结果进行流向计算。（3）汇流累积量计算:汇流累积量表征了河流的汇集能力，其值越大汇流能力越强，成为河流的可能性越大，是提取河网信息的重要因素。汇流累积量是在水流方向的基础上实现的，假定每个栅格单元携带一个单位的水量，遵循自然水流由上游到下游流动，由支流到干流汇集的规律，根据水流方向数据计算每个栅格单元在流向上的水量累计值，即汇流累积量。本文利用f1owaccumu1ation功能对河流流向结果进行汇流累积量计算。（4）河网提取:当汇流累积量达到一定阈值时，就会产生地表水流，区域内所有满足条件的水流所形成的河流网络就是河网。河网的提取以汇流累积量结果为基础，以集水区域面积大小作为判断阈值，凡是汇流累积量大于阈值的栅格均被定义为河网内的单元，这些单元彼此连接就形成了河网。本研究集水面积阈值设定为0.2km2，利用 mapa1gebra功能提取河网信息。（5）10～50km2山地及混合河流筛选:流域面积大小是判断河流类型的关键因素。本研究利用watershed功能，根据水流方向信息，将从同一出水口流水的所有栅格单元划分为同一子流域，通过对流域面积进行筛选，提取出10～50km2山地及混合河流。

3.3 平原水网河流提取方法

平原水网河流指流域内地形起伏小、流域边界无法清晰界定的河流。平原水网河流的提取在50km2以上平原水网河流所在流域范围内展开，利用0.5m分辨率的高清影像和水系轴线作为主要数据源，采用目视解译的方法进行人工判定。

平原水网河流的提取利用arcgis软件实现，主要的操作步骤有:（1）加载数据源:数据源是进行平原水网河流提取的主要信息来源，这里利用的信息主要有0.5m分辨率的高清影像、水系轴线、灌区分布图、50km2河流流域界限分布图等。其中，50km2河流流域界限分布图主要用于界定平原河网的分布范围；0.5m分辨率的高清影像、水系轴线和灌区分布图主要用于判断河流。（2）矢量化:矢量化是获取平原水网河流的重要环节。这里首先判断平原水网河流，对于已经确定的平原水网河流，利用E di t o r工具矢量化河流，并进行保存。（3）10～50km2平原水网河流筛选:在分水线能清晰准确划分的较大区域边界内，根据重要性选定常年自然汇流的骨干河流，再由骨干河流逐级向周边延伸选定河流，直至河流所在区域范围的面积小于10km2；但该区域边界内的河流总数不得超过区域边界总面积与10km2的比值，并适当考虑区域内河流分布的均匀性。工作中发现不少河流、渠系长度很短，这里针对我省河流特点将平原水网的长度标准界定为不低于6km。

3.4 河流属性信息获取

河流的属性信息完善了河流内容，便于日后系统地对河流进行管理。这里采用计算机自动编程的方法获取河流的属性信息。（1）流域面积:对于山地及混合河流利用watershed提取的流域分布图，自动求算河流对应的流域面积。（2）长度:利用arcgis中的ca1cu1ategeometry功能自动计算河流长度。（3）级别:利用50km2和10～50km2河流的提取结果，根据河流编码，自动提取河流级别。（4）岸别:利用50km2和10～50km2河流的提取结果，计算每条河流与其上级河流的夹角，根据角度大小进而左右岸判断；（5）上级河流:利用50km2和10～50km2河流的提取结果，根据河流编码，自动提取上级河流。（6）河源地址和河口地址:利用河流提取结果和行政界分布图，自动获取。（7）流经:利用河流提取结果和行政界分布图，自动提取流经。（8）平均比降:根据河源点、河口点高程和河流长度，自动计算平均比降。（9）河源点高程和河口点高程:利用河流提取结果和DEM数据，自动获取。（10）河流类型:利用利用河流提取结果和流域界限分布图，自动获取河流类型。