基于ASTER GDEM的流域水文特征分析及水源保护区划分——以哈尔滨市磨盘山水库为例

刘春丽（哈尔滨市水利规划设计研究院，哈尔滨150028）

基于ASTER GDEM的流域水文特征分析及水源保护区划分
——以哈尔滨市磨盘山水库为例

刘春丽
（哈尔滨市水利规划设计研究院，哈尔滨150028）

以磨盘山水库为研究对象，选用ASTER GDEM数据作为基础数据，应用ArcGIS软件水文分析模块（Hydrology），计算获得研究区河网、子流域范围等流域水文特征信息。并在分析基础上，依据国家水源保护区划分方法划分研究区三级保护区。将为哈尔滨市水源区保护工作提供技术支撑。

磨盘山水库；流域；水文特征；水源保护区划分；GIS；ASTER GDEM

20世纪50年代后，美国、英国、德国、法国、日本等国家提出针对国情保护水源地方案，引起国际学术界对水源保护研究重视，把重点转移到水源研究方面。近年来，随着人类活动加剧，水资源短缺、污染状况日趋严重，水资源保护成为热点问题，而水源地保护是重要内容之一。

ASTER GDEM（先进星载热发射和反辐射仪全球数字高程模型）由日本经济产业省（METI）和美国航天局（NASA）根据NASA新一代对地观测卫星Terra详细观测结果联合研制，并免费面向公众推出最新地球电子地形数据。ASTER GDEM数据产品基于“先进星载热发射和反辐射（ASTER传感器：Advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer）”数据计算生成，是目前唯一覆盖全球陆地表面（ASTER测绘数据范围为北纬83°至南纬83°，覆盖陆地表面99%地域；垂直精度达20 m，水平精度达30 m）高分辨率高程影像数据（比DEM数字高程模型数据精度高），可为工程、能源勘探、自然资源保护、环境管理、消防、地质、城市规划及公共工程设计等领域研究人员提供有效地形与高程信息。磨盘山水库位于五常市，是哈尔滨市第二水源地，对哈尔滨市供水、水资源综合开发利用具有重大影响[3]。因此，开展磨盘山水库流域水文特征分析及水源地划分研究具有重要意义。

1 数据源及研究方法

1.1 数据来源

磨盘山水库位于哈尔滨市五常市沙河子镇，东经127°41′20″，北纬44°23′40″，是黑龙江省年径流高值区。本研究区共采用1景Landsat-8 OLI影像和17幅ASTER GDEM V2高分辨率高程数据，均来源于http://www.gscloud.cn/（地理空间数据云）平台。

1.2 研究方法

1.2.1 GIS水文特征分析方法

对于栅格图像每一个格网，水流方向指水流离开格网时指向。流向判断大部分以3×3格网为基础。流向判定法分为单向流法和多向流法，本文选取单流向法中的D8算法：假设单个栅格中水流只能流入与之相邻8个栅格中。用最陡坡度法确定水流方向，即在3×3 DEM栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间距离权落差（即栅格中心点落差除以栅格中心点之间距离），取距离权落差最大栅格为中心栅格流出栅格。

1.2.2 基于GIS技术的水源保护区划分方法

目前，国内水库型饮用水水源保护区划分方法有数值模型法、类比经验法、GIS技术辅助法。

GIS技术辅助法是以保护水体为中心，将分水岭包括所有水、陆域划分为一级保护区，一级保护区以外全流域边界线包括的所有水、陆域划分为二级保护区。为使保护区范围划定遵循自然环境地形特征又有可操作性、必须获取相关数据（社会经济数据、实地调查自然数据）。遥感影像数据能够快速客观地获取需要多种专题信息。

类比经验法以不超过水域范围为条件，取水口半径300～500 m范围内水域为一级保护区。大型水库一级保护区边界外径向距离2 000 m范围划为二级保护区。中小型水库一级保护区界线外范围设定为二级保护区。

本文结合GIS技术和经验法划分磨盘山水库水源保护区。

2 磨盘山水库流域水文特征分析

2.1 数据预处理

2.1.1 Landsat-8 OLI影像数据预处理

按543（红、绿、蓝）波段标准假彩色合成landsat8 OLI影像后对影像进行多光谱与全色波段融合（Image Sharpening）（一景影像，不需镶嵌，没有地面控制点和可利用基准图像未做几何校正），把波段融合标准假彩色合成影像另存成TIFF格式图在ArcMap10.1中新建一个面文件，打开TIFF格式影像图矢量化研究磨盘山水库界线结果见图1。

图1 Landsat-8 OLI影像数据预处理过程Fig.1 OLILandsat-8 image data preprocessing process chart

2.1.2 GDEM数据预处理

流域产生和发展主要影响因素是坡度。在山体跨度不变时坡度与海拔成正比。坡度越小，流域越明显。从地势图中可见地形起伏、流域特征及其分布规律。基于GDEM V2绘制研究区坡度和地势见图2。

图2 坡度图与磨盘山水库地势Fig.2 Slope and topographic map of mopanshan reservoir

流域水文特征分析数据基础是无洼地GDEM数据，数据中存在洼地、小平原等地形导致提取水系通道不连续现象。因此，在水文特征提取过程中必须进行填充，使小平原和洼地成为斜坡延伸部分，保证提取水系连续。把GDEM V216景高分辨率高程影像通过Mosaic to New Raster工具镶嵌后，运用水文分析工具（Hydrology）下Sink命令检验洼地（见图3），随后用Fill命令开始填充（见图4）。

图3 洼地检验Fig.3 Depression test

2.2 流域特征参数提取

2.2.1 流域方向确定及流域累积量提取

地表水流方向是指径流从地势高处流向低处，从流域出口排出流域。目前最普遍流域方向提取方法是“D8”方法。利用“D8”方法提取出每一个栅格单元格内水流流动方向，准确划定流域界线（见图5-A）。（1-东，2-东南，4-南，8-西南。16-西，32-西北，64-北，128-东北）。从图5中可知流域大致自东南向西北方向流动。

流域累积量（汇流累积量）是指上游多少个水流方向最终汇流经过该栅格。流域累积量计算以栅格流域方向提取为基础（见图5-B）。由图5可知，汇流累积量随流域方向变化。利用“D8”方法提取流域方向和汇流累积量计算栅格值变化见图6。

图5 流域积累量变化Fig.5 Variation ofaccumulation of river basin

图6 栅格值变化过程Fig.6 Change ofgrid value

2.2.2 提取河网

2.2.2.1 生成河网及矢量化

如果GDEM中栅格点形成水系，必有上游给水区，因而设定一个最小集水面积阈值（河网提取精度，其默认值是流域累积量最大值1%），栅格特征阈值不小于给定阈值赋为1（认为该栅格在河道上）其余赋0值（当作产流区），把值为1点提取，互相连接即生成流域河网。在得到汇流累积量基础上，利用水文分析模块Map Algebra（地图代数）下Raster Calculator(栅格计算器）条件计算工具（con），依据河网弥度大、连接性好、水系形态自然等条件，阈值定为1 000。随后利用Hydrology工具集下Stream to Feature命令将栅格河网数据转为河网矢量数据。

2.2.2.2 河网节点提取

根据流域方向和河网栅格运用Stream Link工具对河网分段，可获取每个河网弧段始点和终点，获得河网结构信息，也可以获取该流域出水点，作为流域分割基础。

2.2.2.3 河网分级

河网分级（Stream Order）有Strahler（两条支流汇合时级别相同进一级，级别不同时不进级且保留上一级最大级别）和Shreve（支流汇合后上下支流等级相加）两种方法。具体见图7所示。

图7 河网提取过程Fig.7 River network extraction process

2.2.3 流域分割

2.2.3.1 确定流域盆地

分水岭分割形成的汇水区域称为流域盆地。从流域方向数据分析确定同一流域盆地相连接栅格。通过流域盆地分析（Basin）可从大研究区中分割流域分析。

2.2.3.2 提取子流域

以河网提取中生成河网节点作为汇水区出水口所在位置数据，并以流域方向栅格数据作为输入数据，用Hydrology工具集下Watershed工具获取流域分割结果数据。生成集水域（Watershed），确定低级流域出水口是提取子流域前提。叠加提取流域盆地、河网图层便可得到子流域。

通过ArcGIS水文分析模块准确获取磨盘山水库流域界线、流域内每个地区流水方向、流域累积量等参数，并提取流域内河网和子流域（见图8）。

图8 流域分割过程Fig.8 Watershed segmentation process

3 磨盘山水库水源保护区划分

3.1 流域水文特征

磨盘山水库为拉林河干流最上一级水库，是历次拉林河流域规划中推荐的第一期工程。水库总库容3.072亿m3，属于大型水库。坝址位于拉林河干流上游五常市沙河子镇沈家营村上游1.8 km附近，距河口343 km，控制面积为1 151 km2。

拉林河为松花江干流右岸一级支流，发源于长白山张广才岭，流域面积19 200 km2，其中黑龙江省流域面积10 600 km2，占全流域面积55%。拉林河为黑龙江、吉林两省界河，流经尚志、五常、双城、舒兰、榆树、扶余等6个市县，在哈尔滨市区以上150 km处汇入松花江。拉林河干流磨盘山水库以下有三大支流，右岸牤牛河流域面积5 300 km2；左岸溪浪河流域面积3 040 km2、卡岔河流域面积3 085 km2。

流域内地势东南高，向西北逐渐降低，最高为大秃顶子1 668 m，河口高程仅121 m。流域内山区面积占36.4%，森林茂密植被良好；丘陵区占26.4%；平原区占37.2%。

拉林河全长450 km，河道弯曲系数1.95。向阳山以上为山区，谷窄流急，在沈家营处河谷宽仅500 m，河道宽55 m，滩地坡降约1/200。向阳山至牤牛河口段地势渐缓，属丘陵区，河谷宽一般在2 km以上，最宽达5 km。牤牛河口以下为平原区，河谷滩地宽3～15 km，地面比降1/3 000～1/5 000，两岸有高15m台地。

3.2 水源保护区等级与划分方法

水库水源保护区划分基于水库矢量化数据和流域水文特征分析结果。依据国家环境保护总局2007年发布《饮用水水源保护区划分技术规范》，按照不同水质标准、防护要求，饮用水水源保护区划分等级为一级、二级、准保护区（见表1）。

3.3 磨盘山水库水源保护区划分

磨盘山水库面文件矢量化转成线，在研究区内不超过水面范围条件，使用分析工具集下缓冲区、擦除等工具处理，矢量化后磨盘山水库界线线文件结果见图9。

3.3.1 一级保护区

以500 m作为缓冲区半径，经过矢量数据处理调整后，属性表中添加面积字段，运用几何计算器（Calculator Geometry）总面积为29.226 km2。

3.3.2 二级保护区

在不超过水面范围条件下，从一级保护区外半径为2 000 m作为缓冲区半径处理矢量数据，步骤同一级保护区，计算总面积为103.571 km2。

3.3.3 准保护区

在不超过水面范围条件下，二级保护区以外流域面积划定为准保护区。步骤同一级保护区，计算总面积为1 450.446 km2。

表1 水源保护区等级与划分方法Table 1 Methods for grade and partition of water source protection zone

图9 水库水源保护区划分Fig.9 Division of reservoir water protection zone

4 讨论

虽然GDEM精度比DEM数据高，但研究区为人工开挖建造，对基于GDEM提取流域特征参数精度产生影响。基于DEM提取流域特征技术不断完善，对平坦区域处理仍是难点。从2009年6月29日GDEM V1产生至GDEM V2推出，GDEM在DEM研究基础上扩展，但填洼、削峰仍需进行，平坦区域仍需处理。

本文研究区水库界线为手扶跟踪矢量化，水库面积、总库容必受影响。在划分水源保护区时，没有实地勘察，划分结果与现实情况存在一定差异。因本研究缺少水库附近自然或社会经济数据，水库附近居民点、工矿用地等对水源有潜在危害数据，划分保护区后的风险评价有待进一步研究。

本文采用ASTER GDEM数据和Landsat-8 OLI遥感影像数据，通过ArcGIS软件水文分析模块（Hydrology）和目视解译方法，获取磨盘山水库流域水文特征参数；准确计算流向、流水长度、汇流、河网等参数。在此基础上结合水面面积等因素，划分研究内三级保护区。划分结果：磨盘山水库一级水源保护区面积为29.226 km2，占总保护区面积1.82%，在水库库区周围，等同于禁止开发区。二级水源保护区面积为103.571 km2，占6.43%，此范围内开发经商须严格限制，以防水源污染。准保护区面积为1 450.446 km2，占91.75%，位于二级保护区外围至取水水库上游分水岭，属于一般性限制区。

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Analysis of hydrological characteristics of watershed and division of water resources protection zone based on ASTER-GDEM——Case of Harbin Mopanshan reservoir as the research object

/LIU Chunli

(Harbin Water Resources Planning and Design Institute,Harbin 150028,China)

Taking mopanshan reservoir as the research object,ASTER GDEM data was chosen as basic data,using Hydrology analysis module in the software of ArcGIS,river network、range of subwatershed and other watershed hydrological characteristic information of research area were obtained by calculating.Based on analysis,the three-grade protection zones were delineated according to the division method of nationalwater source protection area.The results would provide technicalsupport for water source protection work of Harbin City.

Mopanshan reservoir;GDEM;hydrological analysis;water sources protection area; GIS;ASTER GDEM

S273

A

1005-9369（2015）10-0082-07

时间2015-10-29 13:41:05[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151029.1341.018.html

刘春丽.基于ASTER GDEM流域水文特征分析及水源保护区划分[J].东北农业大学学报,2015,46(10):82-89.

Liu ChunLi.Analysis of hydrologicalcharacteristics of watershed and division of water resources protection zone based on ASTER-GDEM——Case of Harbin Mopanshan reservoir as the research object[J].Journalof NortheastAgriculturalUniversity,2015,46(10):82-89.(in Chinese with English abstract)

2015-05-11

国家科技支撑计划项目（2012BAD08B05）

刘春丽（1977-），女，高级工程师，硕士，研究方向为水文水资源。E-mail∶navyl1976@163.com