全国河流的密度统计方法

2015-12-17曹卫斌叶朋赵慧

水利水电工程设计 2015年2期

曹卫斌叶朋赵慧

全国河流的密度统计方法

曹卫斌叶朋赵慧

河流水系是重要的基础地理要素之一，也是一个基本的水文参数，是描述一个地区地理地貌和水文特征时不可或缺的条件之一，而河流密度是流域结构特征的一个重要指标。探讨适合的方法，统计分析全国范围内的河流密度是本次研究的目标，通过分析比较，综合“在地形图上进行量测和分析获取河流密度”和“GIS空间分析获取河流密度”2种方法在全国范围内分区域进行河流密度的统计、分析，最后得出结论。

河流密度统计方法应用

河流水系是重要的基础地理要素之一，也是一个基本的水文参数，是描述一个地区地理地貌和水文特征时不可或缺的条件之一，而河流密度是流域结构特征的一个重要指标。对流域整体规划、水资源优化配置、水利水电开发利用以及防洪抗旱、航运、养殖、灌溉和旅游等都具有十分重要的意义。

早在1894年，人们就试图确定一个指标来表示河流密度，当时Penk提出用丰流长度（l）与汇入主流的支流数目（n）之比来表征河流密度（D）；其后，Feldner提出用流域面积与河流的数目之比表示河流密度；1953年Chebotafev认为：流域河流密度可用平均河长（l）和平均相邻面积（a）之比表示。若面积为A的流域有n条河流或河段，总长度为L，则l=L/n，a=A／n，那么河流密度方程可表示为：D=L/A=nl/na=l/a；这一定义目前被普遍接受，即河流密度为单位面积内河流的总长度。

一般来说，主要有2种方法获取河流密度：（1）通过对流域进行野外实地测量获取河流密度；（2）通过在地形图上进行量测和分析获取河流密度。本次研究采用了第2种方法结合GIS空间分析进行河流密度的分析，即利用国家基础地理信息中水系、行政区划要素进行以省级、县级行政区划为单元的河流密度统计、分析。

1 技术指标

1.1 数据源

国家基础地理信息：河系要素、行政区划要素。河系要素用于河流长度统计及扣除水域面积提取；行政区划要素用于计算单位面积基础数据提取。

其中，河流总长度统计包括的水系要素有：常年单、双线河流；时令单、双线河流；单、双线运河；地下河、渠；消失河；干河床；输水隧道；渠道等。区域内水域面积包括水库、湖泊、基塘等。

1.2 比例尺及投影系统

数据源为经纬度坐标，为合理计算，将数据源投影到平面直角坐标系统、比例尺为1∶100万的数据，投影系统为亚尔勃斯等积圆锥投影。

1.3 计算公式

河流密度（D）＝河流、渠道总长度（L）÷单位面积（A）

其中：单位面积（A）＝行政区面积－行政区内水域面积。

河流密度分级为10级，见表1。

表1 河流密度分级

2 主要工作方法

本研究是利用基础地理信息，通过量测、空间叠加、统计分析等手段获取河流密度信息。

2.1 研究目标分析

基于国家基础地理信息，分别以省级、县级行政区划和水资源分区为单元的河流密度信息获取的方法，并通过该方法的实践应用获取全国河流密度分布信息。

2.2 基础资料分析

明确研究目标后，首先对收集到的国家基础地理信息数据进行分析。主要采用数据格式为空间地理数据库（Geodatabase）格式*.mdb的水系（hydnt）、行政区划（bount）两类基础地理要素。其中水系、行政区两类空间地理数据库包含的内容分别为：

水系：常年单、双线河流；时令单、双线河流；单、双线运河；地下河、渠；消失河；干河床；输水隧道；渠道；常年湖泊、时令湖泊；依比例尺水库；海岸线、基塘等点、线、面要素及相关的属性信息。

行政区划：省级、县级行政区划的界线、标注等点、线、面要素及相关的属性信息。

2.3 技术方案制定

根据项目目标和所收集的数据等资料，制定适当的全国河流密度统计分析技术方案，以指导项目科学、有序地实施。

2.4 数据投影转换

数据源为地理坐标系，为了更合理地统计河流的长度、水域面积、行政区划的面积，需要将数据统一投影到同一平面直角坐标系。投影系统为亚尔勃斯等积圆锥投影，数据比例尺为1∶100万。

2.5 基础数据整理

基础数据整理主要分为行政区划要素、水域面要素、河流要素三类要素的整理。

2.5.1 行政区划

主要根据最新的分省行政区划图对有变化的省级、县级行政区划进行省级、县级行政区划界的更新；利用《中华人民共和国行政区划简册》检查县级行政区划信息，并针对变化部分收集相应的资料进行更新。

2.5.2 水域面要素

水域面要素主要为水库、湖泊、基塘等面状的水系要素。提取这些水域面要素，在河流密度计算中进行区域面积扣除。

2.5.3 河流要素

（1）河流编码检查、修改。

（2）河流要素提取。根据水系要素代码提取以下要素。常年单、双线河流；时令单、双线河流；单、双线运河；地下河、渠；消失河；干河床；输水隧道；渠道。

（3）检查。

2.6 基础地理数据空间分析、整理

（1）将河流要素、水域面要素分别与行政区划要素进行空间分析，使得河流要素、水域面要素按照省级、县级行政区划分类，并赋上相应的行政区划国标代码和名称，填写对应的属性字段值，省级代码（prov_code1）、省级名称（prov1）、县级代码（cnty_code1）、县级名称（cnty1）。

（2）增加河流要素的省标识、县标识、双线河流标识等属性字段，对作为行政区划界线的河流进行标识，并在省标识（SB）、县标识（XB），对双线河流在同一行政区划内也需要标识，并在双线河流要素上填写字段值；双线河流的河心洲同样需要做标识，见表2。

表2 河流要素的标识

2.7 空间分析数据成果输出

将空间分析、赋值后的河流数据成果属性信息输出为Microsoft Excel电子数据表格文件，便于利用Excel统计分析功能进行分析。

2.8 空间分析数据成果分析、统计

将输出的电子表格数据按照以省级、县级行政区划为单元的2种统计方式进行数据分析、分类、统计。其中注意的几点如下：

（1）作为行政区划界线的河流需在不同的行政区内进行统计。

（2）进行省一级行政区划统计河流时，须将双线河流标识（SXH）字段值为“n”、“nn”的河流删除，以免重复统计。

（3）进行县一级行政区划统计河流时须将双线河流标识（SXH）字段值为“nn”的河流删除，以免重复统计。

（4）按照省级、县级行政区划为单元统计分析各省、各县的河流密度。河流密度计算公式为：

河流密度（D）＝河流、渠道总长度（L）÷单位面积（A）

其中：单位面积（A）＝行政区面积-行政区内水域面积。

通过采用全国基础地理信息的空间分析、统计计算，可以初步得到全国河流密度分布情况。

3 应用

我国的河流虽多，但在地域上分布很不均匀。通过统计分析，中国的河流密度总的趋势是南方大，北方小；东部、西南部大，西北部小。东部及西南地区河网密集，其密度都在0.5以上，而西部内陆区密度几乎都在0.3以下，并且有大片的无流区（即河流密度0.05以下）。全国沿海一带（除辽宁省外）河流密度较大，其中长江三角洲是中国河流密度最大的地区，河流密度在1.5以上。北方的山地丘陵地区，河流密度一般在0.2～0.5，地势低平的松嫩平原、辽河平原和华北平原，一般都在0.2以下，个别地区出现无流区。

根据用户要求，在统计分析以行政区划为单元的河流密度分布信息后，采用相同的技术方法进行以水资源分区为单元的河流密度统计分析。以下分别为以行政区划、水资源分区为单元的全国河流密度分布成果，见表3、4。