基于人机交互的地形复杂区小流域划分研究——以湖北省为例

韩 培, 王志刚, 高 超, 张平仓, 任洪玉, 董林垚

(1.长江水利委员会 长江科学院 水土保持研究所, 湖北 武汉 430010;2.水利部 山洪地质灾害防治工程技术研究中心, 湖北 武汉 430010; 3.湖北省水土保持监测中心, 湖北 武汉 430071)

小流域是以天然沟壑及其两侧山坡形成的闭合集水区。每个小流域既是一个独立的水土流失单元，又是发展农林牧业的经济单元。根据水利部规定，目前中国水土保持工作中小流域的面积不超过50 km2[1]。在新形势下，中国水土保持工作方向发生了巨大的转变，由传统的水土流失综合治理转向全面推进清洁型小流域建设；同时大力推进水土保持信息化建设，以水土保持信息化推动现代化[2]。小流域划分能为区域的生态清洁小流域建设、规划等提供小流域基础数据支撑，同时，能将城市水土流失[3]状况细化到小流域单元进行数字化管理，建立小流域水土保持基础数据库，满足新时代水土保持信息化、数字化的要求。数字高程模型(digital elevation model， DEM)[4]是小流域划分的基础。DEM包含丰富的地形、地貌和水文信息，能够反映各种分辨率的地形特征。通过DEM可以提取大量的地表形态信息，如水流方向、汇流累积量、河流网络以及流域分割等[5]。目前，利用DEM进行流域分析的工具有很多，如：ArcGIS[6]、Global Mapper[7]、WMS(Watershed Modeling System)[8]和MapGIS[9]等。本文选用ArcGIS的水文分析模块(Hydrology Model[10])作为流域自动划分的工具，因为Hydrology Model是美国环境系统研究所公司(ESRI)专门针对水文分析提出的，可用于地形和河流网络的提取、分析以及地形模型的可视化[11]。陈智虎等[12]基于DEM对典型喀斯特地貌类型区金沙县进行小流域划分；朱秀迪等[13]分析了西南岩溶区小流域的水文特征；朱战强等[14]基于典型小流域探讨了退耕还林对宁南黄土丘陵区景观格局的影响。目前，国内外采用人机交互方式对地形复杂区小流域划分研究很少。湖北省是典型的中国南方地形复杂区，地貌类型涵盖了山地、丘陵和平原，且多河流、湖泊分布。本文首先基于DEM使用ArcGIS自动划分该省小流域，然后在山区采用沟道、遥感影像、居民点资料辅助人工合并和修正；在平原区，由于自动提取的沟道太密集，采用高精度水系替代沟道进行人工修正；并进行适宜集流阈值、小流域面积频率、精度以及河网密度分析，以期对今后类似地复杂地形区的小流域划分研究提供参考价值。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况和研究数据

湖北省位于中国中部偏南、长江中游，地理位置介于29°05′—33°20′N，108°21′—116°07′E之间。长江、汉江横贯其中，平原区水系发达，星罗密布。全省海拔范围是7～3 083 m，其中最高点位于神农架林区。地势大致为东、西、北三面环山，中间低平，略呈向南敞开的不完整盆地。在湖北省国土总面积中，山地占56%，丘陵占24%，平原占20%。山地主要位于恩施州、神农架、十堰、宜昌西部、襄阳西南部、随州北部、荆门北部、孝感北部、黄冈东北部、黄石及咸宁东南部地区；平原主要是江汉平原[15]，包括荆州、潜江、仙桃、天门、武汉、鄂州以及孝感南部地区；其他地区为山区向平原区过渡的丘陵地带。

试验使用的主要基础数据是DEM，辅助资料有高分遥感影像、行政区划、水系及其他数据(表1)。

表1 研究区基础数据

1.2 划分方法

(1) 洼地填充。由于地形洼地的存在，导致连续栅格中依据水流方向矩阵提取的排水网络不连续。因此，在ArcGIS中，用Hydrology—>Fill对DEM进行洼地填充。

(2) 水流方向计算。ArcGIS采用最大坡降法(Deterministic eight-node， D8)[6]原理计算水流方向，基于无洼地DEM，运用Hydrology—>Flow Direction实现。

(3) 汇流累积量计算。汇流累积量指各网格上游集流网格的数量。假定集水区每个网格有1单位水量，按照水流方向流动，流经各网格的汇流累积量都会增加1。在AcrGIS中，基于水流方向，运用Hydrology—>Flow Accumulation实现。

(4) 集流阈值设置。目前，国内河网提取方法主要采用地表径流漫流模型[13]。当汇流累积量达到集流阈值[14]时，会产生地表水流。集流阈值设定是河网提取的关键，也影响小流域自动划分的精细程度。本文采用循环统计分析法确定适宜的集流阈值。选取原则是经自动化划分后，面积大于50 km2的子流域很少，小于10 km2的子流域不至于太多、太碎。目的是为减少后期人工修正工作量。具体分析流程为： ①在初始时刻，设定一个较大集流阈值，进行子流域自动提取； ②统计小于10 km2，10～50 km2，大于50 km2的子流域数量及占比； ③依次减小初始集流阈值，循环进行自动提取与统计； ④遵循选取原则，综合分析得到适宜集流阈值。

(5) 河网提取。设定集流阈值后，用Spatial Analyst —>Raster Calculator自动提取河网；经矢量化、人工修正获取沟道，它是后期进行山区微流域合并与修正的重要辅助数据。

(6) 河网分级。河网分级是对线性河流用数字标识方式划分等级，运用Hydrology—>Stream Order实现。

(7) 子流域自动提取。子流域自动提取流程为： ①用Hydrology—>Stream Link提取出水点； ②结合水流方向，用Hydrology—>Watershed计算栅格集水单元； ③经矢量化获得小流域自动划分的结果。

(8) 微流域人工合并。依据小流域划分规范[1]要求，小流域面积宜控制在10～50 km2之间。小流域自动划分的结果中存在大量面积小于10 km2的微流域，需进行人工合并。

(9) 人机交互修正。对面积小于0.1 km2的微流域，为减少人工合并工作量，用Generalization—>Eliminate自动合并。对面积大于0.1km2的微流域，在保证地形地貌完整的前提下，辅助沟道、遥感影像、居民点数据，进行人工手动修正(包括合并、分割和修正边界等)。修正工作遵循原则为： ①保证地表上下游汇流关系和拓扑关系正确性。 ②合并后，小流域面积尽量控制在50 km2以内。 ③对较大或重要的河流、湖泊以及水库，在划分中，可将其单独作为1个流域。 ④当流域边界跨过村庄，要保证村庄的完整性，需结合遥感影像、居民点和地形，适当调整小流域边界。 ⑤为方便行政管理，跨县界小流域，用县界进行分割[1]。

依据自然地表汇流关系与地形特征，进行人机交互修正后，形成不同形态类型(包括完整型、区间型、坡面型及狭长型等[1])的小流域。

1.3 结果验证

验证人机交互方式划分的小流域成果是否符合要求。将小流域边界与地形图进行叠加，核查小流域边界是否与等高线垂直，小流域的分水线必须经过山顶点以及鞍部；将小流域与水系进行叠加，核查地表汇水关系及拓扑关系是否正确。部分不确定的地区还需要进行野外调查验证。

2 结果与分析

2.1 适宜集流阈值的选取

按照前面循环统计分析法原理，将集流阈值依次设定为3 000，2 000，1 500，1 000，800，500和300，然后运用ArcGIS软件分别自动提取子流域，分别统计小于10 km2，10～50 km2，大于50 km2的子流域数目及比例，统计结果详见表2。

表2 不同集流阈值条件下子流域统计

如图1—2可知： (1) 集流阈值越大，自动划分的小流域总数量越少，且面积大于50 km2的子流域占比率较大，因此，集流阈值设置不宜过大；(2) 随着集流阈值的减小，自动划分的小流域越精细，表现为面积小于50 km2的子流域数量不断增加，面积大于50 km2的数量不断减少；(3) 随着集流阈值减小至800时，面积在10～50 km2的子流域占比率呈下降趋势，但数量仍在增加；(4) 当集流阈值低于500时，随着集流阈值的减小，10～50 km2的子流域的数量显著减少，说明原先在10～50 km2的小流域被细化；(5) 要保证面积大于50 km2的子流域较少，且自动提取的子流域不太破碎，综合分析后，集流阈值选取为500较合适。

图1 子流域数量统计

图2 子流域数量比例统计

2.2 平原区小流域修正

在设置合适的集流阈值后，计算机自动提取的小流域如图3所示。在平原区小流域自动划分中，出现很多密集直线错误(如图3中方框)。

经分析可知： ①密集直线错误大多出现在平原区，这是因为计算机自动化划分的小流域是基于邻近栅格的高程差来确定水流方向，平原湖库区地势变化小，水流方向不确定，因此，自动提取的沟道太密集、小流域密集； ②平原区小流域修正或合并时，不再采用自动提取的沟道作为流向参考，而采用1∶1万平原区水系替代沟道，辅以遥感影像、居民点数据，按照1.2中方法进行人工合并或修正； ③对大型或重要的平原区河流、湖泊和水库，参考北京市小流域划分成果[1]，将其单独作为1个小流域。

图3 计算机自动提取的小流域

在人机交互修正完成后，经验证和处理获得最终的小流域划分结果(图4)，湖北省划分小流域共5 806条。

图4 湖北省小流域划分结果

2.3 面积频率、精度分析

对湖北省5 806条小流域，按照面积<10 km2，10～20 km2，20～30 km2，30～40 km2，40～50 km2，>50 km2进行统计(表3)。由表3可知， ①面积小于10 km2的有215条，占总数量的3.7%；面积在10～20 km2的有761条，占总数量的13.12%；面积在20～30 km2的有1 313条，占总数量的22.61%；面积在30～40的有2 041条，占总数量的35.15%；面积在40～50 km2的有1 392条，占总数量的23.97%；面积大于50 km2的有84条，占总数量的1.45%，主要是大型江河、湖泊和水库区； ②总体上，面积分布在30～50 km2区间的较多，将近60%； ③面积在30～50 km2区间的提取精度较高，达到96%，主要分布在山区； ④面积小于20 km2提取精度较低，约93%，分布在平原区较密集； ⑤总体上，山区小流域提取的精度高于平原区，整体精度达到95%。

表3 湖北省小流域面积统计

2.4 河流密度分析

按照《小流域划分及编码规范(SL653-2013)》对小流域的河网密度进行计算，并按面积<10 km2，10～20 km2，20～30 km2，30～40 km2，40～50 km2，>50 km2进行平均河网密度统计(表4)： ①小流域面积小于10 km2的平均河网密度是1.14 km/km2，面积在10～20 km2的平均河网密度是0.44 km/km2，面积在20～30 km2的平均河网密度是0.3 km/km2，面积在30～40 km2的平均河网密度是0.24 km/km2，面积在40～50 km2的平均河网密度是0.19 km/km2，面积在50 km2的平均河网密度是0.16 km/km2； ②总体上，随着小流域面积的增大，平均河网密度呈减小趋势(表4)； ③面积小于20 km2的小流域平均河网密度较大，因其主要集中在平原区，水系较发达； ④面积在30～50 km2的小流域平均河网密度较小，主要分布在山区，山区河流水系较少； ⑤总体上，平原区小流域的平均河网密度大于山区。

表4 小流域平均河网密度统计

3 结 论

(1) 适宜的集流阈值的选取是个反复试验的过程，需经过统计、综合分析来确定。

(2) 计算机自动划分的平原区小流域精度较低，且提取的沟道密集，需用高精度水系替代常规沟道辅助，进行人机交互修正来提高精度。

(3) 平原区小流域划分将是后期我们需进一步研究的问题，后期将综合考虑人工沟渠(非自然沟渠)、城市地下管线等因素，以提高平原区小流域的划分精度。本文首次实现了复杂地形区小流域划分，同时为湖北省生态清洁小流域建设和规划提供了基础数据。