基于DEM的丹江口水源区治理区小流域划分研究

郭文慧 ，于 泳 ，李 璐 ，杨 伟 ，袁修猛

(1.湖北省水利水电科学研究院 湖北省水土保持工程技术研究中心，湖北 武汉 430070；2.湖北省水利厅，湖北 武汉 430070)

随着计算机技术和地理信息系统的发展，数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)中蕴涵着大量的地形、地貌信息，可以有效地反映区域的基本地形空间分布规律与地貌特征，通过分析提取河网、流域界线甚至提取流域内的地形属性都是切实可行的。随着数字水文的兴起和分布式水文模型研究的发展，利用DEM获取水系和子流域特征，进而进行水文模拟的方法越来越广泛地为水文学者所采用。

本研究以1∶5万DEM数字高程模型为基础，在ArcMap软件的水文模块(Hydrology)环境下，探索了流域水系自动提取及流域划分的方法，并依据《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)的相关要求对子流域进行了人工修正、归并，最后完成了符合规范要求的适宜面积的小流域划分。

1 研究区概况

以湖北省境内国家水土保持重点治理区划中的丹江口水源区治理区(以下简称“治理区”)为研究对象，包括十堰市的张湾区、茅箭区、郧西县、郧县、丹江口市、竹山县、竹溪县、房县共8个县(市、区)。治理区位于秦岭东西向构造体系的南部边缘，地形的主要特点是高差大、坡度陡、切割深，总的地势是西北高、东南低、北陡南缓，汉江沿线地貌峡谷和盆地相间。在我国气候区划上位于南北气候过渡地带的秦巴山区，北亚热带季风气候，多年平均气温为15.9 ℃，年均降水量约900 mm，年均水面蒸发量860 mm左右。土壤以山地黄棕壤和黄褐土为主，山地棕壤土次之，并有紫色土发育。

丹江口水库是我国水资源调整的重大工程——南水北调中线工程水源地，1973年建成，设计蓄水位157 m，水库面积745 km2，库容174.5亿m3(其中汉江库区占53.9%、丹江库区占46.1%)，汉江、丹江回水长度分别为174和83 km。南水北调中线工程实施后，丹江口大坝加高至176.6 m，设计蓄水位170 m，总库容290.5亿m3，水库面积1 050 km2，回水长度汉江194 km、丹江93 km。汉江库区的主要入库支流有金钱河、将军河、天河、曲远河、堵河、神定河、泗河、芝河、浪河等,丹江库区的主要入库支流有丹江、淇河、老灌河等。

研究区DEM情况见图1。

图1 研究区DEM情况

2 数据来源

(1)DEM数据。研究区1∶5万DEM数据(栅格大小为25 m×25 m，见图1)，投影坐标系为WGS84坐标系，UTM投影，6度分带的49号带。

(2)水系数据。 研究区5 km以上的河流水系图。

(3)其他数据。研究区1∶5万各县级行政区划矢量数据。

3 研究方法

由DEM提取流域的数字特征，包括DEM预处理、流向分析、 汇流累积分析及河网提取、流域边界生成等过程。

(1)DEM预处理。从 DEM中自动提取流域的前提是DEM中不能存在洼地和尖峰，否则在计算水流方向时会出现逆流的现象，给水流线和流域界线的确定带来困难，为此首先要将所有地形改造成由斜坡构成[1]。

(2)流向分析。在填洼后的DEM中，每个栅格单元都有一个可以定义的水流方向值。水流方向的确定有单流向法和多流向法两种。单流向法包括D8算法、Rh08算法、Lea算法和D∞算法等，多流向法则包括MFD算法、DAEMOM算法和Ding算法等[2]。本研究采用目前较常用的D8算法,该算法是假定每个单元格的水流方向可能流向8个相邻的单元格，水流沿最陡坡度的方向流动，计算出中心单元格与周围8个单元格的坡度即可确定中心单元格的水流方向[3]。

(3)汇流累积分析。从每个栅格单元出发依次扫描流向矩阵，沿水流方向追踪到DEM边界，当整个水流方向矩阵扫描完毕，就可以得到流域汇流能力的栅格分布图，汇流栅格上每个单元的值代表上游汇流区内流入该单元的上游栅格单元格的总数，值较大者可视为河谷，值等于零则是较高的地方，可能为流域的分水岭。根据汇流累积栅格分布图可以方便地提取流域的各种特征参数[4]。

(4)河网提取。首先设定最小支流上游集水区的面积阈值，以上游集水区面积大于阈值面积的网格点作为该支流的起始点，流域内集水面积超过该阈值的网格点定义为水道[5]。将汇流累积栅格上所有大于或等于最小集水面积阈值的栅格提取出来，即得到了栅格河网，然后将其转化为矢量河网。

(5)流域边界生成。流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其他物质从一个公共的出水口排出，从而形成一个集中的排水区域。集水流域的生成需要先确定该集水区域的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水点的栅格，直到所有的该集水区的栅格都确定了位置，也就是搜索到流域的边界或分水岭的位置。

(6)小流域归并。本研究以《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)为依据进行小流域归并工作。小流域面积原则上控制在30～50 km2，特殊情况不宜小于3 km2或大于100 km2。

4 流域特征提取

4.1 无洼地DEM的生成

4.1.1 洼深计算

首先借助Hydrology工具集中的Flow Direction工具获取水流方向数据。ArcGIS中的水流方向是利用D8算法，即最大距离权落差(最大坡降法)来确定的。

运用Sink工具计算获得洼地区域，并用Watershed工具生成洼地的贡献区域，分别用Zonal Statistic和Zonal Fill工具计算得到洼地所形成的贡献区域最低高程和洼地出水口高程。洼地深度即为出水口高程与贡献区域最低高程之差。通过计算，研究区DEM最大洼地深度为88 m。

4.1.2 填洼阈值确定

分别将30、50、70、90 m作为填充深度值，在Hydrology工具中集中利用Fill工具将其处理，并对填洼后的DEM进行汇流累积分析。对比分析汇流累积图水系特征信息与已配准的河流水系图，确定最佳填洼阈值。

比较发现，30 m填洼结果坡面洼地有所减少，50 m填洼结果较为理想，70 m填洼结果与50 m填洼结果基本相同，90 m填洼结果所生成的汇流累积图中的水系特征与河流矢量图差异较大。为避免过度填洼，选择50 m为填洼阈值。

4.2 河网的自动提取

为使获取的河网更加准确，即水系的分级和水系的长度更加符合实际，在阈值设定时进行了一系列试验，分别选取5 km2(8 000个栅格)、10 km2(16 000个栅格)、20 km2(32 000个栅格)作为最小汇流面积阈值，河网提取结果依次见图2、3、4。

将不同阈值条件下的河网提取结果及所提取河网与水系图比较发现：5 km2汇流面积条件下提取的河网偏密，且河流长度与实际水系一致或稍短；10 km2汇流面积条件下提取的河网稍密，且河流长度较实际水系稍短；20 km2汇流面积下提取的河网稀疏，且河流长度较实际水系短。

图2 5 km2汇流面积的河网提取结果

图3 10 km2汇流面积的河网提取结果

图4 20 km2汇流面积的河网提取结果

4.3 流域边界生成

对比分析表明，不同阈值条件下所生成的小流域数量与河道数一致，且一一对应。经统计，最小汇流阈值为5 km2时生成子流域2 923个，最大子流域面积为63.83 km2，50 km2以上子流域9个；最小汇流阈值为10 km2时生成子流域1 261个，最大子流域面积为131.04 km2，50 km2以上子流域49个；最小汇流阈值为20 km2时生成子流域615个，最大子流域面积为194.86 km2，50 km2以上子流域161个。

5 小流域边界处理与划分结果

5.1 子流域边界处理与归并

5.1.1 子流域边界整合

根据《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)中的相关规定：小流域面积原则上控制在30～50 km2，特殊情况下不宜小于3 km2或大于100 km2。为提高数据处理效率并保证小流域边界的准确性，本研究选择子流域面积不大于50 km2，且子流域数量相对较少的划分结果用于小流域的编码及命名。为此，选择最小汇流阈值为10 km2时所提取生成的子流域边界数据，对于大于50 km2的子流域，用最小汇流阈值为5 km2的提取结果进行数据替换，并将小于0.1 km2的子流域与周边子流域自动合并，最终得到替换合并更新后的数据(子流域1 742个，大于50 km2的子流域2个)用于小流域的修正、分割及归并。

5.1.2 子流域边界修正

由于基于DEM的河网提取是采用最大坡降的方法，因此在平地区域(例如谷底等)水流方向是随机的，就很容易生成平行状的河流等错误形状，出现大量复杂镶嵌的流域格局(如图5)， 此时需要利用Editor工具栏进行手工编辑修正。

图5 复杂镶嵌的流域边界示例

5.1.3 子流域边界分割

首先在属性表中添加“亚单元标识码”，选出跨县的小流域，赋值为1，其他未跨县小流域赋值为0；然后用湖北省分县行政边界矢量数据对跨县子流域进行分割。

5.1.4 子流域边界归并

依照《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)中的原则对子流域边界进行归并，受小流域面积的限制，归并具有一定的主观性。现将这次归并研究过程中所遇到的特殊问题处理如下：

(1)被县界分割形成面积较小的子流域。对此类子流域研究其与周边子流域的关系，符合归并原则的与周边子流域归并得到面积适合的小流域；对不符合归并原则，且面积小于3 km2的子流域，为方便流域管理，考虑与周边小流域合并；面积大于3 km2的子流域可单独作为小流域。

(2)丹江口水库及周边区域。丹江口水库周边区域及库底地形复杂，基于DEM自动提取的子流域边界也较为复杂，较多子流域边界跨越水库水面，与对岸一起形成区间型小流域，不利于小流域的管理。基于此，考虑将170 m淹没线以内区域(包括丹江口水库水面及库周170 m淹没线以内区域)划分为丹江口水库型流域，将周边的子流域边界依据水系汇流关系及行政边界进行归并。

(3)盲区。在省界边缘，会出现少数面积较小的流入其他省份的水系，他们与本省内周边相邻子流域的汇流关系较远。这部分子流域多小于5 km2，分析认为造成这种结果一般有两种原因：①实际地形地貌复杂；②省级边界与DEM影像之间在地理位置上存在误差。由于提取出来的水系与湖北省河流分布图一致性较好，因此可排除第二种原因。考虑到便于流域管理，依据周边水系的汇流关系进行归并，形成类似于坡面小流域的类型(如图6)。

图6 特殊情况示例

5.2 小流域划分结果

本研究在丹江口水源区治理区约2.30万km2的区域内，提取小流域624个(丹江口水库型流域除外，该流域面积为389.04 km2)，最小的小流域面积为3.41 km2，最大的小流域面积为59.42 km2。其中：<30 km2的小流域有122个，面积约为0.25万km2，占该区总面积的10.87%；30～50 km2的小流域有455个，面积约为1.80万km2，占该区总面积的78.26%；≥50 km2的小流域有47个，面积约为0.25万km2，占该区总面积的10.87%。研究区小流域划分结果见图7。

图7 研究区小流域划分结果

6 结论与讨论

利用1∶5万比例尺DEM数据提取的河网与实际河网的比较结果一致性较好；在提取水系图时，由于水系为连续的汇流最低点相连接而形成的线状图，因此水系只能反映河流的走向，而不能反映河流的宽度。自动提取的子流域的边界与分水岭基本吻合，流域特征明显，但由于河底或库底地形的复杂性，出现了大量复杂镶嵌的流域格局，存在较多子流域需要人工修正，而人工修正又存在主观性。

小流域是水土流失治理工作的基本单元。本研究对典型区域的小流域划分技术进行了研究，为湖北省开展类似区域小流域划分工作提供了方法。

[参考文献]

[1] 陈加兵，励惠国，郑达贤，等．基于DEM的福建省小流域划分研究[J]．地球信息科学，2007，9(2):74-77.

[2] GONG J Y，XIE J B.Extraction of drainage networks from large terrain datasets using high through put computing[J]. Comp-uters & Geosciences，2009，35:337-346.

[3] 曹玲玲，张秋文．基于SRTM的数字河网提取及其应用[J]．人民长江，2007，38(8):150-152.

[4] 王俊啓．基于1∶1万地形图的数字流域划分研究——以浙江省安吉县为例[D].杭州：浙江大学，2013：1-55.

[5] 秦福来，王晓燕，王丽华，等．基于DEM的流域特征提取及应用[J].河北师范大学学报(自然科学版)，2006,30(1):109-112.