河南省内四大流域边界提取与水系分析

徐海军，魏义长*，许澍，LEGHARI Shah Jahan，王同朝

（1.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，郑州450046；2.中国农业大学土地科学与技术学院，北京100193；3.河南农业大学农学院，郑州450046）

0 引言

【研究意义】河南省分属长江、黄河、淮河和海河四大流域[1]，是中国涉及大江、大河最多的省份之一。为适应河南省境内流域生态环境保护和高质量发展的需求[2-3]，需要摸清河南省境内的流域边界和水系特征，而对流域及河流特征进行准确定性、定量分析的前提是要明确流域的边界。

【研究进展】流域边界的提取主要有2 种方法：①从等高线地形图上手工绘制获取[4]；②基于DEM由GIS 软件自动生成[5]。在等高线地形图上确定流域边界是从流域出口点（入海口、水库坝址等），再从流域出口点沿与等高线垂直的山脊线方向划线，所形成的封闭线即为流域边界，所包围的区域即为流域的汇水区域，这种方法多属于手工方式，是早期方法。随着GIS 技术以及数字水文学的发展，流域地形、分水线、河网、子流域的表达及集水面积的计算完全可用数字化技术实现[6]，主要是利用数字高程模型（DEM）计算得到D8 流向文件（单流向法），然后根据流向分析得到流域的河网、边界以及子流域的划分情况。基于DEM 数据进行流域水系分析的软件有许多，典型的商用软件有美国ESRI（Environmental Systems Research Institute）公司的ArcGIS 和相应的水文Hydrology 扩展模块[7-8]；由RSI（Research Systems Inc.）公司开发的River Tools，Garbrecht 和Martz 开发的TO-PAZ 工具[9]，以及美国Brigham Young 大学提供的WMS （Watershed Modeling System）[10]，使用最为广泛的是ArcGIS 的ArcHydro扩展工具[11]。国内已有学者利用ArcGIS 的Hydrology内置模块和ArcHydro 工具进行了省域内流域水系分布[12-15]，等等。

【切入点】然而，针对河南省境内流域边界和水系的提取方面，研究较少。【拟解决的关键问题】因此，本研究基于DEM 数据，利用ArcGIS 的ArcHydro扩展工具对河南省境内的流域边界和水系进行提取，分析河南省境内县区和水系在四大流域中的分布情况以及河流长度、河网密度特征参数，从而为河南省流域生态环境保护规划和高质量发展研究提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究选用分辨率为90 m 的SRTM DEM 数据[16]，根据SRTM 的分幅原则[5]，srtm_59_05、srtm_59_06、srtm_60_05、srtm_60_06 这4 幅DEM 数据覆盖整个河南省行政区域，此SRTM DEM 数据从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）[17]下载。

河南省区县行政区、河流矢量等数据来自北京数字空间科技有限公司的地理国情监测云平台—GIM-Cloud （ Geographical Information Monitoring Cloud Platform）（http://www.dsac.cn）[18]。河南省区县行政区地图用于统计流域所涉及的区县数量，河流矢量数据用于河流命名以及校正DEM 提取水系[7,11]，以保证平原区提取的水系能够沿主河道汇集，避免所提取的水系错乱。

1.2 数据处理与分析方法

1）河南省DEM 的制作（合并和切割）方法

在 Global Mapper 15[19]中依次添加数据srtm_59_05、srtm_59_06、srtm_60_05、srtm_60_06以及河南省边界矢量数据（hn_boundary.shp）到Global Mapper 中，选定“河南省边界（hn_boundary.shp）”作为输出区域，选择“输出成DEM”（export to DEM），即可得到如图1所示的河南省整幅DEM 数据（Hn_DEM.dem），用于河南省境内流域和水系的提取和分析。

图1 河南省DEMFig.1 The DEM map for Henan Province

2）流域、水系提取及数据统计分析方法

地图处理用ArcGIS 10.2.2 软件，流域、水系提取运用ArcHydro Tools[7]。ArcHydro Tools 是由美国得克萨斯大学的水资源研究中心（Center for Research Water Resources，CRWR）联合ESRI 开发的水文分析扩展模块，是基于ArcGIS 开发的一套用于支持地表水资源应用研究的工具集[11]，是对ArcHydro 数据模型的扩展。ArcHydro Tools 的最新版本可以在ESRI公司网站（http://www.esri.com）[7]上免费下载，其主要功能包括对输入的栅格型DEM 进行预处理、划分子流域、定义河网结构、确定流域边界、显示流域特征及计算流域特征参数。其中，水系提取是基于汇流累积矩阵[20]，首先，利用最大坡度法计算每一个栅格的水流方向；然后，依据自然水流由高处往低处的自然规律，计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量；当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，由这些水流路径构成的网络，就是河网水系。

数据统计分析运用Excel 2013。

3）河流长度、河网密度计算方法[21]

河流是汇集径流的天然水道，河流各横断面最低点的连线叫溪钱，从河口沿溪线至河源的距离叫河流长度。河网密度（D）等于河流干支流总长度（L）除以流域面积（A），即表示单位流域面积内河流长度。计算式为：

式中：D为河网密度（km/km2）；L为干支流总长度（km）；A为流域面积（km2）。河网密度（D）的数值大，说明径流汇集较快，水资源丰富，河网密度（D）的数值小，则在一定程度上反映径流汇集较慢，水资源较不丰富。

4）河流等级划分依据与方法

河流的分级常见有2 种分类方法[22]：第1 种是从河流水系的研究分析方便考虑，把最靠近河源的细沟作为一级河流，最接近河口的干流作为最高级别的河流，常见的主要是Horton-Strahler、Shreve-Smart 和Tokunaga 3 种分级法。第2 种是把靠近流域出口（入海口等）的干流作为一级河流，汇入干流的大支流作为二级河流，汇入大支流的小支流作为三级河流，如此依次类推，主要是Gravelius 分级法。我国水利部在Gravelius 分级法的基础上依据河道的自然规模（一般是指流域面积）及其对社会、经济发展影响的重要程度，颁布了《河道等级划分方法》（内部试行）（水管〔1994〕106 号）将我国的河道划分为5 个等级，即一级河道、二级河道、三级河道、四级河道、五级河道，首批认定了长江、黄河、淮河、海河、珠江、松花江、辽河、太湖、东南沿海流域的18 条全国的一级河道[23]。

本文以水利部《河道等级划分方法》为分级原则，按照表1 河流分级指标及划分原则对河南省境内四大流域河流进行等级划分，并借鉴《黄河志》[24]、《淮河志》[25]、《长江志》[26]和《海河志》[27]中对四大流域水系的分析结果，最终确定河南省境内四大流域的5 个河流等级。

表1 河流等级指标及划分原则Table 1 River classification indexes and principles

2 结果与分析

2.1 河南省境内的四大流域及水系分布

河南省境内四大流域及水系的提取结果见图2，河南省南北纵跨530 km，东西横越580 km，处于北纬31°23′—36°22′和东经110°21′—116°39′，全省总面积约为163 583.60 km2，约占全国的1.73%。河南省境内的大部分河流发源于西部的伏牛山脉、西北部的太行山脉和东南部的桐柏大别山脉[28]。河南省的西北大半部和东南部的基本地貌格局为山地丘陵，豫东、豫北大半部为广阔的平原，豫西南为大型盆地。伏牛山和桐柏大别山构成黄河、淮河与长江水系的分水岭。黄河以北的东南部地区属于黄河流域，而黄河以北的西北部地区属于海河流域。

图2 河南省境内四大流域及水系分布Fig.2 The distribution of four basins and their river system in Henan Province

根据表1 的河流等级指标及划分原则得到河南省境内河流等级及河网密度计算结果列于表2，从表2 可知，河南省境内一级河流仅有黄河和淮河两干流，二级河流为位于黄河流域的洛河和沁河，位于淮河流域的洪汝河、颍河、涡河，位于海河流域的卫河，三级到五级河流的具体情况在后面单个流域分析中阐述。河南省境内一级河流总长度约为1 460.12 km，二级河流总长度约为2 553.73 km，三级河流总长度约为4 178.30 km，四级河流总长度约为3 657.87 km，五级河流总长度约为33 403.05 km，五级河流以上河流的总长度约为45 253.07 km。因此，河南省境内河网密度约为0.28 km/km2。

表2 河南省境内河网密度Table 2 The river network density in Henan Province

2.2 河南省境内淮河流域边界、水系和县区分布

河南省境内淮河流域水系分布见图3，从图3 可看出，河南省是淮河的主要发源地，淮河流域约占河南省土地面积的52.70%，属于河南省内第一大占有面积的流域。发源地位于河南省的桐柏山北麓、伏牛山东麓、大别山北麓和邙山南麓。淮河干流南北二岸支流呈不对称型分布；淮河南岸支流浉河、竹竿河、潢河、白露河、史灌河均发源于大别山北麓；北岸支流沙颍河、洪汝河、涡惠河、包浍河、沱河、新蔡河和黄河故道等，洪汝河、沙颍河发源于伏牛山、外方山东麓；惠济河发源于黄河南岸的邙山南麓，其余均属平原河道以及黄河故道。

图3 河南省境内淮河流域水系分布Fig.3 The distribution of the river systems of in Huaihe River basin in Henan province

河南省境内淮河流域内县区分布见图4，从图4可以看出，淮河流域涉及河南省11 个地市（洛阳、南阳、平顶山、郑州、开封、许昌、漯河、商丘、驻马店、周口、信阳）的77 个县区（图4），覆盖开封市、商丘市、周口市、漯河市、许昌市、平顶山市、信阳市的所有县区、郑州市各县区（除了巩义市）、驻马店市各县区（除了泌阳西部），再加上南阳市方城县的东北部和桐柏县的东部、洛阳市汝阳市的绝大部分和嵩县东南部小部分区域。

图4 河南省境内淮河流域县区分布Fig.4 The counties in Huaihe River basin in Henan province

表3 河南省境内淮河流域河网密度Table 3 The river network density of Huai River Basin in Henan Province

2.3 河南省境内黄河流域边界、水系和县区分布

河南省境内黄河流域边界与水系分布见图5，从图5 可知，黄河流域属于河南省境内第二大占有面积的流域，占有河南省土地面积约为21.62%。虽然黄河在河南省为过境河流，但黄河南岸的涧河、伊河和洛河等支流则是发源于河南省境内的伏牛山脉，呈西南-东北走向，汇入伊洛河支流，最终在巩义市北汇入黄河；在黄河北岸的支流有蟒河、沁河、丹河、金堤河和天然文岩渠，其中沁河、丹河支流大部分在山西境内发源，在河南省为入境河流；金堤河和天然文岩渠属于平原河道，主要是接纳黄灌区的退水，最后汇入黄河主道内。黄河流域在河南省内以桃花峪为界，桃花峪以西为黄河的中游区域[1]，桃花峪以东、以北为黄河的下游区域，即在河南省境内黄河流域分为两个不同的区域，桃花峪以西的黄河流域为黄河流域（豫西），桃花峪以东、黄河河道以北的黄河流域为黄河流域（豫北）。

图5 河南省境内黄河流域水系分布Fig.5 The distribution of the river systems in the Yellow River basin in Henan province

河南省境内黄河流域（豫西）河网密度见表4，从表4 可知，黄河流域（豫西）内一级河流（黄河）长度约为452.83 km，二级河流（洛河、沁河）长度约为526.74 km，三级河流（伊河）长度约为298.14 km，四级河流（永昌河等）长度约为397.66 km，五级河流（小河流）长度约为6 160.04 km，因此，五级以上河流总长度约为7 835.41 km，流域面积为26 382.41 km2，河网密度为0.30 km/km2，大于河南省境内淮河流域河网密度（0.27 km/km2）。

表4 河南省境内黄河流域（豫西）河网密度Table 4 The river network density of Yellow River Basin in west of Henan Province

河南省境内黄河流域（豫北）河网密度见表5，从表5 可知，黄河流域（豫北）内一级河流（黄河）的长度为496.14 km，二级河流无，三级河流（金堤河）的长度为203.61 km，四级河流（柳青河）的长度为71.17 km，五级河流（五星沟等小河流）为570.86 km，因此，五级以上河流总长度为1 341.77 km，流域面积为8 981.13 km2，河网密度为0.15 km/km2，远小于河南省境内淮河流域河网密度（0.27 km/km2），说明河南境内的2 块黄河流域的河网密度是截然不同的。因黄河流域（豫西）多属于山区，具有发达的支流，河网密度高，而黄河流域（豫北）为平原区，基本没有支流汇入，河网密度低。

表5 河南省境内黄河流域（豫北）河网密度Table 5 The river network density of Yellow River Basin in north of Henan Province

把河南省境内豫西和豫北2 块黄河流域统一起来计算河网密度，五级以上河流总长度是9 177.17 km，河南境内黄河流域的总面积是35 363.53 km2，那么河南境内黄河流域河网密度平均为0.26 km/km2，与河南省境内淮河流域的河网密度（0.27 km/km2）接近。

河南省境内黄河流域与沿黄县区分布如图6所示，从图6 可以看到，黄河干流在灵宝市进入河南省境内，流经三门峡、洛阳、济源、郑州、焦作、新乡、开封、濮阳8 个地市的48 个区县。然而，在黄河流域管理中，尽管郑州市（荥阳市、惠济区和金水区）和开封市（龙亭区、祥符区和兰考县）是属于淮河流域，不属于黄河流域范围，但因为位于黄河的岸边，且这些区县的生活、生产用水主要来源黄河水，所以与黄河流域内的县区一起统称为沿黄县区，其生产生活的排水及雨水排泄均汇入淮河主河道。因此，其所在区域虽归属于淮河流域，但受黄河影响和影响黄河均较大。另外，在豫北海河流域内沿共产主义渠有多个灌区的用水也是来自于引黄灌溉渠，受益于黄河。

图6 河南省境内黄河流域与沿黄县区Fig.6 The counties in Yellow River basin and along Yellow River

2.4 河南省境内长江流域、水系和县区分布

河南省境内长江流域水系分布见图7，从图7 可以看出，长江流域面积占河南省土地面积的16.50%，属于第三大面积，长江流域在河南省内的水系属于汉水（汉江）水系，主要支流为白河和丹江，其中，白河发源于伏牛山南麓，呈扇形分布，自北向南经南阳盆地汇入汉江；丹江属于入境河南省的河流，发源于秦岭南麓的二龙山，位于陕西省商洛地区境内；丹江上游的淇河发源于河南省卢氏县的花园寺西，丹江上游的老鹳河发源于栾川县的南泥湖。

图7 河南省境内长江流域水系Fig.7 The distribution of the river systems in Yangtze River basin in Henan province

河南省境内长江流域河网密度见表6，从表6 可知，河南省境内长江流域面积26 994.65 km2，一级河流（长江干流）和二级河流（汉江）在河南省境内没有，三级河流为丹江和白河，在河南省境内的长度为495.66 km，四级河流为淇河、老灌河、唐河、刁河、泌阳河，长度为999.07 km，五级河流为赵河、毗河、三夹河、刁河等小河流的长度为8 280.99 km，河南省境内的长江流域河网密度为0.36 km/km2，是河南省境内河网密度最大的流域。

表6 河南省境内长江流域河网密度Table 6 The river network density of Yangtze River basin in Henan Province

河南省境内长江流域县区分布见图8，从图8 可看出，河南省内长江流域涉及4 个地市（南阳市、三门峡市、洛阳市、驻马店市）的17 个区县，分别为南阳市的所有县（淅川县、西峡县、内乡县、邓州市、镇平县、新野县、社旗县、方城县、南召县、桐柏县，但方城县的东北部、桐柏县的东部除外），三门峡市卢氏县的南部，洛阳市的栾川县西南部和嵩县的南部，驻马店市的泌阳县西南部。

图8 河南省境内长江流域县区分布Fig.8 The distribution of the counties in Yangtze River basin in Henan province

2.5 河南省境内海河流域边界、水系和县区分布

河南省境内海河流域水系分布见图9，从图9 可以看出，海河流域在河南省境内的主要支流是卫河、马颊河，其流域面积占河南省总面积的9.18%，属于在河南省占有面积最小的流域。卫河是豫北地区最大的一条河流，其支流淇河发源于山西，其他支流都主要发源于太行山脉东麓的河南省境内。马颊河是豫北东部平原季节性河流，地表径流非常贫乏。

图9 河南省境内海河流域水系分布Fig.9 The distribution of the river systems in Haihe basin in Henan provinces

河南省境内海河流域的河网密度见表7，从表7可知，河南省境内海河流域没有一级河流，二级河流为卫河，长度为372.48 km，三级河流为马颊河，在河南省境内仅为82.65 km，四级河流为淇河、汤河和安阳河，总长度为577.17 km，五级河流长度为2 002.89 km，流域面积为15 022.08 km2，河网密度为0.20 km/km2，比黄河流域（豫北）的河网密度（0.15 km/km2）大，但比整个黄河流域的河网密度（0.26 km/km2）小。

表7 河南省境内海河流域河网密度Table 7 The river network density of Haihe basin in Henan Province

河南省境内海河流域内县区分布见图10，从图10可看出，海河流域涉及河南省5个地市（新乡、鹤壁、濮阳、安阳、焦作）的33个区县，分别为焦作市解放区、中站区、马村区、山阳区、博爱县、修武县和武陟县，新乡市的红旗区、卫滨区、凤泉区、牧野区、获嘉县、辉县市、卫辉市、新乡县和延津县，鹤壁市的鹤山区、山城区、淇滨区、淇县和浚县（其中，浚县东部有很少的区域属于黄河流域），安阳市的文峰区、北关区、殷都区、龙安区、安阳县、汤阴县、内黄县、林州市和滑县，濮阳市的华龙区、南乐县、清丰县和濮阳县。但是，海河流域涉及新乡市的延津县、安阳市的滑县和濮阳市的濮阳县面积较少，可以忽略不计。

图10 河南省境内海河流域县区分布Fig.10 The distribution of the counties in Haihe River basin in Henan province

3 讨论

河南省四大流域水系河网密度差异与山区面积、纬度相关，山区面积大的流域较山区面积小（平原区）的流域河网密度大，纬度低的流域较纬度高的流域河网密度大。本文计算得出的豫西南长江流域河网密度最大，豫东北黄河流域河网密度最小，豫西黄河流域较豫东淮河流域河网密度大，这和流域水系分布特征[22]完全吻合，说明本研究运用5 个等级河流进行统计还是比较合理的。存在问题是：等级低（如五级）的河流，在干旱季节可能干枯，对流域水资源的贡献小。因此，如何准确地统计出流域内全部河流是关键。所以，下一步作者会加大力度再深入研究，寻找更科学的方法划定河流等级和计算河网密度。

对省级行政区内流域水系分析比单独对一个闭合流域分析难度更大、更复杂，因为行政区的边界一般是以河道的边界为主，常是以地形的山谷为分界线，而流域的边界正好相反，是以地形的山脊为分界限。本研究中出现省级边界与提取的四大流域边界存在多处不吻合现象，特别是省级边界处是属于不同流域的行政区（如豫西北的海河流域与晋东南的黄河流域、豫南的淮河流域与鄂北的长江流域交界处，等），因在流域边界提取时会将可以忽略不计的小斑块（图斑）自动删除，导致与外省交界处所属行政区的流域涉及面积小于实际的行政区面积，下一步作者会针对河南省行政区边界与流域边界相交处涉及的流域面积进一步分析探讨。

对省级行政区内流域水系进行准确分析需要实地调查和长系列水文数据统计分析，本文借助地理信息系统（GIS）把河南省涉及的四大流域水系全部数字化，从而推动河南河长制工作顺利开展，为河南省生态环境保护和高质量发展提供支撑。

4 结论

1）河南省境内四大流域中涉及区县最多的是淮河流域，依次是黄河流域，长江流域，涉及区县最少的是海河流域。黄河流域涉及的区县，不仅包括流域内的区县，还包括流域外的区县（郑州市的荥阳市、惠济区和金水区，开封市的龙亭区、祥符区和兰考县）；淮河流域和海河流域内有多个大型引黄灌区，灌溉用水主要来自黄河，黄河流域是影响河南省生产生活用水最大的流域。

2）河南省境内河网密度最大的是长江流域（0.36 km/km2），依次是黄河流域（豫西）（0.30 km/km2）、淮河流域（0.27 km/km2）、海河流域（0.20 km/km2），河网密度最小的是黄河流域（豫北）（0.15 km/km2）。

3）利用ArcHydro Tools 提取省级行政区境内多个流域的边界和水系的结果符合实际情况，说明这种基于GIS 软件的扩展工具所进行的流域水系提取与分析是行之有效、切实可行的。