基于GIS的薊州山區水土保持小流域劃分方法

蘇慧敏

(北京地拓科技發展有限公司，北京 100084)

薊州山區是天津市重要的飲用水源地和水源涵養區，也是天津的后花園和重要生態屏障，屬燕山國家級水土流失重點預防區。多年來，天津市十分重視薊縣(現薊州區)山區水土流失治理工作，大力開展了以大流域為骨干，以小流域為單元，山水田林路統一規劃，攔蓄灌排節綜合治理，取得了顯著成效，并積累了豐富的試驗觀測數據。然而，隨著政府職能的不斷轉變和水務精細化、信息化管理要求的不斷提高，現有的管理方式和手段已不適應水土保持發展和創新的需求。尤其是在生態清潔小流域的規劃、建設方面，因小流域邊界不清，基礎信息不詳，禁止或限制的區域不明，故很難實施有效的治理和監管。

以小流域為單元的水土流失綜合治理是我國防治水土流失、改善農村社會經濟條件、促進生態文明建設的重要方式。在水土保持工作中，通常將流域面積不超過50 km2的地表集水區稱之為“小流域”。小流域是水土流失發生、發展的基本單元，堅持小流域綜合治理是我國水土保持工作的基本途徑。2014年3月1日施行的《天津市實施〈中華人民共和國水土保持法〉辦法》進一步強化了天津市生態清潔小流域建設的地位。

為貫徹落實天津市政府進一步加強水土保持工作，建設更加優美更加和諧的生態環境的要求，以薊州山區DEM基礎地理信息數據為基礎，對薊州山區進行小流域劃分，并在分析小流域水土流失空間分布特征的基礎上，建立薊州山區三維可視化數字小流域基礎信息數據庫，可為薊州區水土保持業務分析和精細化管理提供基礎支撐，為天津水土保持信息化建設奠定基礎。基于此，在分析研究薊州山區地質構造、地形地貌、水文特點和行政區劃、水土流失等因素的基礎上，從水土流失治理和水土保持管理的角度，進一步細化了小流域劃分原則、面積規模、命名規則等技術細則。

1 小流域劃分原則

1.1 劃分原則細化

從小流域形態特征、地表匯流、特殊地形處理等方面提出了劃分原則。①小流域劃分應以自然地形地貌為基礎，盡量保證小流域形態特征完整。②小流域邊界應與各級流域邊界無縫銜接，不應橫跨上級流域。③小流域劃分應充分考慮地表匯水關系，保證上下游匯水關系的正確性。④確定小流域邊界時，可適當考慮水庫、水閘、橋涵等水利工程設施和村莊、居民點的位置。如根據水庫規模和流域控制面積，宜將水庫閘口設定為小流域進、出水口；對于流域出口附近的村莊或居民點，可按屬地關系適當調整小流域界線，盡量保證歸屬關系一致。⑤水流匯入境外的區域可單獨作為小流域。⑥平緩地區孤丘小山可包含在小流域內，不考慮分水嶺。⑦小流域劃分結果應覆蓋整個劃分區域，小流域面積之和應等于該區域總面積。⑧小流域出口處理。無沖積扇時沿分水嶺走向相交；有沖積扇、無居民區時將沖積扇納入小流域；有沖積扇、有居民區時考慮沖積扇、溝口橫向相交的道路與上級河流并采取以下處理原則，即流域出口為寬淺平緩谷地時，將出口順接到上級溝道或河道，但對山地平原過渡地帶，若山地走勢開敞，且無明顯的河道或溝道時，依據灌溉排渠的位置，選擇道路作為小流域界線。⑨小流域命名應充分考慮溝域經濟發展需要。⑩小流域編碼應盡量與周邊省市相銜接。

1.2 小流域最小單元面積

為了確保小流域劃分精度，便于生態清潔小流域建設、管理和維護，在征求地方水保部門意見的基礎上，經綜合分析，將微流域面積控制在0.1 km2，將小流域面積控制在3～20 km2。

1.3 特殊地形地物的處理方式

對以下特殊地形地物，提出了專門的處理方式：①于橋水庫面積大于100 km2，為保持庫區的完整性，將其管理界線作為小流域邊界，形成一個小流域。②對溝谷深切，匯水面積大于20 km2且難以劃分為多個小流域的狹長流域，可單獨作為一個小流域。③對山地向平原過渡區或河谷寬闊的斷陷區，當單個微流域面積較小，主溝不明顯，且平行排列時，可將其歸并成一個坡面型小流域。④在狹長河谷地帶，當河道兩側或一側坡面陡峭，坡面集水區不能單獨歸并為小流域時，可將峽谷地帶的河道及兩側坡面集水區劃分成一個小流域，此類小流域稱為區間型小流域。⑤在河道無明顯主溝或一邊無明顯主溝的情況下，將兩岸合并為區間小流域。⑥將面積小于3 km2的坡面與對岸合并為區間型小流域，把面積大于3 km2的坡面劃為坡面型小流域。⑦將面積較小、通過涵洞引排水的封閉集水區包含在有匯流關系的小流域中。⑧對分水嶺不明顯的區域，參照道路、橋梁確定分水線和小流域出口。

2 小流域劃分技術方法

傳統小流域基于地形圖進行集水區域的確定，2013年水利部發布了《小流域劃分及編碼規范》(SL 653—2013)。此次小流域劃分就是按照水利部發布的《小流域劃分及編碼規范》(SL 653—2013)要求，依托ArcGIS軟件的水文分析工具，搭建了水土保持小流域劃分作業平臺，采用軟件自動劃分及人工輔助修正并結合實際調查的方法自動提取小流域邊界，然后再結合行政區劃和自然地理要素，通過人機交互完成自動提取結果的判別和特殊地形劃分結果的修正，最后命名編碼形成薊州水土保持小流域基礎地理數據。具體技術路線如圖1所示。

2.1 數據準備

(1)薊州區DEM數據。

(2)薊州區高分辨率遙感影像。

(3)全國1∶25萬河流矢量數據薊州區部分。

(4)薊州區行政界線數據，包括區、鄉鎮和村界線。

(5)其他輔助數據：公路、鐵路等矢量數據。

(6)天津市第一次水利普查成果資料等。

2.2 作業平臺搭建

搭建基于GIS的多人協同工作環境，在操作時遙感數據可存放在本機上，微流域、溝道、小流域等作業圖層存放在服務器的數據庫中，不同的人員采用GIS直連的方式連接數據庫中的空間數據。多人協同工作，可有效地提高信息提取的工作效率。

圖1 薊州區小流域劃分技術路線

2.3 溝道和微流域信息提取

2.3.1 溝道和微流域分水線提取

基于DEM，按照小流域劃分技術細則設定的微流域面積閾值，一次性提取薊州區內的溝道和微流域分水線。

將微流域的最小面積設定為0.1 km2，計算機即可將作業單元內集水區域大于0.1 km2的微流域分水嶺及其對應的溝道弧段、水流出口位置節點全部提出。

2.3.2 溝道和微流域分水線檢查及平滑處理

參照薊州區高分遙感影像及河流、水庫、湖泊、水利工程、道路、居民點等圖層信息，對自動提取的溝道弧段、微流域分水線進行檢查和平滑處理，對水流出口位置節點進行確認，保證微流域分水線正確、溝道連續完整、出水口位置準確。

2.3.3 微流域及溝道拓撲關系建立和檢查

為保證地表水匯流正確，在提取溝道和微流域的同時，計算機自動建立了微流域之間、溝道之間、溝道與微流域之間的拓撲關系。對特殊地形和地物周邊進行拓撲關系檢查，結合遙感影像，修訂異常的線段和節點數據。

2.4 河流標定與編碼

在GIS協作平臺下，通過多人協調工作，依據提取的河(溝)道底部流程線，結合天津市第一次水利普查河湖基本情況普查成果和已有的數據資料，并參照高分一號遙感影像，對薊州區全區河流進行標定，為建立山區河(溝)道拓撲關系提供依據。

河流標定遵循以下原則：①自然和人工河道全面標定。②保證河流匯流關系正確，保證河流上下游連通。③按照直流入海河流為零級的原則，將匯入零級河流的標定為一級河流，依此類推。④所有水系標定為線狀。對于面狀水系，概化為線狀，上下級水系交匯于一點；河流上建有水庫的，在庫區內概化為線狀，形成連通的水系。⑤標定時遵循“寧多勿漏”的原則。

依據編碼規范，參照相關資料和已有的成果，進行河流的編碼和命名。對依資料不能判定名稱的河流，結合實地調查進行補充。

2.5 小流域邊界確定

按照小流域面積控制指標(3～20 km2)和自然匯水關系，依據所提取的微流域分水嶺形成小流域邊界。先完成支流上小流域邊界的確定，再進行干流小流域邊界的確定，最終標定的小流域全部覆蓋山區。

遵照小流域定界原則，參照高分辨率遙感影像對特殊地形小流域進行邊界修訂，確保小流域邊界與河(溝)道交會的正確性、山地平原過渡地帶小流域分割的正確性，同時正確判定小流域類型。

2.6 薊州山區流域邊界標定及拓撲關系建立

按流域匯水關系逐級建立河流上下游、小流域與河流、流域間的拓撲關系，保證匯水關系及流域包含關系的正確性和合理性。流域拓撲關系建立原則如下：①流域與河流一一對應；②根據河流級別確定流域級別；③境內不完整的流域，采用市、區界閉合；④同級流域之間不重疊，相鄰同級流域之間無縫隙；⑤下級流域不跨越上級流域；⑦各級流域之間既不存在縫隙，也無重疊區域。按照匯水關系將微流域歸并為流域的過程見圖2。

圖2 按匯水關系將微流域歸并為流域的過程示意

2.7 小流域命名與編碼

2.7.1 小流域命名

薊州區歷史悠久，文化積淀深厚，許多地名從古代延續而來，為便于宣傳和傳承，在小流域命名時除遵循《小流域劃分及編碼規范》(SL 653—2013)的命名要求外，還應遵循以下規則：①小流域名稱在薊州區內具有唯一性，已有名稱的沿用傳統名稱。②命名力求簡明確切、易于辨識，可采用當地溝道、村莊、景區、特色品名或其他自然地名。③若一個小流域包含多條溝道，且每條溝道都有名稱時，可采用主溝道名命名。④若一個小流域內包含多個村莊時，可采用人口最多的村莊名稱命名。

2.7.2 小流域編碼規則

薊州山區是燕山山脈的重要組成部分，隨著京津冀協同發展戰略的實施，在水土保持、水資源保護、生態環境建設等方面都將協同一致，為了便于將小流域信息共享，小流域編碼應與周邊省市編碼保持一致。目前，北京市已完成小流域劃分及編碼工作，因此本次編碼重點參照《天津市第一次水利普查河流編碼規則》及北京市地方標準《河流、流域名稱代碼》(DB11/T 1172—2015)進行編碼。

2.8 野外復核驗證

為了確保薊州山區流域水系空間信息提取成果的準確性及小流域劃分的合理性、可操作性，對有疑問的內容進行了全面的復核調查，并抽取了24個小流域進行了河流位置、流域邊界、小流域溝口位置等指標的驗證，同時對小流域名稱也進行了全面復核。

3 結 語

(1)結合薊州山區地形地貌特點，確定了薊州山區小流域劃分的原則、方法及技術路線。

(2)采用 GIS多人協同工作平臺，基于高分辨率遙感影像等基礎數據，由多人協同，完成了薊州山區小流域劃分工作。

(3)構建了薊州山區數字小流域基礎信息管理平臺，為薊州山區信息化建設打下了堅實的基礎和框架，建議結合水土保持治理精細化、水土保持監測自動化、監督實時化等目標，進一步開發完善平臺的應用功能，建成集信息管理和業務應用為一體的綜合性服務和管理平臺，全面提高薊州山區水土保持信息化水平。