河南省內四大流域邊界提取與水系分析

徐海軍，魏義長*，許澍，LEGHARI Shah Jahan，王同朝

（1.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，鄭州450046；2.中國農業大學土地科學與技術學院，北京100193；3.河南農業大學農學院，鄭州450046）

0 引言

【研究意義】河南省分屬長江、黃河、淮河和海河四大流域[1]，是中國涉及大江、大河最多的省份之一。為適應河南省境內流域生態環境保護和高質量發展的需求[2-3]，需要摸清河南省境內的流域邊界和水系特征，而對流域及河流特征進行準確定性、定量分析的前提是要明確流域的邊界。

【研究進展】流域邊界的提取主要有2 種方法：①從等高線地形圖上手工繪制獲取[4]；②基于DEM由GIS 軟件自動生成[5]。在等高線地形圖上確定流域邊界是從流域出口點（入海口、水庫壩址等），再從流域出口點沿與等高線垂直的山脊線方向劃線，所形成的封閉線即為流域邊界，所包圍的區域即為流域的匯水區域，這種方法多屬于手工方式，是早期方法。隨著GIS 技術以及數字水文學的發展，流域地形、分水線、河網、子流域的表達及集水面積的計算完全可用數字化技術實現[6]，主要是利用數字高程模型（DEM）計算得到D8 流向文件（單流向法），然后根據流向分析得到流域的河網、邊界以及子流域的劃分情況。基于DEM 數據進行流域水系分析的軟件有許多，典型的商用軟件有美國ESRI（Environmental Systems Research Institute）公司的ArcGIS 和相應的水文Hydrology 擴展模塊[7-8]；由RSI（Research Systems Inc.）公司開發的River Tools，Garbrecht 和Martz 開發的TO-PAZ 工具[9]，以及美國Brigham Young 大學提供的WMS （Watershed Modeling System）[10]，使用最為廣泛的是ArcGIS 的ArcHydro擴展工具[11]。國內已有學者利用ArcGIS 的Hydrology內置模塊和ArcHydro 工具進行了省域內流域水系分布[12-15]，等等。

【切入點】然而，針對河南省境內流域邊界和水系的提取方面，研究較少。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究基于DEM 數據，利用ArcGIS 的ArcHydro擴展工具對河南省境內的流域邊界和水系進行提取，分析河南省境內縣區和水系在四大流域中的分布情況以及河流長度、河網密度特征參數，從而為河南省流域生態環境保護規劃和高質量發展研究提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究選用分辨率為90 m 的SRTM DEM 數據[16]，根據SRTM 的分幅原則[5]，srtm_59_05、srtm_59_06、srtm_60_05、srtm_60_06 這4 幅DEM 數據覆蓋整個河南省行政區域，此SRTM DEM 數據從中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）[17]下載。

河南省區縣行政區、河流矢量等數據來自北京數字空間科技有限公司的地理國情監測云平臺—GIM-Cloud （ Geographical Information Monitoring Cloud Platform）（http://www.dsac.cn）[18]。河南省區縣行政區地圖用于統計流域所涉及的區縣數量，河流矢量數據用于河流命名以及校正DEM 提取水系[7,11]，以保證平原區提取的水系能夠沿主河道匯集，避免所提取的水系錯亂。

1.2 數據處理與分析方法

1）河南省DEM 的制作（合并和切割）方法

在 Global Mapper 15[19]中依次添加數據srtm_59_05、srtm_59_06、srtm_60_05、srtm_60_06以及河南省邊界矢量數據（hn_boundary.shp）到Global Mapper 中，選定“河南省邊界（hn_boundary.shp）”作為輸出區域，選擇“輸出成DEM”（export to DEM），即可得到如圖1所示的河南省整幅DEM 數據（Hn_DEM.dem），用于河南省境內流域和水系的提取和分析。

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

2）流域、水系提取及數據統計分析方法

地圖處理用ArcGIS 10.2.2 軟件，流域、水系提取運用ArcHydro Tools[7]。ArcHydro Tools 是由美國得克薩斯大學的水資源研究中心（Center for Research Water Resources，CRWR）聯合ESRI 開發的水文分析擴展模塊，是基于ArcGIS 開發的一套用于支持地表水資源應用研究的工具集[11]，是對ArcHydro 數據模型的擴展。ArcHydro Tools 的最新版本可以在ESRI公司網站（http://www.esri.com）[7]上免費下載，其主要功能包括對輸入的柵格型DEM 進行預處理、劃分子流域、定義河網結構、確定流域邊界、顯示流域特征及計算流域特征參數。其中，水系提取是基于匯流累積矩陣[20]，首先，利用最大坡度法計算每一個柵格的水流方向；然后，依據自然水流由高處往低處的自然規律，計算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數，即匯流累積量；當匯流量達到一定值的時候，就會產生地表水流，由這些水流路徑構成的網絡，就是河網水系。

數據統計分析運用Excel 2013。

3）河流長度、河網密度計算方法[21]

河流是匯集徑流的天然水道，河流各橫斷面最低點的連線叫溪錢，從河口沿溪線至河源的距離叫河流長度。河網密度（D）等于河流干支流總長度（L）除以流域面積（A），即表示單位流域面積內河流長度。計算式為：

式中：D為河網密度（km/km2）；L為干支流總長度（km）；A為流域面積（km2）。河網密度（D）的數值大，說明徑流匯集較快，水資源豐富，河網密度（D）的數值小，則在一定程度上反映徑流匯集較慢，水資源較不豐富。

4）河流等級劃分依據與方法

河流的分級常見有2 種分類方法[22]：第1 種是從河流水系的研究分析方便考慮，把最靠近河源的細溝作為一級河流，最接近河口的干流作為最高級別的河流，常見的主要是Horton-Strahler、Shreve-Smart 和Tokunaga 3 種分級法。第2 種是把靠近流域出口（入海口等）的干流作為一級河流，匯入干流的大支流作為二級河流，匯入大支流的小支流作為三級河流，如此依次類推，主要是Gravelius 分級法。我國水利部在Gravelius 分級法的基礎上依據河道的自然規模（一般是指流域面積）及其對社會、經濟發展影響的重要程度，頒布了《河道等級劃分方法》（內部試行）（水管〔1994〕106 號）將我國的河道劃分為5 個等級，即一級河道、二級河道、三級河道、四級河道、五級河道，首批認定了長江、黃河、淮河、海河、珠江、松花江、遼河、太湖、東南沿海流域的18 條全國的一級河道[23]。

本文以水利部《河道等級劃分方法》為分級原則，按照表1 河流分級指標及劃分原則對河南省境內四大流域河流進行等級劃分，并借鑒《黃河志》[24]、《淮河志》[25]、《長江志》[26]和《海河志》[27]中對四大流域水系的分析結果，最終確定河南省境內四大流域的5 個河流等級。

表1 河流等級指標及劃分原則Table 1 River classification indexes and principles

2 結果與分析

2.1 河南省境內的四大流域及水系分布

河南省境內四大流域及水系的提取結果見圖2，河南省南北縱跨530 km，東西橫越580 km，處于北緯31°23′—36°22′和東經110°21′—116°39′，全省總面積約為163 583.60 km2，約占全國的1.73%。河南省境內的大部分河流發源于西部的伏牛山脈、西北部的太行山脈和東南部的桐柏大別山脈[28]。河南省的西北大半部和東南部的基本地貌格局為山地丘陵，豫東、豫北大半部為廣闊的平原，豫西南為大型盆地。伏牛山和桐柏大別山構成黃河、淮河與長江水系的分水嶺。黃河以北的東南部地區屬于黃河流域，而黃河以北的西北部地區屬于海河流域。

圖2 河南省境內四大流域及水系分布Fig.2 The distribution of four basins and their river system in Henan Province

根據表1 的河流等級指標及劃分原則得到河南省境內河流等級及河網密度計算結果列于表2，從表2 可知，河南省境內一級河流僅有黃河和淮河兩干流，二級河流為位于黃河流域的洛河和沁河，位于淮河流域的洪汝河、潁河、渦河，位于海河流域的衛河，三級到五級河流的具體情況在后面單個流域分析中闡述。河南省境內一級河流總長度約為1 460.12 km，二級河流總長度約為2 553.73 km，三級河流總長度約為4 178.30 km，四級河流總長度約為3 657.87 km，五級河流總長度約為33 403.05 km，五級河流以上河流的總長度約為45 253.07 km。因此，河南省境內河網密度約為0.28 km/km2。

表2 河南省境內河網密度Table 2 The river network density in Henan Province

2.2 河南省境內淮河流域邊界、水系和縣區分布

河南省境內淮河流域水系分布見圖3，從圖3 可看出，河南省是淮河的主要發源地，淮河流域約占河南省土地面積的52.70%，屬于河南省內第一大占有面積的流域。發源地位于河南省的桐柏山北麓、伏牛山東麓、大別山北麓和邙山南麓。淮河干流南北二岸支流呈不對稱型分布；淮河南岸支流浉河、竹竿河、潢河、白露河、史灌河均發源于大別山北麓；北岸支流沙潁河、洪汝河、渦惠河、包澮河、沱河、新蔡河和黃河故道等，洪汝河、沙潁河發源于伏牛山、外方山東麓；惠濟河發源于黃河南岸的邙山南麓，其余均屬平原河道以及黃河故道。

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

河南省境內淮河流域內縣區分布見圖4，從圖4可以看出，淮河流域涉及河南省11 個地市（洛陽、南陽、平頂山、鄭州、開封、許昌、漯河、商丘、駐馬店、周口、信陽）的77 個縣區（圖4），覆蓋開封市、商丘市、周口市、漯河市、許昌市、平頂山市、信陽市的所有縣區、鄭州市各縣區（除了鞏義市）、駐馬店市各縣區（除了泌陽西部），再加上南陽市方城縣的東北部和桐柏縣的東部、洛陽市汝陽市的絕大部分和嵩縣東南部小部分區域。

圖4 河南省境內淮河流域縣區分布Fig.4 The counties in Huaihe River basin in Henan province

表3 河南省境內淮河流域河網密度Table 3 The river network density of Huai River Basin in Henan Province

2.3 河南省境內黃河流域邊界、水系和縣區分布

河南省境內黃河流域邊界與水系分布見圖5，從圖5 可知，黃河流域屬于河南省境內第二大占有面積的流域，占有河南省土地面積約為21.62%。雖然黃河在河南省為過境河流，但黃河南岸的澗河、伊河和洛河等支流則是發源于河南省境內的伏牛山脈，呈西南-東北走向，匯入伊洛河支流，最終在鞏義市北匯入黃河；在黃河北岸的支流有蟒河、沁河、丹河、金堤河和天然文巖渠，其中沁河、丹河支流大部分在山西境內發源，在河南省為入境河流；金堤河和天然文巖渠屬于平原河道，主要是接納黃灌區的退水，最后匯入黃河主道內。黃河流域在河南省內以桃花峪為界，桃花峪以西為黃河的中游區域[1]，桃花峪以東、以北為黃河的下游區域，即在河南省境內黃河流域分為兩個不同的區域，桃花峪以西的黃河流域為黃河流域（豫西），桃花峪以東、黃河河道以北的黃河流域為黃河流域（豫北）。

圖5 河南省境內黃河流域水系分布Fig.5 The distribution of the river systems in the Yellow River basin in Henan province

河南省境內黃河流域（豫西）河網密度見表4，從表4 可知，黃河流域（豫西）內一級河流（黃河）長度約為452.83 km，二級河流（洛河、沁河）長度約為526.74 km，三級河流（伊河）長度約為298.14 km，四級河流（永昌河等）長度約為397.66 km，五級河流（小河流）長度約為6 160.04 km，因此，五級以上河流總長度約為7 835.41 km，流域面積為26 382.41 km2，河網密度為0.30 km/km2，大于河南省境內淮河流域河網密度（0.27 km/km2）。

表4 河南省境內黃河流域（豫西）河網密度Table 4 The river network density of Yellow River Basin in west of Henan Province

河南省境內黃河流域（豫北）河網密度見表5，從表5 可知，黃河流域（豫北）內一級河流（黃河）的長度為496.14 km，二級河流無，三級河流（金堤河）的長度為203.61 km，四級河流（柳青河）的長度為71.17 km，五級河流（五星溝等小河流）為570.86 km，因此，五級以上河流總長度為1 341.77 km，流域面積為8 981.13 km2，河網密度為0.15 km/km2，遠小于河南省境內淮河流域河網密度（0.27 km/km2），說明河南境內的2 塊黃河流域的河網密度是截然不同的。因黃河流域（豫西）多屬于山區，具有發達的支流，河網密度高，而黃河流域（豫北）為平原區，基本沒有支流匯入，河網密度低。

表5 河南省境內黃河流域（豫北）河網密度Table 5 The river network density of Yellow River Basin in north of Henan Province

把河南省境內豫西和豫北2 塊黃河流域統一起來計算河網密度，五級以上河流總長度是9 177.17 km，河南境內黃河流域的總面積是35 363.53 km2，那么河南境內黃河流域河網密度平均為0.26 km/km2，與河南省境內淮河流域的河網密度（0.27 km/km2）接近。

河南省境內黃河流域與沿黃縣區分布如圖6所示，從圖6 可以看到，黃河干流在靈寶市進入河南省境內，流經三門峽、洛陽、濟源、鄭州、焦作、新鄉、開封、濮陽8 個地市的48 個區縣。然而，在黃河流域管理中，盡管鄭州市（滎陽市、惠濟區和金水區）和開封市（龍亭區、祥符區和蘭考縣）是屬于淮河流域，不屬于黃河流域范圍，但因為位于黃河的岸邊，且這些區縣的生活、生產用水主要來源黃河水，所以與黃河流域內的縣區一起統稱為沿黃縣區，其生產生活的排水及雨水排泄均匯入淮河主河道。因此，其所在區域雖歸屬于淮河流域，但受黃河影響和影響黃河均較大。另外，在豫北海河流域內沿共產主義渠有多個灌區的用水也是來自于引黃灌溉渠，受益于黃河。

圖6 河南省境內黃河流域與沿黃縣區Fig.6 The counties in Yellow River basin and along Yellow River

2.4 河南省境內長江流域、水系和縣區分布

河南省境內長江流域水系分布見圖7，從圖7 可以看出，長江流域面積占河南省土地面積的16.50%，屬于第三大面積，長江流域在河南省內的水系屬于漢水（漢江）水系，主要支流為白河和丹江，其中，白河發源于伏牛山南麓，呈扇形分布，自北向南經南陽盆地匯入漢江；丹江屬于入境河南省的河流，發源于秦嶺南麓的二龍山，位于陜西省商洛地區境內；丹江上游的淇河發源于河南省盧氏縣的花園寺西，丹江上游的老鸛河發源于欒川縣的南泥湖。

圖7 河南省境內長江流域水系Fig.7 The distribution of the river systems in Yangtze River basin in Henan province

河南省境內長江流域河網密度見表6，從表6 可知，河南省境內長江流域面積26 994.65 km2，一級河流（長江干流）和二級河流（漢江）在河南省境內沒有，三級河流為丹江和白河，在河南省境內的長度為495.66 km，四級河流為淇河、老灌河、唐河、刁河、泌陽河，長度為999.07 km，五級河流為趙河、毗河、三夾河、刁河等小河流的長度為8 280.99 km，河南省境內的長江流域河網密度為0.36 km/km2，是河南省境內河網密度最大的流域。

表6 河南省境內長江流域河網密度Table 6 The river network density of Yangtze River basin in Henan Province

河南省境內長江流域縣區分布見圖8，從圖8 可看出，河南省內長江流域涉及4 個地市（南陽市、三門峽市、洛陽市、駐馬店市）的17 個區縣，分別為南陽市的所有縣（淅川縣、西峽縣、內鄉縣、鄧州市、鎮平縣、新野縣、社旗縣、方城縣、南召縣、桐柏縣，但方城縣的東北部、桐柏縣的東部除外），三門峽市盧氏縣的南部，洛陽市的欒川縣西南部和嵩縣的南部，駐馬店市的泌陽縣西南部。

圖8 河南省境內長江流域縣區分布Fig.8 The distribution of the counties in Yangtze River basin in Henan province

2.5 河南省境內海河流域邊界、水系和縣區分布

河南省境內海河流域水系分布見圖9，從圖9 可以看出，海河流域在河南省境內的主要支流是衛河、馬頰河，其流域面積占河南省總面積的9.18%，屬于在河南省占有面積最小的流域。衛河是豫北地區最大的一條河流，其支流淇河發源于山西，其他支流都主要發源于太行山脈東麓的河南省境內。馬頰河是豫北東部平原季節性河流，地表徑流非常貧乏。

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

河南省境內海河流域的河網密度見表7，從表7可知，河南省境內海河流域沒有一級河流，二級河流為衛河，長度為372.48 km，三級河流為馬頰河，在河南省境內僅為82.65 km，四級河流為淇河、湯河和安陽河，總長度為577.17 km，五級河流長度為2 002.89 km，流域面積為15 022.08 km2，河網密度為0.20 km/km2，比黃河流域（豫北）的河網密度（0.15 km/km2）大，但比整個黃河流域的河網密度（0.26 km/km2）小。

表7 河南省境內海河流域河網密度Table 7 The river network density of Haihe basin in Henan Province

河南省境內海河流域內縣區分布見圖10，從圖10可看出，海河流域涉及河南省5個地市（新鄉、鶴壁、濮陽、安陽、焦作）的33個區縣，分別為焦作市解放區、中站區、馬村區、山陽區、博愛縣、修武縣和武陟縣，新鄉市的紅旗區、衛濱區、鳳泉區、牧野區、獲嘉縣、輝縣市、衛輝市、新鄉縣和延津縣，鶴壁市的鶴山區、山城區、淇濱區、淇縣和浚縣（其中，浚縣東部有很少的區域屬于黃河流域），安陽市的文峰區、北關區、殷都區、龍安區、安陽縣、湯陰縣、內黃縣、林州市和滑縣，濮陽市的華龍區、南樂縣、清豐縣和濮陽縣。但是，海河流域涉及新鄉市的延津縣、安陽市的滑縣和濮陽市的濮陽縣面積較少，可以忽略不計。

圖10 河南省境內海河流域縣區分布Fig.10 The distribution of the counties in Haihe River basin in Henan province

3 討論

河南省四大流域水系河網密度差異與山區面積、緯度相關，山區面積大的流域較山區面積小（平原區）的流域河網密度大，緯度低的流域較緯度高的流域河網密度大。本文計算得出的豫西南長江流域河網密度最大，豫東北黃河流域河網密度最小，豫西黃河流域較豫東淮河流域河網密度大，這和流域水系分布特征[22]完全吻合，說明本研究運用5 個等級河流進行統計還是比較合理的。存在問題是：等級低（如五級）的河流，在干旱季節可能干枯，對流域水資源的貢獻小。因此，如何準確地統計出流域內全部河流是關鍵。所以，下一步作者會加大力度再深入研究，尋找更科學的方法劃定河流等級和計算河網密度。

對省級行政區內流域水系分析比單獨對一個閉合流域分析難度更大、更復雜，因為行政區的邊界一般是以河道的邊界為主，常是以地形的山谷為分界線，而流域的邊界正好相反，是以地形的山脊為分界限。本研究中出現省級邊界與提取的四大流域邊界存在多處不吻合現象，特別是省級邊界處是屬于不同流域的行政區（如豫西北的海河流域與晉東南的黃河流域、豫南的淮河流域與鄂北的長江流域交界處，等），因在流域邊界提取時會將可以忽略不計的小斑塊（圖斑）自動刪除，導致與外省交界處所屬行政區的流域涉及面積小于實際的行政區面積，下一步作者會針對河南省行政區邊界與流域邊界相交處涉及的流域面積進一步分析探討。

對省級行政區內流域水系進行準確分析需要實地調查和長系列水文數據統計分析，本文借助地理信息系統（GIS）把河南省涉及的四大流域水系全部數字化，從而推動河南河長制工作順利開展，為河南省生態環境保護和高質量發展提供支撐。

4 結論

1）河南省境內四大流域中涉及區縣最多的是淮河流域，依次是黃河流域，長江流域，涉及區縣最少的是海河流域。黃河流域涉及的區縣，不僅包括流域內的區縣，還包括流域外的區縣（鄭州市的滎陽市、惠濟區和金水區，開封市的龍亭區、祥符區和蘭考縣）；淮河流域和海河流域內有多個大型引黃灌區，灌溉用水主要來自黃河，黃河流域是影響河南省生產生活用水最大的流域。

2）河南省境內河網密度最大的是長江流域（0.36 km/km2），依次是黃河流域（豫西）（0.30 km/km2）、淮河流域（0.27 km/km2）、海河流域（0.20 km/km2），河網密度最小的是黃河流域（豫北）（0.15 km/km2）。

3）利用ArcHydro Tools 提取省級行政區境內多個流域的邊界和水系的結果符合實際情況，說明這種基于GIS 軟件的擴展工具所進行的流域水系提取與分析是行之有效、切實可行的。