黃河源流域單元概念及其提取方法研究

張宇鵬， 吳笑天， 李希來， 張 鋒， 董心普， 張 輝

(1.青海大學農牧學院， 青海 西寧 810016； 2.韶關學院英東生物與農業學院， 廣東 韶關 512005； 3.青海省自然資源綜合調查監測院， 青海 西寧 810001)

近年來黃河源生態保護工作越來越受到重視，特別在草地植被變化、退化草地分類、退化草地變化機制、退化草地恢復等方面的研究日益增多。從水文學的角度來看區域水系網絡結構對于生態系統具有重要影響，因此，水文學也力求在不同空間尺度上探討人類、自然、生態系統之間的相互作用[1-6]。通常流域被廣泛認為是水資源、生態系統管理的基本單元。黃河源地形復雜，河網流域密集，流域內可形成小氣候，隨著研究的深入越來越多的學者認為應該將流域單元作為研究黃河源生態問題的基本單位，但目前關于黃河源流域單元劃分的研究相對較少，因此，獲得精確的流域單元是黃河源草地退化生態環境問題進一步深入研究的迫切需求。

數字高程模型(Digital elevation model，DEM)數據是一種包含了水文、地形、地貌等信息且容易獲取的基礎數據，從DEM中提取河網及流域的方法應用較為廣泛，特別是地理信息系統水文分析工具集的推出使得水系信息獲取方法更為便捷。但這一方法目前主要存在的問題是缺乏標準參照，主要通過改進算法、調整閾值等增加約束條件的方法提高水系信息提取的精度，所提取的結果是否準確一直以來困擾著研究人員[7-9]。在亞馬遜流域、中國西部太湖流域、納米比亞中北部的Iishana次盆地等區域的研究發現，使用地理信息系統(GIS)、遙感產品和數字高程模型(DEM)劃分子流域，現有的算法并不能給出與實際測量相對應的子流域的正確輪廓，對于包含河流、湖泊、水庫和圩田等復雜網絡的大面積平坦區域無法得到真實的河網[10-13]。

由于缺乏精確的參照或缺乏高效的算法，大多數研究只覆蓋了有限的區域，在地形平坦地區即使使用更精細分辨率的DEM數據，所得到的流徑有時也難以準確地表示水系模式[14]。但也有研究表明通過將已知河流信息加強到數字高程模型中可以改善水系及流域的提取[15]。因此，本研究在明確流域單元定義的前提下，提出一種較為準確便捷的黃河源流域單元提取方法，該方法包括兩個主要步驟，首先基于國產高分辨率遙感影像獲取黃河源實際水系數據，將實際水系數據作為參照標準水系；其次基于DEM數據通過對照標準水系優化參數提取黃河源集水區，進而獲取黃河源流域單元信息。

本研究遵循“山水林田湖草沙(冰)”生命共同體概念與理論，進一步完善黃河源流域單元信息，為基于流域單元研究和分析黃河源高寒草地生態系統面臨的主要問題及關鍵驅動因子，為流域單元內高寒草地生態修復提供理論和技術支撐。

1 數據與方法

1.1 研究區域概括

黃河源涉及青海省東南部、四川省西北部以及甘肅省西南部部分區域，研究區域范圍參照三江源綜合試驗區黃河源片區范圍并結合主要山脊線劃定，包含匯入黃河干流所有水系，研究區域總面積合計14.92萬km2。區域內包含漢族、回族、藏族、蒙古族聚居區，自然資源種類豐富，草地、林地、農田、荒漠等生態系統種類豐富，河流眾多，湖泊密布。草地資源以高寒草甸、高寒草原為主，農業生產區占比較小。區域內最低海拔1 944 m，最高海拔6 253 m，氣候寒冷干燥，多年平均溫度-3.98℃，多年平均降水量309.63 mm，牧草生長期70～90d(圖1)。

圖1 研究區域區位圖Fig.1 Location of the study area注:本圖基于自然資源部標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2016)1597號的標準地圖制作，底圖無修改Note:This map was made based on the standard map downloaded from the standard map service website of the ministry of natural resources,which the approval number is GS(2016) 1597. The base map has not been modified

1.2 數據來源

本研究所使用的DEM數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，數據分辨率30 m。多源高分辨率遙感影像由青海省自然資源綜合調查監測院提供，其中優于1.0 m分辨率主影像為高分2號衛星多源航空航天遙感影像數據，優于2.0 m分辨率副影像來源于高分1號、資源3號、天繪1號衛星影像數據。

1.3 方法

1.3.1流域單元定義 “流域”是水文學的基本概念，一般是指由分水嶺所包圍的河流集水區，是一個特定地形單元，包含河川或溪流在某一斷面以上全部面積的徑流，一個較大的流域可以按照水系等級分成數個子流域，也可以截取河道的一段單獨劃分為一個流域，由于河段或河流規模不同流域可能只有幾平方千米，也可能是幾萬平方千米[16]。因此在實際研究中學者往往將較大的“流域”劃分為若干子流域加以研究，如將長江流域劃分為金沙江流域、岷江-沱江流域、嘉陵江流域、烏江流域、漢江流域、洞庭湖流域、鄱陽湖流域、太湖流域等[17-18]，將黃河流域劃分為湟水流域、大黑河流域、無定河流域、窟野河流域、清水河流域、祖厲河流域、渭河流域、洮河流域、黑白河流域、汾河流域、沁河流域、洛河流域、大汶河流域等[19]。即使是劃分為子流域，部分子流域面積往往也較大，不能很好地有效指導生態保護與治理工作，實踐證明以小流域為單元進行綜合治理，生態效益、經濟效益和社會效益都十分顯著[20-21]。本研究中“流域單元”是指基于中國河流分級法由分水嶺所包圍的不同等級河流及其集水區域所組成的小流域。

1.3.2水系分級方法 國際常用的Gravelius分級法是將流域內最大的河段作為第1級河流，匯入第1級河流的支流作為第2級河流，依此類推(圖2a)。Horton-Strahler分級法是將每一個源河段定義為1級河流，兩條同級別的河流相匯形成下一級河流，以此類推(圖2b)。但這兩種分級方法的缺點是不能區分流域的干流和支流關系，導致流域的劃分存在隨意性。基于河流入匯關系的中國河流分級法則是先確定干流，將匯入干流的河流稱為1級支流，匯入第1級支流的河流稱為2級支流，依此類推(圖2c)。這種方法雖然對干流的判斷和選取比較困難，但隨著河流源頭認定工作的有序推進，能夠劃分出干流和匯入的支流，能夠避免流域劃分存在隨意性的問題。干流與支流由于流量與流速導致的河流地質作用不同，影響流域地形地貌，進而影響氣候與人類活動。黃河源現有的草地管理與分配方式導致牧民分布于完整河流中不同區域，因此為使用方便本研究使用中國河流分級法。

圖2a Gravelius分類法Fig.2a Gravelius classification method

圖2b Horton-Strahler分類法Fig.2b Horton-Strahler classification method

圖2c 中國分類法Fig.2c Chinese classification method

1.3.3黃河源水系信息提取方法 以地面分辨率優于1.0 m的多源遙感影像為主影像，輔以地面分辨率優于2.0 m的遙感影像數據，通過ENVI5.4/IDL8.6軟件平臺，以區域數字高程模型和控制點資料對收集到的區域遙感影像進行正射糾正，通過影像融合、增強、鑲嵌、裁切、接邊等處理，得到研究區域正射影像底圖；在此基礎上通過面向對象計算機影像分類，得到初步水系數據；通過變化監測工具與往期監測成果進行比對，得到水系變化圖斑；針對水系明顯變化區域，進行內業目視解譯和外業實地查證，根據內外業調查資料對水系數據進行修正。

1.3.4黃河源流域單元提取方法 基于地理空間數據云提供的黃河源30 m分辨率DEM數據，應用ArcGIS10.7的Hydrology水文分析工具箱對DEM數據進行分析，主要包括DEM數據裁剪預處理、河流流向分析、洼地填充、設定匯流累積量閾值、提取河流網絡、提取流域單元等幾個步驟(圖3)。

圖3 流域單元提取步驟Fig.3 Flow diagram of extraction of river basin units

2 結果與分析

2.1 黃河源水系提取與分級

2.1.1黃河源水系提取結果 通過計算機影像分類、內業目視解譯和外業實地查證獲得黃河源水系信息，所獲得的黃河源各級河流總長為29 385.98 km，湖泊水域面積為1 839.22 km2，黃河源河網密度0.196 9 km·km-2。黃河源區水系河網數量多，密度較大。受干流流向變化影響，不同支流河流流向也有較大的區別(圖4)。

2.1.2黃河源水系分級結果 根據中國水系分級法，本研究中黃河源干流1條，長度2 194.75 km；一級支流河流219條；二級支流河流420條，數量最多；三級支流河流194條；四級支流河流21條。斷流河流23條，斷流河流主要流入農業生產區域用于農田灌溉。不同級別河流數量關系并未呈現一定的規律性，這可能主要是由于所選取的分級方法更能體現不同河流間的等級關系而不能體現數量關系(圖5)。

2.1.3黃河源水系特征 由于同一等級的支流河流長度差距較大，因此平均長度并不能體現河流特征，本研究從最短河流長度、最長流長度以及河流長度分布狀況分析河流特征。一級、二級、三級、四級、斷流河流支流最短分別為7.97,2.27,5.01,3.60,3.53 km，最長分別為275.62,162.86,80.12,36.78,37.62 km(表1)；不同等級的河流均是0～30 km最多，分別為108,281,160,18,22條，占相應等級河流數量比例分別為49.32%,66.90%,82.47%,85.71%,95.65%；30～60 km長度河流分別為64,116,31,3,1條，占相應等級河流數量比例分別為29.22%,27.62%,15.98%,14.29%,4.35%(圖6)。隨著河流等級降低，河流長度規模有減小的趨勢。

圖4 黃河源水系分布圖Fig.4 Water system diagram of the source region of yellow river

圖5 黃河源水系分級圖Fig.5 Water system classification diagram of the source region of yellow river

表1 黃河源水系分類信息表Table 1 Water system classification informationTable of the source region of yellow river

圖6 黃河源河流長度分布圖Fig.6 Distribution diagram of river length of the source region of yellow river

2.2 黃河源流域單元提取與分級

2.2.1黃河源流域單元提取結果 地理信息系統軟件中Hydrology分析工具依據的主要是地表徑流模型，該模型的原理是基于DEM數據當區域內某一地表方向匯流量累積到一定值時默認生成地表徑流，多個地表徑流組成河網，根據河網進而劃分流域。這一個步驟在流域劃分中是必不可少而且無法直接使用河網數據替代，因此黃河源水系數據的作用是作為參照標準水系校準自動生成的河網，確保所生成的流域是準確的。不同匯流累積閾值所提取的河網精度不同，一般匯流累積閾值越小所提取的河網密度越高，河流越長，可以通過對匯流累積閾值的設定得到合適的河網和集水區。本研究設置10 000、30 000、50 000三個匯流累積閾值自動生成黃河源河網。對照準確的黃河源水系數據，當匯流累積閾值設定為10 000時，會有不存在的河網生成。當匯流累積閾值設定為50 000時，河網有所缺失。當匯流累積閾值設定為30 000時，所獲取的河網與黃河源實際河網相近(圖7)。對比高分辨率影像數據及真實的黃河源水系數據，通過目視解譯對經過匯流累積量計算所獲的水系進行校驗修正，包括修正水系路徑、補足丟失水系、刪除不存在的水系路徑，獲得與實際水系結果相近的水系圖(圖8)。使用Hydrology工具中的Watershed工具生成集水區，其思路是先確定一個出水點，即該集水區的最低點，然后結合水流方向數據，分析搜索出該出水點上游所有流過該出水口的柵格，直到所有的該集水區的柵格都確定了位置，即搜索到流域的邊界—分水嶺的位置，基于此數據成果，研究區內所生成的集水區數量為1 861個(圖9)。利用Watershed工具生成集水區即可以得到不同細化的集水區域，通過對比高分辨率影像數據及精確的黃河源水系數據對同一河流的集水區進行合并，獲得流域單元878個(圖10)。

圖7 不同匯流累積閾值河網提取對比圖Fig.7 Comparison diagram of river network generation with different confluence accumulation thresholds

圖8 修飾后的河網(對照真實水系，閾值30 000)Fig.8 Modified Diagram of River network of the source region of yellow river (Compared with the actual water system,the threshold is 30 000)

圖9 黃河源集水區分布圖Fig.9 Distribution diagram of River catchment area in the source region of yellow river

圖10 黃河源流域單元分布圖Fig.10 Distribution diagram of River Basin Units in the source region of yellow river

2.2.2黃河源流域單元分級 與水系分級體系相對應，將流域單元分為干流單元、一級支流單元、二級支流單元、三級支流單元、四級支流單元和斷流河支流單元。結果表明，黃河源流域單元干流單元1個，二級支流單元420個，三級支流單元194個，四級支流單元21個，斷流河流單元23個(圖11)。

圖11 黃河源流域單元分級圖Fig.11 Classification diagram of River Basin Units in the source region of yellow river

2.2.3黃河源流域單元特征 黃河源干流單元面積14 151.66 km2，同河網特征相同，一級、二級、三級、四級、斷流河流單元最小單元面積分別為57.28,199.17,62.02,68.04和47.80 km2，最大單元面積分別為1 895.10,869.80,276.01,192.52和646.36 km2。河網密度分別為0.155 1,0.189 6,0.212 3,0.228 8,0.196 3和0.146 7 km·km-2(表2)。各級流域單元面積與相對應河流長度關系較為密切，擬合相關性系數達到0.921 4(圖12)。

黃河源干流單元最低海拔3 265 m，最高海拔4 207 m，平均海拔3 725±471.38 m；一級支流單元最低海拔2 657 m，最高海拔4 702 m，平均海拔3 888.51±521.48 m；二級支流單元最低海拔2 693 m，最高海拔4 960 m，平均海拔3 994.69±456.65 m；三級支流單元最低海拔2 900 m，最高海拔4 749 m，平均海拔4 083.16±459.90 m；四級支流單元最低海拔3 209 m，最高海拔4 801 m，平均海拔4 009.19±504.71 m；斷流河流單元最低海拔3 031 m，最高海拔3 654 m，平均海拔3 332.00±183.36 m(圖13)。由此可見，流域單元等級越低，相對平均海拔越高，斷流河流單元海拔最低。

表2 黃河源流域單元分級信息表Table 2 Classification informationTable of River Basin Units in the source region of yellow river

圖12 黃河源河流長度-流域單元面積擬合圖Fig.12 Fitting diagram of river length-river basin units in the source region of yellow river

3 討論

河網結構對流域格局有重要影響，流域格局對河網分級和結構特征也具有較大的影響[22]。目前河網獲取方法大致可分為兩類，一類是通過等高線、谷線以及圖像識別的地貌學法，一類是基于水文模擬的地表徑流匯流法[23-26]，隨著GIS水文分析工具和DEM柵格數據的不斷完善，目前基于水文模擬的地表匯流方法應用較多，而這一方法核心即是匯流累積計算量閾值。研究表明嘉陵江中游水系河網提取的閾值為15 000，西遼河流域河網水系提取的閾值為50 000，浐灞流域最佳閾值為8 000，秋浦河流域河網水系提取的閾值為20 000，渭河子流域水文信息提取閾值為9 000，在實際工作中由于缺乏測繪數據或者只有部分測繪數據，而這些研究中均缺乏精確的對照水系，精確度不得而知[27-31]。在沒有準確的對照水系的前提下，匯流累積量閾值的設定直接影響河網密度，閾值設置不合理直接影響河網與流域的準確性。以實際的測繪數據或者矢量數據為參照體系，對于運用GIS和DEM數據提取流域水文特征信息更方便快速，能廣泛適用于各個流域的水文分析。關于黃河流域水系河網及流域提取研究相對較少，不同子流域水系提取匯流累積計算量閾值也尚不明確，本研究的結果明確了黃河源區域匯流累積計算量閾值。

圖13 黃河源流域單元海拔分布圖Fig.13 Altitude distribution map of River Basin Units in the source region of yellow river

青藏高原受活躍的地質與隆起作用的影響，黃河源區域內以褶皺構造為主，區域內溝壑縱橫，平地面積比例相對較低，這有利用于使用DEM數據提取區域內河網以及子流域。而本研究首先給出基于高分辨率衛星影像數據所獲得的黃河源較為精確的水系數據作為矢量數據參照體系，減少了不同閾值設置處理次數，提高了黃河源水系與流域提取的效率與準確度。與黃河源相比，三江源中長江源干流單元1個；一級支流單元110個；二級支流單元298個；三級支流單元256個；四級支流單元75個；五級支流單元22個；六級支流單元4個；七級支流單元34個。而瀾滄江源(也稱湄公河源)干流單元1個；一級支流單元108個；二級支流單元91個；三級支流單元8個；四級支流單元8個。這充分說明不同流域內水系與流域單元格局具有較大的不同。

有學者基于小尺度山地探討了坡向和海拔對高寒山地草甸植被分布格局特征的影響[32]，也基于大尺度空間探討了三江源區草地家畜承載力時空格局[33]。但黃河源流域生態系統涉及人、山、水、林、田、湖、草、沙、冰等不同生態要素，不同單個生態要素無法排斥其他要素潛在享受其流域生態保護行為所產生的利益。相較于大范圍的生態治理模式，考慮流域生態涉及多元利益相關主體復雜的相互依存關系，流域單元小集體式的治理方式比大集體行動更具效率，可增加要素治理的一致性，是提高治理效率的有效途徑，是解決現有生態治理困境的有益嘗試。因此本研究完善了黃河源水系與流域單元信息，有益于指導黃河源生態保護工作。

4 結論

綜上所述，本研究以高分辨率遙感影像水系矢量數據作為標準參照系，通過ArcGIS10.7的Hydrology水文分析工具箱分析地理空間數據云30 m分辨率數字高程數據(DEM)獲取黃河源區水文特征信息，當匯流累積計算量閾值設置為30 000時所獲取的水系信息與黃河源區實際水系狀況較為相近，所獲取的流域單元較為準確。黃河源流域單元共878個，其中一級、二級、三級和四級支流單元分別占25%,48%,22%和2.4%，斷流河流和干流單元占2.6%。受地形地貌影響黃河源同一等級的河流長度與流域單元面積差距較大，隨著流域單元等級的降低，流域單元平均海拔增加，河網密度增加。