基于流域治理單元的湖北省丹江口庫區小流域劃分

摘要：丹江口庫區小流域單元劃分是庫區水質安全保障和水生態文明建設的基礎性工作。選擇湖北省丹江口庫區（十堰市）為研究區域，以高精度DEM、高分辨率遙感影像等為數據源，基于《湖北省流域綜合治理和統籌發展規劃綱要》確定的9個三級流域片區與23個四級流域片區，采用河網自動提取和人機交互修整等方法，劃定了1 472個五級小流域單元，形成了一種面向流域綜合治理單元的重要生態功能區小流域劃分方法。研究成果可為湖北省丹江口庫區水土流失防治、小流域治理成效評估等提供決策依據，以形成各部門水土流失防治的“合力”。

關 鍵 詞：小流域單元劃分； 數字高程模型； 丹江口庫區； 流域治理規劃

中圖法分類號： S157

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.017

0 引 言

以小流域為單元，推進水土流失綜合治理是防治水土流失、推動生態文明建設的重要舉措［1］。2022年12月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳聯合印發《關于加強新時代水土保持工作的意見》，要“統籌生產生活生態，在大江大河上中游、東北黑土區、西南巖溶區、南水北調水源區、三峽庫區等水土流失重點區域全面開展小流域綜合治理”。2023年2月，水利部會同農業農村部、國家林草局、國家鄉村振興局聯合印發《關于加快推進生態清潔小流域建設的指導意見》，要“以防治水土流失為重點，治山保水守護綠水青山，加強人為水土流失監管”。水利部辦公廳印發的《2023年水土保持工作要點》中提出，“加快推進小流域劃分工作，以流域水系為單元推進生態清潔小流域建設”。

丹江口庫區位于長江中游支流漢江的上游，伏牛山南麓，豫、鄂、陜三省交界處。其中，湖北省境內主要包括十堰市鄖陽區、丹江口市，是南水北調中線工程的近壩段和核心水源地，在強化水源地保護，確保“一泓清水永續北上”方面地位突出［1-2］。開展丹江口庫區水土流失防治和小流域綜合治理工作，減少入庫河流泥沙和面源污染，是保障丹江口庫區水質安全的關鍵環節［3-5］。

流域特征作為重要的地理地貌要素，是分析區域土地利用、水土流失狀況和生態文明建設的基礎［6-7］。在小流域劃分方法方面，依據SL 653-2013《小流域劃分及編碼規范》要求，以數字高程模型（DEM）或數字地形圖為基礎，結合高分辨率遙感影像、行政界線、水利設施分布等資料，通過設定集雨區域面積閾值，依次提取“溝道-河網-小流域”［8-9］。該方法適用于單一地形、大多數集中在山地或水系相對簡單的平原或山地丘陵區。吳鵬等針對河南省地形地貌基本特點，提出了一種遵循水文分析匯水關系、兼顧居民區地塊完整性的小流域劃分方法，認為該方法符合水務管理需求、適應全地形類型［10］。趙娟等針對南方喀斯特地區峰叢、洼地和盲谷等特殊地貌狀況，在現有的完整型、區間型和坡面型的基礎上，新增提出了“盲谷-洼地型”小流域類型及劃分方法［11］。王雪等利用4種重采樣技術研究不同分辨率DEM數據對流域特征的影響程度，認為分辨率越高的DEM在提取流域特征和細小水系方面效果越好［12］。

在小流域劃分應用場景方面，主要圍繞各級行政區和重要生態功能區展開。王福嶺等使用河南省小流域劃分適應性原則，結合全省地形地貌特征實地考察情況，提取了102 118.5 km溝道，劃定了5 576個小流域［13］。夏照華等根據北京市山區地形地貌特征，確定了山區水系、流域、小流域劃分原則和方法，基于全要素電子地形圖、DEM、航片、行政界線、水利設施分布圖等基礎數據，采用DTGIS提取北京市山區河流水系及流域邊界［14］。齊斐等以山東省淄博市沂源縣為對象，通過遙感調查、模型計算、資料收集和統計分析等方法，劃分小流域68條，平均小流域面積24.06 km2，溝道密度1.87～2.99 km/km2［15］。高翔等利用Arc Hydro Tools水文數據模型與河網密度法，通過確定最佳集水面積閾值，提取祁連山國家公園內河網水系并劃分小流域［16］。黃國金等使用ArcGIS軟件的Hydrology水文模型工具，對30 m分辨率的DEM數據確定河流和小流域的最佳集水面積閾值，提取了烏江流域中游巖溶地區小流域［17］。郭文慧等以丹江口水源區治理區1∶50 000 DEM數據為基礎，應用Arc Map水文模塊環境，開展數字河網水系及流域邊界提取、子流域歸并等工作，形成624個小流域單元［18］。

目前，關于小流域劃分的研究取得了較好的成果，但仍存在著一些短板：① 從劃分方法上看，主要考慮了區域地形地貌、河流水系等自然要素，忽視了社會經濟發展、安全底線等社會治理方面的要求；② 從應用成效上看，劃分成果只在水土保持、水旱災害防御、河湖長制管理等水行政管理方面投入應用，尚不具備推廣到自然資源、農業農村等政府其他部門使用的條件。

湖北省高度重視流域綜合治理工作，提出以流域綜合治理明確并守住安全底線，分區分類分級建立安全管控清單，推動農業現代化、新型工業化、新型城鎮化、信息化同步發展，因地制宜確立經濟社會發展正面清單。2023年1月，湖北省委、省政府聯合出臺《湖北省流域綜合治理和統籌發展規劃綱要》（以下簡稱《規劃綱要》），基于省市級行政區劃，將全省劃分為長江、漢江、清江3個一級流域和16個二級流域片區，制定涵蓋水安全、水環境安全、糧食和能源資源安全、生態安全的4條安全底線清單和管控機制，成為全省建設全國構建新發展格局先行區的行動綱領。依據《規劃綱要》，十堰市委、市政府組織編制《十堰市流域綜合治理和統籌發展規劃綱要》，基于市縣級行政區劃，將全市劃分為10個三級流域片區、23個四級流域片區，成為全市統籌推進四化同步發展和經濟社會協調發展的管理要素。

在湖北省行政區內，以省市劃定的流域片區為基礎，開展重要生態功能區小流域劃分工作具有重要的現實意義。本文選擇湖北省丹江口庫區（十堰市）為典型示范區，采用水利部推薦的水土流失小流域劃分及編碼方法［5］，基于十堰市流域綜合治理和統籌發展規劃綱要劃定的三級、四級流域片區，開展河網水系和小流域單元劃分，研究成果對丹江口庫區水土流失防治、小流域治理成效評估等提供數據支撐。

1 研究資料

1.1 研究區概況

選擇湖北省十堰市為典型研究區（圖1）。十堰市境內的丹江口水庫是國家南水北調中線水源工程的主體，而且是華中屋脊——湖北神農架自然保護區的生態屏障區。全市地處湖北省西北部，位于漢江中上游地區，地理位置為東經109°29′～111°16′，北緯31°30′～33°16′，屬亞熱帶季風氣候，溫暖多雨，四季分明，年平均降水量約840 mm，年平均氣溫15.2 ℃。植被覆蓋度高，現狀植被以闊葉林、針葉林和針闊葉混交林為主。

1.2 數據資料

（1） 水土保持規劃資料。包括《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持“十四五”規劃》《湖北省水土保持規劃（2016～2030年）》《湖北省流域綜合治理和統籌發展規劃綱要》《十堰市流域綜合治理和統籌發展規劃綱要》等。

（2） 數字高程模型。包括1∶50 000 DEM（25 m×25 m、WGS84坐標系、UTM投影）。

（3） 其他資料。包括2 m分辨率衛星遙感影像（GF-1、ZY-3，水利部下發）、1∶10 000河流水系分布圖、1∶10 000行政界線矢量圖、1∶10 000交通路網圖。

2 研究方法

2.1 劃分原則

小流域是指二、三級支流以下以分水嶺和下游河道出口斷面為界集水面積在50 km2以下的相對獨立和封閉的自然匯水區域，其劃分原則主要包括：

（1） 以自然地形地貌為基礎，盡量保證小流域形態特征完整，小流域自然邊界要與各級流域自然邊界銜接；流域自然邊界與流域治理邊界沖突時，優先選擇流域治理邊界。

（2） 充分考慮地表匯水關系，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，保證上下游匯水關系的正確性。

（3） 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，且流域出口為寬淺平緩谷地時，將出口順接到上級溝（河）道。

（4） 小流域面積原則上控制在3～50 km2；面積小于3 km2時，與鄰近小流域歸并。

（5） 劃分結果應覆蓋整個劃分區域，即小流域面積之和應等于該區域總面積。

2.2 劃分方法

基于數字高程模型（DEM）提取流域數字特征，主要包括DEM預處理、流向分析、匯流累積分析以及河網提取、流域邊界生成、小流域歸并等步驟。

（1） DEM預處理。通過預處理工作，去掉洼地和尖峰，將地形改造成斜坡形式，避免在計算水流方向時出現逆流的現象。

（2） 流向分析。在填洼后的DEM中，每個柵格單元都有一個可以定義的水流方向值，其確定方法有單流向和多流向等。本文采用單流向D8算法，其基本假設是，每個單元格水流方向只能流向8個相鄰的單元格，水流沿最陡坡度的方向流動。通過計算中心單元格與周圍8個單元格的坡度，即可確定中心單元格的水流方向。

（3） 匯流累積分析。從每個柵格單元出發依次掃描流向矩陣，沿水流方向追蹤到DEM邊界，當整個水流方向矩陣掃描完畢，可以得到流域匯流能力的柵格分布圖。匯流柵格上每個單元的值代表上游匯流區內流入該單元的上游柵格單元格的總數，值較大者為河谷，值等于零則是流域的分水嶺。

（4） 河網提取。設定最小支流上游集水區的面積閾值，以上游集水區面積大于閾值面積的網格點為該支流的起始點，流域內集水面積超過該閾值的網格點為水道，提取匯流累積柵格上所有大于或等于最小集水面積閾值的柵格，形成河網柵格數據，并轉化為河網矢量圖。

（5） 流域邊界生成。流域（集水區域）是流經其中的水流從一個公共的出水口排出，形成一個集中排水區域。首先確定該集水區域的最低點，然后結合水流方向數據，搜取該出水點上游所有流過該出水點的柵格，直到所有的柵格單元都確定了位置，即得到流域的邊界或分水嶺的位置。當流域自然邊界（分水嶺）與流域治理邊界沖突時，優先選擇流域治理邊界為流域邊界。

（6） 小流域歸并。小流域面積原則上控制在3～50 km2。對于面積小于閾值的小流域，將其歸并到臨近的小流域中。利用高分遙感影像細分河網水系是進行微小流域合并的關鍵環節。采用高分辨率遙感解譯與人機交互修整方法，提高DEM自動提取河網的準確度，生成高精度的小流域劃分單元數據。

3 結果與討論

3.1 結 果

十堰市屬于漢江流域一級片區，主要分為漢江丹庫以上片區和漢江中游片區2個二級片區。在二級流域單元基礎上，結合自然地理、地形地貌等因素，將全市劃分為9個三級流域片區與23個四級流域片區（圖2）。

在三級、四級流域片區的基礎上，統籌上下游、左右岸、干支流流域關系，綜合大型水利工程、鄉鎮行政邊界等因素，依次提取了河網（圖3）、小流域（圖4），并結合高分辨率遙感影像解譯和人機交互式修整等方法，劃定了1 472條五級小流域，小流域平均面積在12～18 km2之間（圖5、表1）。

3.2 討 論

（1） 小流域類型特征。

如圖6所示，根據溝道匯水特征、出水口位置等，庫區小流域類型主要包括完整型小流域、坡面型小流域和區間型小流域。其中，完整型小流域具有明顯的主溝道，分水嶺完全閉合，有且僅有一個出水口；坡面型小流域呈現多條短溝道并排的羽毛狀微流域，無明顯的主溝道和分水嶺；區間型小流域的主溝道只有一個出水口和一個入水口的區間河段，分水嶺不閉合［8］。受區域地形地貌的控制，庫區小流域以完整型小流域和坡面型小流域為主。

（2） 河網提取優化。

由于丹江口庫區坡耕地較多、生產建設項目人為擾動較大等因素，DEM自動提取河網成果和實際情況出現了一定的偏差。如圖7所示，將DEM自動提取結果和人機交互修整結果進行對比發現，人機交互修整方法能夠提高河網提取準確度，其主要原因在于：① 河道整治、渠道修建和道路交通等涉河生產建設活動對河道形態產生了較大的影響；② 由于DEM比例尺限制，難以完整描述自然條件下河道局部彎曲等情況，造成彎曲河道曲率較實際偏小。

4 結 論

（1） 從湖北省流域綜合治理和統籌發展規劃觀點出發，選擇湖北省丹江口庫區（十堰市）為研究區，提出了一種基于流域治理單元的重要生態功能區小流域劃分方法，為全國加快推進小流域劃定工作提供了案例經驗。從劃分方法上看，本文提出的小流域劃分方法，繼承了流域綜合治理和統籌發展規劃成果，確保了小流域單元劃分成果位于各級流域片區內，避免了小流域單元跨過安全底線邊界，達到了小流域單元與國土空間管控的銜接。從應用成效上看，小流域劃分成果補充完善了全省水安全管控底圖，通過《規劃綱要》落地實施，保證小流域劃分成果在水利、自然資源、農業農村等部門實際應用，形成了多部門水土流失防治“合力”、推動了小流域綜合治理提質增效，實現了水土保持與社會治理的協調。

（2） 基于十堰市流域綜合治理規劃確定的9個三級流域片區與23個四級流域片區，利用數字高程模型（DEM）、高分辨率遙感影像等數據，采用河網自動提取和人機交互修整等方法，確定了1 472個五級小流域單元，初步實現了小流域單元與流域治理單元的銜接。

（3） 本研究劃定的五級小流域單元面積大多在15～18 km2，距離小流域定義的50 km2門檻有一定差距，存在著過于細碎的傾向，需要開展小流域單元的歸并整合。此外，要進一步分析小流域劃分成果的適用范圍和應用潛力，以達到水利部門劃定的小流域治理單元能在國土資源、生態環保、農業農村等部門推廣使用的目標，真正形成水土保持各部門齊抓共管的“合力”。

參考文獻：

［1］ 胡甲均.以確保“一泓清水永續北上”引領南水北調中線水源區水土保持高質量發展［J］.水利發展研究，2024，24（2）：33-38.

［2］ 吳遵雄，盧繼茍.“十三五”湖北省丹江口庫區水土流失治理成效［J］.中國水土保持，2021（10）：8-9.

［3］ 楊妍妨，程洋，王永.丹江口庫區石漠化特征及成因分析［J］.人民長江，2022，53（5）：101-105.

［4］ 向大享，姜瑩，程學軍，等.遙感技術在老撾南里河小流域綜合治理中的應用［J］.人民長江，2022，53（6）：39-44.

［5］ 程冬兵，張平倉，孫寶洋，等.“排水保土”探索與實踐［J］.人民長江，2022，53（11）：77-52.

［6］ DUAN X W，BAI Z W，RONG L B，et.al.Investigation method for regional soil erosion based on the Chinese soil loss equation and high-resolution spatial data：case study on the mountainous Yunnan province，China［J］.Catena，2020，184：104237.

［7］ GITIMA G，TESHOME M，KASSIE M，et al.Quantifying the impacts of spatiotemporal land use and land cover changes on soil loss across agroecologies and slope categories using GIS and RUSLE model in Zoa watershed，southwest Ethiopia［J］.Ecological Processes，2023，24（12）.

［8］ 任樂萌.顧及尺度效應的丹江口庫區土壤侵蝕時空分異特征及驅動力研究［D］.武漢：武漢理工大學，2019.

［9］ 中華人民共和國水利部.小流域劃分及編碼規范：SL 653-2013［S］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［10］吳鵬，韓錦琳.河南省水土保持小流域劃分原則與流程［J］.中國水土保持，2022（5）：29-31.

［11］趙娟，周國富，蔡雄飛，等.巖溶山區小流域劃分與流域類型探討：以貴州省盤州市為例［J］.中國水土保持，2019（2）：27-30.

［12］王雪，李精忠，余斌.基于DEM提取流域特征影響因子的分析［J］.測繪與空間地理信息，2019，42（6）：38-42.

［13］王福嶺，吳鵬，郭子琦.以小流域為單元的水土流失強度評估［J］.中國水土保持，2023（1）：44-47.

［14］夏照華，李瑞平，康芮，等.基于DTGIS的北京市山區流域水系劃分方法探討［J］.中國水土保持，2018（2）：38-41.

［15］齊斐，胡續禮，劉霞，等.基于小流域劃分的沂源縣水土保持規劃布局及措施配置［J］.中國水土保持科學，2018，16（5）：129-135.

［16］高翔，黨倩文，孫小霞，等.基于ArcHydroTools的祁連山國家公園小流域劃分［J］.蘭州大學學報（自然科學版），2023，59（4）：500-505.

［17］黃國金，鐘九生，代仁麗，等.基于DEM的烏江流域中游遵義段巖溶區域小流域提取閾值分析［J］.水電能源科學，2021，39（5）：25-28.

［18］郭文慧，于泳，李璐，等.基于DEM的丹江口水源治理區小流域劃分研究［J］.中國水土保持，2018（5）：51-54.

（編輯：黃文晉）

Sub-watershed division in Danjiangkou Reservoir of Hubei Province oriented to watershed governance unit

LI Zhe1，2，WU Yibang1，2，KAN Hongtao3，XIANG Daxiang1，2，LI Jingwei1，2，CUI Changlu1，2

（1.Department of Spatial Information Application，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Wuhan Smart Watershed Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China； 3.Construction & Management Bureau of North Hubei Water Transfer Project，Wuhan 430060，China）

Abstract：

The division of small watershed units in the Danjiangkou Reservoir Area is fundamental work for ensuring water quality safety and building water ecological civilization in the reservoir area.We selected the Danjiangkou Reservoir Area （Shiyan City） in Hubei Province as the research area and used high-precision DEM，high-resolution remote sensing images，and other data sources.According to the 9 third-level watershed areas and 23 fourth-level watershed areas in Hubei Province watershed comprehensive governance and coordinated development planning outline，1 472 fifth-level sub-watershed units were delineated，forming an important ecological function area small watershed division method for watershed comprehensive governance units by using methods such as automatic river network extraction and human-machine interaction adjustment.The results can provide a decision-making basis for the prevention and control of soil erosion in the Danjiangkou Reservoir of Hubei Province，the evaluation of the effectiveness of small watershed management，and the formation of a joint effort among various departments for soil erosion prevention and control.

Key words：

watershed governance planning； sub-watershed unit division； digital elevation model； Danjiangkou Reservoir Area