基于DEM的寧波市皎口—周公宅水庫水源保護區的劃區定界方法

項 璐，馮秀麗，王 侃，曹 昊

(1.寧波大學建筑工程與環境學院，浙江寧波 315211;2.余姚市國土資源局，浙江寧波 315400)

水是人類生存和發展不可缺少的重要自然資源。社會經濟的快速發展和人口的增長，對水資源提出了更高的需求。2005年水利部啟動了“全國城市飲用水水源地安全保障規劃”，規劃涉及全國661個建制市和1746個縣級城鎮的4555個集中式飲用水源地，其中地表水水源地2405個，占總數的52.18%。在所調查的4555個集中式飲用水水源地中，有638個飲用水水源地水質不安全，飲用水水源地環境污染問題突出。水庫作為地表水水源地的主要形式之一，其集水區內工農業、生活、畜禽養殖等產生的廢水對水庫水質造成持續污染，將直接威脅群眾飲水安全。而當前對水庫水源的保護大多限于水環境功能區的劃分，即對水庫及其源頭劃分為自然保護區(沿水庫縱深1000 m的陸域范圍)。目前各級政府部門在保護區內開展建設、污染整治等工作無法可依，難以進行有效督管。而且飲用水水源相關法律法規中關于保護區劃分的規定過于籠統，如HJ/T338—2007《飲用水水源保護區劃分技術規范》(以下簡稱《技術規范》)雖然對各種水源保護區給出了劃區定界的規范，但沒有明確的技術流程，劃定水庫飲用水水源保護區存在一定困難，范圍合理、邊界清晰的水源保護區難以獲得，從而使相關部門的水庫水源保護工作無據可依。

因此，科學合理地劃定水庫水源保護區，是保護水庫水源地最大可能免受人類活動影響、保證水質安全的重要措施[1]。目前3S技術在水文水資源方面的應用已相當普及并體現出其優越性，GIS技術能夠處理和分析多種地理空間實體數據和關系，用以解決復雜的規劃、決策和管理問題。利用GIS技術進行河網水系提取、流域盆地劃分、子流域生成、自然環境專題信息獲取等方面的研究取得了重要進展，對水資源或流域的研究和保護有重要的參考價值[2-5]。目前國內利用GIS技術進行水庫飲用水源保護區劃分的研究較少，且沒有結合遙感影像對保護區范圍線進行修正的相關研究;同時，已有關于飲用水水源保護區劃分的研究沒有具體的操作細則，兩級保護區的水域和陸域范圍確定沒有細化，因此水庫飲用水水源保護區劃分的技術方法需要進一步探究。筆者以寧波市重要的飲用水水庫水源——皎口水庫和周公宅水庫為例，在分析其流域現狀的基礎上，探討基于DEM技術的水庫水源保護區劃分方法，進行水源保護區的劃區定界。對水庫水源進行保護區劃區定界，不僅可有效保護水源地水質，保障飲用水安全，而且污染源監督等管理工作也有了執法依據。

1 研究區與數據

研究范圍為皎口—周公宅水庫流域，涉及寧波市鄞州區章水鎮，余姚市鹿亭鄉、大嵐鎮、四明山鎮，總面積259 km2，流域內共有行政村39個，戶籍人口為42950人。皎口—周公宅水庫流域地形主要為低山及丘陵，山嶺高程一般在300～900 m，最高峰976 m，地勢自西向北傾斜，河道落差較大，源短流急。皎口水庫位于鄞州區章水鎮，距寧波城區約35 km，總庫容1.19 億 m3，正常蓄水位 69.9 m，是向寧波市區供水的5大水源之一;周公宅水庫位于皎口水庫上游15 km，總庫容1.12億 m3，正常蓄水位233.0 m。皎口水庫和周公宅水庫通過聯合調度，承擔向寧波市區提供50萬t/d飲用水的輸水任務，是寧波市主要飲用水水源，已成為寧波市可持續發展的重要支撐因素。

皎口—周公宅水庫流域范圍內農業面源污染是影響水庫水質的主要污染源。水庫流域內的農業種植以經濟作物為主，需肥量大，地表徑流攜帶大部分化肥進入水庫，成為農業面源污染的主要因素之一;此外，水庫流域內村莊人口比較分散，缺少系統的排水管網和配套的污水處理設施，大部分農村生活污水未經處理直接排入附近溪流，最終排入水庫;再次，在水庫流域范圍內還存在相當數量的工業企業，其排放的廢水大部分也進入庫區，污染水體;最后，隨著水庫流域內農家樂、漂流、四明山景區等旅游業的發展，游客產生的生活垃圾及廢水量大增，影響了飲用水源的水質。

研究使用的數據包括DEM、航測影像、2009年1∶10000土地利用現狀矢量數據等。DEM柵格大小為5 m×5 m，遙感影像為研究區2009年幾何糾正后的航測影像，分辨率為0.5 m。所用DEM、影像和土地利用現狀矢量數據皆為西安80坐標系。

2 方法與流程

2.1 保護區界線分層提取

利用ArcGIS中的水文分析模塊對DEM數據進行分析處理。步驟如下:①對DEM數據進行洼地填充，生成無洼地的DEM;利用無洼地的DEM進行流向分析，得到流向柵格數據。②計算匯流累積量。匯流累積量是提取水網的基礎，匯流累積的數值越大，就越易形成地表徑流。③在此基礎上，提取河流網絡柵格，可以將柵格數據轉換成河流網絡矢量數據，通過設置參數，減少小支流的數量。④采用Stream Order中的Strahler分級法，將河網分級，結合研究區實際情況確定需要重點保護的高等級干流。⑤利用水流方向數據，通過Basin工具計算生成流域盆地集水區，從中提取出皎口—周公宅水庫流域盆地。⑥利用Watershed工具，將流域盆地進行分割生成低級的集水區，即研究區的子流域[6-7]。將流域柵格進行矢量轉換，獲得相應的子流域多邊形矢量數據與拓撲信息[8]，用于水庫水源保護區陸域范圍的確定。水庫沿岸第一重山的山脊線及水庫上游主要干流沿岸第一重山的山脊線如圖1所示，水庫上游主要干流沿岸縱深1000m緩沖區如圖2所示。

2.2 保護區定界

按照《技術規范》，綜合考慮自然環境、社會經濟以及法律法規政策等因素，結合遙感影像、土地利用現狀圖、行政界線、居民點分布、區域地形特征等，對保護區界線分層提取結果進行GIS疊加分析及修正，最終劃定水庫水源一級、二級保護區。

2.2.1 水源一級保護區

皎口水庫和周公宅水庫屬于單一供水型水庫，根據《技術規范》中的相關規定，將這兩個水庫正常水位線以下的全部水域面積以及水庫沿岸至第一重山的山脊線范圍劃為一級保護區。當水庫沿岸第一重山水平距離太遠時，直接跨山頭連接山脊線;對于上游河流，根據河流分級的結果，并結合實際情況，先確定水庫上游河流的主要干流，將其全部水面以及干流沿岸縱深1000 m但不超過沿岸第一重山的山脊線范圍劃為一級保護區，即將第一重山范圍線與沿岸1000 m緩沖區做空間疊加分析。但由于在實際劃定保護區范圍過程中要結合水源保護區的地形、地標、地物特點，同時也要考慮居民點、污染源等因素的影響，需對第一重山范圍線與沿岸1000 m緩沖區的空間疊加結果進行修正，例如遇到集中分布的居民點，其一部分在河流沿岸縱深1000 m緩沖區之內，其余部分在緩沖區外，考慮到居民點的整體性，則需修正將整個居民區劃入保護范圍，利用遙感影像，對范圍線進行調整。如圖3所示，實線為修正前空間疊加分析的結果，虛線為修正后的結果。

圖1 水庫沿岸第一重山的山脊線

圖2 水庫沿岸主要干流沿岸縱深1000 m緩沖區

圖3 初步劃定結果修正

2.2.2 水源二級保護區

面源污染是皎口—周公宅水庫流域的主要污染源，二級保護區范圍依據《技術規范》中的相關規定進行確定，具體可依據自然地理、環境特征和環境管理需要，通過分析地形、植被、土地利用、森林開發、地面徑流的集水匯流特性、集水域范圍等確定。但是由于皎口水庫和周公宅水庫為山區性水庫，整個集雨區分水嶺內一級保護區外的平均海拔約500 m，地形起伏大、相對高差大，入庫河流為山溪性河流，上游入庫河流對水庫水質的影響很大，在降雨期河流流速快、流量大，流域內各類污染物能夠迅速進入水庫。因此，從有利于環境管理和水源保護出發，依據該流域的自然地理環境特征，將整個水庫集雨區內除一級保護區外的區域均劃為二級保護區。

3 結果與分析

皎口水庫水源保護區總面積127.00 km2。一級保護區面積70.22 km2，其中水域范圍為皎口水庫水面和上游干流，面積為3.95 km2;陸域范圍為水庫沿岸至第一重山的山脊線及上游干流沿岸縱深1000 m但不超過沿岸第一重山的山脊線，面積66.27 km2。水源二級保護區面積為56.78 km2。

周公宅水庫水源保護區總面積132.00 km2。其一級保護區的水域范圍和陸域范圍的劃分原則同皎口水庫。一級保護區面積為50.77 km2，其中水域范圍面積為3.06 km2;陸域范圍面積為47.71 km2。水源二級保護區面積為81.23 km2。

皎口—周公宅水庫水源保護區劃分范圍如圖4所示。

圖4 水庫飲用水水源保護區劃

水庫飲用水源保護區的劃分要求較嚴格。飲用水水源一級保護區的范圍過大，將對山區群眾的生產、生活造成很大的影響，不利于地方經濟的發展;范圍過小，則流域內各類污染源直接影響水庫水質，不利于水庫水質的保護。二級保護區的劃分主要依據流域內主要環境問題，結合地形條件分析確定。將第一重山脊線與沿岸1000 m緩沖區做疊加分析，劃分出的一級保護區與將整個水庫集雨區內除一級保護區外的區域劃為二級保護區，從有利于水源地環境管理和污染整治的角度出發，是比較適宜的。

4 結語

遵循研究區流域的地形地貌特征和水文特征，并考慮土地利用、經濟發展等因素影響，利用DEM，采用GIS技術，更加快速、準確地對寧波市皎口水庫、周公宅水庫飲用水水源保護區進行了劃分，劃分方法較為科學合理，實現了保護區范圍的半自動化界定[9-10]。將研究成果作為參考，嚴格執行飲用水源保護區相關規定，對于飲用水源地水質的日常保護工作具有顯著的意義;同時，該研究對水資源的開發利用和其他類似的水庫水源保護區的劃區定界也具有參考意義。

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