基于DEM的不同地貌類型區小流域劃分及分布特征研究
——以貴州省赤水河流域為例

呂一兵，張 斌，陳智虎，李亦秋，楊廣斌

(1. 貴州省第三測繪院，貴州 貴陽 550004； 2. 貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550001)

基于DEM的不同地貌類型區小流域劃分及分布特征研究
——以貴州省赤水河流域為例

呂一兵1，張 斌1，陳智虎2，李亦秋2，楊廣斌2

(1. 貴州省第三測繪院，貴州 貴陽 550004； 2. 貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550001)

小流域已經成為水土流失治理、生態系統修復等研究工作的重要地理單元。本文以貴州省赤水河流域為研究對象，探索我國西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區小流域劃分方法及小流域分布特征，基于DEM提取小流域邊界，利用1∶5萬地形圖進行修正，并結合野外調查和地質、水文數據驗證，最終將貴州省赤水河流域劃定了753個小流域。其中，喀斯特地貌區小流域個數358個，喀斯特+非喀斯特地貌區小流域個數182個，非喀斯特地貌區213個；就不同流域類型小流域劃分結果看，完整型小流域530個，區間型小流域180個，坡面型小流域43個；這些小流域中面積小于3 km2的有9個，面積在3～10 km2的有310個，面積在10～30 km2的有348個，面積在30～50 km2的有86個。貴州省赤水河流域小流域劃分研究可為小流域治理工作提供依據，為區域制定水土保持方案和生態建設措施提供輔助決策，促進喀斯特地區水土保持與生態環境建設。

赤水河流域；DEM；小流域劃分；分布特征

Abstract： The small watershed division has become an important geographical unit in soil and water loss control,ecosystem restoration,etc.This paper takes the Chishui river basin as the research object,and obtains the digital elevation model(DEM)based on 1∶50 000 topographic map,and then extracts the small watershed of the Chishui river basin in Guizhou province.We have carried out a field investigation combined with geological and hydrological data to verify the accuracy of small watershed division result.Eventually,we get 753 small watershed in the Chishui river basin of Guizhou province,most of them distributed in Xishui county,Chishui city,Renhuai city,Qixingguan cities,etc.Among the 753 small watershed,530 of them are part of complete type watershed,180 of them are part of interval type watershed,and 43 of them are part of slope type watershed.And there are 9 small watershed whose area is less than 3 km2,310 small watershed whose area between 3 km2and 10 km2,348 small watershed whose area between 10 km2and 30 km2,and 86 small watershed whose area between 30 km2and 50 km2.The small watershed segmentation study of Chishui river basin in Guizhou province provides the scientific basis for small watershed management,the scientific basis for decision-making for the soil and water conservation measures of regional ecological construction,and promotes the soil and water conservation ecological environment construction.

Keywords： Chishui river basin;digital elevation model(DEM);small watershed division;distribution

小流域作為一個單元，具有其特有的生態系統功能和有別于其他地理單元的性質，目前在水土流失研究方面，較多的研究均是基于小流域來進行的。小流域也是用于計算河流產水產沙的最小單元[1-3]，是水文及水土流失研究與管理的最佳地域尺度[4]，準確劃分小流域對水土保持規劃和水利工程設計具有非常重要的支撐作用[5]。

我國西南地區作為世界三大喀斯特地貌分布區之一，巖石的組成成分多種多樣，巖石的種類繁多，不同的巖石分布廣泛，加上西南地區地處亞熱帶季風氣候，使得西南地區喀斯特地貌類型復雜多樣，種類繁多，主要以喀斯特中高山、斷陷盆地、高原、峽谷、峰叢洼地、槽谷、峰林平原、溶丘洼地等地貌類型比較突出[6]。復雜的地貌類型和喀斯特流域地表地下二元結構水循環特征使西南地區小流域自動提取面臨諸多問題[7]。

目前，國內外基于小流域作的研究較多，對小流域劃分技術的研究較少。例如，2007年，陳加兵等采用1∶10萬的地形圖，通過對地形圖進行校正、空間參考建立、地形圖裁切、數字化等工作，空間差值生成福建省DEM數據，基于DEM數據劃分出福建省的小流域[8]；2009年，廖婧臨等探討了在某一個小流域范圍內不同復種指數條件下的土壤質量變化情況研究[9]；2013年，方健梅等以貴州金沙縣的一個小流域為例，對小流域綜合治理情況進行了客觀的評價[10]。在喀斯特地區的研究，大多數只是選取某一個固定小流域開展，沒有系統地研究小流域劃分存在的問題[11-16]。本文以貴州省赤水河流域為研究區，探索我國西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區小流域劃分方法及小流域分布特征，為西南地區生態地理單元的劃分和管理提供科學依據。

1 研究區域概況

赤水河發源于云南省鎮雄縣魚洞鄉大洞，至四川省合江縣匯入長江，是長江一級支流中唯一沒有水壩的原生態河，同時也是長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區，如圖1所示。赤水河流域貴州段分屬于不同地貌類型區：七星關區林口鎮至仁懷市茅臺鎮河段，三疊系石灰巖，屬云貴高原地貌，峰叢、洼地、落水洞、暗河發育完整；仁懷市茅臺鎮至赤水河金華辦事處河段河谷深切，屬云貴高原與四川盆地接壤的過渡帶，巖石主要為紅色砂巖、沙頁巖。赤水河流域貴州段石漠化問題突出，水土流失嚴重[17-18]，生態環境惡化，是我國西南部生態型貧困區域，也是我國人地矛盾最突出的地區之一[19]，嚴重限制著區域可持續發展。為了進一步規范小流域的管理，更加合理地對小流域進行開發利用，提高小流域的開發利用成效，同時改善流域內的生態環境，2011年10月，貴州省正式施行《貴州省赤水河流域保護條例》。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文主要數據來源包括：研究區范圍內1∶5萬比例尺地形圖數據；依據地形圖進行矢量化和空間差值得到研究區DEM數據[20]；2015年的高分一號衛星數據；研究區基礎地理信息數據，包括地質地貌、土壤、植被、水文、氣象、土地利用等輔助數據。

圖1 赤水河流域地貌類型分布

2.2 研究方法

(1) ArcGIS水文分析方法。研究區小流域的提取主要運用ArcGIS中的水文分析方法，通過分析獲取的DEM數據，對DEM數據進行填洼處理、水流方向計算、匯流累積量計算等步驟，直至DEM不再有洼地出現，最終得到符合實際的DEM數據。

(2) 對比分析方法。在部分地形比較復雜的地區及分界線模糊區域，小流域劃分結果需要參照地形圖或遙感影像進行手動修改。小流域邊界要求與等高線處處垂直，每一條分水線均要經過山頂點和鞍部，除此之外，結合獲取到的土地利用數據進行局部修改。

(3) 實地調研法。遇到不能完全確認的小流域邊界，通過現場勘驗核實后確定。在實地用GPS精確定位量測，檢驗小流域劃分邊界是否正確；根據野外復核意見，在室內進行成果修改。

3 小流域劃分

3.1 小流域劃分標準和依據

根據2013年，中華人民共和國水利部發布的《小流域劃分及編碼規范》(SL 653—2013)，小流域劃分遵循以下標準：①小流域提取的面積在3～50 km2之間；②小流域的邊界須經過山頂點、鞍部，小流域邊界須與等高線處處垂直；③小流域分為完整型、坡面型和區間型3種類型。

3.2 小流域劃分存在問題

貴州省赤水河流域是典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區。在進行小流域劃分時，由于受到喀斯特特殊地貌類型如峰叢、洼地、峰林、孤峰和落水洞的影響，小流域劃分結果會出現與實際地形不符的情況。

(1) 洼地、盲谷。喀斯特地貌類型區地貌特殊，地表比較破碎，同一個地區地貌類型也是多種多樣，經常會出現河流遇到落水洞情況，形成地下徑流，產生沒有谷口的河流，俗稱盲谷，如圖2所示。

圖2 喀斯特地區的盲谷

(2) 峰林、峰叢和孤峰。喀斯特地區地貌類型眾多，其中峰林、峰叢、孤峰等地貌比較突出，地表容易出現溶溝和豎井，流域界限不明顯，需要結合實地進行調查后確認，通過水文分析方法會將部分流域界限進行錯分，從而出現錯誤(如圖3所示)。

圖3 喀斯特地區的峰叢、峰林

3.3 小流域劃分具體實施

3.3.1 技術路線

根據小流域劃分的要求，本文以國家、部門、行業等技術規范和標準為依據，運用現代傳感器技術、地理信息系統技術、空間定位技術等，按1∶5萬比例尺精度要求，對研究區進行小流域劃分，技術路線如圖4所示。

3.3.2 小流域自動提取

針對研究區域喀斯特與非喀斯特地貌混合分布，先提取微流域，再根據自然匯水關系進行微流域歸并，最后疊加遙感影像數據、地形圖數據、土地利用數據等對劃分結果進行檢驗和修正。

圖4 不同地貌類型區小流域劃分技術路線

(1) 微流域提取。基于DEM空間數據庫，設定1 km2作為微流域提取的面積，一次性提取微流域，具體步驟如下：①洼地填充。②水流方向確定，運用最大坡降算法計算水流方向[21]。③統計匯流累積量，小流域面積的大小依據匯流累積量的不同而不同，需要設置不同的數值，選擇最符合實際和研究要求的一個數值進行計算，通過設置10 000格網、20 000格網、30 000格網等不同閾值進行試驗，對每個試驗結果疊加地形圖和遙感影像進行分析。試驗證明：在閾值為10 000時，流域劃分破碎，大部分流域面積低于3 km2；閾值為20 000時，流域界限與實地吻合得比較好，面積大小也符合要求；閾值為30 000時，大部分流域面積過大，需要進行流域再細分過程，會增加工作量。故選擇20 000格網進行研究。④確定流域出水口位置。⑤微流域提取。⑥微流域邊界確認。

(2) 典型喀斯特地區(盲谷、洼地)小流域邊界修正。在盲谷、洼地分布較多的地區，小流域邊界比較模糊，在進行流域提取時，可以將洼地的中心和落水洞的位置單獨提出，進行單獨處理，能夠較好地劃分出這一步小流域，但是也需手動進行修改，將不合理或劃分不準確的小流域進行檢驗和修正，直至結果滿足要求。修正的步驟主要是基于地形圖和遙感影像，以及實地調查的結果，將流域的面積控制在3～50 km2范圍內。盲谷、洼地微流域修正前后結果如圖5、圖6所示。

(3) 典型喀斯特地區(峰林、峰叢)小流域邊界修正。峰林、峰叢和孤峰分布區與洼地、盲谷分布區有一定的區別。在峰林、峰叢分布的地方，沒有明顯的邊界，大部分地區峰林和峰叢都是連片分布的，從影像上看，分布特點就像花生殼一樣坑坑洼洼，又有破碎的河流和耕地分布，這些地方必須通過人為的干擾，才能劃分出與實際相符的流域。主要有兩點：第一，連片存在峰林和峰叢的地方盡可能地將其劃分為一個流域，面積控制在3～50 km2；第二，峰林和峰叢分布不集中的地方，可以依據等高線的走勢、實地河流的流向劃分到相鄰的小流域內。峰林、峰叢地區微流域修正前后結果如圖7、圖8所示。

圖5 盲谷、洼地微流域合并前

圖6 盲谷、洼地微流域合并后

圖7 峰林、峰叢地區微流域合并前

圖8 峰林、峰叢地區微流域合并后

3.3.3 精度驗證

(1) 小流域邊界驗證。經過前期的數據分析處理等過程，初步提取了研究區的小流域邊界，為分析結果的準確性，將前期的小流域邊界成果參照小流域劃分標準一一進行檢查，對不符合要求的小流域進行及時修改。從驗證結果來看，劃分出來的小流域邊界絕大部分是比較符合實際的，但是，因喀斯特地區水系網絡結構復雜，在峰林、峰叢和洼地分布較多的地方，劃分結果與實際有所偏差，需要手動進行修改。

(2) 小流域存在性驗證。通過隨機抽取一部分小流域進行實地調查，絕大部分小流域的劃分結果是合理的，流域界限是符合要求的。對峰林、峰叢和盲谷分布的地方，進行相應的處理，劃分結果也能達到預期的效果。

3.4 小流域劃分結果與分析

3.4.1 不同地貌類型區小流域分布特征

根據地形圖數字化赤水河流域1∶5萬數字高程模型(DEM)，提取小流域邊界，經過室內勾繪和野外勘驗等工作，最終提取貴州省赤水河流域小流域753個，在不同地貌類型區的分布如圖9所示。

圖9 不同地貌類型區小流域分布

根據圖9的屬性統計，喀斯特地貌區小流域358個，占小流域總數的47.54%；喀斯特+非喀斯特地貌區小流域182個，占小流域總數的24.17%；非喀斯特地貌區小流域213個，占小流域總數的28.29%(見表1)。

表1 不同地貌類型區小流域劃分統計

3.4.2 結 果

貴州省赤水河流域小流域按流域類型其分布如圖10所示。

圖10 不同小流域類型分布

根據圖10的屬性統計，完整型小流域530個，占小流域提取總個數的70.39%；坡面型小流域43個，占小流域提取總個數的5.71%；區間型小流域180個，占小流域提取總個數的23.90%(見表2)。

表2 不同小流域類型統計

3.4.3 小流域按面積統計結果

貴州省赤水河流域小流域按面積統計結果見表3。

表3 不同小流域面積統計

由表3可知，面積低于3 km2的小流域比較少，有9個，占小流域提取總個數的1.20%；面積在3～10 km2的小流域有310個，占小流域提取總個數的41.17%；面積在10～30 km2的有348個，占小流域提取總個數的46.22%；面積在30～50 km2的有86個，占小流域提取總個數的11.42%。

4 結 論

本文以貴州省赤水河流域為研究對象，基于1∶5萬地形圖，通過DEM提取貴州省赤水河流域的小流域，探索我國西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區小流域劃分方法及小流域分布特征，主要結論如下：

(1) 赤水河流域中喀斯特地貌區小流域個數358個，占小流域總數的47.54%；喀斯特+非喀斯特地貌區小流域個數182個，占小流域總數的24.17%；非喀斯特地貌區213個，占小流域總數的28.29%。

(2) 赤水河流域小流域按照類型統計，其中完整型小流域530個，區間型小流域180個，坡面型小流域43個。從提取精度來看，完整型小流域的精度要高于坡面型和區間型小流域。

(3) 赤水河流域小流域按照面積統計，小流域面積小于3 km2有9個，面積在3～10 km2的有310個，面積在10～30 km2的有348個，面積在30～50 km2的有86個。面積在10～30 km2的提取精度比較高。

在本研究中，雖然基于DEM可以自動提取小流域，但因喀斯特地貌類型復雜和地表地下二元結構水循環特點，使得小流域劃分邊界存在諸多問題，必須借助手動編輯和修正才能達到較理想的劃分效果，對于喀斯特地區小流域劃分實現完全自動化提取還需要進一步研究。

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DifferentGeomorphicTypeWatershedDivisionandDistributionResearchBasedonDEM—TakingChishuiRiverBasinasanExample

Lü Yibing1，ZHANG Bin1，CHEN Zhihu2，LI Yiqiu2，YANG Guangbin2

(1. The Third Surveying and Mapping Institute Guizhou Province，Guiyang 550004,China； 2. School of Geography and Environment Sciences,Guizhou Normal University，Guiyang 550001,China)

P208

A

0494-0911(2017)09-0110-06

呂一兵，張斌，陳智虎，等.基于DEM的不同地貌類型區小流域劃分及分布特征研究——以貴州省赤水河流域為例[J].測繪通報，2017(9)：110-115.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0501.

2017-07-12

國家自然科學基金(41361091)

呂一兵(1963—)，男，高級工程師，主要從事測繪地理信息研究。E-mail：522801596@qq.com

楊廣斌。E-mail：ygbyln@163.com