基于人機交互的地形復雜區小流域劃分研究
——以湖北省為例

2018-02-13 07:45:02王志剛張平倉任洪玉董林垚

水土保持通報 2018年6期

韓培, 王志剛, 高超, 張平倉, 任洪玉, 董林垚

(1.長江水利委員會長江科學院水土保持研究所, 湖北武漢 430010;2.水利部山洪地質災害防治工程技術研究中心, 湖北武漢 430010; 3.湖北省水土保持監測中心, 湖北武漢 430071)

小流域是以天然溝壑及其兩側山坡形成的閉合集水區。每個小流域既是一個獨立的水土流失單元，又是發展農林牧業的經濟單元。根據水利部規定，目前中國水土保持工作中小流域的面積不超過50 km2[1]。在新形勢下，中國水土保持工作方向發生了巨大的轉變，由傳統的水土流失綜合治理轉向全面推進清潔型小流域建設；同時大力推進水土保持信息化建設，以水土保持信息化推動現代化[2]。小流域劃分能為區域的生態清潔小流域建設、規劃等提供小流域基礎數據支撐，同時，能將城市水土流失[3]狀況細化到小流域單元進行數字化管理，建立小流域水土保持基礎數據庫，滿足新時代水土保持信息化、數字化的要求。數字高程模型(digital elevation model， DEM)[4]是小流域劃分的基礎。DEM包含豐富的地形、地貌和水文信息，能夠反映各種分辨率的地形特征。通過DEM可以提取大量的地表形態信息，如水流方向、匯流累積量、河流網絡以及流域分割等[5]。目前，利用DEM進行流域分析的工具有很多，如：ArcGIS[6]、Global Mapper[7]、WMS(Watershed Modeling System)[8]和MapGIS[9]等。本文選用ArcGIS的水文分析模塊(Hydrology Model[10])作為流域自動劃分的工具，因為Hydrology Model是美國環境系統研究所公司(ESRI)專門針對水文分析提出的，可用于地形和河流網絡的提取、分析以及地形模型的可視化[11]。陳智虎等[12]基于DEM對典型喀斯特地貌類型區金沙縣進行小流域劃分；朱秀迪等[13]分析了西南巖溶區小流域的水文特征；朱戰強等[14]基于典型小流域探討了退耕還林對寧南黃土丘陵區景觀格局的影響。目前，國內外采用人機交互方式對地形復雜區小流域劃分研究很少。湖北省是典型的中國南方地形復雜區，地貌類型涵蓋了山地、丘陵和平原，且多河流、湖泊分布。本文首先基于DEM使用ArcGIS自動劃分該省小流域，然后在山區采用溝道、遙感影像、居民點資料輔助人工合并和修正；在平原區，由于自動提取的溝道太密集，采用高精度水系替代溝道進行人工修正；并進行適宜集流閾值、小流域面積頻率、精度以及河網密度分析，以期對今后類似地復雜地形區的小流域劃分研究提供參考價值。

1 研究數據與方法

1.1 研究區概況和研究數據

湖北省位于中國中部偏南、長江中游，地理位置介于29°05′—33°20′N，108°21′—116°07′E之間。長江、漢江橫貫其中，平原區水系發達，星羅密布。全省海拔范圍是7～3 083 m，其中最高點位于神農架林區。地勢大致為東、西、北三面環山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。在湖北省國土總面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原占20%。山地主要位于恩施州、神農架、十堰、宜昌西部、襄陽西南部、隨州北部、荊門北部、孝感北部、黃岡東北部、黃石及咸寧東南部地區；平原主要是江漢平原[15]，包括荊州、潛江、仙桃、天門、武漢、鄂州以及孝感南部地區；其他地區為山區向平原區過渡的丘陵地帶。

試驗使用的主要基礎數據是DEM，輔助資料有高分遙感影像、行政區劃、水系及其他數據(表1)。

表1 研究區基礎數據

1.2 劃分方法

(1) 洼地填充。由于地形洼地的存在，導致連續柵格中依據水流方向矩陣提取的排水網絡不連續。因此，在ArcGIS中，用Hydrology—>Fill對DEM進行洼地填充。

(2) 水流方向計算。ArcGIS采用最大坡降法(Deterministic eight-node， D8)[6]原理計算水流方向，基于無洼地DEM，運用Hydrology—>Flow Direction實現。

(3) 匯流累積量計算。匯流累積量指各網格上游集流網格的數量。假定集水區每個網格有1單位水量，按照水流方向流動，流經各網格的匯流累積量都會增加1。在AcrGIS中，基于水流方向，運用Hydrology—>Flow Accumulation實現。

(4) 集流閾值設置。目前，國內河網提取方法主要采用地表徑流漫流模型[13]。當匯流累積量達到集流閾值[14]時，會產生地表水流。集流閾值設定是河網提取的關鍵，也影響小流域自動劃分的精細程度。本文采用循環統計分析法確定適宜的集流閾值。選取原則是經自動化劃分后，面積大于50 km2的子流域很少，小于10 km2的子流域不至于太多、太碎。目的是為減少后期人工修正工作量。具體分析流程為： ①在初始時刻，設定一個較大集流閾值，進行子流域自動提取； ②統計小于10 km2，10～50 km2，大于50 km2的子流域數量及占比； ③依次減小初始集流閾值，循環進行自動提取與統計； ④遵循選取原則，綜合分析得到適宜集流閾值。

(5) 河網提取。設定集流閾值后，用Spatial Analyst —>Raster Calculator自動提取河網；經矢量化、人工修正獲取溝道，它是后期進行山區微流域合并與修正的重要輔助數據。

(6) 河網分級。河網分級是對線性河流用數字標識方式劃分等級，運用Hydrology—>Stream Order實現。

(7) 子流域自動提取。子流域自動提取流程為： ①用Hydrology—>Stream Link提取出水點； ②結合水流方向，用Hydrology—>Watershed計算柵格集水單元； ③經矢量化獲得小流域自動劃分的結果。

(8) 微流域人工合并。依據小流域劃分規范[1]要求，小流域面積宜控制在10～50 km2之間。小流域自動劃分的結果中存在大量面積小于10 km2的微流域，需進行人工合并。

(9) 人機交互修正。對面積小于0.1 km2的微流域，為減少人工合并工作量，用Generalization—>Eliminate自動合并。對面積大于0.1km2的微流域，在保證地形地貌完整的前提下，輔助溝道、遙感影像、居民點數據，進行人工手動修正(包括合并、分割和修正邊界等)。修正工作遵循原則為： ①保證地表上下游匯流關系和拓撲關系正確性。 ②合并后，小流域面積盡量控制在50 km2以內。 ③對較大或重要的河流、湖泊以及水庫，在劃分中，可將其單獨作為1個流域。 ④當流域邊界跨過村莊，要保證村莊的完整性，需結合遙感影像、居民點和地形，適當調整小流域邊界。 ⑤為方便行政管理，跨縣界小流域，用縣界進行分割[1]。

依據自然地表匯流關系與地形特征，進行人機交互修正后，形成不同形態類型(包括完整型、區間型、坡面型及狹長型等[1])的小流域。

1.3 結果驗證

驗證人機交互方式劃分的小流域成果是否符合要求。將小流域邊界與地形圖進行疊加，核查小流域邊界是否與等高線垂直，小流域的分水線必須經過山頂點以及鞍部；將小流域與水系進行疊加，核查地表匯水關系及拓撲關系是否正確。部分不確定的地區還需要進行野外調查驗證。

2 結果與分析

2.1 適宜集流閾值的選取

按照前面循環統計分析法原理，將集流閾值依次設定為3 000，2 000，1 500，1 000，800，500和300，然后運用ArcGIS軟件分別自動提取子流域，分別統計小于10 km2，10～50 km2，大于50 km2的子流域數目及比例，統計結果詳見表2。

表2 不同集流閾值條件下子流域統計

如圖1—2可知： (1) 集流閾值越大，自動劃分的小流域總數量越少，且面積大于50 km2的子流域占比率較大，因此，集流閾值設置不宜過大；(2) 隨著集流閾值的減小，自動劃分的小流域越精細，表現為面積小于50 km2的子流域數量不斷增加，面積大于50 km2的數量不斷減少；(3) 隨著集流閾值減小至800時，面積在10～50 km2的子流域占比率呈下降趨勢，但數量仍在增加；(4) 當集流閾值低于500時，隨著集流閾值的減小，10～50 km2的子流域的數量顯著減少，說明原先在10～50 km2的小流域被細化；(5) 要保證面積大于50 km2的子流域較少，且自動提取的子流域不太破碎，綜合分析后，集流閾值選取為500較合適。

圖1 子流域數量統計

圖2 子流域數量比例統計

2.2 平原區小流域修正

在設置合適的集流閾值后，計算機自動提取的小流域如圖3所示。在平原區小流域自動劃分中，出現很多密集直線錯誤(如圖3中方框)。

經分析可知： ①密集直線錯誤大多出現在平原區，這是因為計算機自動化劃分的小流域是基于鄰近柵格的高程差來確定水流方向，平原湖庫區地勢變化小，水流方向不確定，因此，自動提取的溝道太密集、小流域密集； ②平原區小流域修正或合并時，不再采用自動提取的溝道作為流向參考，而采用1∶1萬平原區水系替代溝道，輔以遙感影像、居民點數據，按照1.2中方法進行人工合并或修正； ③對大型或重要的平原區河流、湖泊和水庫，參考北京市小流域劃分成果[1]，將其單獨作為1個小流域。

圖3 計算機自動提取的小流域

在人機交互修正完成后，經驗證和處理獲得最終的小流域劃分結果(圖4)，湖北省劃分小流域共5 806條。

圖4 湖北省小流域劃分結果

2.3 面積頻率、精度分析

對湖北省5 806條小流域，按照面積<10 km2，10～20 km2，20～30 km2，30～40 km2，40～50 km2，>50 km2進行統計(表3)。由表3可知， ①面積小于10 km2的有215條，占總數量的3.7%；面積在10～20 km2的有761條，占總數量的13.12%；面積在20～30 km2的有1 313條，占總數量的22.61%；面積在30～40的有2 041條，占總數量的35.15%；面積在40～50 km2的有1 392條，占總數量的23.97%；面積大于50 km2的有84條，占總數量的1.45%，主要是大型江河、湖泊和水庫區； ②總體上，面積分布在30～50 km2區間的較多，將近60%； ③面積在30～50 km2區間的提取精度較高，達到96%，主要分布在山區； ④面積小于20 km2提取精度較低，約93%，分布在平原區較密集； ⑤總體上，山區小流域提取的精度高于平原區，整體精度達到95%。

表3 湖北省小流域面積統計

2.4 河流密度分析

按照《小流域劃分及編碼規范(SL653-2013)》對小流域的河網密度進行計算，并按面積<10 km2，10～20 km2，20～30 km2，30～40 km2，40～50 km2，>50 km2進行平均河網密度統計(表4)： ①小流域面積小于10 km2的平均河網密度是1.14 km/km2，面積在10～20 km2的平均河網密度是0.44 km/km2，面積在20～30 km2的平均河網密度是0.3 km/km2，面積在30～40 km2的平均河網密度是0.24 km/km2，面積在40～50 km2的平均河網密度是0.19 km/km2，面積在50 km2的平均河網密度是0.16 km/km2； ②總體上，隨著小流域面積的增大，平均河網密度呈減小趨勢(表4)； ③面積小于20 km2的小流域平均河網密度較大，因其主要集中在平原區，水系較發達； ④面積在30～50 km2的小流域平均河網密度較小，主要分布在山區，山區河流水系較少； ⑤總體上，平原區小流域的平均河網密度大于山區。