基于GIS的蓟州山区水土保持小流域划分方法

苏慧敏

(北京地拓科技发展有限公司，北京 100084)

蓟州山区是天津市重要的饮用水源地和水源涵养区，也是天津的后花园和重要生态屏障，属燕山国家级水土流失重点预防区。多年来，天津市十分重视蓟县(现蓟州区)山区水土流失治理工作，大力开展了以大流域为骨干，以小流域为单元，山水田林路统一规划，拦蓄灌排节综合治理，取得了显著成效，并积累了丰富的试验观测数据。然而，随着政府职能的不断转变和水务精细化、信息化管理要求的不断提高，现有的管理方式和手段已不适应水土保持发展和创新的需求。尤其是在生态清洁小流域的规划、建设方面，因小流域边界不清，基础信息不详，禁止或限制的区域不明，故很难实施有效的治理和监管。

以小流域为单元的水土流失综合治理是我国防治水土流失、改善农村社会经济条件、促进生态文明建设的重要方式。在水土保持工作中，通常将流域面积不超过50 km2的地表集水区称之为“小流域”。小流域是水土流失发生、发展的基本单元，坚持小流域综合治理是我国水土保持工作的基本途径。2014年3月1日施行的《天津市实施〈中华人民共和国水土保持法〉办法》进一步强化了天津市生态清洁小流域建设的地位。

为贯彻落实天津市政府进一步加强水土保持工作，建设更加优美更加和谐的生态环境的要求，以蓟州山区DEM基础地理信息数据为基础，对蓟州山区进行小流域划分，并在分析小流域水土流失空间分布特征的基础上，建立蓟州山区三维可视化数字小流域基础信息数据库，可为蓟州区水土保持业务分析和精细化管理提供基础支撑，为天津水土保持信息化建设奠定基础。基于此，在分析研究蓟州山区地质构造、地形地貌、水文特点和行政区划、水土流失等因素的基础上，从水土流失治理和水土保持管理的角度，进一步细化了小流域划分原则、面积规模、命名规则等技术细则。

1 小流域划分原则

1.1 划分原则细化

从小流域形态特征、地表汇流、特殊地形处理等方面提出了划分原则。①小流域划分应以自然地形地貌为基础，尽量保证小流域形态特征完整。②小流域边界应与各级流域边界无缝衔接，不应横跨上级流域。③小流域划分应充分考虑地表汇水关系，保证上下游汇水关系的正确性。④确定小流域边界时，可适当考虑水库、水闸、桥涵等水利工程设施和村庄、居民点的位置。如根据水库规模和流域控制面积，宜将水库闸口设定为小流域进、出水口；对于流域出口附近的村庄或居民点，可按属地关系适当调整小流域界线，尽量保证归属关系一致。⑤水流汇入境外的区域可单独作为小流域。⑥平缓地区孤丘小山可包含在小流域内，不考虑分水岭。⑦小流域划分结果应覆盖整个划分区域，小流域面积之和应等于该区域总面积。⑧小流域出口处理。无冲积扇时沿分水岭走向相交；有冲积扇、无居民区时将冲积扇纳入小流域；有冲积扇、有居民区时考虑冲积扇、沟口横向相交的道路与上级河流并采取以下处理原则，即流域出口为宽浅平缓谷地时，将出口顺接到上级沟道或河道，但对山地平原过渡地带，若山地走势开敞，且无明显的河道或沟道时，依据灌溉排渠的位置，选择道路作为小流域界线。⑨小流域命名应充分考虑沟域经济发展需要。⑩小流域编码应尽量与周边省市相衔接。

1.2 小流域最小单元面积

为了确保小流域划分精度，便于生态清洁小流域建设、管理和维护，在征求地方水保部门意见的基础上，经综合分析，将微流域面积控制在0.1 km2，将小流域面积控制在3～20 km2。

1.3 特殊地形地物的处理方式

对以下特殊地形地物，提出了专门的处理方式：①于桥水库面积大于100 km2，为保持库区的完整性，将其管理界线作为小流域边界，形成一个小流域。②对沟谷深切，汇水面积大于20 km2且难以划分为多个小流域的狭长流域，可单独作为一个小流域。③对山地向平原过渡区或河谷宽阔的断陷区，当单个微流域面积较小，主沟不明显，且平行排列时，可将其归并成一个坡面型小流域。④在狭长河谷地带，当河道两侧或一侧坡面陡峭，坡面集水区不能单独归并为小流域时，可将峡谷地带的河道及两侧坡面集水区划分成一个小流域，此类小流域称为区间型小流域。⑤在河道无明显主沟或一边无明显主沟的情况下，将两岸合并为区间小流域。⑥将面积小于3 km2的坡面与对岸合并为区间型小流域，把面积大于3 km2的坡面划为坡面型小流域。⑦将面积较小、通过涵洞引排水的封闭集水区包含在有汇流关系的小流域中。⑧对分水岭不明显的区域，参照道路、桥梁确定分水线和小流域出口。

2 小流域划分技术方法

传统小流域基于地形图进行集水区域的确定，2013年水利部发布了《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)。此次小流域划分就是按照水利部发布的《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)要求，依托ArcGIS软件的水文分析工具，搭建了水土保持小流域划分作业平台，采用软件自动划分及人工辅助修正并结合实际调查的方法自动提取小流域边界，然后再结合行政区划和自然地理要素，通过人机交互完成自动提取结果的判别和特殊地形划分结果的修正，最后命名编码形成蓟州水土保持小流域基础地理数据。具体技术路线如图1所示。

2.1 数据准备

(1)蓟州区DEM数据。

(2)蓟州区高分辨率遥感影像。

(3)全国1∶25万河流矢量数据蓟州区部分。

(4)蓟州区行政界线数据，包括区、乡镇和村界线。

(5)其他辅助数据：公路、铁路等矢量数据。

(6)天津市第一次水利普查成果资料等。

2.2 作业平台搭建

搭建基于GIS的多人协同工作环境，在操作时遥感数据可存放在本机上，微流域、沟道、小流域等作业图层存放在服务器的数据库中，不同的人员采用GIS直连的方式连接数据库中的空间数据。多人协同工作，可有效地提高信息提取的工作效率。

图1 蓟州区小流域划分技术路线

2.3 沟道和微流域信息提取

2.3.1 沟道和微流域分水线提取

基于DEM，按照小流域划分技术细则设定的微流域面积阈值，一次性提取蓟州区内的沟道和微流域分水线。

将微流域的最小面积设定为0.1 km2，计算机即可将作业单元内集水区域大于0.1 km2的微流域分水岭及其对应的沟道弧段、水流出口位置节点全部提出。

2.3.2 沟道和微流域分水线检查及平滑处理

参照蓟州区高分遥感影像及河流、水库、湖泊、水利工程、道路、居民点等图层信息，对自动提取的沟道弧段、微流域分水线进行检查和平滑处理，对水流出口位置节点进行确认，保证微流域分水线正确、沟道连续完整、出水口位置准确。

2.3.3 微流域及沟道拓扑关系建立和检查

为保证地表水汇流正确，在提取沟道和微流域的同时，计算机自动建立了微流域之间、沟道之间、沟道与微流域之间的拓扑关系。对特殊地形和地物周边进行拓扑关系检查，结合遥感影像，修订异常的线段和节点数据。

2.4 河流标定与编码

在GIS协作平台下，通过多人协调工作，依据提取的河(沟)道底部流程线，结合天津市第一次水利普查河湖基本情况普查成果和已有的数据资料，并参照高分一号遥感影像，对蓟州区全区河流进行标定，为建立山区河(沟)道拓扑关系提供依据。

河流标定遵循以下原则：①自然和人工河道全面标定。②保证河流汇流关系正确，保证河流上下游连通。③按照直流入海河流为零级的原则，将汇入零级河流的标定为一级河流，依此类推。④所有水系标定为线状。对于面状水系，概化为线状，上下级水系交汇于一点；河流上建有水库的，在库区内概化为线状，形成连通的水系。⑤标定时遵循“宁多勿漏”的原则。

依据编码规范，参照相关资料和已有的成果，进行河流的编码和命名。对依资料不能判定名称的河流，结合实地调查进行补充。

2.5 小流域边界确定

按照小流域面积控制指标(3～20 km2)和自然汇水关系，依据所提取的微流域分水岭形成小流域边界。先完成支流上小流域边界的确定，再进行干流小流域边界的确定，最终标定的小流域全部覆盖山区。

遵照小流域定界原则，参照高分辨率遥感影像对特殊地形小流域进行边界修订，确保小流域边界与河(沟)道交会的正确性、山地平原过渡地带小流域分割的正确性，同时正确判定小流域类型。

2.6 蓟州山区流域边界标定及拓扑关系建立

按流域汇水关系逐级建立河流上下游、小流域与河流、流域间的拓扑关系，保证汇水关系及流域包含关系的正确性和合理性。流域拓扑关系建立原则如下：①流域与河流一一对应；②根据河流级别确定流域级别；③境内不完整的流域，采用市、区界闭合；④同级流域之间不重叠，相邻同级流域之间无缝隙；⑤下级流域不跨越上级流域；⑦各级流域之间既不存在缝隙，也无重叠区域。按照汇水关系将微流域归并为流域的过程见图2。

图2 按汇水关系将微流域归并为流域的过程示意

2.7 小流域命名与编码

2.7.1 小流域命名

蓟州区历史悠久，文化积淀深厚，许多地名从古代延续而来，为便于宣传和传承，在小流域命名时除遵循《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)的命名要求外，还应遵循以下规则：①小流域名称在蓟州区内具有唯一性，已有名称的沿用传统名称。②命名力求简明确切、易于辨识，可采用当地沟道、村庄、景区、特色品名或其他自然地名。③若一个小流域包含多条沟道，且每条沟道都有名称时，可采用主沟道名命名。④若一个小流域内包含多个村庄时，可采用人口最多的村庄名称命名。

2.7.2 小流域编码规则

蓟州山区是燕山山脉的重要组成部分，随着京津冀协同发展战略的实施，在水土保持、水资源保护、生态环境建设等方面都将协同一致，为了便于将小流域信息共享，小流域编码应与周边省市编码保持一致。目前，北京市已完成小流域划分及编码工作，因此本次编码重点参照《天津市第一次水利普查河流编码规则》及北京市地方标准《河流、流域名称代码》(DB11/T 1172—2015)进行编码。

2.8 野外复核验证

为了确保蓟州山区流域水系空间信息提取成果的准确性及小流域划分的合理性、可操作性，对有疑问的内容进行了全面的复核调查，并抽取了24个小流域进行了河流位置、流域边界、小流域沟口位置等指标的验证，同时对小流域名称也进行了全面复核。

3 结 语

(1)结合蓟州山区地形地貌特点，确定了蓟州山区小流域划分的原则、方法及技术路线。

(2)采用 GIS多人协同工作平台，基于高分辨率遥感影像等基础数据，由多人协同，完成了蓟州山区小流域划分工作。

(3)构建了蓟州山区数字小流域基础信息管理平台，为蓟州山区信息化建设打下了坚实的基础和框架，建议结合水土保持治理精细化、水土保持监测自动化、监督实时化等目标，进一步开发完善平台的应用功能，建成集信息管理和业务应用为一体的综合性服务和管理平台，全面提高蓟州山区水土保持信息化水平。