基于DEM的不同地貌類型區(qū)小流域劃分及分布特征研究
——以貴州省赤水河流域?yàn)槔?/h1>
2017-10-13 02:28:39呂一兵陳智虎李亦秋楊廣斌
測(cè)繪通報(bào) 2017年9期 關(guān)鍵詞：研究
呂一兵，張 斌，陳智虎，李亦秋，楊廣斌
(1. 貴州省第三測(cè)繪院，貴州 貴陽(yáng) 550004； 2. 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)
基于DEM的不同地貌類型區(qū)小流域劃分及分布特征研究
——以貴州省赤水河流域?yàn)槔?/p>
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(cè)繪院，貴州 貴陽(yáng) 550004； 2. 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)
小流域已經(jīng)成為水土流失治理、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等研究工作的重要地理單元。本文以貴州省赤水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，探索我國(guó)西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區(qū)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(jìn)行修正，并結(jié)合野外調(diào)查和地質(zhì)、水文數(shù)據(jù)驗(yàn)證，最終將貴州省赤水河流域劃定了753個(gè)小流域。其中，喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)358個(gè)，喀斯特+非喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)182個(gè)，非喀斯特地貌區(qū)213個(gè)；就不同流域類型小流域劃分結(jié)果看，完整型小流域530個(gè)，區(qū)間型小流域180個(gè)，坡面型小流域43個(gè)；這些小流域中面積小于3 km2的有9個(gè)，面積在3～10 km2的有310個(gè)，面積在10～30 km2的有348個(gè)，面積在30～50 km2的有86個(gè)。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(jù)，為區(qū)域制定水土保持方案和生態(tài)建設(shè)措施提供輔助決策，促進(jìn)喀斯特地區(qū)水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)。
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(gè)單元，具有其特有的生態(tài)系統(tǒng)功能和有別于其他地理單元的性質(zhì)，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(jìn)行的。小流域也是用于計(jì)算河流產(chǎn)水產(chǎn)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(zhǔn)確劃分小流域?qū)λ帘３忠?guī)劃和水利工程設(shè)計(jì)具有非常重要的支撐作用[5]。
我國(guó)西南地區(qū)作為世界三大喀斯特地貌分布區(qū)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(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候，使得西南地區(qū)喀斯特地貌類型復(fù)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(fù)雜的地貌類型和喀斯特流域地表地下二元結(jié)構(gòu)水循環(huán)特征使西南地區(qū)小流域自動(dòng)提取面臨諸多問題[7]。
目前，國(guó)內(nèi)外基于小流域作的研究較多，對(duì)小流域劃分技術(shù)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(duì)地形圖進(jìn)行校正、空間參考建立、地形圖裁切、數(shù)字化等工作，空間差值生成福建省DEM數(shù)據(jù)，基于DEM數(shù)據(jù)劃分出福建省的小流域[8]；2009年，廖婧臨等探討了在某一個(gè)小流域范圍內(nèi)不同復(fù)種指數(shù)條件下的土壤質(zhì)量變化情況研究[9]；2013年，方健梅等以貴州金沙縣的一個(gè)小流域?yàn)槔?，?duì)小流域綜合治理情況進(jìn)行了客觀的評(píng)價(jià)[10]。在喀斯特地區(qū)的研究，大多數(shù)只是選取某一個(gè)固定小流域開展，沒有系統(tǒng)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?yàn)檠芯繀^(qū)，探索我國(guó)西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區(qū)小流域劃分方法及小流域分布特征，為西南地區(qū)生態(tài)地理單元的劃分和管理提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)域概況
赤水河發(fā)源于云南省鎮(zhèn)雄縣魚洞鄉(xiāng)大洞，至四川省合江縣匯入長(zhǎng)江，是長(zhǎng)江一級(jí)支流中唯一沒有水壩的原生態(tài)河，同時(shí)也是長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，如圖1所示。赤水河流域貴州段分屬于不同地貌類型區(qū)：七星關(guān)區(qū)林口鎮(zhèn)至仁懷市茅臺(tái)鎮(zhèn)河段，三疊系石灰?guī)r，屬云貴高原地貌，峰叢、洼地、落水洞、暗河發(fā)育完整；仁懷市茅臺(tái)鎮(zhèn)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(yè)巖。赤水河流域貴州段石漠化問題突出，水土流失嚴(yán)重[17-18]，生態(tài)環(huán)境惡化，是我國(guó)西南部生態(tài)型貧困區(qū)域，也是我國(guó)人地矛盾最突出的地區(qū)之一[19]，嚴(yán)重限制著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。為了進(jìn)一步規(guī)范小流域的管理，更加合理地對(duì)小流域進(jìn)行開發(fā)利用，提高小流域的開發(fā)利用成效，同時(shí)改善流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，2011年10月，貴州省正式施行《貴州省赤水河流域保護(hù)條例》。
2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
本文主要數(shù)據(jù)來源包括：研究區(qū)范圍內(nèi)1∶5萬比例尺地形圖數(shù)據(jù)；依據(jù)地形圖進(jìn)行矢量化和空間差值得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)[20]；2015年的高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；研究區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)地貌、土壤、植被、水文、氣象、土地利用等輔助數(shù)據(jù)。
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(qū)小流域的提取主要運(yùn)用ArcGIS中的水文分析方法，通過分析獲取的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理、水流方向計(jì)算、匯流累積量計(jì)算等步驟，直至DEM不再有洼地出現(xiàn)，最終得到符合實(shí)際的DEM數(shù)據(jù)。
(2) 對(duì)比分析方法。在部分地形比較復(fù)雜的地區(qū)及分界線模糊區(qū)域，小流域劃分結(jié)果需要參照地形圖或遙感影像進(jìn)行手動(dòng)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(jīng)過山頂點(diǎn)和鞍部，除此之外，結(jié)合獲取到的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行局部修改。
(3) 實(shí)地調(diào)研法。遇到不能完全確認(rèn)的小流域邊界，通過現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)核實(shí)后確定。在實(shí)地用GPS精確定位量測(cè)，檢驗(yàn)小流域劃分邊界是否正確；根據(jù)野外復(fù)核意見，在室內(nèi)進(jìn)行成果修改。
3 小流域劃分
3.1 小流域劃分標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)
根據(jù)2013年，中華人民共和國(guó)水利部發(fā)布的《小流域劃分及編碼規(guī)范》(SL 653—2013)，小流域劃分遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：①小流域提取的面積在3～50 km2之間；②小流域的邊界須經(jīng)過山頂點(diǎn)、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(qū)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(qū)。在進(jìn)行小流域劃分時(shí)，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(jié)果會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際地形不符的情況。
(1) 洼地、盲谷?？λ固氐孛差愋蛥^(qū)地貌特殊，地表比較破碎，同一個(gè)地區(qū)地貌類型也是多種多樣，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)河流遇到落水洞情況，形成地下徑流，產(chǎn)生沒有谷口的河流，俗稱盲谷，如圖2所示。
圖2 喀斯特地區(qū)的盲谷
(2) 峰林、峰叢和孤峰?？λ固氐貐^(qū)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(xiàn)溶溝和豎井，流域界限不明顯，需要結(jié)合實(shí)地進(jìn)行調(diào)查后確認(rèn)，通過水文分析方法會(huì)將部分流域界限進(jìn)行錯(cuò)分，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤(如圖3所示)。
圖3 喀斯特地區(qū)的峰叢、峰林
3.3 小流域劃分具體實(shí)施
3.3.1 技術(shù)路線
根據(jù)小流域劃分的要求，本文以國(guó)家、部門、行業(yè)等技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、空間定位技術(shù)等，按1∶5萬比例尺精度要求，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行小流域劃分，技術(shù)路線如圖4所示。
3.3.2 小流域自動(dòng)提取
針對(duì)研究區(qū)域喀斯特與非喀斯特地貌混合分布，先提取微流域，再根據(jù)自然匯水關(guān)系進(jìn)行微流域歸并，最后疊加遙感影像數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。
圖4 不同地貌類型區(qū)小流域劃分技術(shù)路線
(1) 微流域提取。基于DEM空間數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)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(yùn)用最大坡降算法計(jì)算水流方向[21]。③統(tǒng)計(jì)匯流累積量，小流域面積的大小依據(jù)匯流累積量的不同而不同，需要設(shè)置不同的數(shù)值，選擇最符合實(shí)際和研究要求的一個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，通過設(shè)置10 000格網(wǎng)、20 000格網(wǎng)、30 000格網(wǎng)等不同閾值進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果疊加地形圖和遙感影像進(jìn)行分析。試驗(yàn)證明：在閾值為10 000時(shí)，流域劃分破碎，大部分流域面積低于3 km2；閾值為20 000時(shí)，流域界限與實(shí)地吻合得比較好，面積大小也符合要求；閾值為30 000時(shí)，大部分流域面積過大，需要進(jìn)行流域再細(xì)分過程，會(huì)增加工作量。故選擇20 000格網(wǎng)進(jìn)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(rèn)。
(2) 典型喀斯特地區(qū)(盲谷、洼地)小流域邊界修正。在盲谷、洼地分布較多的地區(qū)，小流域邊界比較模糊，在進(jìn)行流域提取時(shí)，可以將洼地的中心和落水洞的位置單獨(dú)提出，進(jìn)行單獨(dú)處理，能夠較好地劃分出這一步小流域，但是也需手動(dòng)進(jìn)行修改，將不合理或劃分不準(zhǔn)確的小流域進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，直至結(jié)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(shí)地調(diào)查的結(jié)果，將流域的面積控制在3～50 km2范圍內(nèi)。盲谷、洼地微流域修正前后結(jié)果如圖5、圖6所示。
(3) 典型喀斯特地區(qū)(峰林、峰叢)小流域邊界修正。峰林、峰叢和孤峰分布區(qū)與洼地、盲谷分布區(qū)有一定的區(qū)別。在峰林、峰叢分布的地方，沒有明顯的邊界，大部分地區(qū)峰林和峰叢都是連片分布的，從影像上看，分布特點(diǎn)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(shí)際相符的流域。主要有兩點(diǎn)：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(gè)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(jù)等高線的走勢(shì)、實(shí)地河流的流向劃分到相鄰的小流域內(nèi)。峰林、峰叢地區(qū)微流域修正前后結(jié)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(qū)微流域合并前
圖8 峰林、峰叢地區(qū)微流域合并后
3.3.3 精度驗(yàn)證
(1) 小流域邊界驗(yàn)證。經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)分析處理等過程，初步提取了研究區(qū)的小流域邊界，為分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將前期的小流域邊界成果參照小流域劃分標(biāo)準(zhǔn)一一進(jìn)行檢查，對(duì)不符合要求的小流域進(jìn)行及時(shí)修改。從驗(yàn)證結(jié)果來看，劃分出來的小流域邊界絕大部分是比較符合實(shí)際的，但是，因喀斯特地區(qū)水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在峰林、峰叢和洼地分布較多的地方，劃分結(jié)果與實(shí)際有所偏差，需要手動(dòng)進(jìn)行修改。
(2) 小流域存在性驗(yàn)證。通過隨機(jī)抽取一部分小流域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，絕大部分小流域的劃分結(jié)果是合理的，流域界限是符合要求的。對(duì)峰林、峰叢和盲谷分布的地方，進(jìn)行相應(yīng)的處理，劃分結(jié)果也能達(dá)到預(yù)期的效果。
3.4 小流域劃分結(jié)果與分析
3.4.1 不同地貌類型區(qū)小流域分布特征
根據(jù)地形圖數(shù)字化赤水河流域1∶5萬數(shù)字高程模型(DEM)，提取小流域邊界，經(jīng)過室內(nèi)勾繪和野外勘驗(yàn)等工作，最終提取貴州省赤水河流域小流域753個(gè)，在不同地貌類型區(qū)的分布如圖9所示。
圖9 不同地貌類型區(qū)小流域分布
根據(jù)圖9的屬性統(tǒng)計(jì)，喀斯特地貌區(qū)小流域358個(gè)，占小流域總數(shù)的47.54%；喀斯特+非喀斯特地貌區(qū)小流域182個(gè)，占小流域總數(shù)的24.17%；非喀斯特地貌區(qū)小流域213個(gè)，占小流域總數(shù)的28.29%(見表1)。
表1 不同地貌類型區(qū)小流域劃分統(tǒng)計(jì)
3.4.2 結(jié) 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(jù)圖10的屬性統(tǒng)計(jì)，完整型小流域530個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的70.39%；坡面型小流域43個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的5.71%；區(qū)間型小流域180個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的23.90%(見表2)。
表2 不同小流域類型統(tǒng)計(jì)
3.4.3 小流域按面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果
貴州省赤水河流域小流域按面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。
表3 不同小流域面積統(tǒng)計(jì)
由表3可知，面積低于3 km2的小流域比較少，有9個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的1.20%；面積在3～10 km2的小流域有310個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的41.17%；面積在10～30 km2的有348個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的46.22%；面積在30～50 km2的有86個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的11.42%。
4 結(jié) 論
本文以貴州省赤水河流域?yàn)檠芯繉?duì)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(guó)西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區(qū)小流域劃分方法及小流域分布特征，主要結(jié)論如下：
(1) 赤水河流域中喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)358個(gè)，占小流域總數(shù)的47.54%；喀斯特+非喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)182個(gè)，占小流域總數(shù)的24.17%；非喀斯特地貌區(qū)213個(gè)，占小流域總數(shù)的28.29%。
(2) 赤水河流域小流域按照類型統(tǒng)計(jì)，其中完整型小流域530個(gè)，區(qū)間型小流域180個(gè)，坡面型小流域43個(gè)。從提取精度來看，完整型小流域的精度要高于坡面型和區(qū)間型小流域。
(3) 赤水河流域小流域按照面積統(tǒng)計(jì)，小流域面積小于3 km2有9個(gè)，面積在3～10 km2的有310個(gè)，面積在10～30 km2的有348個(gè)，面積在30～50 km2的有86個(gè)。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(dòng)提取小流域，但因喀斯特地貌類型復(fù)雜和地表地下二元結(jié)構(gòu)水循環(huán)特點(diǎn)，使得小流域劃分邊界存在諸多問題，必須借助手動(dòng)編輯和修正才能達(dá)到較理想的劃分效果，對(duì)于喀斯特地區(qū)小流域劃分實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化提取還需要進(jìn)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(qū)小流域劃分及分布特征研究——以貴州省赤水河流域?yàn)槔齕J].測(cè)繪通報(bào)，2017(9)：110-115.
10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0501.
2017-07-12
國(guó)家自然科學(xué)基金(41361091)
呂一兵(1963—)，男，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪地理信息研究。E-mail：522801596@qq.com
楊廣斌。E-mail：ygbyln@163.com
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呂一兵，張 斌，陳智虎，李亦秋，楊廣斌
(1. 貴州省第三測(cè)繪院，貴州 貴陽(yáng) 550004； 2. 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)
基于DEM的不同地貌類型區(qū)小流域劃分及分布特征研究
——以貴州省赤水河流域?yàn)槔?/p>
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(cè)繪院，貴州 貴陽(yáng) 550004； 2. 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)
小流域已經(jīng)成為水土流失治理、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等研究工作的重要地理單元。本文以貴州省赤水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，探索我國(guó)西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區(qū)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(jìn)行修正，并結(jié)合野外調(diào)查和地質(zhì)、水文數(shù)據(jù)驗(yàn)證，最終將貴州省赤水河流域劃定了753個(gè)小流域。其中，喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)358個(gè)，喀斯特+非喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)182個(gè)，非喀斯特地貌區(qū)213個(gè)；就不同流域類型小流域劃分結(jié)果看，完整型小流域530個(gè)，區(qū)間型小流域180個(gè)，坡面型小流域43個(gè)；這些小流域中面積小于3 km2的有9個(gè)，面積在3～10 km2的有310個(gè)，面積在10～30 km2的有348個(gè)，面積在30～50 km2的有86個(gè)。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(jù)，為區(qū)域制定水土保持方案和生態(tài)建設(shè)措施提供輔助決策，促進(jìn)喀斯特地區(qū)水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)。
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(gè)單元，具有其特有的生態(tài)系統(tǒng)功能和有別于其他地理單元的性質(zhì)，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(jìn)行的。小流域也是用于計(jì)算河流產(chǎn)水產(chǎn)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(zhǔn)確劃分小流域?qū)λ帘３忠?guī)劃和水利工程設(shè)計(jì)具有非常重要的支撐作用[5]。
我國(guó)西南地區(qū)作為世界三大喀斯特地貌分布區(qū)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(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候，使得西南地區(qū)喀斯特地貌類型復(fù)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(fù)雜的地貌類型和喀斯特流域地表地下二元結(jié)構(gòu)水循環(huán)特征使西南地區(qū)小流域自動(dòng)提取面臨諸多問題[7]。
目前，國(guó)內(nèi)外基于小流域作的研究較多，對(duì)小流域劃分技術(shù)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(duì)地形圖進(jìn)行校正、空間參考建立、地形圖裁切、數(shù)字化等工作，空間差值生成福建省DEM數(shù)據(jù)，基于DEM數(shù)據(jù)劃分出福建省的小流域[8]；2009年，廖婧臨等探討了在某一個(gè)小流域范圍內(nèi)不同復(fù)種指數(shù)條件下的土壤質(zhì)量變化情況研究[9]；2013年，方健梅等以貴州金沙縣的一個(gè)小流域?yàn)槔?，?duì)小流域綜合治理情況進(jìn)行了客觀的評(píng)價(jià)[10]。在喀斯特地區(qū)的研究，大多數(shù)只是選取某一個(gè)固定小流域開展，沒有系統(tǒng)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?yàn)檠芯繀^(qū)，探索我國(guó)西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區(qū)小流域劃分方法及小流域分布特征，為西南地區(qū)生態(tài)地理單元的劃分和管理提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)域概況
赤水河發(fā)源于云南省鎮(zhèn)雄縣魚洞鄉(xiāng)大洞，至四川省合江縣匯入長(zhǎng)江，是長(zhǎng)江一級(jí)支流中唯一沒有水壩的原生態(tài)河，同時(shí)也是長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，如圖1所示。赤水河流域貴州段分屬于不同地貌類型區(qū)：七星關(guān)區(qū)林口鎮(zhèn)至仁懷市茅臺(tái)鎮(zhèn)河段，三疊系石灰?guī)r，屬云貴高原地貌，峰叢、洼地、落水洞、暗河發(fā)育完整；仁懷市茅臺(tái)鎮(zhèn)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(yè)巖。赤水河流域貴州段石漠化問題突出，水土流失嚴(yán)重[17-18]，生態(tài)環(huán)境惡化，是我國(guó)西南部生態(tài)型貧困區(qū)域，也是我國(guó)人地矛盾最突出的地區(qū)之一[19]，嚴(yán)重限制著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。為了進(jìn)一步規(guī)范小流域的管理，更加合理地對(duì)小流域進(jìn)行開發(fā)利用，提高小流域的開發(fā)利用成效，同時(shí)改善流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，2011年10月，貴州省正式施行《貴州省赤水河流域保護(hù)條例》。
2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
本文主要數(shù)據(jù)來源包括：研究區(qū)范圍內(nèi)1∶5萬比例尺地形圖數(shù)據(jù)；依據(jù)地形圖進(jìn)行矢量化和空間差值得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)[20]；2015年的高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；研究區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)地貌、土壤、植被、水文、氣象、土地利用等輔助數(shù)據(jù)。
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(qū)小流域的提取主要運(yùn)用ArcGIS中的水文分析方法，通過分析獲取的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理、水流方向計(jì)算、匯流累積量計(jì)算等步驟，直至DEM不再有洼地出現(xiàn)，最終得到符合實(shí)際的DEM數(shù)據(jù)。
(2) 對(duì)比分析方法。在部分地形比較復(fù)雜的地區(qū)及分界線模糊區(qū)域，小流域劃分結(jié)果需要參照地形圖或遙感影像進(jìn)行手動(dòng)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(jīng)過山頂點(diǎn)和鞍部，除此之外，結(jié)合獲取到的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行局部修改。
(3) 實(shí)地調(diào)研法。遇到不能完全確認(rèn)的小流域邊界，通過現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)核實(shí)后確定。在實(shí)地用GPS精確定位量測(cè)，檢驗(yàn)小流域劃分邊界是否正確；根據(jù)野外復(fù)核意見，在室內(nèi)進(jìn)行成果修改。
3 小流域劃分
3.1 小流域劃分標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)
根據(jù)2013年，中華人民共和國(guó)水利部發(fā)布的《小流域劃分及編碼規(guī)范》(SL 653—2013)，小流域劃分遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：①小流域提取的面積在3～50 km2之間；②小流域的邊界須經(jīng)過山頂點(diǎn)、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(qū)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(qū)。在進(jìn)行小流域劃分時(shí)，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(jié)果會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際地形不符的情況。
(1) 洼地、盲谷?？λ固氐孛差愋蛥^(qū)地貌特殊，地表比較破碎，同一個(gè)地區(qū)地貌類型也是多種多樣，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)河流遇到落水洞情況，形成地下徑流，產(chǎn)生沒有谷口的河流，俗稱盲谷，如圖2所示。
圖2 喀斯特地區(qū)的盲谷
(2) 峰林、峰叢和孤峰?？λ固氐貐^(qū)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(xiàn)溶溝和豎井，流域界限不明顯，需要結(jié)合實(shí)地進(jìn)行調(diào)查后確認(rèn)，通過水文分析方法會(huì)將部分流域界限進(jìn)行錯(cuò)分，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤(如圖3所示)。
圖3 喀斯特地區(qū)的峰叢、峰林
3.3 小流域劃分具體實(shí)施
3.3.1 技術(shù)路線
根據(jù)小流域劃分的要求，本文以國(guó)家、部門、行業(yè)等技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、空間定位技術(shù)等，按1∶5萬比例尺精度要求，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行小流域劃分，技術(shù)路線如圖4所示。
3.3.2 小流域自動(dòng)提取
針對(duì)研究區(qū)域喀斯特與非喀斯特地貌混合分布，先提取微流域，再根據(jù)自然匯水關(guān)系進(jìn)行微流域歸并，最后疊加遙感影像數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。
圖4 不同地貌類型區(qū)小流域劃分技術(shù)路線
(1) 微流域提取。基于DEM空間數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)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(yùn)用最大坡降算法計(jì)算水流方向[21]。③統(tǒng)計(jì)匯流累積量，小流域面積的大小依據(jù)匯流累積量的不同而不同，需要設(shè)置不同的數(shù)值，選擇最符合實(shí)際和研究要求的一個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，通過設(shè)置10 000格網(wǎng)、20 000格網(wǎng)、30 000格網(wǎng)等不同閾值進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果疊加地形圖和遙感影像進(jìn)行分析。試驗(yàn)證明：在閾值為10 000時(shí)，流域劃分破碎，大部分流域面積低于3 km2；閾值為20 000時(shí)，流域界限與實(shí)地吻合得比較好，面積大小也符合要求；閾值為30 000時(shí)，大部分流域面積過大，需要進(jìn)行流域再細(xì)分過程，會(huì)增加工作量。故選擇20 000格網(wǎng)進(jìn)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(rèn)。
(2) 典型喀斯特地區(qū)(盲谷、洼地)小流域邊界修正。在盲谷、洼地分布較多的地區(qū)，小流域邊界比較模糊，在進(jìn)行流域提取時(shí)，可以將洼地的中心和落水洞的位置單獨(dú)提出，進(jìn)行單獨(dú)處理，能夠較好地劃分出這一步小流域，但是也需手動(dòng)進(jìn)行修改，將不合理或劃分不準(zhǔn)確的小流域進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，直至結(jié)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(shí)地調(diào)查的結(jié)果，將流域的面積控制在3～50 km2范圍內(nèi)。盲谷、洼地微流域修正前后結(jié)果如圖5、圖6所示。
(3) 典型喀斯特地區(qū)(峰林、峰叢)小流域邊界修正。峰林、峰叢和孤峰分布區(qū)與洼地、盲谷分布區(qū)有一定的區(qū)別。在峰林、峰叢分布的地方，沒有明顯的邊界，大部分地區(qū)峰林和峰叢都是連片分布的，從影像上看，分布特點(diǎn)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(shí)際相符的流域。主要有兩點(diǎn)：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(gè)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(jù)等高線的走勢(shì)、實(shí)地河流的流向劃分到相鄰的小流域內(nèi)。峰林、峰叢地區(qū)微流域修正前后結(jié)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(qū)微流域合并前
圖8 峰林、峰叢地區(qū)微流域合并后
3.3.3 精度驗(yàn)證
(1) 小流域邊界驗(yàn)證。經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)分析處理等過程，初步提取了研究區(qū)的小流域邊界，為分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將前期的小流域邊界成果參照小流域劃分標(biāo)準(zhǔn)一一進(jìn)行檢查，對(duì)不符合要求的小流域進(jìn)行及時(shí)修改。從驗(yàn)證結(jié)果來看，劃分出來的小流域邊界絕大部分是比較符合實(shí)際的，但是，因喀斯特地區(qū)水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在峰林、峰叢和洼地分布較多的地方，劃分結(jié)果與實(shí)際有所偏差，需要手動(dòng)進(jìn)行修改。
(2) 小流域存在性驗(yàn)證。通過隨機(jī)抽取一部分小流域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，絕大部分小流域的劃分結(jié)果是合理的，流域界限是符合要求的。對(duì)峰林、峰叢和盲谷分布的地方，進(jìn)行相應(yīng)的處理，劃分結(jié)果也能達(dá)到預(yù)期的效果。
3.4 小流域劃分結(jié)果與分析
3.4.1 不同地貌類型區(qū)小流域分布特征
根據(jù)地形圖數(shù)字化赤水河流域1∶5萬數(shù)字高程模型(DEM)，提取小流域邊界，經(jīng)過室內(nèi)勾繪和野外勘驗(yàn)等工作，最終提取貴州省赤水河流域小流域753個(gè)，在不同地貌類型區(qū)的分布如圖9所示。
圖9 不同地貌類型區(qū)小流域分布
根據(jù)圖9的屬性統(tǒng)計(jì)，喀斯特地貌區(qū)小流域358個(gè)，占小流域總數(shù)的47.54%；喀斯特+非喀斯特地貌區(qū)小流域182個(gè)，占小流域總數(shù)的24.17%；非喀斯特地貌區(qū)小流域213個(gè)，占小流域總數(shù)的28.29%(見表1)。
表1 不同地貌類型區(qū)小流域劃分統(tǒng)計(jì)
3.4.2 結(jié) 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(jù)圖10的屬性統(tǒng)計(jì)，完整型小流域530個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的70.39%；坡面型小流域43個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的5.71%；區(qū)間型小流域180個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的23.90%(見表2)。
表2 不同小流域類型統(tǒng)計(jì)
3.4.3 小流域按面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果
貴州省赤水河流域小流域按面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。
表3 不同小流域面積統(tǒng)計(jì)
由表3可知，面積低于3 km2的小流域比較少，有9個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的1.20%；面積在3～10 km2的小流域有310個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的41.17%；面積在10～30 km2的有348個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的46.22%；面積在30～50 km2的有86個(gè)，占小流域提取總個(gè)數(shù)的11.42%。
4 結(jié) 論
本文以貴州省赤水河流域?yàn)檠芯繉?duì)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(guó)西南典型喀斯特與非喀斯特地貌混合分布區(qū)小流域劃分方法及小流域分布特征，主要結(jié)論如下：
(1) 赤水河流域中喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)358個(gè)，占小流域總數(shù)的47.54%；喀斯特+非喀斯特地貌區(qū)小流域個(gè)數(shù)182個(gè)，占小流域總數(shù)的24.17%；非喀斯特地貌區(qū)213個(gè)，占小流域總數(shù)的28.29%。
(2) 赤水河流域小流域按照類型統(tǒng)計(jì)，其中完整型小流域530個(gè)，區(qū)間型小流域180個(gè)，坡面型小流域43個(gè)。從提取精度來看，完整型小流域的精度要高于坡面型和區(qū)間型小流域。
(3) 赤水河流域小流域按照面積統(tǒng)計(jì)，小流域面積小于3 km2有9個(gè)，面積在3～10 km2的有310個(gè)，面積在10～30 km2的有348個(gè)，面積在30～50 km2的有86個(gè)。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(dòng)提取小流域，但因喀斯特地貌類型復(fù)雜和地表地下二元結(jié)構(gòu)水循環(huán)特點(diǎn)，使得小流域劃分邊界存在諸多問題，必須借助手動(dòng)編輯和修正才能達(dá)到較理想的劃分效果，對(duì)于喀斯特地區(qū)小流域劃分實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化提取還需要進(jìn)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
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10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0501.
2017-07-12
國(guó)家自然科學(xué)基金(41361091)
呂一兵(1963—)，男，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪地理信息研究。E-mail：522801596@qq.com
楊廣斌。E-mail：ygbyln@163.com
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