項(xiàng) 璐，馮秀麗，王 侃，曹 昊

(1.寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)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(fā)展不可缺少的重要自然資源。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，對(duì)水資源提出了更高的需求。2005年水利部啟動(dòng)了“全國城市飲用水水源地安全保障規(guī)劃”，規(guī)劃涉及全國661個(gè)建制市和1746個(gè)縣級(jí)城鎮(zhèn)的4555個(gè)集中式飲用水源地，其中地表水水源地2405個(gè)，占總數(shù)的52.18%。在所調(diào)查的4555個(gè)集中式飲用水水源地中，有638個(gè)飲用水水源地水質(zhì)不安全，飲用水水源地環(huán)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(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)、生活、畜禽養(yǎng)殖等產(chǎn)生的廢水對(duì)水庫水質(zhì)造成持續(xù)污染，將直接威脅群眾飲水安全。而當(dāng)前對(duì)水庫水源的保護(hù)大多限于水環(huán)境功能區(qū)的劃分，即對(duì)水庫及其源頭劃分為自然保護(hù)區(qū)(沿水庫縱深1000 m的陸域范圍)。目前各級(jí)政府部門在保護(hù)區(qū)內(nèi)開展建設(shè)、污染整治等工作無法可依，難以進(jìn)行有效督管。而且飲用水水源相關(guān)法律法規(guī)中關(guān)于保護(hù)區(qū)劃分的規(guī)定過于籠統(tǒng)，如HJ/T338—2007《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)范》)雖然對(duì)各種水源保護(hù)區(qū)給出了劃區(qū)定界的規(guī)范，但沒有明確的技術(shù)流程，劃定水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)存在一定困難，范圍合理、邊界清晰的水源保護(hù)區(qū)難以獲得，從而使相關(guān)部門的水庫水源保護(hù)工作無據(jù)可依。

因此，科學(xué)合理地劃定水庫水源保護(hù)區(qū)，是保護(hù)水庫水源地最大可能免受人類活動(dòng)影響、保證水質(zhì)安全的重要措施[1]。目前3S技術(shù)在水文水資源方面的應(yīng)用已相當(dāng)普及并體現(xiàn)出其優(yōu)越性，GIS技術(shù)能夠處理和分析多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)和關(guān)系，用以解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題。利用GIS技術(shù)進(jìn)行河網(wǎng)水系提取、流域盆地劃分、子流域生成、自然環(huán)境專題信息獲取等方面的研究取得了重要進(jìn)展，對(duì)水資源或流域的研究和保護(hù)有重要的參考價(jià)值[2-5]。目前國內(nèi)利用GIS技術(shù)進(jìn)行水庫飲用水源保護(hù)區(qū)劃分的研究較少，且沒有結(jié)合遙感影像對(duì)保護(hù)區(qū)范圍線進(jìn)行修正的相關(guān)研究;同時(shí)，已有關(guān)于飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的研究沒有具體的操作細(xì)則，兩級(jí)保護(hù)區(qū)的水域和陸域范圍確定沒有細(xì)化，因此水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的技術(shù)方法需要進(jìn)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(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討基于DEM技術(shù)的水庫水源保護(hù)區(qū)劃分方法，進(jìn)行水源保護(hù)區(qū)的劃區(qū)定界。對(duì)水庫水源進(jìn)行保護(hù)區(qū)劃區(qū)定界，不僅可有效保護(hù)水源地水質(zhì)，保障飲用水安全，而且污染源監(jiān)督等管理工作也有了執(zhí)法依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

研究范圍為皎口—周公宅水庫流域，涉及寧波市鄞州區(qū)章水鎮(zhèn)，余姚市鹿亭鄉(xiāng)、大嵐鎮(zhèn)、四明山鎮(zhèn)，總面積259 km2，流域內(nèi)共有行政村39個(gè)，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(shì)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(qū)章水鎮(zhèn)，距寧波城區(qū)約35 km，總庫容1.19 億 m3，正常蓄水位 69.9 m，是向?qū)幉ㄊ袇^(qū)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(lián)合調(diào)度，承擔(dān)向?qū)幉ㄊ袇^(qū)提供50萬t/d飲用水的輸水任務(wù)，是寧波市主要飲用水水源，已成為寧波市可持續(xù)發(fā)展的重要支撐因素。

皎口—周公宅水庫流域范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染是影響水庫水質(zhì)的主要污染源。水庫流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)種植以經(jīng)濟(jì)作物為主，需肥量大，地表徑流攜帶大部分化肥進(jìn)入水庫，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一;此外，水庫流域內(nèi)村莊人口比較分散，缺少系統(tǒng)的排水管網(wǎng)和配套的污水處理設(shè)施，大部分農(nóng)村生活污水未經(jīng)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(nèi)還存在相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)企業(yè)，其排放的廢水大部分也進(jìn)入庫區(qū)，污染水體;最后，隨著水庫流域內(nèi)農(nóng)家樂、漂流、四明山景區(qū)等旅游業(yè)的發(fā)展，游客產(chǎn)生的生活垃圾及廢水量大增，影響了飲用水源的水質(zhì)。

研究使用的數(shù)據(jù)包括DEM、航測(cè)影像、2009年1∶10000土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)等。DEM柵格大小為5 m×5 m，遙感影像為研究區(qū)2009年幾何糾正后的航測(cè)影像，分辨率為0.5 m。所用DEM、影像和土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)皆為西安80坐標(biāo)系。

2 方法與流程

2.1 保護(hù)區(qū)界線分層提取

利用ArcGIS中的水文分析模塊對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。步驟如下:①對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，生成無洼地的DEM;利用無洼地的DEM進(jìn)行流向分析，得到流向柵格數(shù)據(jù)。②計(jì)算匯流累積量。匯流累積量是提取水網(wǎng)的基礎(chǔ)，匯流累積的數(shù)值越大，就越易形成地表徑流。③在此基礎(chǔ)上，提取河流網(wǎng)絡(luò)柵格，可以將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成河流網(wǎng)絡(luò)矢量數(shù)據(jù)，通過設(shè)置參數(shù)，減少小支流的數(shù)量。④采用Stream Order中的Strahler分級(jí)法，將河網(wǎng)分級(jí)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況確定需要重點(diǎn)保護(hù)的高等級(jí)干流。⑤利用水流方向數(shù)據(jù)，通過Basin工具計(jì)算生成流域盆地集水區(qū)，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(jìn)行分割生成低級(jí)的集水區(qū)，即研究區(qū)的子流域[6-7]。將流域柵格進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)換，獲得相應(yīng)的子流域多邊形矢量數(shù)據(jù)與拓?fù)湫畔8]，用于水庫水源保護(hù)區(qū)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(qū)如圖2所示。

2.2 保護(hù)區(qū)定界

按照《技術(shù)規(guī)范》，綜合考慮自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及法律法規(guī)政策等因素，結(jié)合遙感影像、土地利用現(xiàn)狀圖、行政界線、居民點(diǎn)分布、區(qū)域地形特征等，對(duì)保護(hù)區(qū)界線分層提取結(jié)果進(jìn)行GIS疊加分析及修正，最終劃定水庫水源一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)。

2.2.1 水源一級(jí)保護(hù)區(qū)

皎口水庫和周公宅水庫屬于單一供水型水庫，根據(jù)《技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，將這兩個(gè)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(jí)保護(hù)區(qū)。當(dāng)水庫沿岸第一重山水平距離太遠(yuǎn)時(shí)，直接跨山頭連接山脊線;對(duì)于上游河流，根據(jù)河流分級(jí)的結(jié)果，并結(jié)合實(shí)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(jí)保護(hù)區(qū)，即將第一重山范圍線與沿岸1000 m緩沖區(qū)做空間疊加分析。但由于在實(shí)際劃定保護(hù)區(qū)范圍過程中要結(jié)合水源保護(hù)區(qū)的地形、地標(biāo)、地物特點(diǎn)，同時(shí)也要考慮居民點(diǎn)、污染源等因素的影響，需對(duì)第一重山范圍線與沿岸1000 m緩沖區(qū)的空間疊加結(jié)果進(jìn)行修正，例如遇到集中分布的居民點(diǎn)，其一部分在河流沿岸縱深1000 m緩沖區(qū)之內(nèi)，其余部分在緩沖區(qū)外，考慮到居民點(diǎn)的整體性，則需修正將整個(gè)居民區(qū)劃入保護(hù)范圍，利用遙感影像，對(duì)范圍線進(jìn)行調(diào)整。如圖3所示，實(shí)線為修正前空間疊加分析的結(jié)果，虛線為修正后的結(jié)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(qū)

圖3 初步劃定結(jié)果修正

2.2.2 水源二級(jí)保護(hù)區(qū)

面源污染是皎口—周公宅水庫流域的主要污染源，二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定，具體可依據(jù)自然地理、環(huán)境特征和環(huán)境管理需要，通過分析地形、植被、土地利用、森林開發(fā)、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(qū)性水庫，整個(gè)集雨區(qū)分水嶺內(nèi)一級(jí)保護(hù)區(qū)外的平均海拔約500 m，地形起伏大、相對(duì)高差大，入庫河流為山溪性河流，上游入庫河流對(duì)水庫水質(zhì)的影響很大，在降雨期河流流速快、流量大，流域內(nèi)各類污染物能夠迅速進(jìn)入水庫。因此，從有利于環(huán)境管理和水源保護(hù)出發(fā)，依據(jù)該流域的自然地理環(huán)境特征，將整個(gè)水庫集雨區(qū)內(nèi)除一級(jí)保護(hù)區(qū)外的區(qū)域均劃為二級(jí)保護(hù)區(qū)。

3 結(jié)果與分析

皎口水庫水源保護(hù)區(qū)總面積127.00 km2。一級(jí)保護(hù)區(qū)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(jí)保護(hù)區(qū)面積為56.78 km2。

周公宅水庫水源保護(hù)區(qū)總面積132.00 km2。其一級(jí)保護(hù)區(qū)的水域范圍和陸域范圍的劃分原則同皎口水庫。一級(jí)保護(hù)區(qū)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(jí)保護(hù)區(qū)面積為81.23 km2。

皎口—周公宅水庫水源保護(hù)區(qū)劃分范圍如圖4所示。

圖4 水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃

水庫飲用水源保護(hù)區(qū)的劃分要求較嚴(yán)格。飲用水水源一級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍過大，將對(duì)山區(qū)群眾的生產(chǎn)、生活造成很大的影響，不利于地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;范圍過小，則流域內(nèi)各類污染源直接影響水庫水質(zhì)，不利于水庫水質(zhì)的保護(hù)。二級(jí)保護(hù)區(qū)的劃分主要依據(jù)流域內(nèi)主要環(huán)境問題，結(jié)合地形條件分析確定。將第一重山脊線與沿岸1000 m緩沖區(qū)做疊加分析，劃分出的一級(jí)保護(hù)區(qū)與將整個(gè)水庫集雨區(qū)內(nèi)除一級(jí)保護(hù)區(qū)外的區(qū)域劃為二級(jí)保護(hù)區(qū)，從有利于水源地環(huán)境管理和污染整治的角度出發(fā)，是比較適宜的。

4 結(jié)語

遵循研究區(qū)流域的地形地貌特征和水文特征，并考慮土地利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響，利用DEM，采用GIS技術(shù)，更加快速、準(zhǔn)確地對(duì)寧波市皎口水庫、周公宅水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)進(jìn)行了劃分，劃分方法較為科學(xué)合理，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)區(qū)范圍的半自動(dòng)化界定[9-10]。將研究成果作為參考，嚴(yán)格執(zhí)行飲用水源保護(hù)區(qū)相關(guān)規(guī)定，對(duì)于飲用水源地水質(zhì)的日常保護(hù)工作具有顯著的意義;同時(shí)，該研究對(duì)水資源的開發(fā)利用和其他類似的水庫水源保護(hù)區(qū)的劃區(qū)定界也具有參考意義。

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