董婷婷（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003）

遼寧省小型河流空間分布及屬性信息研究

董婷婷
（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003）

河湖是地球表面水循環(huán)、碳循環(huán)、營養(yǎng)物循環(huán)和泥沙循環(huán)的載體，也是哺育人類歷史文明的偉大搖籃，在區(qū)域生態(tài)安全、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、文化傳承等方面具有重要意義。本文選取遼寧省內(nèi)10～50km2河流作為研究對象，充分利用1∶5萬DEM、水系軸線、遙感影像等資料，采取計算機自動提取與人工目視判讀相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了10～50km2河流提取，并獲取了河流屬性信息。與現(xiàn)存資料進行對比分析，本文提取的結(jié)果與實際情況較為一致，為我省典型河湖健康調(diào)查評價提供了數(shù)據(jù)保障。

河流；信息；提?。谎芯?/p>

河湖是地球表面水循環(huán)、碳循環(huán)、營養(yǎng)物循環(huán)和泥沙循環(huán)的載體，也是哺育人類歷史文明的偉大搖籃，在區(qū)域生態(tài)安全、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、文化傳承等方面具有重要意義。在大規(guī)模經(jīng)濟開發(fā)和全球氣候變化雙重因素的交織作用下，河湖生態(tài)健康問題十分突出，不同程度地出現(xiàn)了水質(zhì)污染、形態(tài)結(jié)構(gòu)破壞、水文條件惡化、生境退化、生物多樣性受損以及重要或敏感水生生物消亡等問題。因此，開展河湖健康評估工作，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

遼寧省水系發(fā)達，河流眾多。第一次水利普查成果顯示，全省流域面積50km2以上河流共有845條，河流總長度28459km。長期以來，受自然環(huán)境和人類活動的雙重影響，我省河流健康問題逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為:河道來水量減少、淤積持續(xù)增加、水面不斷萎縮、行洪能力下降、嚴重的甚至出現(xiàn)了中小河流消失的現(xiàn)象；河流污染問題突出，城鄉(xiāng)居民飲水安全受到威脅；河流所處流域生態(tài)環(huán)境惡化，植被破壞嚴重、水土流失加劇、旱澇災害頻發(fā)。針對遼寧省河流特點，遼寧省省政府于2013年10月31號聽取了全省水利工作專題匯報后，指示“水利廳要搞一個調(diào)查研究，建國以來有多少河流消失了，消失的原因是什么，采取什么措施能恢復多少河流”。對此，遼寧省水利廳決定對全省10km2以上典型河流開展河湖生態(tài)健康狀況調(diào)查評價課題，其中10～50km2河流提取是其子題之一。

我省已于第一次全國水利普查期間完成了50km2及以上河流的普查工作，本次河流提取工作在其成果之上展開，充分利用1∶5萬DEM、水系軸線、遙感影像等資料，采取計算機自動提取與人工目視判讀相結(jié)合的方法，開展10～50km2河流提取工作。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于祖國東北地區(qū)南部，地理坐標介于東經(jīng)118°50′～125°47′，北緯38°43′～43°26′之間。全省水系發(fā)達，河流眾多。共有三大流域七大水系。三大流域分別為遼河流域、黑龍江流域和海河流域。七大水系分別為遼河流域的遼河水系、遼東灣西部沿渤海諸河水系、遼東灣東部沿渤海諸河水系、遼東沿黃海諸河水系和鴨綠江水系，黑龍江流域的松花江水系，海河流域的灤河及冀東沿海諸河水系。全省流域面積50km2以上的河流有845條。其中，山地河流787條，平原水網(wǎng)河流57條，混合河流1條。山地及混合河流按流域面積劃分為三類，分別是大型河流、中型河流和小型河流。其中，大型河流（流域面積5000km2以上）有16條，分別是遼河、老哈河、東遼河、清河、柳河、繞陽河、渾河、太子河、大凌河、小凌河、大洋河、鴨綠江、渾江、愛河、輝發(fā)河和青龍河；中型河流（流域面積為1000km2～5000km2）有32條；小型河流（流域面積為50km2～1000km2）有740條。在第一次全國水利普查期間，我省已經(jīng)完成了50km2以上河流的普查工作，掌握了河流的數(shù)量、分布及相關(guān)屬性信息。此次河流提取工作主要針對10～50km2河流展開。

2 研究內(nèi)容

河流指陸地表面宣泄水流的通道，是溪、川、江、河等的總稱。此次10～50km2河流提取主要考慮在天然和人工控制條件下常年（經(jīng)常發(fā)生）自然的匯流（排水）功能，并有集水區(qū)域的河流。不管河流是否常年有水（如北方地區(qū)），不管河流的集水區(qū)域邊界能否清晰準確劃定（如平原水網(wǎng)區(qū)），也不管河流是天然河道還是人工整治河道。

本研究的主要內(nèi)容包括兩部分，一是提取河流的空間分布信息，二是填補河流的屬性信息。其中河流的空間分布信息是指10～50km2河流分布圖，河流的屬性信息主要包括:河流名稱、流域面積、長度、級別、岸別、上級河流、河源地址、河口地址、流經(jīng)、平均比降、河源點高程、河口點高程和河流類型13個字段。

3 研究方法

根據(jù)研究內(nèi)容和我省河流特點，制定了技術(shù)路線。對于山地及混合河流采用計算機自動提取方法，對于平原水網(wǎng)河流采用人工目視判讀方法，最后，將兩者提取的結(jié)果進行匯總得到全省10～50km2河流，進而利用計算機編程自動獲取河流屬性信息。

3.1 數(shù)據(jù)源

本次河流提取所用到的數(shù)據(jù)源主要有以下幾種:

（1）1∶5萬DEM:主要用于山地及混合河流提取，河源點高程和河口點高程信息獲取等；

（2）0.5m分辨率的高清影像和水系軸線:主要用于平原水網(wǎng)河流提?。?/p>

（3）50km2以上河流信息，主要用于獲取級別、岸別、上級河流等信息；

（4）50km2河流流域界限分布圖，主要用于判定山地及混合河流和平原水網(wǎng)河流的分布范圍；

（5）灌區(qū)分布圖，主要用于輔助提取平原水網(wǎng)河流；

（6）省、市、縣、鄉(xiāng)和村5級行政區(qū)劃圖，主要用于獲取河源地址、河口地址、流經(jīng)等信息；

3.2 山地及混合河流提取方法

山地河流指流域內(nèi)地形起伏大、流域邊界能清晰界定的河流?；旌虾恿髦噶饔騼?nèi)部分區(qū)域流域邊界能清晰界定、部分區(qū)域流域邊界無法清晰界定的河流。山地及混合河流提取在50km2以上山地及混合河流所在流域范圍內(nèi)展開，采用坡面徑流模擬法，在無洼地的DEM上利用最大坡降方法獲取每個柵格單元的流向，按照水流由高向低流動的自然規(guī)律，計算每個柵格在水流方向上的匯流累積量，通過設(shè)定集水面積閾值提取河網(wǎng)信息，進而對10～50km2的山地及混合河流進行篩選。

山地及混合河流的提取利用Arcgis軟件提供的Hydro1ogy模塊來實現(xiàn)，主要的操作步驟有:無洼地填充、水流流向確定、匯流累積量計算、河網(wǎng)提取和10～50km2山地及混合河流篩選。（1）無洼地填充:在DEM制作過程中，不可避免會產(chǎn)生一些錯誤的洼地和尖峰，對于洼地點只有水流流入沒有流出，對于尖峰點只有水流流出沒有流入，這些錯誤點會影響水文特征提取。因此，本文首先利用fi11功能對1∶5萬DEM數(shù)據(jù)進行無洼地處理。（2）水流流向確定:水流方向決定了河流走向，是提取流域水文特征的關(guān)鍵步驟。本文采用單流向法中的D 8方法，利用最大坡降計算每個柵格單元與其領(lǐng)域內(nèi)8個柵格的距離權(quán)落差，將距離權(quán)落差的最大值作為該柵格的流向，此步驟利用f1owdirection功能對無洼地填充的結(jié)果進行流向計算。（3）匯流累積量計算:匯流累積量表征了河流的匯集能力，其值越大匯流能力越強，成為河流的可能性越大，是提取河網(wǎng)信息的重要因素。匯流累積量是在水流方向的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，假定每個柵格單元攜帶一個單位的水量，遵循自然水流由上游到下游流動，由支流到干流匯集的規(guī)律，根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)計算每個柵格單元在流向上的水量累計值，即匯流累積量。本文利用f1owaccumu1ation功能對河流流向結(jié)果進行匯流累積量計算。（4）河網(wǎng)提取:當匯流累積量達到一定閾值時，就會產(chǎn)生地表水流，區(qū)域內(nèi)所有滿足條件的水流所形成的河流網(wǎng)絡就是河網(wǎng)。河網(wǎng)的提取以匯流累積量結(jié)果為基礎(chǔ)，以集水區(qū)域面積大小作為判斷閾值，凡是匯流累積量大于閾值的柵格均被定義為河網(wǎng)內(nèi)的單元，這些單元彼此連接就形成了河網(wǎng)。本研究集水面積閾值設(shè)定為0.2km2，利用 mapa1gebra功能提取河網(wǎng)信息。（5）10～50km2山地及混合河流篩選:流域面積大小是判斷河流類型的關(guān)鍵因素。本研究利用watershed功能，根據(jù)水流方向信息，將從同一出水口流水的所有柵格單元劃分為同一子流域，通過對流域面積進行篩選，提取出10～50km2山地及混合河流。

3.3 平原水網(wǎng)河流提取方法

平原水網(wǎng)河流指流域內(nèi)地形起伏小、流域邊界無法清晰界定的河流。平原水網(wǎng)河流的提取在50km2以上平原水網(wǎng)河流所在流域范圍內(nèi)展開，利用0.5m分辨率的高清影像和水系軸線作為主要數(shù)據(jù)源，采用目視解譯的方法進行人工判定。

平原水網(wǎng)河流的提取利用arcgis軟件實現(xiàn)，主要的操作步驟有:（1）加載數(shù)據(jù)源:數(shù)據(jù)源是進行平原水網(wǎng)河流提取的主要信息來源，這里利用的信息主要有0.5m分辨率的高清影像、水系軸線、灌區(qū)分布圖、50km2河流流域界限分布圖等。其中，50km2河流流域界限分布圖主要用于界定平原河網(wǎng)的分布范圍；0.5m分辨率的高清影像、水系軸線和灌區(qū)分布圖主要用于判斷河流。（2）矢量化:矢量化是獲取平原水網(wǎng)河流的重要環(huán)節(jié)。這里首先判斷平原水網(wǎng)河流，對于已經(jīng)確定的平原水網(wǎng)河流，利用E di t o r工具矢量化河流，并進行保存。（3）10～50km2平原水網(wǎng)河流篩選:在分水線能清晰準確劃分的較大區(qū)域邊界內(nèi)，根據(jù)重要性選定常年自然匯流的骨干河流，再由骨干河流逐級向周邊延伸選定河流，直至河流所在區(qū)域范圍的面積小于10km2；但該區(qū)域邊界內(nèi)的河流總數(shù)不得超過區(qū)域邊界總面積與10km2的比值，并適當考慮區(qū)域內(nèi)河流分布的均勻性。工作中發(fā)現(xiàn)不少河流、渠系長度很短，這里針對我省河流特點將平原水網(wǎng)的長度標準界定為不低于6km。

3.4 河流屬性信息獲取

河流的屬性信息完善了河流內(nèi)容，便于日后系統(tǒng)地對河流進行管理。這里采用計算機自動編程的方法獲取河流的屬性信息。（1）流域面積:對于山地及混合河流利用watershed提取的流域分布圖，自動求算河流對應的流域面積。（2）長度:利用arcgis中的ca1cu1ategeometry功能自動計算河流長度。（3）級別:利用50km2和10～50km2河流的提取結(jié)果，根據(jù)河流編碼，自動提取河流級別。（4）岸別:利用50km2和10～50km2河流的提取結(jié)果，計算每條河流與其上級河流的夾角，根據(jù)角度大小進而左右岸判斷；（5）上級河流:利用50km2和10～50km2河流的提取結(jié)果，根據(jù)河流編碼，自動提取上級河流。（6）河源地址和河口地址:利用河流提取結(jié)果和行政界分布圖，自動獲取。（7）流經(jīng):利用河流提取結(jié)果和行政界分布圖，自動提取流經(jīng)。（8）平均比降:根據(jù)河源點、河口點高程和河流長度，自動計算平均比降。（9）河源點高程和河口點高程:利用河流提取結(jié)果和DEM數(shù)據(jù)，自動獲取。（10）河流類型:利用利用河流提取結(jié)果和流域界限分布圖，自動獲取河流類型。

4 結(jié)論與分析

按照設(shè)定的技術(shù)路線，首先，分別提取山地及混合河流和平原水網(wǎng)河流；其次，匯總山地及混合河流和平原水網(wǎng)河流，生成全省10～50km2河流；最后，自動獲取河流屬性信息。

此次提取的10～50km2河流共計2581條，其中山地及混合河流2424條，平原水網(wǎng)河流157條。由于屬性信息表的記錄數(shù)和字段數(shù)都比較多，這里只列舉了1條記錄，如表1所示。

表1 10～50k m2河流屬性信息樣表

與現(xiàn)存資料進行對比分析，本文提取的結(jié)果與實際情況較為一致，但對于部分屬性信息，如河流名稱、河口地址、河源地址、流經(jīng)等尚需進行進一步核對。綜上所述，本文完成了全省10～50km2河流的提取工作，獲取了河流相應的屬性信息，為我省典型河湖健康調(diào)查評價提供了數(shù)據(jù)保障。

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：1672-2469（2015）03-0023-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.010

遼寧省政府重點項目:遼寧省河流生命現(xiàn)論與治理保護研究

董婷婷（1980年—），女，高級工程師。