基于3S集成技术的饮用水水源保护区划分研究—以修水县东津水库为例

刘慧丽，查东平

(江西省环境保护科学研究院，330029，南昌)

基于3S集成技术的饮用水水源保护区划分研究—以修水县东津水库为例

刘慧丽，查东平

(江西省环境保护科学研究院，330029，南昌)

在经济高速发展的同时，制定科学合理的饮用水水源保护区划分范围，是防治饮用水水源污染，使保护区管理有法可依，保障人民群众饮用水安全和身体健康的重要环节。以修水县东津水库为例，以《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ/T338-2007)等有关技术原则为指导，采用3S集成技术，以资源3号(ZY3)遥感影像作为基础底图，可以很好的表现水源地的自然状况、风险源分布情况和保护区边界划分情况。划分过程中借助地形图、数字高程模型等空间信息和水库水文、风险源外业调查和违章建筑调查资料等辅助信息为合理划分保护区提供依据。研究利用DEM提取保护区周边集水范围，并结合高分辨率遥感影像判断以《饮用水水源保护区划分技术规范》为划分基准，制定2套保护区划定方案，并将不同划分方案进行科学比选，为实施饮用水水源保护区环境保护工程和管理提供科学依据。

湖库；饮用水水源地；保护区划分；3S集成；资源3号

0 引言

饮用水水源保护区是指国家为贯彻《中华人民共和国水污染防治法》和《中华人民共和国水污染防治法实施细则》，防治饮用水水源地污染，保证水源地环境质量而划定，并要求加以特殊保护的一定面积的水域和陆域。科学合理地划定饮用水水源保护区范围是一项技术含量较高的工作，划分保护区的过程中需将保护区范围反映在饮用水水源保护区划分图上，方便水源监管部门对保护区进行有效管理。

饮用水水源保护区划分结果应反映水源地位置、水网、居民点分布、行政界线、交通、保护范围等要素。在准备工作中，开展相应的水源评价、水源地取水点坐标位置采集以及预测计算一级、二级保护区半径等为前期工作，并搜集或加工制作数据，完善与区划图有关的数据库。可采用1:50 000地形图，或者更小比例尺的地形图，但由于各地经济发展迅速，地形图更新缓慢，直接在地形图上划分，增加了保护区的划分难度，精确的位置以及保护区半径难以确定，保护区划分范围不准确，实际操作难。

本文以修水县东津水库为例，以水质预测软件计算保护区大致范围，采用3S(GIS、GPS和RS)集成技术确定保护区详细边界。划分过程中以资源3号(ZY3)高分测绘遥感影像数据作为划分基础数据，配合地形图和DEM等空间地理数据，借助水位数据、风险源调查、违章建筑调查等辅助材料，从饮用水水源水质保障、保护区划定经济合理等方面确定最优方案。该技术具有可靠的精度、可实际操作性，同时降低了保护区划分难度，可做出精度完美的保护区划分范围图，为实施饮用水水源保护区环境保护工程和管理提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

1.1研究区概况

研究区域东津水库地处修水县马坳镇山口塅村的东津水峡谷出水口处，距修水县城38 km，所在坝址处在东经114°19′35″E，北纬28°58′57″N，是一座以发电为主，兼顾灌溉、供水为主的大(二)型调节水库，水库集水面积1 080 km2，占东津水全流域的97%，总容量为7.95亿m3，多年平均径流量9.45亿m3。

目前是修水县城主要供水水源，修水县饮用水水源取水口位于东津水库坝址右侧，取水口所在地为润泉水厂，水厂设计取水量为10万m3/d，实际取水量为5万m3/d，供水总人口为14万人，已服务年限为1年，目前水源地取水口未进行任何饮用水水源地规范化建设措施。

1.2数据来源

本研究所采用的遥感影像为资源3号多光谱和全色数据。资源3号卫星是我国首颗民用三线阵立体测图卫星，发射时间为2012年1月9日，设计寿命为5年[1]。该卫星的主要任务是长期、连续、稳定、快速地获取覆盖全国的高分辨率立体影像和多光谱影像，为国土资源调查与检测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通、国家重大工程等领域的应用提供服务[2-3]。

资源3号卫星是我国第一颗民用高分辨率光学传输立体测图卫星，集测绘和资源勘测多功能于一体。资源3号卫星的前视、后视和正视传感器可以对同一个地区获得3个不同观测角度的立体像对，可以提供丰富的三维信息，在立体测图这一领域发挥重大作用[4-6]。

本研究所采用影像数据卫星过境时间为2012年10月26日。多光谱数据空间分辨率为5.8 m，包括蓝、绿、红和近红外4个波段，全色空间分辨率为2.1 m，影像刈幅51 km×51 km。

研究还采用了Landsat 8影像，数据获取时间为2013年10月5日。Landsat 8刈幅185 km×185 km，包括8个空间分辨率为30 m的多光谱波段和1个空间分辨率为15 m的全色波段。

表1 资源3号卫星有效载荷技术指标

2 饮用水水源地水资源与水质评价

2.1水资源评价

根据东津水库观测资料，东津水库库区最大降雨量为2 510.0 mm(1998年)，年内最小降雨量为1 062.5 mm(2007年)，库区年内降雨时空分布不均，其中降雨主要集中3-9月(汛期)，10月至次年2月(枯水期)降雨偏少。水库多年平均入库径流量9.45亿m3，4-6月占全年的53.5%。

最大年入库径流量21.32亿m3(1998年)，最小年入库径流4.65亿m3(2004年)，多年平均入库输沙量16.4万t，4-6月占全年的56%。

根据《修水县10万吨/日第三水厂工程水资源论证报告》[7]，东津水库取水工程位于竹坪乡南圳村和义宁镇良塘村交界处(马家坳)，直接从东津水库取水，项目设计取水流量1.157 m3/s，年取水量3 650万m3。以先锋水文站为依据站，取水口断面多年平均径流深为911.4 mm，多年流量均值为31.1 m3/s，径流模数为28.9 L/s·km2，平均径流量为9.45亿m3，水厂年取水量占取水口多年平均来水量3.71%。取水口处最小日平均流量为0.14 m3/s，历年最小月平均流量为3.27 m3/s。

表2 取水口最小日、月平均流量分析成果表

2.2水质评价

由历史数据分析可知，在未建取水口之前，水库水质总体上能达到Ⅲ类标准。主要限制性因子为总磷，总磷是湖泊生态系统稳态转换最主要的驱动因子，因此当总磷含量一旦达到阈值，会驱使草型湖泊向藻型湖泊转换，会导致水生态环境恶化。根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，作为湖库的地表水体，Ⅰ类水标准要求总磷≤0.01 mg/L，Ⅱ类水标准要求总磷≤0.025 mg/L，Ⅲ类水标准要求总磷≤0.05 mg/L。

3 划分技术方案与比选

3.1划分思路

划分结合国家和江西省对饮用水水源地划分的相关要求，共设计2套比选方案。2套划分方案均是在参考国家《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ/T338-2007)和江西省相关饮用水水源保护区划分等相关要求，结合地方自然地理、环境特征和环境管理要求，采用二维数值模型计算的方法、类比经验法和3S集成技术辅助法。综合考虑东津水库地区的水文地质特点以及污染源分布特征，利用3S集成技术将整个汇水区域内通过模型求解来寻求保护区的自净距离和湖泊中典型污染物浓度降解的最佳关系，根据污染物迁移转化与距离的关系，确定保护区的最佳范围。

3.2遥感影像处理

本研究用到资源3号多光谱数据、全色数据和Landsat 8多光谱和全色数据，需要对其分别进行处理。处理内容包括影像正射校正、几何精校正、影像融合、研究区裁剪、研究区镶嵌等。由于本研究仅涉及影像空间位置信息的目视判读，未涉及波段特征分析和典型地物特征分类提取，所以本研究未进行影像定标和大气校正。

3.2.1 Landsat 8影像预处理 Landsat 8多光谱和全色影像采用超分辨率贝叶斯法(PanSharpening)进行融合，得到空间分辨率为15 m的多光谱影像，影像采用通用横轴墨卡托投影(UTM)，选择50分区，中心经纬度为117度。此数据经过系统几何校正，具有较高精度[8]，可以作为资源3号几何纠正基础数据。

3.2.2 资源3号影像预处理 资源3号卫星多光谱和全色影像分别采用基于RPC有理函数模型，配合1:100 000数字高程模型进行正射校正，消除卫星成像过程中受透视投影、卫星姿态倾斜、地表高低起伏、大气折光等因素产生的几何畸变[9]。以Landsat 8融合后影像作为基准数据分别对资源3号多光谱和全色进行选点配准，选点误差控制在1 pt以内。对配准后的多光谱影像和全色影像采用超分辨率贝叶斯法进行融合处理，融合输出选择双线性内插法(bilinear)进行采样。影像处理最后一步是对研究区进行裁剪和镶嵌，保证东津水库位于影像中间位置。

3.2.3 资源3号影像真彩色合成 遥感影像采用Band 3、Band 2和Band 1作为红、绿、蓝3个波段合成显示真彩色影像。合成影像经过拉伸后影像整体偏灰暗，此外，由于资源3号数据包含近红外波段，可以利用此波段对植被信息进行增强。在ENVI软件中进行波段合成的方法为[10]：

Bandnew=a*Bgreen+(1-a)Bnir

(1)

式中：Bandnew为合成后的绿色波段，Bgreen为影像数据中原始绿色波段，在资源3号卫星数据中为Band2，Bnir为近红外波段，在资源3号卫星数据中为Band4。

影像波段通过ENVI软件中的Bandmath工具进行计算，生成新波段替换原有绿色波段，并通过LayerStacking工具进行文件合成(图1)。

图1 植被信息增强结果对比

3.3保护区划分方法

饮用水水源保护区的划分重点在于山脊线分水岭的划定。本研究通过基于DEM地表径流水文特征方法提取集水区，同时结合《饮用水水源保护区划分技术规范》要求进行边界确定。

3.3.1 集水区范围提取 利用ArcGIS软件空间分析工具Hydrology进行提取。分别对提取无洼地DEM，并做流向分析，计算水流累积量，提取河流网。将河流网栅格数据转成矢量数据平滑后叠加到影像图中。集水区提取结果如图2所示。

3.3.2 一级保护区划分方法 一级保护区划分方法中方案Ⅰ和方案Ⅱ一致。

水域：国家环保部发布的技术规范和江西省相关法律法规所要求的一级保护区水域范围基本一致，相比国家卫生部所发布的《生活饮用水集中式供水单位卫生规范》范围更大。同时，目前水库水源地取水口半径500 m范围内的水域没有支流汇入。

图2 集水范围提取

因此，确定方案I和方案II的水源地一级保护区水域范围为：以取水点为圆心，半径500 m范围内水域。该水域范围同时也满足卫生部颁发的《生活饮用水集中式供水单位卫生规范》(卫监发[2001]61号)文件中规定的饮用水源卫生防护带范围要求。

陆域：根据现场调查及利用资源3号遥感影像，东津水库水源地取水口位于主坝右侧，取水口侧陆域第一山脊线范围内除水库主坝外，周边均为自然山地丘陵，不涉及村庄、农田、工矿企业和规模化畜禽养殖企业等，因此一级保护区内陆域范围内不存在违章建筑。

确定方案Ⅰ和方案Ⅱ的水源地一级保护区陆域：南岸以公路为界，北岸与水域相邻的迎水面山脊线以内的陆域范围。

3.3.3 二级保护区划分方法

1)方案1

水域：据东津水库水质现状调查可知，本底CODcr浓度Ch为9 mg/L，总氮平均浓度0.39 mg/L，总磷污染物平均浓度为0.03 mg/L，CODcr达到Ⅰ类水质，总氮达到Ⅱ类水质，因此总磷为限制性因子，仅以总磷由Ⅲ类水衰减至Ⅱ类的长度为算。将Ⅲ类水水质标准中CODcr、TN和TP的浓度与取水口日平均取水量Q的乘积作为排放量，且全部集中于一点排放，计算典型污染物的污染带，当污染带达到II类水质标准时的最长者的长度作为二级保护区水域范围半径。

利用卡拉乌舍夫扩散模型应用到狭长的河道型水库。利用有限差分法对以上二维稳态水质模型进行数值求解，湖库水深H为27.35 m，流量Qp为1.16 m3/s，综合降解系数K1为0.06/d，环流流速u为0.035 m/s，Ⅱ类水总磷浓度为0.025 mg/L，Ⅲ类水总磷浓度为0.05 mg/L，输入各参数，由卡拉乌舍夫扩散模型可计算结果，在距取水口约1 530 m处总磷浓度能达到Ⅱ类标准要求。总磷污染物由Ⅲ类水质标准0.05 mg/L衰减到Ⅱ类水质标准0.025 mg/L以下，所需要的降解距离至少为1 530 m。但是考虑到程坊村就在此范围内，为了更好地保护好水源水质，将二级保护区范围长度增至上溯3 000 m。

因此确定方案2的水源地二级保护区水域范围为：以东津水库正常水位线190.0 m的水面面积，自一级保护区上游边界向上游3 000 m，至东津水库主湖区分叉口位置止，其间所涵盖的主库区水面、所有库汊及坝内水域范围。

陆域：通过对最新的资源3号卫星遥感影像数据分析，得出与一级和二级保护区水域等长的陆域范围内集水面积为9.89个km2，范围包括程坊村。

2)方案2

考虑到上游自铜鼓，途经复原，最后汇入程坊风景区，路程几十公里，上游的水源污染情况将直接影响下游居民的健康。在复原乡仍存在部分垂钓者将生活垃圾倒入水中等问题。上游来水距离较长，若在二级保护区基础上增设准保护区，在法律上得不到有效地保障，因此考虑将二级保护区范围适当扩大，且为了避免在划分二级保护区后在二级保护区上游利用大库汊开展水产养殖，因此将二个大库汊包括在二级保护区范围内。根据资源3号卫星遥感影像及行政区划资料，二级保护区上游陆域范围内还存在程坊村、程段村等多个村庄，境内产生的农村农业生活废水、垃圾堆放，直接或间接影响水库水体水质。因此，为便于对上述污染源进行有效控制和监管，确定将上述污染源纳入二级保护区范围内，以利于环境监管。

水域：水源地二级保护区以东津水库正常水位线190.0 m的水面面积，上溯5 000 m的所有水域，包含境内的2座大库汊。

陆域：南岸以公路为界，北岸与水域相邻的迎水面山脊线以内的陆域范围。

3.4划分结果

从社会经济、污染控制和环境风险等3个方面对两方案进行优缺点比选，最终确定采用方案2，得出东津水库水源保护区划分结果如下表3所示，为便于开展日常环境管理工作，依据保护区划分的分析、计算结果，结合水源保护区的地形、地标、地物等特点，最终确定各级保护区的界线。充分利用具有永久性的明显标志如水分线、行政区界线、公路、铁路、桥梁、大型建筑物、水库大坝、水工建筑物、河流岔口、输电线、通讯线等标示保护区界线，最终确定的各级保护区坐标红线图、表，作为政府部门审批的依据，也作为规划、国土、环保部门土地开发审批的依据。饮用水水源地保护标识应按照《饮用水水源保护区标志技术要求》(HJ/T433)国家规定设置。

表3 东津水库饮用水水源保护区划分方案

3.5划分技术方案边界说明

3.5.1 一级保护区边界说明 保护区区划图中蓝色三角为取水口，经度为114°19′50″，纬度为28°59′2″，红线之内为一级保护区水域范围，黄线之内为一级保护区陆域范围，总面积为 1.36 km2， 一级保护区关键拐点共有8个，分别为“1、2、3、4、5、6、11、12”，拐点“1-12-2”段为一级保护区水域南边界，拐点“3-5”段为为一级保护区水域北边界，拐点“1-11-2”段为一级保护区陆域南边界，拐点“3-4-6-5”段为一级保护区陆域北边界。东津水库一级水源控制范围见表4。

表4东津水库一级保护区控制范围及面积一览表

面积/km2保护区关键拐点控制坐标关键拐点编号东经北纬1．361114°19′39．384″E28°58′47．620″N2114°19′36．356″E28°58′53．058″N3114°19′36．681″E28°59′1．428″N4114°20′9．291″E28°58′58．568″N5114°20′4．810″E28°58′51．184″N6114°19′36．564″E28°59′4．104″N11114°22′30．731″E28°57′26．642″N12114°22′20．476″E28°57′16．377″N

3.5.2 二级保护区边界说明 区划图中粉线之内为二级保护区水域范围，蓝线之内为二级保护区陆域范围，总面积为39.25 km2。二级保护区关键拐点共有8个，分别为“1、5、6、7、8、9、10、11”，拐点“5-9”段为二级保护区水域北边界，拐点“1-10”段为二级保护区水域南边界；拐点“5-6-7-8-9”为二级保护区陆域北边界，其中“7-8”段为公路，其它段为距湖岸最近分水岭山脊线，拐点“10-11-1”为二级保护区陆域南边界，边界线为距湖岸最近分水岭山脊线。东津水库二级保护区控制范围见表5。

表5东津水库二级保护区控制范围及面积一览表

面积/km2保护区关键拐点控制坐标关键拐点编号东经北纬39．251114°19′39．384″E28°58′47．620″N5114°20′4．810″E28°58′51．184″N6114°19′36．564″E28°59′4．104″N7114°20′10．047″E28°59′12．171″N8114°19′35．075″E28°58′18．908″N9114°20′22．059″E28°59′22．653″N10114°21′34．456″E28°58′40．323″N11114°22′30．731″E28°57′26．642″N

3.5.3 划分技术方案实现 采用3S集成技术，以资源3号(ZY3)遥感影像作为基础底图，修水县东津水库饮用水水源保护区最终确定的范围和监测布点图如下图3所示。

4 结束语

本研究以修水县东津水库为例，开展基于3S技术的饮用水水源保护区划分研究，利用3S集成技术弥补传统技术的不足，准确确定饮用水水源地的一级、二级保护区范围以及保护区界标界桩，为当地县政府各部门对保护区实施日常监管以及为实施饮用水水源保护区环境保护工程提供科学依据。通过对3S集成技术运用于饮用水水源保护区划分的研究和实践表明有以下优点。

1)利用3S集成技术可以更加科学合理地确定饮用水保护区边界。借助数字高程模型可以快速生成饮用水水源地汇流情况，为保护区边界确定提供科学依据；结合高空间分辨率遥感影像能够提高保护区划定的准确性。

图3 东津水库饮用水保护区划分图和监测布点图

2)采用资源3号高分辨率卫星影像能够快速、准确确定饮用水保护区范围内环境状况。资源3号5.8 m多光谱影像和2.1 m全色影像融合之后产品兼具了全色影像高空间分辨率和多光谱色彩丰富的特性。从融合后的2.1 m真彩色合成影像中可以快捷、直观地判别饮用水源地周边房屋、道路和其它违章建筑等信息，获得第一手饮用水水源地保护区周边环境状况。

3)3S集成技术在饮用水水源地保护区划定工作中具有广阔前景。随着各种新兴技术如计算机硬软件技术、光学成像技术、无线通信技术的发展，应用的范围会越来越广，实际效果会越来越明显，综合利用3S集成技术进行饮用水水源地保护区划定工作具有宏观、准确的特点，该技术的广泛应用对促进饮用水水源保护、保障饮水安全和为管理部门提供科学决策具有一定科学意义。

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AstudyontheDrinkingWaterSourceProtectionAreasDivisionBasedon3SIntegratedTechnology—ACaseStudyofDongjingReservoirinXiushuiCounty

LIU Huili,ZHA Dongping

(Jiangxi Academy of Environment Protection Sciences,330029,Nanchang,PRC)

With the rapid development of economy,developing scientific and reasonable division of drinking water source protection areas is important for the prevention and treatment of drinking water source pollution,for the protection zone management has regulation to follow,and for the safety of people′s drinking and health.In this paper,taking Dongjin reservoir in Xiushui County as an example,regarding the "drinking water source protection areas of technical specifications" (HJ/T338-2007) and other relevant technical principles as the instruction,by adopting the 3S integrated technology and the ZY3 remote sensing image as the base map,the natural conditions,risk source reserve division and boundaries can be well presented.The topographic map,digital elevation model of spatial information,reservoir,risk source outside investigation and illegal construction survey data as auxiliary information provided the basis for a reasonable division of protected areas.This study using DEM on extraction of protected areas surrounding the water range,combined with the high resolution remote sensing image to judge "drinking water source protection areas of technical specifications" for the division datum in order to set two protection area delineation programs.Also,this study will carry out scientific comparison and selection of the two different programs,to provide a scientific basis for the implementation of engineering and management of drinking water source protection areas.

lake and reservoir;drinking water source protection area division;3S integration;ZY3

2014-09-03;

2014-10-17

刘慧丽(1981-)，女，江西瑞金人，硕士，高级工程师，主要从事湖泊生态环境保护和饮用水水源地环境保护研究。

国家环保部专项——江西省生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估(STSN-05-14)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.035

TP79

A

1001-3679(2014)06-0903-07