基于DTGIS的北京市山区流域水系划分方法探讨

夏照华，李瑞平，康 芮，赵海雷，冯 阳(北京地拓科技发展有限公司，北京100084)

北京市山区河流、流域、小流域划分工作是北京市第一次水务普查第一专项——河湖基本情况普查的任务之一[1-2]，项目成果有效支撑了河湖基本情况、河湖开发治理与保护、水利工程、水土保持等专项普查工作。山区小流域划分结果为水源地保护、河道治理、生态清洁小流域建设、水文预报模型、水务精细化管理等工作的开展提供了支撑，对助推“三个水务”(民生水务、科技水务、生态水务)和“智慧北京”提供了数据支持，意义重大。为准确、快速地提取北京市山区流域水系，要制定详细的划分原则与方法，以保证划分成果的质量。

1 山区流域水系划分原则

1.1 山区水系划分原则

根据北京市第一次水务普查的要求，结合北京以流域水系为单元实施精细化管理的实际业务需要，以及山区地形、地貌特征，制定山区水系划分主要原则如下：①河流汇水面积原则上不小于10 km2。②保证河流汇流关系正确。③保证河流上下游连通。④所有水系标定为线状。将面状水系概化为线状，上下级水系交汇于一点，河流入水库和湖泊时概化为线状，形成连通的水系。⑤标定时遵循“宁多勿漏”的原则。汇水面积不到10 km2的河流，如具有重要防洪意义(如河流上建有水库)，则需要进行标定。⑥河流长度采用由流域出口至上游源头“唯远唯长”的原则确定，兼顾约定成俗与河流水量大小，并按照逢节点分段标注长度。⑦与山区平原交界相交的河流标注对接标识。

1.2 山区流域划分原则

考虑北京水务精细化管理的需要，以及山区小流域治理、流域水文洪水预测预报等要求，针对北京市山区流域、小流域的特点，制定山区流域划分的主要原则如下：①山区流域边界的确定以小流域边界为基础，通过河流水系拓扑关系宏观控制，依据小流域之间的汇水关系逐级确定。②小流域划分以自然流域分水岭为基准，优先考虑完整性。③小流域面积原则上不大于50 km2。将无明显支沟或支沟面积小于10 km2，总面积大于50 km2且小于100 km2的闭合区域划定为小流域。④水流汇入境外的区域，如面积大于5 km2则单独作为小流域。⑤遇河道无明显主沟或一边无明显主沟的情况，将两岸合并为区间小流域。⑥面积小于5 km2的坡面汇水区域与对岸坡面汇水区域合并作为区间小流域，面积大于5 km2的坡面作为坡面型小流域。⑦密云水库155 m等高线以下区域不划分小流域。⑧流域出口处理。无冲积扇的，沿分水岭走向相交于流域出口；有冲积扇、无居民区的，将冲积扇纳入小流域；有冲积扇、有居民区的，考虑将冲积扇、与沟口横向相交的道路、上级河流作为流域出口。

2 山区流域水系划分方法

2.1 划分流程及技术路线

山区流域水系划分采用先建库，基于DTGIS流域水系模型，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。根据山区流域水系的汇水关系及划分原则，确定山区流域水系划分的流程与方法，具体流程如图1所示。

图1 山区流域水系划分流程

2.2 划分方法

2.2.1 数据准备

(1)数字高程数据(以下简称DEM数据)：1∶1万DEM数据。

(2)遥感影像数据：北京市六环内、外分别采用1 m和0.4 m分辨率的遥感影像数据。

(3)自然要素数据：北京市1∶1万的河流、水系、水库、湖泊、蓄滞洪区矢量数据和名称代码。

(4)界线数据：北京市、区县、乡镇界线。

(5)其他辅助数据：1∶1万的公路、铁路、各级政府地名矢量图，以及各区人文、社会经济概况数据[3-5]。

2.2.2 构建三维连续基础空间数据库

利用海量数据管理技术，将遥感影像和DEM数据、矢量数据从物理上构建成一张工作底图，为小流域划分工作提供基础数据；建立拓扑关系模型，为构建流域-水系拓扑关系作准备；在划分流域-水系的计算机上部署协同工作环境，为多人协同工作作准备。

2.2.3 微流域及沟道提取

根据山区地形地貌范围，勾画出一次性自动提取的作业单元范围，为保证处理质量和运算速度，单元面积不宜超过200 km2。设定微流域面积阈值，提取微流域和沟道。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、水流出口位置结点全部提取出来。参照遥感影像，以及水系、湖泊、水库、水利设施、重要交通线路等图层信息，对自动提取的微流域和沟道弧段、水流出口位置结点进行确认，保证水系流程线连续完整、出水口位置准确、微流域分水岭正确。微流域与沟道提取示意见图2。

图2 微流域与沟道提取示意

2.2.4 建立流域沟道拓扑关系

在提取微流域和沟道的同时，将提取成果存入流域水系拓扑关系模型，通过计算机建立微流域之间、沟道之间、微流域与沟道之间的拓扑关系，保证地表水网汇流正确。

2.2.5 河流、流域、小流域边界提取

在DTGIS平台下，通过多人协调工作，依据提取的沟道，参照已有成果，根据河流标定原则，对山区河流进行标定。以末级河流作为宏观控制区域，按照自然汇水关系，选择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，再进行主干上小流域边界的确定，最终标定的小流域边界覆盖全部山区区域。依据汇水关系将微流域归并为小流域示意见图3。

图3 按照汇水关系将微流域归并为小流域示意

以小流域边界为基础，通过河流水系拓扑关系宏观控制，依据小流域之间的汇水关系逐级确定山区流域边界。山区流域边界确定示意见图4。

图4 山区流域边界确定示意

由于地形地貌的复杂性，在归并微流域的过程中，可根据自然汇流关系和地形特征，组成不同形态类型的小流域，如完整型、区间型和坡面型小流域。

(1)完整型小流域。这是最常见的小流域形态，即小流域面积大小符合要求，主沟道明显，分水线闭合，有一个出水口，如图5所示。

图5 完整型小流域示意

(2)区间型小流域。小流域跨越上级流域，分水线不能自然闭合，有一个进水口和一个出水口，沟道为区间河段。这种类型主要产生于沟谷狭长、两侧坡面陡峭或一侧坡面较陡、一侧坡面较缓的地带，如图6所示。

图6 区间型小流域示意

(3)坡面型小流域。这类小流域由多条沟道较短、面积小于3 km2的羽状微流域组成，主沟道不明显，出水口有多个，水流直接汇入上一级河流，如图7所示。

图7 坡面型小流域示意

小流域划分过程中几种特殊情况的处理方式如下：

(1)水库、水闸等水利工程设施附近小流域界线的确定。水库范围可单独作为一条小流域。此类小流域范围包括直接汇入水库的坡面、面积未达到小流域面积要求而无法单独划分小流域的汇水区域，以及上游流域出口。

(2)当遇到大型水利工程设施时，即使小流域面积已超过50 km2，仍可将其包含在小流域内，以便于治理或经营管理。如密云水库小流域的划分，面积超过200 km2，如图8所示。

(3)当遇到低级别河道上的小型水库、塘坝时，若小流域面积不超过50 km2，则可以将水库、塘坝包含在小流域内，如图9所示。

图8 重要水库单独划分小流域示意

图9 包含小型水库的小流域示意

(4)当较高级别的河流穿过水库，因面积过大造成不能同时将河流和水库包含在同一个小流域内时，可截断河流，将水库及周围向水坡单独划分为一个小流域，如图10所示。

图10 高级别河流穿过水库时划分小流域示意

(5)村庄、居民区附近小流域边界的确定。当小流域边界处跨过村庄或者居民点时，可适当调整小流域边界，使之尽量不从一个村庄或居民点中间穿过，以保证村庄或居民区的完整性，如图11所示。

图11 根据村庄和居民点调整小流域边界示意

(6)以河为界的小流域，若河流一侧面积较小，可以将其与对岸小流域归并，形成区间型小流域，如图12所示。

图12 河流一侧流域面积较小(小于3 km2)的小流域示意

2.2.6 河流、流域、小流域分级体系建立

考虑划分成果与国家河湖基本情况普查成果的对接，根据国普河流的级别确定北京市主要河流的级别，如永定河为0级，潮白河为1级等。先依据主要河流的级别，以及各级河流的拓扑关系，建立各级河流的分级体系，确定各级河流的级别；再根据流域与河流一一对应的原则，建立流域的分级体系，确定各级流域的级别；小流域作为各级流域的末端，建立河流、流域、小流域之间的拓扑关系，在全市山区范围内，建立河流、流域、小流域一体化的分级体系。

2.2.7 成果确认、修订与输出

将山区流域水系划分的初步成果下发给区县水务局及相关单位进行复核与成果确定，收集、整理反馈意见，对初步划分成果进行修正。修正后将成果再次反馈给各单位进行确认，并咨询业内专家，根据专家意见进行最终成果的审核与修订工作，形成最终的山区流域水系划分成果。

3 结 语

(1)结合北京市山区地形地貌特点，确定了山区流域水系划分的原则、方法及技术路线。

(2)采用DTGIS协同工作平台，在三维环境下，基于物理无缝、连续的北京市DEM及航片等基础数据，由多人协同，完成了全市山区流域水系划分工作，经实地及各使用单位检验，划分成果符合实际。

(3)基于DTGIS的三维流域水系划分方法对同类地区的类似工作具有一定的参考价值。

[1] 国务院第一次全国水利普查领导小组办公室.第一次全国水利普查培训教材之二：河湖基本情况普查[M].北京:中国水利水电出版社,2010:1-10.

[2] 北京市第一次水务普查工作领导小组办公室.北京市第一次水务普查实施方案[R].北京:北京市水务局,2011:62-64.

[3] 中华人民共和国水利部.中国河流名称代码:SL 249—1999[S].北京:中国水利水电出版社,1999:25-34.

[4] 北京市质量技术监督局.北京市地方标准 北京市水利工程名称代码:DB 11/T 55—2002[S].北京:中国水利水电出版社,2002:67-82.

[5] 刘延恺,洪世华,李永善.北京水务知识词典[M].北京:中国水利水电出版社,2007:16-66.