黄河源流域单元概念及其提取方法研究

张宇鹏， 吴笑天， 李希来， 张 锋， 董心普， 张 辉

(1.青海大学农牧学院， 青海 西宁 810016； 2.韶关学院英东生物与农业学院， 广东 韶关 512005； 3.青海省自然资源综合调查监测院， 青海 西宁 810001)

近年来黄河源生态保护工作越来越受到重视，特别在草地植被变化、退化草地分类、退化草地变化机制、退化草地恢复等方面的研究日益增多。从水文学的角度来看区域水系网络结构对于生态系统具有重要影响，因此，水文学也力求在不同空间尺度上探讨人类、自然、生态系统之间的相互作用[1-6]。通常流域被广泛认为是水资源、生态系统管理的基本单元。黄河源地形复杂，河网流域密集，流域内可形成小气候，随着研究的深入越来越多的学者认为应该将流域单元作为研究黄河源生态问题的基本单位，但目前关于黄河源流域单元划分的研究相对较少，因此，获得精确的流域单元是黄河源草地退化生态环境问题进一步深入研究的迫切需求。

数字高程模型(Digital elevation model，DEM)数据是一种包含了水文、地形、地貌等信息且容易获取的基础数据，从DEM中提取河网及流域的方法应用较为广泛，特别是地理信息系统水文分析工具集的推出使得水系信息获取方法更为便捷。但这一方法目前主要存在的问题是缺乏标准参照，主要通过改进算法、调整阈值等增加约束条件的方法提高水系信息提取的精度，所提取的结果是否准确一直以来困扰着研究人员[7-9]。在亚马逊流域、中国西部太湖流域、纳米比亚中北部的Iishana次盆地等区域的研究发现，使用地理信息系统(GIS)、遥感产品和数字高程模型(DEM)划分子流域，现有的算法并不能给出与实际测量相对应的子流域的正确轮廓，对于包含河流、湖泊、水库和圩田等复杂网络的大面积平坦区域无法得到真实的河网[10-13]。

由于缺乏精确的参照或缺乏高效的算法，大多数研究只覆盖了有限的区域，在地形平坦地区即使使用更精细分辨率的DEM数据，所得到的流径有时也难以准确地表示水系模式[14]。但也有研究表明通过将已知河流信息加强到数字高程模型中可以改善水系及流域的提取[15]。因此，本研究在明确流域单元定义的前提下，提出一种较为准确便捷的黄河源流域单元提取方法，该方法包括两个主要步骤，首先基于国产高分辨率遥感影像获取黄河源实际水系数据，将实际水系数据作为参照标准水系；其次基于DEM数据通过对照标准水系优化参数提取黄河源集水区，进而获取黄河源流域单元信息。

本研究遵循“山水林田湖草沙(冰)”生命共同体概念与理论，进一步完善黄河源流域单元信息，为基于流域单元研究和分析黄河源高寒草地生态系统面临的主要问题及关键驱动因子，为流域单元内高寒草地生态修复提供理论和技术支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区域概括

黄河源涉及青海省东南部、四川省西北部以及甘肃省西南部部分区域，研究区域范围参照三江源综合试验区黄河源片区范围并结合主要山脊线划定，包含汇入黄河干流所有水系，研究区域总面积合计14.92万km2。区域内包含汉族、回族、藏族、蒙古族聚居区，自然资源种类丰富，草地、林地、农田、荒漠等生态系统种类丰富，河流众多，湖泊密布。草地资源以高寒草甸、高寒草原为主，农业生产区占比较小。区域内最低海拔1 944 m，最高海拔6 253 m，气候寒冷干燥，多年平均温度-3.98℃，多年平均降水量309.63 mm，牧草生长期70～90d(图1)。

图1 研究区域区位图Fig.1 Location of the study area注:本图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1597号的标准地图制作，底图无修改Note:This map was made based on the standard map downloaded from the standard map service website of the ministry of natural resources,which the approval number is GS(2016) 1597. The base map has not been modified

1.2 数据来源

本研究所使用的DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，数据分辨率30 m。多源高分辨率遥感影像由青海省自然资源综合调查监测院提供，其中优于1.0 m分辨率主影像为高分2号卫星多源航空航天遥感影像数据，优于2.0 m分辨率副影像来源于高分1号、资源3号、天绘1号卫星影像数据。

1.3 方法

1.3.1流域单元定义 “流域”是水文学的基本概念，一般是指由分水岭所包围的河流集水区，是一个特定地形单元，包含河川或溪流在某一断面以上全部面积的径流，一个较大的流域可以按照水系等级分成数个子流域，也可以截取河道的一段单独划分为一个流域，由于河段或河流规模不同流域可能只有几平方千米，也可能是几万平方千米[16]。因此在实际研究中学者往往将较大的“流域”划分为若干子流域加以研究，如将长江流域划分为金沙江流域、岷江-沱江流域、嘉陵江流域、乌江流域、汉江流域、洞庭湖流域、鄱阳湖流域、太湖流域等[17-18]，将黄河流域划分为湟水流域、大黑河流域、无定河流域、窟野河流域、清水河流域、祖厉河流域、渭河流域、洮河流域、黑白河流域、汾河流域、沁河流域、洛河流域、大汶河流域等[19]。即使是划分为子流域，部分子流域面积往往也较大，不能很好地有效指导生态保护与治理工作，实践证明以小流域为单元进行综合治理，生态效益、经济效益和社会效益都十分显著[20-21]。本研究中“流域单元”是指基于中国河流分级法由分水岭所包围的不同等级河流及其集水区域所组成的小流域。

1.3.2水系分级方法 国际常用的Gravelius分级法是将流域内最大的河段作为第1级河流，汇入第1级河流的支流作为第2级河流，依此类推(图2a)。Horton-Strahler分级法是将每一个源河段定义为1级河流，两条同级别的河流相汇形成下一级河流，以此类推(图2b)。但这两种分级方法的缺点是不能区分流域的干流和支流关系，导致流域的划分存在随意性。基于河流入汇关系的中国河流分级法则是先确定干流，将汇入干流的河流称为1级支流，汇入第1级支流的河流称为2级支流，依此类推(图2c)。这种方法虽然对干流的判断和选取比较困难，但随着河流源头认定工作的有序推进，能够划分出干流和汇入的支流，能够避免流域划分存在随意性的问题。干流与支流由于流量与流速导致的河流地质作用不同，影响流域地形地貌，进而影响气候与人类活动。黄河源现有的草地管理与分配方式导致牧民分布于完整河流中不同区域，因此为使用方便本研究使用中国河流分级法。

图2a Gravelius分类法Fig.2a Gravelius classification method

图2b Horton-Strahler分类法Fig.2b Horton-Strahler classification method

图2c 中国分类法Fig.2c Chinese classification method

1.3.3黄河源水系信息提取方法 以地面分辨率优于1.0 m的多源遥感影像为主影像，辅以地面分辨率优于2.0 m的遥感影像数据，通过ENVI5.4/IDL8.6软件平台，以区域数字高程模型和控制点资料对收集到的区域遥感影像进行正射纠正，通过影像融合、增强、镶嵌、裁切、接边等处理，得到研究区域正射影像底图；在此基础上通过面向对象计算机影像分类，得到初步水系数据；通过变化监测工具与往期监测成果进行比对，得到水系变化图斑；针对水系明显变化区域，进行内业目视解译和外业实地查证，根据内外业调查资料对水系数据进行修正。

1.3.4黄河源流域单元提取方法 基于地理空间数据云提供的黄河源30 m分辨率DEM数据，应用ArcGIS10.7的Hydrology水文分析工具箱对DEM数据进行分析，主要包括DEM数据裁剪预处理、河流流向分析、洼地填充、设定汇流累积量阈值、提取河流网络、提取流域单元等几个步骤(图3)。

图3 流域单元提取步骤Fig.3 Flow diagram of extraction of river basin units

2 结果与分析

2.1 黄河源水系提取与分级

2.1.1黄河源水系提取结果 通过计算机影像分类、内业目视解译和外业实地查证获得黄河源水系信息，所获得的黄河源各级河流总长为29 385.98 km，湖泊水域面积为1 839.22 km2，黄河源河网密度0.196 9 km·km-2。黄河源区水系河网数量多，密度较大。受干流流向变化影响，不同支流河流流向也有较大的区别(图4)。

2.1.2黄河源水系分级结果 根据中国水系分级法，本研究中黄河源干流1条，长度2 194.75 km；一级支流河流219条；二级支流河流420条，数量最多；三级支流河流194条；四级支流河流21条。断流河流23条，断流河流主要流入农业生产区域用于农田灌溉。不同级别河流数量关系并未呈现一定的规律性，这可能主要是由于所选取的分级方法更能体现不同河流间的等级关系而不能体现数量关系(图5)。

2.1.3黄河源水系特征 由于同一等级的支流河流长度差距较大，因此平均长度并不能体现河流特征，本研究从最短河流长度、最长流长度以及河流长度分布状况分析河流特征。一级、二级、三级、四级、断流河流支流最短分别为7.97,2.27,5.01,3.60,3.53 km，最长分别为275.62,162.86,80.12,36.78,37.62 km(表1)；不同等级的河流均是0～30 km最多，分别为108,281,160,18,22条，占相应等级河流数量比例分别为49.32%,66.90%,82.47%,85.71%,95.65%；30～60 km长度河流分别为64,116,31,3,1条，占相应等级河流数量比例分别为29.22%,27.62%,15.98%,14.29%,4.35%(图6)。随着河流等级降低，河流长度规模有减小的趋势。

图4 黄河源水系分布图Fig.4 Water system diagram of the source region of yellow river

图5 黄河源水系分级图Fig.5 Water system classification diagram of the source region of yellow river

表1 黄河源水系分类信息表Table 1 Water system classification informationTable of the source region of yellow river

图6 黄河源河流长度分布图Fig.6 Distribution diagram of river length of the source region of yellow river

2.2 黄河源流域单元提取与分级

2.2.1黄河源流域单元提取结果 地理信息系统软件中Hydrology分析工具依据的主要是地表径流模型，该模型的原理是基于DEM数据当区域内某一地表方向汇流量累积到一定值时默认生成地表径流，多个地表径流组成河网，根据河网进而划分流域。这一个步骤在流域划分中是必不可少而且无法直接使用河网数据替代，因此黄河源水系数据的作用是作为参照标准水系校准自动生成的河网，确保所生成的流域是准确的。不同汇流累积阈值所提取的河网精度不同，一般汇流累积阈值越小所提取的河网密度越高，河流越长，可以通过对汇流累积阈值的设定得到合适的河网和集水区。本研究设置10 000、30 000、50 000三个汇流累积阈值自动生成黄河源河网。对照准确的黄河源水系数据，当汇流累积阈值设定为10 000时，会有不存在的河网生成。当汇流累积阈值设定为50 000时，河网有所缺失。当汇流累积阈值设定为30 000时，所获取的河网与黄河源实际河网相近(图7)。对比高分辨率影像数据及真实的黄河源水系数据，通过目视解译对经过汇流累积量计算所获的水系进行校验修正，包括修正水系路径、补足丢失水系、删除不存在的水系路径，获得与实际水系结果相近的水系图(图8)。使用Hydrology工具中的Watershed工具生成集水区，其思路是先确定一个出水点，即该集水区的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直到所有的该集水区的栅格都确定了位置，即搜索到流域的边界—分水岭的位置，基于此数据成果，研究区内所生成的集水区数量为1 861个(图9)。利用Watershed工具生成集水区即可以得到不同细化的集水区域，通过对比高分辨率影像数据及精确的黄河源水系数据对同一河流的集水区进行合并，获得流域单元878个(图10)。

图7 不同汇流累积阈值河网提取对比图Fig.7 Comparison diagram of river network generation with different confluence accumulation thresholds

图8 修饰后的河网(对照真实水系，阈值30 000)Fig.8 Modified Diagram of River network of the source region of yellow river (Compared with the actual water system,the threshold is 30 000)

图9 黄河源集水区分布图Fig.9 Distribution diagram of River catchment area in the source region of yellow river

图10 黄河源流域单元分布图Fig.10 Distribution diagram of River Basin Units in the source region of yellow river

2.2.2黄河源流域单元分级 与水系分级体系相对应，将流域单元分为干流单元、一级支流单元、二级支流单元、三级支流单元、四级支流单元和断流河支流单元。结果表明，黄河源流域单元干流单元1个，二级支流单元420个，三级支流单元194个，四级支流单元21个，断流河流单元23个(图11)。

图11 黄河源流域单元分级图Fig.11 Classification diagram of River Basin Units in the source region of yellow river

2.2.3黄河源流域单元特征 黄河源干流单元面积14 151.66 km2，同河网特征相同，一级、二级、三级、四级、断流河流单元最小单元面积分别为57.28,199.17,62.02,68.04和47.80 km2，最大单元面积分别为1 895.10,869.80,276.01,192.52和646.36 km2。河网密度分别为0.155 1,0.189 6,0.212 3,0.228 8,0.196 3和0.146 7 km·km-2(表2)。各级流域单元面积与相对应河流长度关系较为密切，拟合相关性系数达到0.921 4(图12)。

黄河源干流单元最低海拔3 265 m，最高海拔4 207 m，平均海拔3 725±471.38 m；一级支流单元最低海拔2 657 m，最高海拔4 702 m，平均海拔3 888.51±521.48 m；二级支流单元最低海拔2 693 m，最高海拔4 960 m，平均海拔3 994.69±456.65 m；三级支流单元最低海拔2 900 m，最高海拔4 749 m，平均海拔4 083.16±459.90 m；四级支流单元最低海拔3 209 m，最高海拔4 801 m，平均海拔4 009.19±504.71 m；断流河流单元最低海拔3 031 m，最高海拔3 654 m，平均海拔3 332.00±183.36 m(图13)。由此可见，流域单元等级越低，相对平均海拔越高，断流河流单元海拔最低。

表2 黄河源流域单元分级信息表Table 2 Classification informationTable of River Basin Units in the source region of yellow river

图12 黄河源河流长度-流域单元面积拟合图Fig.12 Fitting diagram of river length-river basin units in the source region of yellow river

3 讨论

河网结构对流域格局有重要影响，流域格局对河网分级和结构特征也具有较大的影响[22]。目前河网获取方法大致可分为两类，一类是通过等高线、谷线以及图像识别的地貌学法，一类是基于水文模拟的地表径流汇流法[23-26]，随着GIS水文分析工具和DEM栅格数据的不断完善，目前基于水文模拟的地表汇流方法应用较多，而这一方法核心即是汇流累积计算量阈值。研究表明嘉陵江中游水系河网提取的阈值为15 000，西辽河流域河网水系提取的阈值为50 000，浐灞流域最佳阈值为8 000，秋浦河流域河网水系提取的阈值为20 000，渭河子流域水文信息提取阈值为9 000，在实际工作中由于缺乏测绘数据或者只有部分测绘数据，而这些研究中均缺乏精确的对照水系，精确度不得而知[27-31]。在没有准确的对照水系的前提下，汇流累积量阈值的设定直接影响河网密度，阈值设置不合理直接影响河网与流域的准确性。以实际的测绘数据或者矢量数据为参照体系，对于运用GIS和DEM数据提取流域水文特征信息更方便快速，能广泛适用于各个流域的水文分析。关于黄河流域水系河网及流域提取研究相对较少，不同子流域水系提取汇流累积计算量阈值也尚不明确，本研究的结果明确了黄河源区域汇流累积计算量阈值。

图13 黄河源流域单元海拔分布图Fig.13 Altitude distribution map of River Basin Units in the source region of yellow river

青藏高原受活跃的地质与隆起作用的影响，黄河源区域内以褶皱构造为主，区域内沟壑纵横，平地面积比例相对较低，这有利用于使用DEM数据提取区域内河网以及子流域。而本研究首先给出基于高分辨率卫星影像数据所获得的黄河源较为精确的水系数据作为矢量数据参照体系，减少了不同阈值设置处理次数，提高了黄河源水系与流域提取的效率与准确度。与黄河源相比，三江源中长江源干流单元1个；一级支流单元110个；二级支流单元298个；三级支流单元256个；四级支流单元75个；五级支流单元22个；六级支流单元4个；七级支流单元34个。而澜沧江源(也称湄公河源)干流单元1个；一级支流单元108个；二级支流单元91个；三级支流单元8个；四级支流单元8个。这充分说明不同流域内水系与流域单元格局具有较大的不同。

有学者基于小尺度山地探讨了坡向和海拔对高寒山地草甸植被分布格局特征的影响[32]，也基于大尺度空间探讨了三江源区草地家畜承载力时空格局[33]。但黄河源流域生态系统涉及人、山、水、林、田、湖、草、沙、冰等不同生态要素，不同单个生态要素无法排斥其他要素潜在享受其流域生态保护行为所产生的利益。相较于大范围的生态治理模式，考虑流域生态涉及多元利益相关主体复杂的相互依存关系，流域单元小集体式的治理方式比大集体行动更具效率，可增加要素治理的一致性，是提高治理效率的有效途径，是解决现有生态治理困境的有益尝试。因此本研究完善了黄河源水系与流域单元信息，有益于指导黄河源生态保护工作。

4 结论

综上所述，本研究以高分辨率遥感影像水系矢量数据作为标准参照系，通过ArcGIS10.7的Hydrology水文分析工具箱分析地理空间数据云30 m分辨率数字高程数据(DEM)获取黄河源区水文特征信息，当汇流累积计算量阈值设置为30 000时所获取的水系信息与黄河源区实际水系状况较为相近，所获取的流域单元较为准确。黄河源流域单元共878个，其中一级、二级、三级和四级支流单元分别占25%,48%,22%和2.4%，断流河流和干流单元占2.6%。受地形地貌影响黄河源同一等级的河流长度与流域单元面积差距较大，随着流域单元等级的降低，流域单元平均海拔增加，河网密度增加。