水功能区水环境功能区建库方法及实现

曾文华，黄 信

（1.浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 311100）

水环境功能区是根据水域使用功能、水环境污染状况、水环境承受能力、社会经济发展需要以及污染物排放总量控制的要求，划定的具有特定功能的水环境[1-2]，与水功能区结合可更有效的对水资源进行保护、管理。生态部门和水利部门分别从水环境保护角度和流域统一管理角度,将水体分为“水功能区”和“水环境功能区”，两者在空间上趋于一致，只是角度目的不同。因为“水环境功能区”更加微观，因此一个“水功能区”又可以根据水环境保护目标和要求不同，划分为多个不同保护等级的水环境功能区。建库时将水功能区和水环境功能区作为一个空间实体，命名为水功能区水环境功能区（下文统一简称功能区）。

功能区建库包括功能区数据的采集、存储和处理，利用空间数据库存储功能区信息，兼具精确的空间定位和准确的属性信息，实现数字化管理，为水资源的管理决策、开发利用及生态环境保护提供强有力的信息支撑。

陈虎[3]研究了基于功能区长度划分的方法，探讨了长度在功能区的划分中的作用；朱思蓉[4]提出了空间数据库在流域数据处理过程中各数据的组织、约束和管理等方面发挥的作用,实现各环节数据多用户共享使用。本文提出了水功能区水环境功能区建库的方法，对其数据结构、技术路线、关键技术进行了探讨，并结合浙江省的建库实践，总结相关技术方法，论证了其可行性。

1 功能区组成

1.1 空间组成

功能区在空间上包含了一定的范围，为了便于采集和管理，抽象表达为一定空间尺度下的地理实体，包括起始断面、终止断面、水体和集水区。

1）起始断面和终止断面。起始断面和终止断面在空间范围上决定了一个功能区的水体大小和分布范围，可在空间上进行精确标注。一般以河流源头作为起始断面；以水系交汇处、桥梁、行政交界处等作为终止断面，针对水库，一般是大坝作为终止断面。在一条河流的中间部分，一个功能区的终止断面同时又是下一个功能区的起始断面。

2）水体。功能区的水体部分由起始断面和终止断面界定，不仅包含河流的水面范围，也包括符合功能区划分标准的水库、湖泊等水面范围。一般选择平水期的水面范围作为水体的空间分布范围。

3）集水区。集水区是降水汇流排出的陆域地形单元,以分水岭为界,以排水路(沟、坑、川、溪、河)为枝干,四周地势高而向排水系统倾斜的区域。功能区的集水区是其所属河流、水库、湖泊的集水区范围之和。

1.2 属性数据组成

功能区是以县级为单位实施划定的，依据水利部的《水功能区划技术大纲》、《水功能区划分标准GB/T50594-2010》和生态环境部的《中华人民共和国水污染防治法》、《地表水环境质量标准》联合进行地表水体的水功能区和水环境功能区划分。将水功能区和水环境功能区作为一个空间实体，根据以上标准确定了功能区属性字段，属性结构如表格1所示。

序号表示功能区的唯一编号，一般以流域水系和顺序码组成。

县（市、区）字段表示功能区所属行政区划。

水功能区编码采用主导因素法，将水资源分区、一级功能区、二级功能区等因素进行编码，编码能表示水域、功能及隶属关系。功能区编码由14位大写英文字母和数字组合码组成，7位表示功能区所在水资源分区，4位表示一级功能区，3位表示二级功能区。

水功能区名称采用形象化复合名称，名称由3个部分组成：第一部分表示河名；第二部分表示地理位置；第三部分表示水域功能。

水环境功能区编码采用20位数字字母混合编码，由6位数字型行政区划代码（GB2660-1995）、8位河流水系名称代码、4位某条河流按县（市、区）划分时的顺序码、2位地表水环境功能区类别代码组成

水环境功能区名称按照自然保护区、保留区、饮用水水源保护区、渔业用水区、工业用水区、农业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和混合区等9类直接命名。若功能重叠，则按“主导功能+第二功能”命名。

流域是指一个水系的干流和支流所流过的整个地区；水系指具体河流，功能区的最小单元是河流、水库、湖泊等，每个功能区都属于某个水系及流域。

功能区起止点基于功能区起始截面、终止截面采集，若功能区只包含线性水体，则以线性水体起始截面、终止截面中心点作为功能区起止点，若功能区包含水库、湖泊等面状水体，则于线性截面和岸线交界处确定起止点。

功能区长度，以河流中心线来确定河流这种线性水体长度，对于水库、湖泊等非线性水体则以水体中轴线长度作为该功能区长度，同时与流入、流出的主要河流保持上下连接关系。

功能区面积不仅包含水体部分面积，针对由水体和陆域组成的流域控制单元，还包括其陆域范围面积。

功能区现状水质根据当前现状评价的水质达标情况。功能区目标水质，是根据其水质现状、排污状况、功能区水质类别要求，以及当地经济社会发展状况等条件，确定在规划水平要达到的目标水质。

2 技术路线

综合功能区建库的管理需求、空间分布和原始资料情况，1:10 000是一个合理可行的空间表达尺度，因此空间建库的基础数据源是1:10 000基础地理信息库，以该数据为本底，依据功能区系列标准和文件[5-7]，各县（市、区）划分好的功能区空间组成和属性组成，以遥感影像为参考数据源，对水体矢量要素提取、合并、格式统一、冗余数据删除、缺少数据补充等处理，形成标准的功能区数据，满足信息化利用的相关数据库，技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

2.1 功能区划定

县（市、区）水功能区划，由县级以上地方人民政府水行政主管部门会同同级人民政府环境保护行政主管部门和有关部门拟定，报同级人民政府或者其授权部门批准，并报上一级水行政主管部门和环境保护行政主管部门备案。在进行功能区划分时，以人类用水功能需求为划分基础，根据功能区的划定标准综合进行本县（市、区）的功能区划定，并制定每个功能区的属性表和空间划分说明。

2.2 功能区空间数据采集

功能区空间数据库采用2000国家大地坐标系，属性字段按照表1中表结构创建。1:10 000基础地理信息库中包含了水系、地形、影像等要素，数据量较大，水系要素根据综合尺度不同存在3种空间类型，分别是点状、线状和面状，功能区主要利用线状和面状水系要素作为建库基础数据源。

表1 功能区属性结构表

2.2.1 预处理

功能区数据在1:10 000基础地理信息库上采集，而直接对其中数据量较大的水系数据处理会速度很慢，影响采集进度，因此要对其中水系按流域和政区等要素进行切割分块预处理。分块采集后，再对采集后的数据进行拼接，获取到完整的功能区数据。

2.2.2 空间范围采集

空间数据精度按照1:10 000矢量数据采集的数据精度要求，采用统一的数学基础及规范的数据入库格式，在统一空间信息框架下进行空间数据的无缝拼接[8]。

在空间数据处理软件中按照功能区划定结果，基于1:10 000矢量数据，再辅助高清遥感影像，按照功能区层级对水系要素、起止断面要素、集水区范围进行采集。先确定水功能区划分，采集起止断面，分割水体，并基于等高线等地形特征要素采集集水区；如果水功能区划定多个水环境功能区，则在其内部再采集起止断面，利用断面对水功能区的水体和集水区进行分割；如果水环境功能区内还存在更小的单元划分，确定起止断面进行下一级的分割。最终完成最低一级功能区空间要素的采集。

功能区空间要素采集完成后，根据一一对应原则，通过数据关联，将属性信息赋予空间要素。

2.2.3 拓扑关系处理

功能区空间要素存在严格的空间拓扑关系：①起止断面与水体存在拓扑关联关系，如果水体以线状表示，则断面位于线状水体的端点；如果水体以面状表示，则断面位于水体的边线上。②水体与集水区存在拓扑邻接关系，两者共边。③不同功能区存在拓扑邻接的关系。在构建拓扑关系时，要进行拓扑预处理，包括弧段自相交处理、节点拟合处理、去除重复线、删除短悬线等，构建拓扑后，注意去除面重叠、缝隙等问题，做好拓扑邻接、拓扑关联关系处理。

2.3 质量核对检查

为了保证数据质量，利用调查资料和基础测绘资料对每个功能区进行排查分析，逐一核实[9]。主要包括数学基础正确性、空间精度要求、空间要素拓扑关系正确性、功能区要素完整性、功能区长度面积准确性等做完整的检查。

3 关键技术

3.1 功能区划定方法

水功能区和水环境功能区的划定是一个综合评价的过程，每一个功能区都是唯一的且与当地相关。根据《水功能区划技术大纲》、《水功能区划分标准GB/T50594-2010》、GB3838-2002《地表水环境质量标准》，按照划区条件、划区指标、水质标准进行详细功能区划定。基本方法为：基础资料收集、综合分析评价、定性定量判断、功能目标确定，依据以上标准文件，在详细调查和分析水域现状使用功能和潜在功能、社会经济发展、水环境状况、污染源分布等有关资料基础上，确定各划定因子，逐一打分，综合评定。如饮用水源区的划定应根据已建生活取水口布局情况，结合规划水平年内生活用水发展需求，应选择开发利用区上游或受其他开发利用影响较小水域，在划分饮用水源区时，应将取水口附近水源保护区涉及的水域一并划入，远离工厂、养殖业等具有污染源的地区。

图2所示的是梅垄溪云和饮用水源区，属于浙闽皖流域，瓯江水系，梅垄溪（梅陇水库），起始断面是菖蒲塘，终止断面是梅垄水库大坝，陆域范围则是正常水位线以上纵深200 m（不超过分水岭）及入库溪流周边山脊线范围，作为饮用水源区，水质要达到饮用水水源地水环境质量标准。该功能区属于自然生态红线区，位于山区，远离工业、养殖业等污染源，能够保证水质，且水库距离居民区很近，能给居民区提供饮用水。

图2 梅垄溪云和饮用水源区

3.2 功能区长度

功能区长度是功能区的重要指标。因为功能区中包含有线状水系和面状水系，对于线状水系，功能区长度就是水系的长度，但是对于面状水系则比较复杂，要考虑起止断面的位置、水的流向、线状水系和面状水系的交汇情况等。采用带约束条件的Delaunay三角网剖分提取面域中轴线的方法从面状水系提取轴线，并通过起止断面就行约束，再计算功能区长度。

详细步骤如下：

1）使用空间数据处理软件提取面状水系两条边界,以河流边界和起止断面（或者线状水系汇入点）充当约束条件，建立带约束条件的Delaunay三角网。

2）检查河流中有没有岛屿，若有，通过交互的方式将岛屿设为空白的区域。

3）去掉空白区域的Delaunay三角形。

4）根据三角形所有的邻接三角形的数量，将两条河流边界里面的Delaunay三角形分成3种类型。

5）针对Delaunay三角形，按照“有1个邻接三角形的连接邻近边中点及对应顶点；有2个临近三角形的连接两邻近边中点；有3个临近三角形的将3条邻近边中点分别和三角形重心相连”要求提取其中轴线，把中轴线存储在二叉树结构里。

6）遍历二叉树，算出最长中轴线。提取轴线后，再通过空间数据处理软件进行计算，获取其长度。水库、湖泊等面状功能区则需要固定起止点，选取2点之间较短的轴线作为计算依据。

3.3 基于三维地形的集雨范围划定

功能区不仅包含水体部分，还包含陆域集水范围，基于地形进行雨水汇集，最后汇入水体。首先获取地形数据，即该地区等高线，包含坡度、坡向、山脊线、山谷线、地形标志线等地形特征线。水体范围划定后，找到汇入水体的主要沟壑，水流是流向这些沟壑的区域即水体的集雨区域。

确定集水区的边界按照以下方法：

1）根据地形数据确定水体的分水岭，分水岭合围的范围即为水体的集水区。

2）位于集水区边界部分区域,地形图上的分水岭不显著,没有明显沟壑，山体高程基本一致的,使用“以中间为分水岭”方式确定[10]。

3）在集雨区的边界区域开展地形地质调查,重点针对岩溶地貌的地下暗河地形，检查落水洞、消水坑等地形特征和对水体集雨范围的影响,按照汇水情况修正集雨区边界（见图3）。

4）对集水面积进行计算时，使用等高线提取地表形态数据,例如流域栅格单元的坡度、坡向和单元格间关系等,根据地形数据提取出流域水文特征有多种较成熟的算法[11-12]，通过以上算法计算得到集雨区的面积。

4 结语

利用以上方法实现了浙江省共1 112个功能区的空间化建库，全省分布较为均匀，现状水质达到一级、二级的主要分布在山区、城镇村庄分布较稀疏地区，为水资源开发利用与保护、水污染防治和水环境综合治理提供了重要依据。通过对功能区的建库，探索了利用基础地理信息库数据构建自然资源、生态环境重要区域、重点范围的方式，发挥了基础地理信息库精度高、覆盖好、成果新的特点，对其他自然资源、生态环境等的信息化建设有很好的参考价值和推广意义。