基于流域治理单元的湖北省丹江口库区小流域划分

摘要：丹江口库区小流域单元划分是库区水质安全保障和水生态文明建设的基础性工作。选择湖北省丹江口库区（十堰市）为研究区域，以高精度DEM、高分辨率遥感影像等为数据源，基于《湖北省流域综合治理和统筹发展规划纲要》确定的9个三级流域片区与23个四级流域片区，采用河网自动提取和人机交互修整等方法，划定了1 472个五级小流域单元，形成了一种面向流域综合治理单元的重要生态功能区小流域划分方法。研究成果可为湖北省丹江口库区水土流失防治、小流域治理成效评估等提供决策依据，以形成各部门水土流失防治的“合力”。

关 键 词：小流域单元划分； 数字高程模型； 丹江口库区； 流域治理规划

中图法分类号： S157

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.017

0 引 言

以小流域为单元，推进水土流失综合治理是防治水土流失、推动生态文明建设的重要举措［1］。2022年12月，中共中央办公厅、国务院办公厅联合印发《关于加强新时代水土保持工作的意见》，要“统筹生产生活生态，在大江大河上中游、东北黑土区、西南岩溶区、南水北调水源区、三峡库区等水土流失重点区域全面开展小流域综合治理”。2023年2月，水利部会同农业农村部、国家林草局、国家乡村振兴局联合印发《关于加快推进生态清洁小流域建设的指导意见》，要“以防治水土流失为重点，治山保水守护绿水青山，加强人为水土流失监管”。水利部办公厅印发的《2023年水土保持工作要点》中提出，“加快推进小流域划分工作，以流域水系为单元推进生态清洁小流域建设”。

丹江口库区位于长江中游支流汉江的上游，伏牛山南麓，豫、鄂、陕三省交界处。其中，湖北省境内主要包括十堰市郧阳区、丹江口市，是南水北调中线工程的近坝段和核心水源地，在强化水源地保护，确保“一泓清水永续北上”方面地位突出［1-2］。开展丹江口库区水土流失防治和小流域综合治理工作，减少入库河流泥沙和面源污染，是保障丹江口库区水质安全的关键环节［3-5］。

流域特征作为重要的地理地貌要素，是分析区域土地利用、水土流失状况和生态文明建设的基础［6-7］。在小流域划分方法方面，依据SL 653-2013《小流域划分及编码规范》要求，以数字高程模型（DEM）或数字地形图为基础，结合高分辨率遥感影像、行政界线、水利设施分布等资料，通过设定集雨区域面积阈值，依次提取“沟道-河网-小流域”［8-9］。该方法适用于单一地形、大多数集中在山地或水系相对简单的平原或山地丘陵区。吴鹏等针对河南省地形地貌基本特点，提出了一种遵循水文分析汇水关系、兼顾居民区地块完整性的小流域划分方法，认为该方法符合水务管理需求、适应全地形类型［10］。赵娟等针对南方喀斯特地区峰丛、洼地和盲谷等特殊地貌状况，在现有的完整型、区间型和坡面型的基础上，新增提出了“盲谷-洼地型”小流域类型及划分方法［11］。王雪等利用4种重采样技术研究不同分辨率DEM数据对流域特征的影响程度，认为分辨率越高的DEM在提取流域特征和细小水系方面效果越好［12］。

在小流域划分应用场景方面，主要围绕各级行政区和重要生态功能区展开。王福岭等使用河南省小流域划分适应性原则，结合全省地形地貌特征实地考察情况，提取了102 118.5 km沟道，划定了5 576个小流域［13］。夏照华等根据北京市山区地形地貌特征，确定了山区水系、流域、小流域划分原则和方法，基于全要素电子地形图、DEM、航片、行政界线、水利设施分布图等基础数据，采用DTGIS提取北京市山区河流水系及流域边界［14］。齐斐等以山东省淄博市沂源县为对象，通过遥感调查、模型计算、资料收集和统计分析等方法，划分小流域68条，平均小流域面积24.06 km2，沟道密度1.87～2.99 km/km2［15］。高翔等利用Arc Hydro Tools水文数据模型与河网密度法，通过确定最佳集水面积阈值，提取祁连山国家公园内河网水系并划分小流域［16］。黄国金等使用ArcGIS软件的Hydrology水文模型工具，对30 m分辨率的DEM数据确定河流和小流域的最佳集水面积阈值，提取了乌江流域中游岩溶地区小流域［17］。郭文慧等以丹江口水源区治理区1∶50 000 DEM数据为基础，应用Arc Map水文模块环境，开展数字河网水系及流域边界提取、子流域归并等工作，形成624个小流域单元［18］。

目前，关于小流域划分的研究取得了较好的成果，但仍存在着一些短板：① 从划分方法上看，主要考虑了区域地形地貌、河流水系等自然要素，忽视了社会经济发展、安全底线等社会治理方面的要求；② 从应用成效上看，划分成果只在水土保持、水旱灾害防御、河湖长制管理等水行政管理方面投入应用，尚不具备推广到自然资源、农业农村等政府其他部门使用的条件。

湖北省高度重视流域综合治理工作，提出以流域综合治理明确并守住安全底线，分区分类分级建立安全管控清单，推动农业现代化、新型工业化、新型城镇化、信息化同步发展，因地制宜确立经济社会发展正面清单。2023年1月，湖北省委、省政府联合出台《湖北省流域综合治理和统筹发展规划纲要》（以下简称《规划纲要》），基于省市级行政区划，将全省划分为长江、汉江、清江3个一级流域和16个二级流域片区，制定涵盖水安全、水环境安全、粮食和能源资源安全、生态安全的4条安全底线清单和管控机制，成为全省建设全国构建新发展格局先行区的行动纲领。依据《规划纲要》，十堰市委、市政府组织编制《十堰市流域综合治理和统筹发展规划纲要》，基于市县级行政区划，将全市划分为10个三级流域片区、23个四级流域片区，成为全市统筹推进四化同步发展和经济社会协调发展的管理要素。

在湖北省行政区内，以省市划定的流域片区为基础，开展重要生态功能区小流域划分工作具有重要的现实意义。本文选择湖北省丹江口库区（十堰市）为典型示范区，采用水利部推荐的水土流失小流域划分及编码方法［5］，基于十堰市流域综合治理和统筹发展规划纲要划定的三级、四级流域片区，开展河网水系和小流域单元划分，研究成果对丹江口库区水土流失防治、小流域治理成效评估等提供数据支撑。

1 研究资料

1.1 研究区概况

选择湖北省十堰市为典型研究区（图1）。十堰市境内的丹江口水库是国家南水北调中线水源工程的主体，而且是华中屋脊——湖北神农架自然保护区的生态屏障区。全市地处湖北省西北部，位于汉江中上游地区，地理位置为东经109°29′～111°16′，北纬31°30′～33°16′，属亚热带季风气候，温暖多雨，四季分明，年平均降水量约840 mm，年平均气温15.2 ℃。植被覆盖度高，现状植被以阔叶林、针叶林和针阔叶混交林为主。

1.2 数据资料

（1） 水土保持规划资料。包括《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十四五”规划》《湖北省水土保持规划（2016～2030年）》《湖北省流域综合治理和统筹发展规划纲要》《十堰市流域综合治理和统筹发展规划纲要》等。

（2） 数字高程模型。包括1∶50 000 DEM（25 m×25 m、WGS84坐标系、UTM投影）。

（3） 其他资料。包括2 m分辨率卫星遥感影像（GF-1、ZY-3，水利部下发）、1∶10 000河流水系分布图、1∶10 000行政界线矢量图、1∶10 000交通路网图。

2 研究方法

2.1 划分原则

小流域是指二、三级支流以下以分水岭和下游河道出口断面为界集水面积在50 km2以下的相对独立和封闭的自然汇水区域，其划分原则主要包括：

（1） 以自然地形地貌为基础，尽量保证小流域形态特征完整，小流域自然边界要与各级流域自然边界衔接；流域自然边界与流域治理边界冲突时，优先选择流域治理边界。

（2） 充分考虑地表汇水关系，适当考虑水库、水闸、桥涵等水利工程设施和村庄、居民点的位置，保证上下游汇水关系的正确性。

（3） 无冲积扇时沿分水岭走向相交；有冲积扇、无居民区时将冲积扇纳入小流域；有冲积扇、有居民区，且流域出口为宽浅平缓谷地时，将出口顺接到上级沟（河）道。

（4） 小流域面积原则上控制在3～50 km2；面积小于3 km2时，与邻近小流域归并。

（5） 划分结果应覆盖整个划分区域，即小流域面积之和应等于该区域总面积。

2.2 划分方法

基于数字高程模型（DEM）提取流域数字特征，主要包括DEM预处理、流向分析、汇流累积分析以及河网提取、流域边界生成、小流域归并等步骤。

（1） DEM预处理。通过预处理工作，去掉洼地和尖峰，将地形改造成斜坡形式，避免在计算水流方向时出现逆流的现象。

（2） 流向分析。在填洼后的DEM中，每个栅格单元都有一个可以定义的水流方向值，其确定方法有单流向和多流向等。本文采用单流向D8算法，其基本假设是，每个单元格水流方向只能流向8个相邻的单元格，水流沿最陡坡度的方向流动。通过计算中心单元格与周围8个单元格的坡度，即可确定中心单元格的水流方向。

（3） 汇流累积分析。从每个栅格单元出发依次扫描流向矩阵，沿水流方向追踪到DEM边界，当整个水流方向矩阵扫描完毕，可以得到流域汇流能力的栅格分布图。汇流栅格上每个单元的值代表上游汇流区内流入该单元的上游栅格单元格的总数，值较大者为河谷，值等于零则是流域的分水岭。

（4） 河网提取。设定最小支流上游集水区的面积阈值，以上游集水区面积大于阈值面积的网格点为该支流的起始点，流域内集水面积超过该阈值的网格点为水道，提取汇流累积栅格上所有大于或等于最小集水面积阈值的栅格，形成河网栅格数据，并转化为河网矢量图。

（5） 流域边界生成。流域（集水区域）是流经其中的水流从一个公共的出水口排出，形成一个集中排水区域。首先确定该集水区域的最低点，然后结合水流方向数据，搜取该出水点上游所有流过该出水点的栅格，直到所有的栅格单元都确定了位置，即得到流域的边界或分水岭的位置。当流域自然边界（分水岭）与流域治理边界冲突时，优先选择流域治理边界为流域边界。

（6） 小流域归并。小流域面积原则上控制在3～50 km2。对于面积小于阈值的小流域，将其归并到临近的小流域中。利用高分遥感影像细分河网水系是进行微小流域合并的关键环节。采用高分辨率遥感解译与人机交互修整方法，提高DEM自动提取河网的准确度，生成高精度的小流域划分单元数据。

3 结果与讨论

3.1 结 果

十堰市属于汉江流域一级片区，主要分为汉江丹库以上片区和汉江中游片区2个二级片区。在二级流域单元基础上，结合自然地理、地形地貌等因素，将全市划分为9个三级流域片区与23个四级流域片区（图2）。

在三级、四级流域片区的基础上，统筹上下游、左右岸、干支流流域关系，综合大型水利工程、乡镇行政边界等因素，依次提取了河网（图3）、小流域（图4），并结合高分辨率遥感影像解译和人机交互式修整等方法，划定了1 472条五级小流域，小流域平均面积在12～18 km2之间（图5、表1）。

3.2 讨 论

（1） 小流域类型特征。

如图6所示，根据沟道汇水特征、出水口位置等，库区小流域类型主要包括完整型小流域、坡面型小流域和区间型小流域。其中，完整型小流域具有明显的主沟道，分水岭完全闭合，有且仅有一个出水口；坡面型小流域呈现多条短沟道并排的羽毛状微流域，无明显的主沟道和分水岭；区间型小流域的主沟道只有一个出水口和一个入水口的区间河段，分水岭不闭合［8］。受区域地形地貌的控制，库区小流域以完整型小流域和坡面型小流域为主。

（2） 河网提取优化。

由于丹江口库区坡耕地较多、生产建设项目人为扰动较大等因素，DEM自动提取河网成果和实际情况出现了一定的偏差。如图7所示，将DEM自动提取结果和人机交互修整结果进行对比发现，人机交互修整方法能够提高河网提取准确度，其主要原因在于：① 河道整治、渠道修建和道路交通等涉河生产建设活动对河道形态产生了较大的影响；② 由于DEM比例尺限制，难以完整描述自然条件下河道局部弯曲等情况，造成弯曲河道曲率较实际偏小。

4 结 论

（1） 从湖北省流域综合治理和统筹发展规划观点出发，选择湖北省丹江口库区（十堰市）为研究区，提出了一种基于流域治理单元的重要生态功能区小流域划分方法，为全国加快推进小流域划定工作提供了案例经验。从划分方法上看，本文提出的小流域划分方法，继承了流域综合治理和统筹发展规划成果，确保了小流域单元划分成果位于各级流域片区内，避免了小流域单元跨过安全底线边界，达到了小流域单元与国土空间管控的衔接。从应用成效上看，小流域划分成果补充完善了全省水安全管控底图，通过《规划纲要》落地实施，保证小流域划分成果在水利、自然资源、农业农村等部门实际应用，形成了多部门水土流失防治“合力”、推动了小流域综合治理提质增效，实现了水土保持与社会治理的协调。

（2） 基于十堰市流域综合治理规划确定的9个三级流域片区与23个四级流域片区，利用数字高程模型（DEM）、高分辨率遥感影像等数据，采用河网自动提取和人机交互修整等方法，确定了1 472个五级小流域单元，初步实现了小流域单元与流域治理单元的衔接。

（3） 本研究划定的五级小流域单元面积大多在15～18 km2，距离小流域定义的50 km2门槛有一定差距，存在着过于细碎的倾向，需要开展小流域单元的归并整合。此外，要进一步分析小流域划分成果的适用范围和应用潜力，以达到水利部门划定的小流域治理单元能在国土资源、生态环保、农业农村等部门推广使用的目标，真正形成水土保持各部门齐抓共管的“合力”。

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（编辑：黄文晋）

Sub-watershed division in Danjiangkou Reservoir of Hubei Province oriented to watershed governance unit

LI Zhe1，2，WU Yibang1，2，KAN Hongtao3，XIANG Daxiang1，2，LI Jingwei1，2，CUI Changlu1，2

（1.Department of Spatial Information Application，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Wuhan Smart Watershed Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China； 3.Construction & Management Bureau of North Hubei Water Transfer Project，Wuhan 430060，China）

Abstract：

The division of small watershed units in the Danjiangkou Reservoir Area is fundamental work for ensuring water quality safety and building water ecological civilization in the reservoir area.We selected the Danjiangkou Reservoir Area （Shiyan City） in Hubei Province as the research area and used high-precision DEM，high-resolution remote sensing images，and other data sources.According to the 9 third-level watershed areas and 23 fourth-level watershed areas in Hubei Province watershed comprehensive governance and coordinated development planning outline，1 472 fifth-level sub-watershed units were delineated，forming an important ecological function area small watershed division method for watershed comprehensive governance units by using methods such as automatic river network extraction and human-machine interaction adjustment.The results can provide a decision-making basis for the prevention and control of soil erosion in the Danjiangkou Reservoir of Hubei Province，the evaluation of the effectiveness of small watershed management，and the formation of a joint effort among various departments for soil erosion prevention and control.

Key words：

watershed governance planning； sub-watershed unit division； digital elevation model； Danjiangkou Reservoir Area