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标题 基于DEM的小流域信息提取技术在生态治理中的应用
范文 汪绍盛 笪志祥


摘要：针对天津市北部山区蓟县黄土梁子小流域，通过1∶10 000地形图的等高线内插形成DEM，提取了小流域的边界、坡度、植被类型、植被盖度、土地利用现状、土壤侵蚀等信息。根据三道防线的划分原则和指标，运用GIS的空间分析和空间叠加方法，结合现场调查，确定了小流域的生态治理范围，并进行了小流域治理措施的合理配置。将DEM信息提取运用于小流域生态治理，为水土保持治理措施与成效分析以及水文特征研究提供了成熟的技术体系。
关键词：DEM；小流域；生态治理；蓟县
中图分类号：X11 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0145-04
流域的数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）包含了丰富的地形、地貌和水文信息等，是流域地形划分、水文分析的重要基础资料[1]。目前，利用DEM进行流域特征分析的工具有很多种，其中ArcGIS 的水文分析模块（Hydrology Model），是美国环境系统研究所公司（ESRI）为ArcGIS推出的一个水文分析模块，主要用于地形和河流网系的提取和分析，实现地形模型可视化，其强大的流域特征分析功能可以满足各种流域DEM处理的需要[2]。国内在运用Hydrology Model进行水文特性和地形分析研究已经产出大量成果，在生态水文[3]、小流域划分[4]、流域特征提取[5]、土地利用研究[6-8]等方面应用广泛， 但是，在小流域生态治理方面的应用研究很少。
近几年来，为了保护水土资源，天津市以全国生态县建设和京津风沙源治理工程为契机，开展了生态清洁型小流域建设。
通过几年的实践，取得了丰富的经验和显著的效果。本文以天津市北部山区蓟县黄土梁子小流域为例，探讨基于DEM的基础信息提取技术在小流域生态治理方面的应用。
1 黄土梁子小流域的现状
黄土梁子小流域位于天津市于桥水库入库河流淋河支流关东河流域的西北部。关东河流域南临穿芳峪流域，西接泃河流域，东北部至津冀界。流域面积36.44 km2，内有934户农村居民，3 184人，人均耕地0.04 hm2，人均收入2011年为9 025元。流域范围内多年平均气温11.5 ℃，冬春干旱多风少雨，多年平均降雨量697 mm；地势较陡峭，25°以上陡坡面积占51.02%，5°以上易发生水土流失的面积占84.50%；植被覆盖面积较大，以灌木林面积占比例最大，为39.36%；土壤类型主要为棕壤和褐土，土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主，伴有重力侵蚀，侵蚀的强度有轻度侵蚀、微度侵蚀、中度侵蚀。
流域内水保措施不健全，已建成的工程措施存在破损情况，不能形成层层设防和节节拦蓄的综合防治体系，加之小流域内多山地，地形陡峭，局部人为活动干扰，植被破坏严重，遇到暴雨极易引起水土流失，严重影响小流域的可持续发展。
2 小流域基础信息的提取
2.1 数据源
本研究数据主要来源于1∶10 000流域地形图（2010年）和10 m分辨率遥感影像（2010年）。运用ArcGIS技术将现有矢量数据转化为栅格数据，用于后续的DEM生成；遥感图像则用于流域的植被盖度和土壤侵蚀强度等基础信息提取。
2.2 DEM的生成
将1∶10 000地形图数字化后，通过对等高线进行数据采集（包括采样和量测）进行数据内插制作成DEM[12]。DEM的内插是根据所采集的不规则排列的原始数据高程求出待定点的高程进行的，一般是先建立三角数字地面模型TIN，再由TIN内插成规则格网DEM。
2.3 基础信息的提取
（1）流域边界及沟系。基于DEM，通过水文分析的D8算法，运用ArcGIS的流域水系分析工具，设定最小集水单元为0.1 km2，由计算机一次性提取微流域和沟道中心线。按照汇流关系，结合小流域治理规模，将微流域合并成小流域，并进行平滑处理和沟道线修正，形成小流域边界及沟系图（图1）。小流域主沟、支沟明显，形状近似叶形，完整闭合。
（2）流域坡度。基于DEM，运用ArcGIS中的地形分析模块，提取流域坡度，并按《土壤侵蚀分级分类标准》（SL 190-2007）中坡度分级[13]，确定流域内不同级别的坡度范围，形成流域坡度分级图（图2）。
（3）植被盖度。基于遥感影像，参照已有的植物类型数据成果，提取项目区植物类型；同时利用10 m分辨率遥感影像通过计算NDVI指数[14]，提取试验区小流域植物盖度，见图3。
（4）土地利用现状。根据已有的基础资料，利用遥感与ArcGIS 技术作为数据源和技术支持，在遥感影像解译基础上，进行空间叠加分析，建立土地利用数据库[15]；再通过现场调查，结合目视解译勾绘，提取出小流域土地利用现状图（图4）。
3 小流域治理措施配置
3.1 土壤侵蚀强度分析
根据提取出的小流域坡度、植被盖度和土地利用现状等三因子基础信息，采用《土壤侵蚀分级分类标准》（SL 190-2007）的土壤侵蚀三因子叠加方法，结合小流域的土壤侵蚀状况现场调查，获取黄土梁子小流域土壤侵蚀状况（表1、图5）。
3.2 小流域三道防线划分
第一、二道防线是在确定第三道防线的基础上进行划分的。第三道防线采用缓冲区法和土地利用类型法进行确定[16-17]。缓冲区法：根据DEM生成的沟系图，先确定第三道防线的主体位置，再根据沟道级别（如宽度）与沟道相邻的土地利用类型，确定沿河道（水系）的缓冲区的大小（宽度），一般为2～8 m；土地利用类型法：根据河道（岸）两侧的土地利用类型及其对水环境的影响，来确定第三道防线的土地利用类型。第三道防线具体划分方法是通过坡度分级图层、土地利用类型和村庄位置等图层叠加，并借助高分辨率遥感影像进行目视修订形成的。最终确定的流域内生态保护区、生态治理区、生态修复区的“三道防线”范围见图6。
3.3 治理措施配置
根据获取的小流域基础信息，针对生态修复区、生态治理区、生态保护区内水土流失、水环境状况、水土资源开发利用情况以及人类活动的特点，结合生态清洁小流域建设目标，对不同的功能区采取不同的预防保护与治理措施，主要措施配置如下。
（1）生态修复区。生态修复区是三道防线划分中的第一道防线，位于小流域上游无明显水土流失的低山、高丘及人烟稀少地区，人为活动较少，没有开发建设及大规模的农业生产活动等人为干扰，坡度大于25°。该区域进行封山育林，实行全面封禁，严禁人为活动，通过生态环境自我修复过程，在流域最上游形成第一道生态防线，以达到涵养水源之目的；在村落上山道路口和上山道路交叉口布设封山育林宣传牌。
（2）生态治理区。生态治理区位于山麓、坡脚等农业种植区及人类活动频繁地区，对应地貌部位是坡中、坡下及滩地，坡度一般小于等于25°。该区由于土地利用形式多样，根据不同的土地利用方式将其划分为浅山、坡脚治理区和村民集中居住区，在各区根据其自身的特点，分别采取相应的农田面源治理工程（谷坊坝、坡耕地改造、水保林、经济林）和村落环境综合整治工程（污水治理、垃圾治理）。
（3）生态保护区。生态保护区位于河（沟）道两侧及湖库周边，是接受污染物最多的一个区域，也是三道防线的最后一道防线，坡度一般小于等于8°。该区主要措施有水土保持工程措施（滚水坝、谷坊坝）、垃圾清运、防护坝、河（库）滨带治理、湿地恢复等。
3.4 治理后的效益
经监测[18]，2011年流域植被覆盖率达85%以上，年均拦蓄雨水3.2万m3、保土4 200 t；果树、农作物及牲畜养殖产出年均收入达10余万元；同时小流域治理后环境改善，吸引大批游客，旅游收入显著增加，年均旅游收入近20万元。该小流域的成功治理，促进了水土资源的合理开发利用，提高了水资源利用率，有效防治了各种自然灾害的发生，减少了泥沙淤积。
4 结语
通过DEM可提取大量的地表形态信息，包含小流域的坡度、沟系、边界、植被以及土地利用现状等。基于DEM的流域基础信息提取技术可以提高流域治理工作效率，保证提取数据的精度。将DEM技术用于流域的生态治理，对于数字流域建设、农业工程的规划和水资源管理等方面都具有十分重要的指导意义。
但是，开展流域综合治理工程时，仍要要深入一线、深入基层、深入实地开展调查研究，切实掌握流域的实际情况，摸清当地居民的实际需求，在确保目标的前提下，结合社会经济的发展方向，对流域综合治理进行定位，保证小流域生态建设效益的最大化。
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