Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 5: 1 - 9

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240290

Comprehensive Management of River Basin

Division, Naming, and Spatial Distribution Characteristics of Small Watersheds in Mixed Terrains:A Case Study of Yingwen River Basin

  • CHEN Fei-yong , 1 ,
  • CHEN Qian-xun 1, 2 ,
  • JIANG Qian-qian 3 ,
  • MA Shu-juan 2 ,
  • XU Jing-tao 2 ,
  • REN Guang-xin 4 ,
  • CHENG Xiao-xiang 2 ,
  • WANG Jin , 1
Expand
  • 1 Institute of Resources and Environment Innovation, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China
  • 2 School of Municipal and Environmental Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China
  • 3 Shandong Ecological Environment Monitoring Center, Jinan 250101, China
  • 4 Northeast Branch, China Construction Eighth Engineering Division Co., Ltd., Dalian 116021, China

Received date: 2024-03-22

  Revised date: 2024-09-03

  Online published: 2025-01-02

Fold

Abstract

[Objective] Focusing on the Yingwen River Basin in Shandong Province, this study aims to explore the extraction, division, naming methods for small watersheds in mixed terrains, and to analyze spatial distribution characteristics of small watershed areas and river network densities. [Methods] This study utilized high-precision SRTM-DEM data, combined with hydrological analysis modules, to extract micro-watersheds, river networks, and watershed boundaries. The optimal catchment threshold was determined using the river network density method. Micro-watersheds were merged into small watershed units based on natural catchment relationships, and named according to Specification SL 653—2013. In complex terrain areas, local corrections were made by referencing high-resolution remote sensing images and field survey results to ensure the accuracy of the division. Meanwhile, the main stream, first-order tributaries, and second-order tributaries of the Yingwen River Basin were extracted, and the characteristics such as the area of small watersheds and the density of river networks were statistically analyzed. [Results](1) This study successfully extracted 1 main stream (the main stream of Yingwen River), 22 first-order tributaries, 48 second-order tributaries, and 1 large reservoir, establishing a complete water system network. (2) A total of 28 small watersheds were merged. Small watershed areas in upstream mountains were generally smaller, while those in downstream hilly plains were relatively larger. This was mainly caused by terrain limitations combined with human activities. (3) All 28 small watersheds were named based on the proposed naming process, providing strong support for watershed management and water resource protection. (4) The river network density in Yingwen River Basin exceeded 0.2 km/km2, indicating abundant water system resources. Areas with river network densities of 0.4-0.6 km/km2 accounted for 60.71% of the total area, mainly concentrated in the middle and lower reaches. Areas with densities of 0.6-0.8 km/km2 accounted for 28.57%, distributed in the upper, middle, and lower reaches. [Conclusion] (1) The analytical framework for division, naming, and spatial distribution characteristics of small watersheds in mixed terrains proposed in this paper provides scientific methods and practical cases for similar studies. (2) Complete-type small watersheds are dominant, indicating relatively intact water systems with limited human disturbance. The spatial distribution characteristics of small watershed areas and river network densities reveal the combined influence of terrains and human activities on water system development. (3) The number of first-order tributaries in the Yingwen River Basin exhibits a significant increasing trend from upstream to downstream, reflecting the complexity of river network systems in middle and lower reaches and the promoting effect of human activities on water system development. The distribution characteristics of the length of tributaries per unit area and the density of river networks further reveal the abundance and spatial differences of water system resources within the basin.

Key words： small watershed; mixed terrain; spatial distribution characteristics; Yingwen River

Cite this article

CHEN Fei-yong , CHEN Qian-xun , JIANG Qian-qian , MA Shu-juan , XU Jing-tao , REN Guang-xin , CHENG Xiao-xiang , WANG Jin . Division, Naming, and Spatial Distribution Characteristics of Small Watersheds in Mixed Terrains:A Case Study of Yingwen River Basin[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(5) : 1 -9 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240290

0 引言

小流域是指地表水分水线所包围的集水区域,是在自然汇水的基础上划分出来的相对独立和封闭的自然汇水区域,其面积一般不超过50 km2[1-2]。作为独立的水土流失发生发展与水文效应单元,小流域具有其他地理单元、行政单元、社会单元等单元所不具备的生态系统功能,因此小流域是研究水文水生态功能、水土保持等领域的理想地域尺度[3-5]。准确提取划分小流域对水土保持规划、水利工程设计、水环境治理、水生态修复、水安全保障、水资源保护等有着重要的指导意义[6]。
需要注意的是,地形对小流域单元的划分与提取有着较大的影响。朱秀迪等[7]、陈智虎等[8]、吕一兵等[9]、韩培等[10]学者的研究结果表明,不同流域地形提取小流域的方法及结果特征不同,通常在地势落差大的山地流域提取精度较高,在地势平坦且落差小的平原划分流域精度较低;赵娟等[11]在岩溶山区对小流域合理划分,并提出“盲谷-洼地型”小流域的命名类型;韩立新等[12]探索低山丘陵、黄泛平原、人居环境、农田防护等区域的小流域(片区)划分方法。
但目前针对混合地形小流域提取分析与命名讨论的相关研究较少,对平原区的流域划分及对山地-丘陵-平原混合区域提取小流域接边合并的研究较少。因此,本文以混合有山地、丘陵及平原地形的山东省瀛汶河流域为研究区,运用水文分析模型提取微流域,依据自然汇水关系,将微流域归并、划分为小流域,并对结果进行命名和流域特征空间分布分析。此外,在地形复杂区域及小流域边界相对混淆区域,本研究参考高清遥感影像及现场调研结果进行局部校正。以上研究结果可为混合地形小流域提取划分、命名等提供参考。

1 研究区概况与数据源介绍

瀛汶河流域主要位于山东省济南市莱芜区,其干流水系瀛汶河是黄河在山东省主要支流大汶河的三大源流之一。瀛汶河河道总长约89.52 km,河底落差364 m,平均比降为4.2%,流域面积为973.59 km2,属于季节性山洪河道。瀛汶河发源于济南市南部山区池凉泉,向西流入雪野水库,出库后南流瀛邑,最后于渐汶河村汇入大汶河上游主干流牟汶河。瀛汶河拥有大汶河水系中最长山地河段,流域内地形类型为山地、丘陵和平原组成的混合地形。流域内地表高程最高值为902 m,最低值为109 m。研究区的高程及地理位置见图1(a),地表覆盖见图1(b)。
图1 瀛汶河地势分布示意

Fig.1 Terrain distribution of Yingwen River Basin

从图1(b)可以观察到瀛汶河流域具有以下地形特征:瀛汶河流域的上游主要呈现山地地形,部分区域为丘陵地形。从雪野水库开始,地形由山地向平原地形过渡。瀛汶河流域下游地区则主要为丘陵地形和平原地形,其中北侧以丘陵-平原混合地形为主,而南侧则以平原地形为主。
本文主要数据来源包括:栅格大小为30 m×30 m的研究区SRTM-DEM数据,空间分辨率为1.8 m的多光谱WordView遥感影像数据,山东省地图院编制的比例尺为1∶1 000 000的山东省水系图。此外,在水系提取及结果校正时还参考了天地图山东中的高精度遥感影像[13]。

2 小流域划分与命名方法

2.1 小流域划分方法

本文基于高精度的SRTM-DEM数据,运用ArcGIS中的Hydrology水文分析模块,系统提取了研究区微流域、河网和流域边界[14]。其中,通过河网密度法分析确定河网的最佳集水阈值为2 000[15]。经比较,此阈值下提取的河网与实地水系高度吻合,验证了河网密度法的科学性和可靠性[16-17]。
小流域是由一个或者多个微流域归并而成。依据研究区内自然地形地貌和实际地表覆盖情况,遵循水系汇水拓扑关系,将多个微流域归并为小流域单元[18]。在进行小流域划分的过程中,针对当前人工沟渠没有明确处理指南或导则等依据的情形,本研究采用类比自然水系的处理方法,确保了小流域划分的连贯性、合理性和完整性。
对于汇水区域>50 km2的大中型水库,本研究采取独立划分的策略,将水库及对应汇水区单独作为一个小流域,以体现水文的独特性。鉴于研究区涵盖山地、丘陵及平原地形,存在两侧坡面陡峭或者一侧较陡一侧较缓的情况,因此在地形复杂区域或小流域边界相对混淆区域,应参考高清遥感影像,结合水库闸坝、道路(例如高速路基)、排水管网等要素对小流域边界进行精细化局部校正。

2.2 小流域命名方法

在研究《小流域划分及编码规范》(SL 653—2013)(简称《规范》)时,鉴于其对混合地形小流域命名方法的空白点,本研究基于国内外相关研究成果[19-20],提出了一套系统化的混合地形流域命名流程。
首先确定流域内是否存在具有公认性(如在天地图、百度地图等公众资源内可以明确检索到)名称的小流域,有则延用该名称以确保命名的连续性和一致性;若无,则遵循水源地红线保护优先原则,优先以湖库、水库等水源地命名,以此凸显其在水资源保护与管理中的重要地位。其次,若前述方法不适用,则应将水系蓝线及其主要水系名称纳入命名考量范畴,即以其主水系名称命名小流域。这不仅能强化水系在城市规划与管理中的标识作用,还体现了对水系自然属性与保护价值的尊重。若上述条件均不满足,则依据小流域内人口最多的自然村庄命名,体现命名实用性和规范性。尤为值得注意的是,当小流域涵盖主水系时,建议采用“主河流名称+干流”组合方式命名,以精准反映流域内的水系结构特征,增强命名的科学性与系统性。综上,本研究通过综合考虑流域的自然特征、社会属性及保护需求,旨在构建一个更为科学、规范且实用的混合地形小流域命名体系。具体流程如图2所示。
图2 小流域命名方法流程

Fig.2 Flowchart of small watershed naming method

3 小流域划分命名及空间分布特征分析

本研究基于当前遥感与地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术,系统性地构建了混合地形流域中的小流域划分命名及空间分布特征分析框架模式。框架模式结构如图3所示,具体分析内容见后文。
图3 混合地形流域中的小流域划分命名及空间分布特征分析框架

Fig.3 Analytical framework for division, naming, and spatial distribution characteristics of small watersheds in mixed terrains

3.1 小流域水系提取分析

本研究对于水系结构的层级划分参考了“科普中国·科学百科”中关于支流定义。具体将直接汇入主要干流的水系定义为一级支流,而进一步将汇入一级支流的水系则定义为二级支流。此划分方式不仅体现了水系之间的自然连接关系,也便于在流域管理与研究中进行清晰的层次划分和数据分析。
鉴于初步提取的结果主要基于理论模型与算法,故提取结果存在一定误差。基于此,本研究借助天地图权威地理信息平台中的高分辨率遥感影像作为参照,同时结合现场直接观测到的水系实际形态、流向及其他地理要素,对矢量化河网进行了逐段、逐点的校正。
最终,本研究提取到1条主干流(瀛汶河干流)、22条一级支流、48条二级支流以及1个大型水库在内的完整水系网络,如图4所示。以上结果为后续微流域合并和边界高精度校正提供了重要参考依据。
图4 水系提取结果

Fig.4 Extraction results of water system

统计分析发现,一级支流平均长度为12.08 km,其中半数以上支流的长度短于此均值。进一步分析可以发现,短支流多集中于瀛汶河流域上游及主干流南侧,而长支流基本分布于雪野水库下游的主干流北侧。此分布特征深刻反映了地形对水系发育的影响:上游山地陡峭限制了水流的扩展与汇聚;中下游北侧多为山地丘陵平原混合地形,促进了水系的延伸和发育;南侧则以平原地区为主,自然水系分布稀疏且呈细窄状,同时伴有较多人工沟渠。

3.2 小流域一级支流分叉数量分布特征

为深度剖析瀛汶河流域的独特性质,本研究依据自然地理特性将瀛汶河干流分为上游、中游、下游3个区段[21]。分界点设于雪野水库入口处与寨里镇交汇处,如图5所示。
图5 上中下游划分结果

Fig.5 Division results of upper, middle, and lower reaches

为系统性地量化瀛汶河流域内一级支流分叉现象的空间格局特征,本研究首先确立了显著水系的界定标准,即选取长度2 km及以上的水系作为分析对象。瀛汶河流域内共有25条二级支流满足此要求。研究结果表明,上游、中游、下游,二级水系/一级支流的分支比例(简称“分支比”)呈现出显著增长趋势,分别为0.33、0.77和1.50。分析可以发现以雪野水库为天然界线,中下游区域因山地-丘陵-平原过渡地形,形成了丰富的河网系统。此外,水库下游水系尤为发达,加之该区域人类活动密集,人类沟渠网络相对完善。这些因素共同促使河道分支的复杂化,导致中下游分支比明显高于上游、下游分支比约是上游的4.55倍。这一发现为我们深入理解瀛汶河流域的水系结构及其与地形地貌的相互作用机制提供了重要的参考依据。

3.3 小流域命名及划分类型结果与讨论

3.3.1 小流域划分结果

本研究根据小流域类型划分原则及实际汇流情况,对微流域进行提取与合理合并。将990个微流域合并为多个以实际一级支流为自然串联脉络的小流域单元,对于那些与主要支流无直接关联的微流域,将其合理并入主干流所在的小流域中,形成瀛汶河干流小流域[22]。
在小流域划分过程中,需考虑地形地貌特性差异。例如平原地区由于居民点分布密集且汇水区域不明显,需在汇水关系的基础上考虑流域管理与属地关系一致的问题,可适当调整流域界线。山地地区地形起伏显著,流域边界较易提取,需强化拓扑校验,精准界定流域范围。对于山地-丘陵-平原的过渡地区,由于地形差异大,水流交互频繁,土壤和植被类型多样,人类活动差异显著,导致水文过程复杂化,形成复杂的水流路径。因此,过渡地带的汇水关系比单一地形区域更为复杂,需要综合考虑多方面因素,精细化划分小流域,以确保水资源管理和环境保护的科学依据。小流域划分结果如图6所示。
图6 小流域划分结果

Fig.6 Division results of small watersheds

小流域划分在从山地到丘陵再到平原的自然过渡中,需要充分考虑地形坡度、河流阶地等自然作用。同时,人类活动和生态敏感区保护也应作为划分的重要依据。此外,有学者聚焦于岩溶地区的特殊地貌进行深入探索,并提出了峰丛等地貌小流域的独特划分方法[11];也有学者强调自然侵蚀营力等自然过程在划分流域中需要起主导作用[12]。这些观点不仅突破了传统划分框架的局限,也为混合地区的小流域划分提供了借鉴。
综上所述,对于混合地形区域的小流域划分而言,应综合考虑地形地貌特异性、自然因素和人为因素的交织影响。

3.3.2 小流域命名结果

在小流域提取划分的基础上,遵循本研究提出的命名流程与原则对研究区的小流域进行系统化命名。依据一级支流主水系名称,自北往南有序命名了茶叶河流域等20个小流域。对于瀛汶河干流部分,本研究按地理特征(上、中、下游)进行命名,以直观反映其空间分布特征。遵循水源地红线保护优先原则,将雪野水库所在小流域命名为雪野湖小流域。对一级支流主水系尚未名称的小流域采用人口最多的村庄命名,如冷家庄流域等。小流域命名结果如图7所示。
图7 小流域命名结果

Fig.7 Naming results of small watersheds

3.3.3 基于地形形态类型的小流域划分结果与讨论

综合考虑自然汇流关系和地形形态类型,本研究对28个小流域进行了细致分类,即完整型小流域、区间型小流域及坡面型小流域[11]。结果表明,完整型小流域占据主导地位,其特点是主水系或主水道明显,分水线闭合,典型区域包括雪野湖小流域。相比之下,区间型小流域和坡面型小流域各占10.7%,前者如瀛汶河干流域,分水线不闭合,水系呈现区间河段特征;后者如大王庄河流域,由多条较短水系、面积较小的羽状微流域组成[23]。这说明研究区内河流两岸地势差异总体较小,提取出的小流域完整度较高。小流域类型具体分布情况见图8。
图8 小流域划分类型结果

Fig.8 Divided patterns of small watersheds

3.4 小流域面积及河网密度空间分布特征

3.4.1 小流域面积空间分布特征

小流域面积汇总如表1所示。统计分析表1可发现,瀛汶河流域内小流域面积<10 km2有5个,占17.85%;面积在[10,20)km2的有8个,占28.57%;面积在[20,30)km2有2个,占7.14%;面积在[30,40)km2没有;面积在[40,50)km2有4个,占14.28%;面积>50 km2有9个,占32.14%。即,<20 km2和>50 km2小流域个数分别是13个和9个,合计占总小流域个数的78.58%。
表1 各小流域面积及河网密度

Table 1 Areas and river network densities of different small watersheds

综合分析图1(b)、图6可以发现,上游山地地形的小流域面积普遍偏小,而下游丘陵平原地区的小流域面积相对较大。
分析导致这一现象的原因是由于地形限制,上游汇水面积有限;而中下游丘陵平原地区地势较为平坦,更容易扩散和沉积,从而形成了较大的流域面积[24];此外,上游山地受人类活动干扰较少,自然植被较为完整,土壤侵蚀程度较低,因此形成的小流域面积较小。而中下游丘陵平原地区受到农业、城市化等人类活动的影响较大,土地利用变化较为剧烈,导致小流域面积相对较大[25]。

3.4.2 小流域河网密度空间分布特征

河网特征分布不仅反映了流域内水系资源的丰富程度,更揭示了地形地貌对自然水系分布模式的塑造作用。河网密度受多种因素影响,其中高差、地形和坡度起主导条件[26],植物植被和土壤物理性质等是基本条件[27-28],且与高差和坡度呈现正相关关系[29]。单位面积上支流长度聚焦于河流系统的基础结构和主要通道情况,而河网密度则综合反映了流域内河流系统的整体发育程度和复杂性。通过对比和分析单位面积上支流长度和河网密度,可以从更全面和细致的视角理解瀛汶河流域内各小流域的空间分布特征以及背后的自然规律。
基于此,本文深入剖析瀛汶河流域内各小流域单位面积上支流长度及河网密度空间分布特征。具体数据详见表1。

3.4.2.1 单位面积上一级支流长度空间分布特征

单位面积一级支流长度区间分布情况见图9。分析图9可知,小流域单位面积内一级支流长度介于0.2~0.4 km/km2的数量占总数的42.86%,这一比例接近总体小流域数量的一半,且主要集中分布在下游区域。这一现象可能归因于下游地带相对平缓的地势,促进水流广泛分布与缓慢流动,进而形成了较密集的河网。另一方面,小流域单位面积内一级支流长度介于0.4~0.6 km/km2的数量占总数的32.14%,且大多位于上游。结合图1地形图分析研究区发现,流域上游的地形山地较多,导致地形坡度相对较陡。与此同时,该地区土壤透水性较差,渗透率较低,也是导致上游单位面积一级支流长度较大的原因之一[30]。此外,一级支流河网密度<0.2 km/km2及>0.6 km/km2的小流域面积虽然占25.00%,但分布相对零散,主要分布在雪野湖周边区域、瀛汶河流域河口北侧及瀛汶河流域下游南侧的小部分地区。这些区域河网密度异常可能受很多因素影响,包括但不限于水库建设及局部地形的特殊性。
图9 单位面积内一级支流长度分布

Fig.9 Distribution of first-order tributary length per unit area

中游单位面积一级支流长度总体而言比较小,主要原因可能是中游地区拥有1个大型水库,这使得其周边地区的汇水关系发生变化,进而导致周边地区的河网密度降低,最终导致其所在区域的单位面积一级水系长度较上下游小[31]。

3.4.2.2 河网密度空间分布特征

河网密度区间分布情况见图10。河网密度均>0.2 km/km2,这说明瀛汶河流域内水系资源相对较为丰沛。其中,河网密度介于0.4~0.6 km/km2的区域面积占总流域面积的60.71%,且这些区域主要集中在中下游,体现了中下游地区更为密集的水系结构。河网密度介于0.6~0.8 km/km2的区域面积占总流域面积的28.57%,在上中下游均有分布。河网密度介于0.2~0.4 km/km2的区域主要分布于下游,>0.8 km/km2以上的区域只有下游的辛兴河流域。
图10 河网密度分布

Fig.10 Distribution of river network density

此外,寨里河流域和大王庄河流域的河网密度与周围小流域数值显著不同,分析其原因主要是因为在平原和低山之间跨越时河网密度上升的速度比在中山和低山之间跨越的速度大[29]。这一地形效应直接导致了上述流域河网密度的独特分布格局。

3.4.2.3 瀛汶河流域单位面积支流长度与河网密度对比分析

单位面积一级支流长度与河网密度对比结果如表2所示,其中,ρ一级表示单位面积一级支流长度,ρ二级单位面积二级支流长度,ρ表示小流域河网密度。
表2 瀛汶河流域单位面积支流长度与河网密度对比分析

Table 2 Comparative analysis of tributary length per unit area and river network density in Yingwen River Basin

流域 L一级/km L二级/km L/km S/km2
上游 93.80 33.29 127.09 234.95
中游 87.72 70.11 157.83 301.89
下游 146.06 87.31 233.37 435.76
流域 ρ一级/(km· km-2) ρ二级/(km· km-2) ρ/(km· km-2)
上游 0.40 0.14 0.54
中游 0.29 0.23 0.52
下游 0.34 0.20 0.53
分析表2可以看出,上游的单位面积一级支流长度最大(0.40 km/km2),下游次之(0.34 km/km2),中游最小(0.29 km/km2),且上、中、下游之间的差值较为明显。而上游的单位面积二级支流长度最小(0.14 km/km2),下游次之(0.20 km/km2),中游最大(0.23 km/km2)。分析原因为,在山地丘陵地区,河流容易形成相对密集的一级水系,进而导致单位面积一级支流长度相对较高。而在中下游地区平原丘陵等地形相对较多,进而导致二级支流河流相对较多,单位面积二级支流长度相对较高。但由于一级支流与二级支流相反分布趋势,导致瀛汶河流域的河网密度在上、中、下游的结果较为接近,为(0.53±0.1) km/km2。

4 结论

(1)本研究基于DEM数据与ArcGIS水文分析模块,对具有混合地貌与大型水库的瀛汶河流域进行水系与小流域提取。最终,共得到1条主干流、22条一级支流、48条二级支流及1个大型水库,其中长度>2 km 的二级支流25条。
(2)基于ArcGIS Hydrology水文分析模型、WordView高分辨率遥感影像以及流域的实际汇水关系,本文成功将提取的990个瀛汶河微流域进行了归并并命名,最终得到了28个小流域,且在这些小流域中>77.57%属于完整型小流域。
(3)瀛汶河流域上游山地地形的小流域面积较小,下游丘陵平原地区的小流域面积相对较大。这主要是受地势起伏度、支流长度相对较短、水文过程敏感程度、人类活动影响大小等因素的影响导致。
(4)瀛汶河流域上游、中游、下游区域的一级支流分叉数量分别为0.33条、0.77条和1.50条二级水系/一级支流,即从上游至下游瀛汶河流域的一级支流分叉数量呈现出显著的递增趋势。
(5)在瀛汶河流域,上游的单位面积一级支流长度最大、下游次之、中游最小,且上中下游之间的差值较为明显;而上游的单位面积二级支流长度最小、下游次之、中游最大。由于一级支流与二级支流相反的河网密度分布趋势,导致瀛汶河流域的河网密度在上中下游的结果较为接近,为(0.53±0.1) km/km2。

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