基于3S技术的水库饮用水水源保护区划分.pdf

1 引言 饮用水水源保护区是指国家为防治饮用水水源 地污染、 保证水源地环境质量而划定， 并要求加以特 殊保护的一定面积的水域和陆域1。根据福建省人 民政府办公厅下达的关于开展生活饮用水地表水 源保护区划定工作的通知 ， 厦门市环境保护局按照 统一部署和要求， 开展了 “厦门市生活饮用水地表水 源保护区划定” 工作。 科学合理地划定饮用水水源保护区范围是一项 技术含量较高的工作。 目前利用 3s 技术作为水资源 或流域研究的技术手段已相当普及并体现着其优越 性， gps 技术可以快速定位空间数据， rs 技术能精 度较高地定位、 定量到地块， 直观判读地物特征和资 源的现势信息， gis 技术能够综合利用多种数据源 （包括地理空间数据和属性数据 ） 建立分析模型用以 辅助规划、 管理、 决策等。为此， 在实际工作过程中， 运用 3s 技术进行厦门市生活饮用水地表水源保护 区范围划定， 工作的重要成果 厦门市生活饮用水地 表水源保护区划定方案 已由厦门市政府颁布实施。 本文以汀溪水库为例， 重点阐述基于 3s 技术的水库 饮用水水源保护区划分方法。 2 区域概况 汀溪水库 （包含溪东水库） 位于厦门市同安区 西北部， 距同安城区 8 km， 建成于 1956 年， 总库容 6 257 万 m3，年可供水 1.2 亿 m3，是一座集灌溉、 供 水、 发电和防洪于一体的省重点中型水库， 担负着同 安、 翔安区 50%以上的工农业生产和生活用水。 区域 地形北高南低， 相对高差大， 拥有良好的屏障和广阔 的集雨区， 集水面积 100.8 km2。区域土壤主要为红 壤和黄红壤， 土壤肥力属中等偏好， 较适宜林木的生 长。上游分五峰、 造水两支流， 居民人口 5 000 多人。 3 划分原则 根据 饮用水水源保护区划分技术规范 （hj/t 338-2007 ） 和汀溪水库现状，主要划分原则是：（1 ） 饮用水水源保护区划分应与城市总体发展规划相协 调；（2 ）一旦出现污染水源的突发情况， 有采取紧急 补救措施的时间和缓冲地带；（3 ）在确保饮用水水 源水质不受污染的前提下，划定的水源保护区范围 应尽可能小。 4 技术路线 利用3s 技术进行水源保护区范围划分， 主要采 用 arc/info gis 软件和 erdas 遥感图像处理软 件进行数据处理 2。 首先， 利用带有高程值的地形矢 量图层建立数字地形模型 （dem ） ， 自动推算生成汇 水区盆地和流域范围，初步划定一、二级保护区范 基于 3 s技术的水库饮用水水源保护区划分 庄翠蓉 （厦门市环境信息中心， 福建厦门 361004 ） 摘要： 以汀溪水库为例， 采用 3s 技术进行水库饮用水水源保护区划分； 利用 gis 技术建立数字高程模型并自动生成汇水 区盆地和流域范围， 初步划定保护区范围； 采用遥感技术获取保护区内的自然环境专题信息； 根据饮用水源保护区划分原则， 综 合考虑社会和自然等多种数据源进行人工修订获得保护区范围界定。 关键词： 饮用水水源； 保护区划分； 3s 技术； 汀溪水库 abstract：taking tingxi reservoir as an example, the paper divides the drinking water source protection zones with 3s technology. firstly, using gis technology ,the paper builds the elevation models, auto-generated the catchments basin and watershed scope, determines a preliminary protected zones delineation. at the same time， by adopting remote sensing technology ,the paper obtains the information of natural ecological environment in the protected zones. finally, according to the principle of division in drinking water resources protect zones, the paper considers social, natural and other data sources to make manual amendment for defining the scope of protection zones. ey word： drinking water resource; delimitation of protection areas; 3s technology; tingxi reservoir 中图分类号： x36文献标识码： 文章编号： （9 ） 02-0051-04 收稿日期： 80824； 修订日期： 2009-01-14。 基金项目： 厦门市环境保护局饮用水地表水源保护区划界工作项目资助。 作者简介： 庄翠蓉， 女， 1975 年生， 工程师， 主要从事遥感与 gis 在环境保护中的应用研究。 51 围； 同时以卫星遥感影像为主要数据源， 结合相关资 料， 提取自然生态环境专题图， 获取保护区内的自然 生态环境状况； 最后利用 gis 的空间分析方法， 综合 考虑自然环境、 社会环境以及法律法规等因素， 如区 域地形特征、 生态环境、 行政区管辖界限、 城市规划、 环境功能区划、 地表水环境质量标准等， 根据划分原 则，对初步划定的一、二级保护区范围进行人工修 订， 获得最终划界， 技术路线如图 1。 4 . 1 保护区范围的初步划定 以被保护水体为中心，将外延第一重山山峰的 连线所包括的所有陆域和水域初步划分为一级保护 区范围；将基于地形图界定的全流域边界线所包括 的除一级保护区以外的所有陆域和水域初步划分为 二级保护区范围。 采用 arc/info gis 软件进行数据 处理， 具体步骤如下： （1 ）dem 的建立和处理。首先采用不规则三角 网 （tin ） 数据模型3， 将带有高程值的 1:5 000 地形 矢量图层转换成 tin 数据结构， 并进行空间插值； 接 着将 tin 数据结构转换成格网结构（lattice ） ； 最 后对格网数据进行重采样，形成栅格 dem （grid ） 。 采用高斯克里格投影、 北京 54 坐标系， 单位为 m， 栅 格大小为 5 m 5 m。 （2 ）洼地填补和水流方向确定。由于 dem 生成 过程中的四舍五入和分辨率， dem 中有很多洼地和 尖峰，洼地和尖峰的存在使得在计算水流方向时会 出现水流逆流的情况，给水流线的跟踪和流域界线 的确定带来困难。利用 fill 命令来填洼和削峰。在 进行这个指令之前可以先使用 sink 找出洼地和尖 峰的所在地， 或者利用 fill 后的影像与原始影像相 减，即可得到洼地填补的位置以及填补量。利用 flow direction （ ） 函数来确定水流方向， 该函数 采用最广泛的单流向 d8 法， 这种算法先计算单元格 与周围 8 个单元格间的坡度，按最陡坡度原则确定 单元格的流向。 按此算法逐个计算 dem 中所有网格 点的流向即得到水流方向栅格图。 （3 ）流向累积栅格生成。流水累积量可用于提 取地表水分布图，是水网提取的基础。在无坑洼 dem 水流方向栅格图的基础上， 采用 flow accu mulation （ ） 函数通过确定所有流入本单元格的累 积上游单元格数目来生成流向累积栅格图。 （4 ） 水流网络和河系提取。应用 stream definition （ ） 命令对流向累积栅格设置集流阈值 来定义河系4。集流阈值为河系网络提取的关键因 子，利用所订定的累积流量值作为河道认定的门槛 标准， 初始进行分析时， 可选择自小至大的几个集流 阈值，以便观察最适河系提取集流阈值大致的坐落 范围。以设定的集流阈值为标准，利用流径处理 drainage lane processing （ ） 命令从流向累积 栅格图中提取河系网格图层，凡是累积流量大于等 于集流阈值的网格即被定义为河道。 （5 ）汇水区盆地和流域范围生成。汇水区盆地 （即第一重山 ） 。汇流能力强的栅格所在的区域就是 汇水区， 汇水能力特征值为零则代表区内的高地。 水 流方向确定后， 利用 basin （ ） 函数在水流方向栅格 图的基础上生成汇水区盆地。 利用 stream link （ ） 函数来确定流域的出口，该函数利用已经建立的河 流网络， 将河流沟谷交叉点标记为流域出口。 流域出 口找到后，根据水流方向、流水累积量和水网分布 图， 利用 watershed （ ） 函数在水流方向栅格图上 可以很方便地确定出流域的所有子流域，生成流域 范围。 为了验证其准确性和合理性， 把生成的汇水区 盆地与遥感影像图叠加，可清晰地看出汇水区盆地 边界与影像图中的山脊很好地吻合；把生成的流域 范围与 dem（依灰度从深到浅而高度从低到高 ） 叠 加， 从 dem 的纹理中可以清晰地看出整个流域范围 覆盖的正确性。 4 . 2 利用遥感影像获取保护区内的自然生态环境 选用覆盖汀溪水库区域的 2007 年 1 月 8 日美 国陆地资源遥感卫星 landsat tm 影像数据，地面分 辨率为 30 m/像元，采用 erdas 遥感图像处理软件 对影像进行辐射校正、 几何纠正、 图像增强以及图像 分类等处理， 提取了土地利用/土地覆盖、 植被覆盖 度、 土壤侵蚀等专题空间数据， 获取保护区内的自然 生态环境状况。 （1 ）土地利用/土地覆盖。综合考虑全国农业区 图 1水库饮用水水源保护区划分技术路线 地形矢量图层 数字地形模型 汇水区盆地和流域范围 保护区范围初步界定 保护区界限 社会环境、 法律 法规等因素 卫星遥感影响图 相关资料 自然生态环境专题 rs， gps技术 gis综合分析 gis技术 52 环境保护与循环经济environmental protection and circular economy 划委员会提出的分类标准、遥感影像的可分辨性及 研究区域的实际情况，将土地利用/覆盖分类为耕 地、 林地/果园、 草灌地、 居民用地、 水域和裸露地六 大类5。运用 2 种波段组合分别对不同地物进行提 取，在 tm1， 4， 5 组合影像上提取居民用地和水域， 在 tm3， 4， 5 波段组合影像上提取耕地、林地/果园、 草灌地和裸露地。根据 gps 实地采样， 在影像的不 同空间位置选择样区，用 spectral profile 功能分析 各覆盖类型的波谱特征曲线。 采用非监督分类和目 视判读相结合的方法， 先对组合波段影像进行非监 督分类 isoclass 聚类， 聚成 30 类， 然后以非监督分 类结果为基础，根据各地物的波谱特征曲线图， 进 行最大似然监督分类， 最后采用分类树法， 对某些 类进一步采用特征提取、结合地形信息或先验知 识， 加以修正 6。分类结束后， 对相同的类别进行合 并， 通过聚类统计去除细碎的图斑， 最终得到研究 区域的土地利用/覆盖图。采用分层随机采样法对 分类结果进行精度验证， 抽取 150 个验证点， 利用 gps 进行现场验证，分类精度为 89， kappa 系数 为 0.87。 （2 ）植被覆盖度。遥感监测是获取区域植被覆 盖度的重要手段。大量文献表明， 当选用 tm 影像 作为研究源时， 基于地物反射率 （pac） 级影像提取 的 ndvi 的 3 次多项式模型较优 7。本文选用归一 化差值植被指数 （ndvi） 法， 该方法能提高对土壤 背景的鉴别能力，大大消除地形和群落结构的阴 影影响， 削弱大气的干扰， 因而扩展了对植被盖度 检测的灵敏度。ndvi 为近红外波段与可见光红外 波段的亮度值之差及与其之和的比值，即 ndvi= （ir-r ） / （ir + r ） ， 它是植物生长状态以及植被空间 分布密度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线 性相关，当植被覆盖度较低时， ndvi 对覆盖度增 减反应灵敏，当覆盖度较大时， ndvi 趋于饱和8。 在研究区域内选择不同植被覆盖度的样区进行统 计分析，按照样区统计特征值将全区的 ndvi 分 级，进而根据分级数据得出分析区域的植被覆盖 度图， 最后将全区分为 4 个级别， 即植被覆盖面积 大于 75的高覆盖度区， 6075的中高覆盖度 区， 4560的中覆盖度区和小于 45的低覆盖 度区。 （3 ）土壤侵蚀。汀溪水库周边山体的土壤侵蚀主 要是水力侵蚀， 考虑到获取数据的实际情况， 采用侵蚀 因子权重法 9。 选用降雨侵蚀力、 土壤可蚀性、 坡度和 坡长、 植被覆盖或作物管理等作为侵蚀因子， 先进行 单因子评价， 再计算各个评价因子的权重， 最后通过 gis 叠合分析获得多因子的综合评价结果， 得到土壤 侵蚀危险度评价等级， 分为无险型、 轻险型、 危险型、 极险型和毁坏型 5 个土壤侵蚀危险度分级 10。 其中， 降雨侵蚀力采用经典 ei30 计算方法，土壤可蚀性 因子根据土壤质地和有机 质含量从 “usle 中土壤可 蚀性因子 k 值表” 中查得， 从 dem 图中分析提取坡 度和坡长因子，从遥感影 像中提取植被覆盖或作物 管理因子。选择层次分析 方法确定土壤侵蚀评价因 子的权重。 5 划定结果 汀溪水库饮用水水源 保护区划分为一级保护区 和二级保护区 （图 2 ） 。 其中， 一级保护区包括库区沿岸 一重山脊范围内的水域和 陆域（汀溪林场场部除外） 以及一级保护区内的两条 支流（经造水村汇入溪东水 图 2汀溪水库饮用水水源保护区划 山峰 村驻地 乡、 镇行政驻地 乡、 镇界 市界 水渠 道路 陆域地表水 饮用水源一级保护区 饮用水源二级保护区 芹山 1095 汪前 乌石岩山 495 五峰 造水 郑宅 208 铁岭山 779 高仑头 946 三秀山 611 北山农场 什班山 351 大东山 238 汀 溪 水 库 溪 东 水 库 古坑 水 渠 御史岭 211 汀溪林场 大仑尖 562 前格 西源 源 埔里 西 顶村 乌石岩 852 东岭尖 908 土地公坑 945 加锥飞 907 半岭 引 石鼓寨 403 km比例尺： 云顶山 1175 53 4 结语 （1 ）曝气生物滤池工艺在小区污水处理工程投 资、 占地和能耗上具有较大的优势， 可根据进出水水 质要求的不同， 分别采用二段或三段处理工艺组合， 且可根据水量的大小进行模块化设计。因此该工艺 值得在我国废水处理实践中引进推广。 （2 ）填料密度的选择不慎或运行参数不适会造 成填料随出水或反冲出水流失。 （3 ）整个处理设施的自动化程度高， 操作管理 简单，全部设备的运行控制均采用 plc 自动控制， 并通过计算机进行人机对话，污水处理工程中可以 实现无人值守。 参考文献 1 崔永跃， 王成军. 大学城中水回用工程实例 j . 安徽农业 科学， 2007（10 ） ： 3 048-3 050. 2 黄晓家. 城市再生水 （中水） 回用发展方向 j . 建设科技, 2008 （21 ） ： 34-35. 3 王舜和， 郭淑琴. 不同功能曝气生物滤池的设计要点 j . 给水排水， 2008 （11 ） ： 34-36. 4 rother e， cornel p. opti mising design,operation and energy consumption of biological aerated filters （baf） for nitrogen removal of municipal wastewater j . wat sci tech. 2004 （6 ） ： 131-139. 5 程晓虎， 程晓玲， 刘明坤. 曝气生物滤池在污水再生利用中 的应用 j . 给水排水， 2008 （1 ） ： 22-23. 库的支流和经汪前、五峰等村汇入汀溪水库的支 流） 自各自汇入水库处上溯 1 km 的溪流及其两侧 各50 m 范围，总面积约 18.2 km2；二级保护区包括 整个汇水流域（一级保护区和厦门辖区以外范围 除外） 以及西源引水渠的渠首至上游 3 km 的河流 水域及其两侧一重山脊的陆域， 总面积约 86.6 km2。 6 结语 （1 ）本次区划过程中仍存在一些问题， 如由于 成像机制尚未研究清楚，利用遥感数据获取的植被 覆盖密度， 其定量化采用野外实地调查， 然后进行灰 度分割的办法；土壤侵蚀计算模型涉及的一些因子 由于缺乏资料而无法获取，只好根据经验进行人工 估值替代。 （2 ）相对于传统的手工划定方式， 利用 3s 技术 进行水库饮用水水源保护区划分更加快速、 准确， 实 现了半自动化界定保护区范围，客观遵循了自然地 貌特征和水文特征，使保护区范围最大限度地与自 然环境和谐一致，界定的保护区范围也更具有科学 依据和管理操作的可行性，这种界定手段在目前是 比较先进的。 （3 ）3s 技术将在水源保护区划中发挥越来越大 的作用， 为传统的水源保护区划由平面走向立体、 由 静态走向动态提供了良好的技术支持。 参考文献 1 国家环境保护总局. 饮用水