基于DEM的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)與地貌特征相關(guān)性研究

摘 要：以數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用ArcGIS10.2軟件，通過(guò)水文分析模塊提取河網(wǎng)信息，研究河網(wǎng)結(jié)構(gòu)與區(qū)域構(gòu)造、地形地貌的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，河流總體流向與斷層走向相同，河網(wǎng)分布、干流流向與區(qū)域斷層走向具有一致性；實(shí)驗(yàn)得到5級(jí)河流，一級(jí)河流最多，幼年期、壯年期和老年期流域面積分別約占總面積的15.29%、74.85%、9.86%，以壯年期為主，坡度大于15°的流域面積占總面積的77%；干流區(qū)地形起伏度較大，支流集中分布在平地地區(qū)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型；河網(wǎng)；構(gòu)造；地貌特征

河網(wǎng)分布特征與礦產(chǎn)資源、地質(zhì)災(zāi)害等資源環(huán)境研究具有重要意義。數(shù)字高程模型（DEM）作為地形地貌數(shù)字化表達(dá)方式，成為與空間地理信息相關(guān)研究的必然基礎(chǔ)。同時(shí)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)在流域方向的研究越來(lái)越受到重視[1]。基于目前對(duì)大區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)空間分布特征及其與構(gòu)造活動(dòng)、地貌特征的響應(yīng)關(guān)系的研究較少。文章以SRTM-DEM（Shuttle Radar Topography Mission-DEM）為數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS10.2軟件的水文分析功能提取研究區(qū)內(nèi)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合流域內(nèi)構(gòu)造地形地貌特征，定量地分析西藏境內(nèi)瀾滄江和怒江流域河流分布與地貌、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 區(qū)域概況

西藏東部地區(qū)平均海拔3500m以上，以瀾滄江和怒江流經(jīng)的昌都縣、類烏齊縣、八宿縣、察雅縣、左貢縣和芒康縣為研究區(qū)，區(qū)內(nèi)日照時(shí)間長(zhǎng)，輻射強(qiáng)、晝夜溫差大；干濕分明，夏季多夜雨，冬春多風(fēng)，年平均氣溫7.6℃，年降雨量400～600mm。由于水系的切割作用，形成了非常顯著的垂直地帶性特征，有著復(fù)雜的地貌結(jié)構(gòu)、氣候類型及植被狀況。

2 研究方法

2.1 水系結(jié)構(gòu)提取與分級(jí)

利用水文分析模塊進(jìn)行洼地填充、水流方向、設(shè)置不同匯流閾值，提取研究區(qū)內(nèi)部的地表水系網(wǎng)絡(luò)。水系級(jí)別的定義采用現(xiàn)今最為廣泛流行的Strahler分類系統(tǒng)，將所有河網(wǎng)弧段中沒(méi)有支流的河網(wǎng)弧段定為第1級(jí)，兩個(gè)1級(jí)河網(wǎng)弧段合成的河網(wǎng)弧段為第2級(jí)，如此下去為第3級(jí)，第4級(jí)，……，一直到河網(wǎng)出水口[2]。

2.2 面積高程積分

面積高程積分（Hypsometric Integral，HI） 是通過(guò)統(tǒng)計(jì)流域地表的高程組合信息，從而揭示流域地貌形態(tài)與發(fā)育特征的重要指標(biāo)。Pike于1971年提出以流域高程起伏比作為面積高程積分的簡(jiǎn)易算法[3，4]。計(jì)算公式為：

HI=（Hmean-Hmin）/（Hmax-Hmin） （1）

式中，Hmean、Hmin、Hmax分別是區(qū)域高程的均值、最小值、最大值。

按照戴維斯地貌旋回理論，當(dāng)流域高程-面積積分值大于0.60 時(shí)，地貌特征變化迅速，水系不斷擴(kuò)展分支，流域侵蝕劇烈，是地貌發(fā)育的不均衡階段，稱為幼年期。當(dāng)高程-面積積分值小于0.60大于0.35時(shí)，是地貌發(fā)育的壯年期；高程-面積積分值小于0.35時(shí)，為老年期[5，6]。

3 結(jié)果與分析

3.1 河網(wǎng)提取

河流閾值的確定直接影響河流數(shù)量的提取和分析，通過(guò)ArcGIS10.2水文分析模塊進(jìn)行洼地填充、水流方向、匯流累積量的求取之后，漸變?cè)O(shè)置匯流閾值，計(jì)算Stream order、Stream Link及Watershed，以1000為基礎(chǔ)、步長(zhǎng)200累計(jì)統(tǒng)計(jì)不同匯流閾值下的溝谷段數(shù)、溝谷總長(zhǎng)，并計(jì)算流域內(nèi)的溝壑密度等水文信息。

由統(tǒng)計(jì)信息可知，隨著匯流閾值越大，得到研究區(qū)溝谷段數(shù)、溝谷總長(zhǎng)和溝壑密度值越小。當(dāng)匯流閾值小于3000時(shí)，流域內(nèi)溝壑密度變化較大，當(dāng)閾值大于3000時(shí)，溝壑密度變動(dòng)較小，并趨于平穩(wěn)；當(dāng)匯流閾值為1000時(shí)，溝谷段數(shù)為3480，約為閾值為5600時(shí)對(duì)應(yīng)溝谷段數(shù)的5.6倍，而溝壑總長(zhǎng)是其2.3倍，可知流域閾值的選取對(duì)提取的流域溝谷段數(shù)影響較大。選擇研究區(qū)合適的匯流閾值，是流域河網(wǎng)提取與特征分析的基礎(chǔ)，當(dāng)匯流閾值為5600時(shí)，溝谷段數(shù)為626，溝谷總長(zhǎng)為5305.85km，溝壑密度為0.23km/km2，當(dāng)匯流閾值增加到6000時(shí)，溝谷段數(shù)和總長(zhǎng)變動(dòng)較小并趨于平穩(wěn)，溝壑密度保持不變，數(shù)據(jù)顯示，確定最佳匯流閾值為5600。

由最佳閾值提取研究區(qū)河網(wǎng)數(shù)據(jù)，得到共5級(jí)水系結(jié)構(gòu)，612條河流。其中一級(jí)河流307條，二級(jí)河流108條，三級(jí)河流70條，四級(jí)河流91條，五級(jí)河流36條。一級(jí)河流最多，基本覆蓋整個(gè)流域范圍，一二級(jí)河流占研究區(qū)的68%。

3.2 河網(wǎng)分布與構(gòu)造關(guān)系

水系發(fā)育程度和流向受區(qū)域地形地貌、構(gòu)造特征和地表巖性的影響。探究研究區(qū)河網(wǎng)分布特征與區(qū)域斷裂構(gòu)造的相關(guān)性，對(duì)河流和斷層線進(jìn)行玫瑰圖式分析，以15°為一個(gè)間隔，統(tǒng)計(jì)各個(gè)方向上的河數(shù)量和斷裂構(gòu)造數(shù)量。斷層線性構(gòu)造走向方位統(tǒng)計(jì)圖，揭示斷層主要沿北西向，315°方向上斷層較多。河流主要流向也是北西向，在315°和330°方向上發(fā)育的河流較多，與斷層的主要走向一致，研究區(qū)在北東方向上的流河發(fā)育也較為明顯，這與區(qū)域構(gòu)造45°的斷層相關(guān)。對(duì)比分析河網(wǎng)數(shù)據(jù)與區(qū)域構(gòu)造特征，得到河流流向與區(qū)域構(gòu)造具有明顯的相關(guān)性，河網(wǎng)分布受構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，河流流向和支流的發(fā)育與區(qū)域斷層構(gòu)造方向具有一致性。

3.3 流域內(nèi)地形地貌特征

地貌特征是水系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，研究區(qū)最低高程為1666米，最大高程為6468米，地勢(shì)起伏較大。1666～3000m區(qū)域占總面積的22.67%；3000～5000m的區(qū)域最大，占總面積的64.63%；5000～6468m的區(qū)域最小，僅占總面積的12.7%。

地面坡度的級(jí)別不同，對(duì)于坡地系統(tǒng)的發(fā)育影響不同，對(duì)于水系結(jié)構(gòu)的影響也不一樣。研究區(qū)坡度范圍在0～75°之間，可根據(jù)其對(duì)水土流失的影響和所發(fā)揮的水土保持功能等，將研究區(qū)的坡度劃分為4個(gè)范圍等級(jí)：0～8°、8～15°、15～25°，以及>25°。其中坡度小于8°區(qū)域最少，占總面積的8.09%；坡度在8～15°之間占15.19%；坡度在15～25°之間的占30.68%；坡度>25°的占46.04%。可見坡度主要集中在15°以上。

研究區(qū)地面起伏度最大值為837米，將研究區(qū)地面起伏度<200米的確定為平地；地面起伏度在200～500米之間的確定為丘陵；>500米的確定為山地。研究區(qū)主要以平地地形為主，占總面積的74.67%。

研究區(qū)四級(jí)河流和五級(jí)河流流域地表起伏度較大，河流交匯的地區(qū)地形起伏度較大，以丘陵地形為主；一級(jí)河流和二級(jí)河流主要分布在平地地區(qū)，地表起伏度較小；研究區(qū)內(nèi)怒江流域的地表起伏度比瀾滄江流域地表起伏度大，由于受地形影響，瀾滄江干流右側(cè)河流發(fā)育較多，左側(cè)支流發(fā)育較少，以一級(jí)河流為主。

匯流累積量對(duì)面積高程積分值的影響不大，基于最佳閾值提取區(qū)域內(nèi)河流的面積高程積分值。得到研究區(qū)處于幼年期地貌河流86條，主要集中分布在瀾滄江和怒江干流左側(cè)1級(jí)流域，占流域面積的15.29%；處于壯年期地貌河流416條，主要分布在瀾滄江和怒江干流外側(cè)，各級(jí)河流都有分布，2級(jí)河流較多，占流域面積的74.85；處于老年期地貌特征河流110條，主要分布在干流流域范圍內(nèi)，占流域面積的9.86%；研究區(qū)以壯年期流域地貌為主。瀾滄江與怒江干流呈平行分布。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于ArcGIS10.2水文分析，提取研究區(qū)流域內(nèi)河網(wǎng)分布特征并進(jìn)行面積高程積分分析。匯流閾值越大，河道數(shù)目越少，河道總長(zhǎng)和河網(wǎng)密度均呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)；當(dāng)匯流閾值為5600時(shí)，河網(wǎng)密度為0.23km/km2，趨于平穩(wěn)；不同匯流閾值產(chǎn)生的河網(wǎng)形態(tài)各有差異，閾值越大，生成河網(wǎng)越稀疏，反之越密集。水系劃分為5級(jí)結(jié)構(gòu)，河網(wǎng)總數(shù)目626條，總長(zhǎng)度為5305.85千米。面積-高程積分結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)河流處于發(fā)育壯年期，幼年期、壯年期和老年期流域面積分別約占總面積的15.29%、74.85%、9.86%。

（2）研究區(qū)相對(duì)高程較大，高程值在3000～5000m之間的分布較廣，坡度主要集中在15°以上，河流交匯地區(qū)以丘陵地形為主，地形起伏度較大，支流主要分布在平地地區(qū)；干流流域內(nèi)地形起伏度較大，河流發(fā)育受區(qū)域地貌特征影響較大，研究區(qū)內(nèi)兩條干流呈平行狀發(fā)展。區(qū)域內(nèi)河流發(fā)育與斷層等構(gòu)造活動(dòng)方向一致，河流侵蝕方向與區(qū)域構(gòu)造、地貌特征具有明顯相關(guān)性。

（3）影響流域發(fā)展的因素是多方面的，流域地貌發(fā)育和河網(wǎng)分布與地表基巖巖性有關(guān)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將進(jìn)一步完善。

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作者簡(jiǎn)介：陳娟（1992-），女，重慶市，成都理工大學(xué)，碩士研究生，主要從事3S應(yīng)用研究。