江河源頭區范圍劃定方法研究

文 萌，張新華，黃火建，趙鐘楠

(1.四川大學水力學及山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100011)

0 引 言

為了加快推進生態文明建設，2016年4月28日國務院辦公廳發布了國辦發〔2016〕31號《關于健全生態保護補償機制的意見》。其目標任務是：到2020年，實現森林、草原、濕地、荒漠、海洋、水流、耕地等重點領域和禁止開發區域、重點生態功能區等重要區域生態保護補償全覆蓋。水流生態保護補償作為生態保護補償的七大重點領域之一，要求在江河源頭區、集中式飲用水水源地、重要河流敏感河段和水生態修復治理區、水產種質資源保護區、水土流失重點預防區和重點治理區、大江大河重要蓄滯洪區以及具有重要飲用水源或重要生態功能的湖泊，全面開展生態保護補償。

由于水的流動性和關聯性等特點，決定了江河源頭區在全流域生態保護中的重要地位。然而，江河源頭區還缺乏明確的界定與劃分方法，厘清江河源頭區范圍是開展江河源頭區生態保護補償的先決條件。目前對江河源頭區的研究主要集中在社會關注度高的大江大河的源頭區域[1-2]，如有“中華水塔”之稱的三江源[3]。馮永忠等[4-6]通過各種文獻資料、遙感資料，結合實地考察，確定三江源的江源地區主要指長江源區和瀾滄江源區，河源地區主要指黃河源區。

我國江河眾多，在加快推進生態文明建設的總體要求下，大量江河源頭區亟需劃定范圍[7]。過去多側重于對某一具體江河源頭區的生態功能進行研究，缺少對江河源頭區范圍劃定的研究。因此，本文首先通過研究江河源頭區的概念與內涵，分析源頭區及河流的特征參數，再結合實際土地利用及功能區劃，提出我國江河源頭區范圍的劃定方法。

1 研究方法

要劃定江河源頭區范圍，首先需要明晰江河源頭區的概念與內涵。本文通過調查研究我國主要江河流域源頭的地形地、貌特征及河道形態參數，明確了江河源頭區的概念與內涵。即，把江河源頭區定義為：地形地貌多為山地、丘陵和中低山，水流湍急、河底比降大且具有特殊功能(生態、社會、經濟、地緣優勢等)的水系發源區域。其內涵主要包括4個方面：①海拔較高的山區，如長江、黃河和西南諸河源頭的青藏高原分布有唐古拉山、巴顏喀拉山、橫斷山脈、喜馬拉雅山、羌塘高原、青海高原等；②自然資源(生物物種、礦產、水資源和旅游資源)和生物多樣性豐富，屬于國家限制或禁止開發的生態保護區或保留區，也是我國的生態保護屏障；③植被覆蓋度一般較高，具水源涵養、水土保持、調節中下游水沙和水質功能；④生態脆弱、區域經濟發展相對滯后。

江河源頭區，其地形地貌多為高山、山地、丘陵和中低山。就整條江河而言，源頭區海拔高程較高、峽谷地貌偏多，河道落差集中，河道河底比降大。因此，可將能反映江河源頭地區特征的相關參數作為劃分江河源頭區范圍的依據，如源頭區內河流的長度、落差和河底比降，源頭區的面積等。初步劃分時，可選河流的河底比降、落差等特征參數具有明顯變化處作為源頭區的劃分點，河流源頭至劃分點之間的集水區域即為初步劃定的江河源頭區。再結合對象流域的實際土地利用和功能區劃等，進一步完善和確定江河源頭區的范圍。

劃定江河源頭區范圍的具體步驟：①在“地理空間數據云”網站上，下載對象流域的數字高程數據(DEM)；②對該流域DEM數據進行處理后，用地理信息系統(GIS)和分布式水文模型(SWAT)生成該流域的河流水系；③提取該流域的面積、河流的長度、落差和河底比降等特征參數，找出劃分點，初步劃分江河源頭區；④根據土地利用類型，結合各功能區劃進行優化調整，最終確定江河源頭區。

2 研究流域及其源頭區規律性分析

2.1 研究流域概況及源頭區的初步劃分結果

我國西部海拔高，東部海拔低，地勢呈階梯狀的分布特點[8]，使得我國大多數河流流向為自西向東。我國的河流(尤其是大江大河)大多發源于地勢較高的第一階梯和第二階梯中的高山、山地地區[9]，部分河流發源于我國地勢第三階梯中的低山、丘陵地區。為了能夠較為全面的研究發源于不同地區的江河源頭區，選取了發源于我國地勢的第一二階梯上的青海、四川、甘肅、陜西等省份的12條江河作為研究對象，根據源頭區范圍劃分的具體步驟，基于其DEM生成12條河流的流域水系并統計出其流域與河流特征參數，如表1所示。

初期劃分源頭區范圍主要依據河底比降拐點，即河源區的河底大比降向非河源區小比降過渡的轉折點，并參考流域的其他特征確定，12條河流的初始源頭區劃分結果(見表1)。

2.2 江河源頭區的規律性分析

一般而言，全流域的面積、河流的長度、落差和河底比降等特征參數為已知或最容易得到，而源頭區的這些特征參數則是未知的。為便于由全流域已知的特征參數去推求源頭區未知的特征參數，對表1中已劃定的源頭區的特征參數與全流域的特征參數進行了擬合，結果表明全流域主河道長度與源頭區主河道長度、全流域面積與源頭區面積、全流域主河道落差與源頭區主河道落差之間存在一定的相關關系，擬合結果如圖1所示。

為探究江河源頭區的一般規律，對表1中源頭區主河道長度、源頭區面積、源頭區主河道落差占全流域主河道長度、全流域面積、全流域主河道落差的比值進行了計算，結果如表2所示。

對表2中江河源頭區特征參數占全流域對應特征參數比值的分布狀況進行分析：源頭區主河道長度占比的平均值為24%，長度占比在10%以下、10%～30%、30%以上的河流分別有1條、9條、2條；源頭區面積占比的平均值為20%，面積占比在10%以下、10%～25%、25%以上的河流分別有1條、7條、4條；源頭區主河道落差占比的平均值為40%，落差占比在20%以下、20%～50%、50%以上的河流分別有2條、7條、3條。分別作出源頭區主河道長度占比、源頭區面積占比、源頭區主河道落差占比的分布圖(見圖2)。

表1 江河源頭區初步范圍

圖1 源頭區與全流域相關特征參數之間的關系

表2 江河源頭區特征參數占比 %

圖2 江河源頭區特征參數占比分布

由圖2可知，源頭區主河道長度占全流域主河道總長度的比值主要分布在10%～30%，源頭區面積占全流域面積的比值主要分布在10%～25%，源頭區主河道落差占全流域主河道落差的比值主要分布在20%～50%。這也體現出了源頭區河道落差集中、河底比降大等特點。

從表2和圖2可知，源頭區范圍的主要特征：①源頭區河道長度約占其所在流域主河道長度的20%，變幅為10%～30%。②源頭區面積約占全流域面積的20%，變幅為10%～25%。③源頭區主河道落差約占全流域主河道落差的40%，變幅為20%～50%；并且流域越小，源頭區特征參數的占比更偏向于取值范圍的上限；反之，流域越大，其源頭區的特征參數占比更偏向取值范圍的下限。

3 實例應用與驗證

為了驗證江河源頭區的規律在劃分源頭區范圍時的適用性，以安寧河為例，進行江河源頭區范圍的劃定。安寧河為雅礱江下游左岸最大支流，發源于四川省冕寧縣東小相嶺記牌山，流經涼山州的冕寧、西昌、德昌三縣市后，入攀枝花市境內，在米易縣得石鎮匯入雅礱江。

3.1 初步劃定江河源頭區

首先，根據DEM生成安寧河流域的水系圖(見圖3 a)。提取安寧河流域的面積、主河道的長度、落差等特征參數，其中流域面積11 066 km2，主河道長度311.8 km，主河道落差1 214 m。

圖3 水系圖及初始源頭區

根據圖1中的擬合公式，由全流域已知的特征參數推求出源頭區未知的特征參數，再據此初步劃定江河源頭區。其中，源頭區主河道長度與全流域主河道長度關系式為

l=0.189L+26 605

(1)

式中，L表示全流域主河道長度，m；l表示源頭區主河道長度，m。由源頭區主河道長度l=85.5km初步劃定出源頭區1，如圖3b所示。

源頭區面積與全流域面積關系為

Fy=0.191S+497.05

(2)

式中，S表示全流域的面積，km2；Fy表示源頭區的面積，km2。由源頭區面積Fy=2 610 km2初步劃定出源頭區2，如圖3c所示。

源頭區主河道落差與全流域主河道落差關系式為

h=0.644H-262.07

(3)

式中，H表示全流域主河道的落差，m；h表示源頭區主河道的落差，m。由源頭區主河道落差h=520 m初步劃定出源頭區3，如圖3d所示。

初步劃定的源頭區1、源頭區2和源頭區3的特征參數見表3。

表3 源頭區初始劃分的參數特征

3.2 確定江河源頭區

首先，根據中國科學院資源環境科學數據中心的中國土地利用現狀遙感監測數據，得出安寧河流域的土地利用類型分布圖(略)。

再根據土地利用數據，可提取初步劃定的源頭區1、源頭區2和源頭區3內每種類型土地的分布面積，結果見表4。

表4 初始源頭區土地利用現狀統計

源頭區內林地和草地的面積占比總和能體現其生態系統的好壞，而區域內水田、旱地、城鎮用地、農村居民點和其他建設用地的面積占比則能反映出源頭區內人類活動影響的大小。由表4可知：林地和草地面積占比總和，源頭區1為77.35%，源頭區2為79.62%，源頭區3為87.13%；水田、旱地、城鎮用地、農村居民點和其他建設用地的面積占比總和，源頭區1為21.39%，源頭區2為18.39%，源頭區3為10.13%。因此，根據源頭區主河道落差公式(3)所初步劃分出的源頭區3的范圍是合理的，區域內的人類活動影響較小，經濟開發強度低；而根據源頭區主河道長度公式(1)和源頭區面積公式(2)所分別初步劃分出的源頭區1和源頭區2的范圍均不及源頭區3合理，因為二者的范圍都包含了不少農田及居民點，人類活動影響較大。

江河源頭區一般也是各種功能區劃的保護或保留區，如水功能渠中的保護區，區域內水體的主要功能為源頭的水源保護，陸地以水源涵養功能為主。結合生態功能區劃、水功能區劃、生態紅線劃定等來最終確定源頭區的范圍。從已劃分出的源頭區3來看，該源頭區范圍內包含了安寧河的河源及其源頭水源保護區，林地和草地占絕大部分，農田、城鎮用地及農村居民點基本上都在源區范圍之外，這也進一步說明了本文提出的源頭區劃分方法的合理性。

因此，最終將源頭區3確定為安寧河流域的源頭區范圍。該源頭區的主要特征為：主河道長度39.1 km，占全流域主河道長度的13%(一般占全流域主河道總長度10%～30%)；源頭區面積為1 525 km2，占全流域面積的14%(一般占全流域總面10%～25%)；源頭區內主河道的落差為520 m，占全流域主河道落差的43%(一般占全流域主河道總落差的20%～50%)。

3.3 在大江大河源頭區劃分中的驗證

通過對安寧河源頭區范圍的劃分，驗證了江河源頭區的規律及其在中小河流源頭區劃分時的適用性。現結合河長、落差和流域面積等多因素進一步驗證在大江大河的江河源頭區劃分時的合理性，首先，從河長和落差兩個方面對大江大河的源頭區進行劃分，再從劃出的源頭區面積占比來驗證所提出的劃分方法是否合理，據此對我國的長江、黃河和珠江流域進行了，劃分結果如表5所示。

根據本研究得出的江河源頭區面積約占全流域面積的10%～25%，平均為20%；流域越大，其源頭區的特征參數占比更偏向取值范圍的下限。依據河長和落差對長江、黃河和珠江所劃分出的源頭區的面積占比均在20%以下，且靠近流域面積占比的下限，這進一步說明將本研究得到的江河源頭區劃分的規律性應用于大江大河的源頭區范圍劃分也是合適的。

表5 大江大河源頭區劃分結果

4 結論與建議

通過對我國江河源頭區特征的調查研究，給出了江河源頭區的概念與內涵，并選取發源于我國地勢的第一、二階梯上的青海、四川、甘肅、陜西等省份的12條江河作為研究對象，提出了江河源頭區的具體劃分方法，獲得了劃分江河源頭區的特征參數及其規律性：源頭區主河道長度一般占全流域主河道總長度的20%，變化幅度為10%～30%；源頭區面積一般占全流域總面積的20%，變幅為10%～25%；源頭區主河道落差一般占全流域主河道總落差的40%，變幅為20%～50%。通過在安寧河流域，長江、黃河和珠江流域的應用驗證了其變化規律為：流域越小，源頭區特征參數占比越偏向取值范圍的上限，流域越大，源頭區特征參數占比越偏向取值范圍的下限。

為便于快捷地劃定江河源頭區的范圍，可先由江河源頭區特征參數占比的規律初步劃分出江河源頭區的范圍，再結合流域內的土地利用類型分布及功能區劃(生態功能區劃、水功能區劃和生態保護紅線等)最終劃定江河源頭區的范圍。

由于時間和掌握的資料有限，本研究提出的江河源頭區劃分方法還有待在更進一步的推廣應用中予以改進和完善。