基于小流域單元提取的雪寶頂流域范圍界定及其生態、社會經濟屬性空間分布特征

蒲思穎，代群威，董發勤，李瓊芳，崔 杰，宋 韜

（西南科技大學環境與資源學院/核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽 621010）

【研究意義】四川省地處我國西南山區，山區面積比重為94.7%。西南山區擁有豐富的能礦資源、巨量的林草資源以及多樣的生物物種基因庫，是國家未來資源戰略儲備要地、國家生態環境安全屏障以及生物多樣性研究基地，同時也是我國少數民族和貧困人口的集中分布區[1]。其中，岷山主峰雪寶頂及其周邊地區是西南山區的典型代表。疊加了山地生態系統和巖溶生態系統雙重脆弱性的雪寶頂及其周邊地區，在近年高強度的資源開發活動脅迫下，其人－地關系日益惡化、生態脆弱性增強、自然災害加重等負面效應接踵顯現[1-2]。【前人研究進展】理論上雪寶頂及其周邊地區屬岷江流域、涪江流域和白水江流域等長江上游支流流域。但從人地關系、可持續發展來看，各個獨立的流域割裂了雪寶頂及其周邊區域的經濟、資源等聯系，而將其統稱為長江上游某段則又模糊了界限，造成理解上的混淆。盡管現已有規劃（自然保護區、風景區和生態功能區等）和流域范圍在一定程度上可以滿足研究、管理需要[3-5]，但該區域某些研究仍以自定義手段劃分界限[6-7]，地理范圍缺乏統一性，劃分標準不一，甚至沒有說明劃分方法和依據。【本研究切入點】小流域通常是指由分水嶺或其它界線（如地貌界線等）圈閉起來的相對獨立、封閉的某級水系或該級水系的一部分。我國于1980年確定了以小流域為基本實施單元進行水土保持、生態建設的方針后，關于小流域的地質[6]、災害[8-9]、生態[10]、規劃[11]等方面的研究成果比比皆是。對于西南山區地形特點來說，小流域是一個具有相對完整自然生態過程的區域單元[12]，適宜尺度的小流域可作為生態評價、地理過程的基本單元[13]。【擬解決的關鍵問題】本研究采用流域水系分割方法，以小流域為研究區基本組成單元，雪寶頂及其周邊地區的地質構造、鈣華資源、地形地貌和植被區劃等自然環境因素為主要依據，兩者進行空間疊加分析以確定雪寶頂流域范圍界限；以小流域為基本研究單元探明雪寶頂流域生態、社會經濟因子的空間分布特征，初步分析研究區的生態環境狀況和人地關系，為該地區科學規劃、管理資源與環境，緩解人地關系和可持續發展提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

雪寶頂流域位于四川省西北部，青藏高原向四川盆地的過渡地帶，龍門山構造帶、西秦嶺造山帶以及松潘-甘孜褶皺帶的結合部位[14]（圖1）。研究區地質構造復雜，活動斷裂分布廣泛，主要斷裂帶有岷江斷裂、塔藏斷裂、雪山斷裂和虎牙斷裂，均為全新世活動斷裂，其中岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂分別構成岷山斷塊的西部、北部和東部邊界，岷山斷塊各邊界處在歷史上曾多次發生6. 0～7. 2級強震，是中國“南北向地震構造帶”重要組成部分[15]；地貌類型以高山和極高山為主，山峰海拔多在2 km以上，最高峰雪寶頂海拔5 588 m，東南部地區因受地質構造和河流侵蝕作用的影響，形成深切割的高山峽谷地貌，山峰和河谷的高差可達3 km以上；氣候類型豐富、立體氣候明顯，年平均氣溫10.6～14.8 ℃，年均降水量950～1 130 mm；植被極為發育，垂直分布明顯且類型豐富，亞熱帶和熱帶山地針葉林和亞高山硬葉常綠闊葉灌叢在植被類型中占主導地位；區內遍布自然保護區、風景名勝區、國家地質公園，同時也是多個生態功能區的交匯之地[16-18]，為大量古老殘遺物種、珍稀野生動植物演化提供了避難所和重要棲息地，岷江、涪江和白水江等長江上游支流發源地。

圖1 研究區地理位置Fig. 1 Location map of the study area

1.2 數據來源及處理

地質構造圖來源于地質云（http://geocloud.cgs.gov.cn/#/portal/home）；DEM數據來源于2019年8月5日NASA’s LP DAAC新發布的ASTER GDEM V3版 本（https://earthdata.nasa.gov/），空間分辨率為30 m；行政邊界和河流等矢量數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統（http://www.webmap.cn/commres.do?method=dataDownload）；1∶100萬中國植被圖來源于地球大數據科學工程數據共享服務系統（http://data.casearth.cn/）；遙感數據選取研究區的Landsat 8影像（2014年6月1日），來源于美國地質勘查局服務平臺（https://glovis.usgs.gov/）；四川省公里格網降水數據（2015年）和四川省公里格網GDP密度數據（2015年）均來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據中心（http://www.geodata.cn）。

在ArcGIS 10.2和ENVI 5.3支持下對以上數據進行預處理后進行研究區范圍劃定；待得到確定的研究區范圍后，參考中國科學院土地利用/覆被分類，并綜合考慮研究區實際土地利用情況和遙感影像分辨率特征，將土地利用類型劃分為草地、水域、林地、建設用地及未利用地五類；采用監督分類與人機交互目視解譯相結合的方法進行研究區土地利用分類，結合Google Earth歷史影像和野外實地考察的對解譯結果進行混淆矩陣和Kappa指數評價與驗證，最終得到總分類精度為90.38%，Kappa系數為0.85。數據空間參考為WGS_1984_UTM_Zone_48N 坐標系統。

1.3 研究方法

1.3.1 劃定依據 （1）地質構造。雪寶頂流域內的岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂等共同構成了東昆侖斷裂帶東端“掃帚型”構造體系[19]（圖1）。岷江斷裂整體呈南北向延伸，其北部為塔藏斷裂截接，長約170 km，構成了摩天嶺地塊和的巴顏喀拉地塊分界線，以東摩天嶺地形起伏度大，以西巴顏喀拉地塊地形起伏度相對較小[20]；其東西兩側構造線方向和地層時代也都有所不同[21]。塔藏斷裂是東昆侖斷裂的東段，橫貫于青藏高原東緣的高原內部和邊緣，整體呈反“S”形，長約140 km，與岷江斷裂共同構成巴顏喀拉地塊的東北構造邊界，是青藏高原的北緣隆起形成的重要原因，斷裂兩側地層斷錯，地貌差異大[22]。虎牙斷裂是岷山斷塊的東邊界，橫跨涪江流域，總體呈NNW-SN向展布，斷裂兩側地形起伏大、地貌迥異，以東為中低山區，地表中等切割；以西處于岷山塊體內部，山頂面連綿起伏[23]。綜上，岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂具有重要且明顯的地理分界意義，故將其作為雪寶頂流域范圍界定的奠基性依據。

（2）鈣華資源。鈣華是泉水出露地表時因壓力下降導致CO2大量逸出而形成的碳酸鹽沉積，中國境內鈣華沉積點集中散布于中國西南部。世界自然遺產名錄中共收錄了5處鈣華景觀，雪寶頂流域占了兩處，即四川九寨溝、黃龍溝風景區。此外，研究區還存在其他鈣華沉積點，如牟尼溝、神仙池和漳臘等，分布相對較密集。

（3）地形地貌。雪寶頂流域是我國典型的西南山區。UNEP/WCMC將海拔介于300～2 500 m之間以及在2 500 m 以上的，且在小范圍內高程起伏極大或坡度較陡的區域都劃為山地。徐樵利等[24]認為山地實質上是一種區域概念，包括了山體周圍的山谷、河流、盆地等，即山地具有完整性和群體性。依據山地完整性、群體性原則，使雪寶頂流域內劃出的地貌區在研究區內連續，不出現“飛地”。

（4）植被生態系統的相對連續性和完整性。氣候的主要成分是降水和氣溫，水熱狀況將對植被發育產生直接性影響，因此植被區劃特征是自然環境綜合影響的產物[25]。故以植被區劃和植被垂直帶譜是否具有相對連續性和完整性作為劃定雪寶頂流域重要依據之一。研究區植被類型以亞熱帶和熱帶山地針葉林和亞高山硬葉常綠闊葉灌叢為主。經多次現場走訪調查，九寨溝、黃龍溝、神仙池、牟尼溝等鈣華沉積點所在地的植被有鐵杉、槭、樺林，草原杜鵑灌叢和岷江冷杉林等，這些植被直接或間接產生的生物有機物對鈣華的沉積有一定的影響作用[26]。因此在雪寶頂流域劃定過程中，除充分考慮其主要植被類型的相對連續性和完整性外，也要考慮囊括對鈣華沉積有影響的植被類型。

1.3.2 小流域單元的提取 以ArcGIS10.2為技術平臺，ASTER GDEM V3的DEM為數據源，利用其中的水文分析模塊（Hydrology），可快速實現雪寶頂及其周邊地區小流域單元的自動提取，水流方向的計算采用D8算法，即單向流算法；水系級別的定義采用Strahler分類系統。具體方法如下：對原始DEM數據依次進行填洼、水流方向提取、匯流累積量計算；分別以1、2、……、10 km2的匯水面積閾值通過河流鏈接使離散的像元得以串聯，再對其進行河網分級，最后予以矢量化；提取矢量化后河流的出水口，生成流域盆地和分水嶺，將柵格格式的分水嶺以及流域盆地矢量化，最終得到小流域面矢量文件。通過對1、2、……、10 km2的匯水面積閾值生成的河流與1∶25萬國家基礎地理信息數據庫的河流信息和遙感影像圖對比，選取最符合實際情況的匯水面積閾值并進行小流域單元邊界修正，最終以5 km2為匯水面積閾值提取的河網和河網節點劃分小流域。技術路線圖見圖2。

圖2 小流域單元提取技術路線圖Fig. 2 Technology roadmap for extraction of small watershed units

1.3.3 劃定方法 在ArcGIS 10.2的支持下，采用實地考察和多元數據分析的方法，將地質構造、鈣華資源、地形地貌和植被區劃與小流域單元依次進行空間疊加分析（圖3）。

圖3 研究區劃定技術路線圖Fig. 3 Technology roadmap for delineation of study area

斷裂是雪寶頂流域地質構造的主要形態之一，其在很大程度上影響該地區的地形地貌。岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂因兩側存在巖性、地層系統、地形地貌等方面的不同，具有重要的地理分界意義[20-23]，故而成為雪寶頂流域劃定的奠基性依據，它們依次構成雪寶頂流域西部、北部和東部的參考界限；鈣華資源是雪寶頂流域山地生態系統和巖溶生態系統相互疊加的重要表征之一，該區域鈣華景觀分布較密集且均屬表生鈣華[27]，為確保不疏漏鈣華沉積點，基于前期課題研究和相關文獻，以黃龍國家級風景名勝區管理局提供的黃龍國家級風景名勝區矢量圖的南部邊界線作為雪寶頂流域的南部參考界限（圖3A）。

初步確定雪寶頂流域界限后，基于山地的完整性和群體性原則，結合遙感影像和由ArcGIS生成的等高線，根據研究區山體高聳連綿、深切溝谷發育的地形地貌特征，連接研究區周圍相鄰山體、溝谷或河流的分水線，或某一高度的等高線，相互補充配合細化雪寶頂流域界線（圖3B）；核實研究區植被類型空間分布是否相對連續、完整且囊括了對鈣華沉積有影響的植被類型，若不是則予以調整（圖3C）。最后，為了保持省級行政區的一致性，便于統一管理，對個別超出四川省行政區范圍的小流域單元邊界進行調整，最終確定雪寶頂流域地域范圍（圖3D）。

1.3.4 小流域生態因子、社會經濟因子提取 在ENVI 5.3中以2014年6月的LANDSAT 8遙感影像為數據源，利用波段運算得到研究區的NDVI指數，進而采用基于像元二分法的植被覆蓋度估算模型來提取研究區植被覆蓋；在ArcGIS 10.2中對研究區DEM數據進行坡度分析后，以小流域為統計單位，利用Zonal Analysis模塊實現小流域單元平均高程、坡度、植被覆蓋度等因子提取。

2 結果與分析

雪寶頂流域位于四川省西北部，總面積6 988.97 km2，地理位置為 103°25′59″～104°17′12″E，32°26′11″～33°28′51″N（圖 4），共覆蓋3個縣2 9個鄉鎮，其中九寨溝縣2 630.65 km2、占 37.64%，松潘縣 3 198.99 km2、占 45.77%，平武縣面積僅 1 159.33 km2、占16.59%。

2.1 小流域單元特征分析

雪寶頂流域內共519個小流域單元，平均面積為13.47 km2，最大面積為42.07 km2，最小面積為0.77 km2，其中有20個小流域單元無水系經過。按照小流域類型統計結果（表1），其中完整型小流域為112個、占22.45%，區間型小流域為110個、占22.04%，坡面型小流域為277個、占55.51%；按照小流域面積統計結果（表2），小流域面積0～10 km2為183個、占35.26%，面積10～30 km2為317個、占61.08%，面積30～50 km2為19個、占3.66%。

圖4 雪寶頂流域范圍Fig. 4 Scope of Xuebaoding Basin

表1 小流域類型統計結果Table 1 Statistics of types of small watersheds

表2 小流域面積統計結果Table 2 Statistics of small watershed areas

2.2 基于小流域的研究區生態因子空間分布特征

2.2.1 地形因子 （1）高程特征。高程是流域地貌的主要表征對象，研究區內小流域單元最大平均高程為4 539 m，最小平均高程為1439 m。

（2）坡度特征。坡度是流域匯流快慢、水能蘊藏多寡和侵蝕程度的指標之一，對地表徑流的產生、匯集、下滲及水土保持等均有很大影響。研究區內小流域單元最大平均坡度為39.12°，最小平均坡度為13.58°。由圖5A、B、C可知，雪寶頂流域海拔較低地區主要分布于涪江河谷、白河河谷和岷江河谷一帶，海拔較高地區分布于岷山隆起一帶，最高處位于雪寶頂，海拔高差懸殊；平均坡度以岷江河谷地區為最低，其次是研究區東北部，即白河以南地區；東南部平均坡度較高。

2.2.2 植被覆蓋度 植被覆蓋度是指植被（包括莖、葉、枝）在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比，它反映了統計區對氣候的響應程度和基本生態環境狀況。如圖5D，研究區植被覆蓋度呈現由四周向中部降低的趨勢。中部岷山隆起一帶因拔過高，植被不發育而導致植被覆蓋度接近于0；岷江河谷地區植被覆蓋度相對于研究區四周其他部分較低。

2.2.3 降水 降水是地下水和地表徑流的重要補給來源，其在時空上的分布不均是導致洪澇、旱災害的直接原因。如圖5E，研究區年降水量以東南部為最大，岷山隆起一帶最低；岷江河谷、白河河谷年降水量相對較少。

圖5 研究區小流域單元生態因子Fig. 5 Ecological factors of small watersheds in study area

2.2.4 生態服務價值（ESV） 生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[28]。本研究參考謝高地等[28]修訂的中國生態系統單位面積ESV當量因子表和彭文甫等[29]計算的四川省農田自然糧食產量的經濟價值（約1 140.421元/hm2）來測算雪寶頂流域ESV。根據雪寶頂流域解譯結果的土地利用類型特征，將每種土地利用類型按研究區實際情況與其最相近的生態系統類型相聯系。具體方法為：林地取森林中針闊混交、針葉與灌木的ESV平均值，草地取灌草叢和草甸ESV的平均值，水域為水系，未利用地為裸地，城鄉建設用地包括公共設施用地、城鎮和農村居民點和等，取ESV值為0（表3）。

結合根據研究區土地利用類型特征修改之后的生態系統單位面積ESV當量因子表和四川省農田自然糧食產量的經濟價值（約為1 140.421元/hm2），得到表3。將表3和下列公式進行運算則得到雪寶頂流域各土地利用類型生態系統服務總價值ESV：

式中，Ki為土地利用類型i的面積（hm2）；Ci為土地利用類型i的單位面積生態系統服務價值（元/ hm2·年）。

由圖5F可知，雪寶頂流域東北部出現ESV最大值，岷江上游和涪江河谷ESV值較低，研究區中部、西北部和西南部一帶出現ESV最低值。

2.3 雪寶頂流域社會經濟因子空間分布特征

國內生產總值是衡量國家或地區經濟狀況的核心指標，是一國（或地區）經濟活動、市場規模的重要反應。結合圖6、圖7，研究區內GDP值較高處位于岷江河谷、白河河谷和涪江河谷一帶，或是主要交通路線周邊；其他地區GDP值普遍較低或為0。

表3 雪寶頂流域各土地利用類型單位面積ESVTable 3 Per unit area ESV of different land use types in Xuebaoding Basin（hm2）

圖6 研究區小流域單元平均GDPFig. 6 Average GDP of small watersheds in study area

圖7 2014年研究區土地利用類型Fig. 7 Land use types of study area in 2014

3 討論

劉琰[30]以位于秦嶺造山帶、楊子板塊和松潘-甘孜造山帶交匯處的龍門山北緣的川西北雪寶頂礦床為研究區，對其進行成因礦物學、構造-巖漿-成礦作用和區域成礦特征等研究；邱豪等[7]在進行雪寶頂區域的NPP時空格局演變研究時，選取雪寶頂及其周邊一定的輻射范圍作為研究區，并未說明劃定研究區的方法和依據，且無引用來源；劉蓓蓓等[6]選取岷山雪寶頂-九寨溝為研究區，總面積約10 000 km2，并將其分為雪寶頂地區、九寨溝地區和岷山西側3個區域，以ArcGIS水文分析模塊提取的小流域單元作為研究區基本單元，并對其進行面積-高程積分計算和分析，探討了在研究區巖性和冰川作用的背景下，小流域單元對區域地貌演化的影響。以上研究均未對雪寶頂流域有明確的定義和界限劃分，或根據實際需要憑經驗劃分，或直接選取符合研究結果的部分，既忽視了該區域自地質歷史時期便是一個獨立、完整的自然地理單元，又割裂了其內部的生物、生態完整性，給該區域的資源調查、統籌建設和系統性科學研究造成不便。雪寶頂流域并不等同于岷山斷塊，也不等同于簡單的小流域單元集合體，其界限劃定不能一刀切，更不能模棱兩可沒有界限。本研究基于ArcGIS的水文分析模塊和空間分析模塊，選取小流域作為界定雪寶頂流域的基本組成單元，以該區域獨有的自然環境因素為劃分依據，保證了研究區自然生態過程的相對完整性，對開展該區域后續生態、生物多樣性、巖溶系統研究具有重要現實意義。目前，關于雪寶頂流域的研究甚少，其自然地域范圍的確定，將會彌補現階段該區域生態環境、地質構造和鈣華資源等方面整體性、系統性研究的缺失。

本研究只選取了地質構造、鈣華資源、地形地貌和植被區劃作為研究區劃定依據，對土壤、氣候等自然條件和人類活動影響等社會經濟條件未予以考慮，需待進一步研究探明其他自然因子或社會經濟因子是否對雪寶頂流域邊界劃定有影響；受數據來源限制，本研究無法對植被覆蓋度、降水、ESV、GDP等動態演變的因子作多年平均統計，在一定程度上限制了對研究區生態、社會經濟因子空間分布特征分析的準確性。

相對于規則的格網單元，小流域單元能夠更好地反映區域內實際的生態環境、孕災條件和人類活動強度等。雪寶頂流域地質環境復雜，地勢陡峻，降水充沛，地質災害頻發，因而在今后的研究中，仍需深入探討的問題主要包括：災變山地環境影響下小流域單元生態脆弱性和地質災害易發性等評價，以小流域為單元綜合治理水土流失和構建生態安全格局。

4 結論

在確定研究區范圍后，以小流域單元為統計單位分析了雪寶頂流域生態因子和社會經濟因子空間分布特征，結果表明：

（1）研究區小流域類型以坡面型為主；面積以10～30 km2的個數最多，3～10 km2的次之。

（2）雪寶頂流域海拔高差、坡度普遍較大，是該區域高山峽谷地貌的重要表征。除中部岷山隆起處外，雪寶頂流域四周其他部分植被覆蓋度均較高，但岷江河谷地區由于城鎮分布集中，植被覆蓋度略低。年降水量于東南部出現最大值，而其他地區年降水量較低，主要原因在于我國夏季盛行東南季風，帶來充沛雨水，但受岷山隆起阻擋，濕潤的東南季風無法抵達研究區北部和東部。ESV值東北部最高，西北部、西南部和中部較低，原因是雪寶頂流域東北部林地集中成片分布，建設用地較少；西北部、西南部人類生活生產活動劇烈，地表人文景觀豐富；中部海拔較高，無植被覆蓋，大多為礫石、裸巖和冰雪。

（3）雪寶頂流域GDP空間分布呈兩極分化，岷江、涪江和白河河谷地帶GDP值較高，且沿河流呈帶狀分布；除數處交通要道所在小流域GDP值較高外，其他地區GDP值幾乎為0。該現象是因為河谷地區地形平坦，氣候宜人，利于開展生產生活活動；而研究區中部，即岷山隆起一帶海拔過高，氣溫低，不利于人類生存。

（4）雪寶頂流域整體受自然因素影響較強，受人類活動影響則相對不明顯。研究區東北部白河河谷周邊地區和東南部涪江河谷周邊地區均具有坡度大、降水強和人類活動強度高的特征，需注意涵養水源、預防地質災害。