基于小流域单元提取的雪宝顶流域范围界定及其生态、社会经济属性空间分布特征

蒲思颖，代群威，董发勤，李琼芳，崔 杰，宋 韬

（西南科技大学环境与资源学院/核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川 绵阳 621010）

【研究意义】四川省地处我国西南山区，山区面积比重为94.7%。西南山区拥有丰富的能矿资源、巨量的林草资源以及多样的生物物种基因库，是国家未来资源战略储备要地、国家生态环境安全屏障以及生物多样性研究基地，同时也是我国少数民族和贫困人口的集中分布区[1]。其中，岷山主峰雪宝顶及其周边地区是西南山区的典型代表。叠加了山地生态系统和岩溶生态系统双重脆弱性的雪宝顶及其周边地区，在近年高强度的资源开发活动胁迫下，其人－地关系日益恶化、生态脆弱性增强、自然灾害加重等负面效应接踵显现[1-2]。【前人研究进展】理论上雪宝顶及其周边地区属岷江流域、涪江流域和白水江流域等长江上游支流流域。但从人地关系、可持续发展来看，各个独立的流域割裂了雪宝顶及其周边区域的经济、资源等联系，而将其统称为长江上游某段则又模糊了界限，造成理解上的混淆。尽管现已有规划（自然保护区、风景区和生态功能区等）和流域范围在一定程度上可以满足研究、管理需要[3-5]，但该区域某些研究仍以自定义手段划分界限[6-7]，地理范围缺乏统一性，划分标准不一，甚至没有说明划分方法和依据。【本研究切入点】小流域通常是指由分水岭或其它界线（如地貌界线等）圈闭起来的相对独立、封闭的某级水系或该级水系的一部分。我国于1980年确定了以小流域为基本实施单元进行水土保持、生态建设的方针后，关于小流域的地质[6]、灾害[8-9]、生态[10]、规划[11]等方面的研究成果比比皆是。对于西南山区地形特点来说，小流域是一个具有相对完整自然生态过程的区域单元[12]，适宜尺度的小流域可作为生态评价、地理过程的基本单元[13]。【拟解决的关键问题】本研究采用流域水系分割方法，以小流域为研究区基本组成单元，雪宝顶及其周边地区的地质构造、钙华资源、地形地貌和植被区划等自然环境因素为主要依据，两者进行空间叠加分析以确定雪宝顶流域范围界限；以小流域为基本研究单元探明雪宝顶流域生态、社会经济因子的空间分布特征，初步分析研究区的生态环境状况和人地关系，为该地区科学规划、管理资源与环境，缓解人地关系和可持续发展提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

雪宝顶流域位于四川省西北部，青藏高原向四川盆地的过渡地带，龙门山构造带、西秦岭造山带以及松潘-甘孜褶皱带的结合部位[14]（图1）。研究区地质构造复杂，活动断裂分布广泛，主要断裂带有岷江断裂、塔藏断裂、雪山断裂和虎牙断裂，均为全新世活动断裂，其中岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂分别构成岷山断块的西部、北部和东部边界，岷山断块各边界处在历史上曾多次发生6. 0～7. 2级强震，是中国“南北向地震构造带”重要组成部分[15]；地貌类型以高山和极高山为主，山峰海拔多在2 km以上，最高峰雪宝顶海拔5 588 m，东南部地区因受地质构造和河流侵蚀作用的影响，形成深切割的高山峡谷地貌，山峰和河谷的高差可达3 km以上；气候类型丰富、立体气候明显，年平均气温10.6～14.8 ℃，年均降水量950～1 130 mm；植被极为发育，垂直分布明显且类型丰富，亚热带和热带山地针叶林和亚高山硬叶常绿阔叶灌丛在植被类型中占主导地位；区内遍布自然保护区、风景名胜区、国家地质公园，同时也是多个生态功能区的交汇之地[16-18]，为大量古老残遗物种、珍稀野生动植物演化提供了避难所和重要栖息地，岷江、涪江和白水江等长江上游支流发源地。

图1 研究区地理位置Fig. 1 Location map of the study area

1.2 数据来源及处理

地质构造图来源于地质云（http://geocloud.cgs.gov.cn/#/portal/home）；DEM数据来源于2019年8月5日NASA’s LP DAAC新发布的ASTER GDEM V3版 本（https://earthdata.nasa.gov/），空间分辨率为30 m；行政边界和河流等矢量数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（http://www.webmap.cn/commres.do?method=dataDownload）；1∶100万中国植被图来源于地球大数据科学工程数据共享服务系统（http://data.casearth.cn/）；遥感数据选取研究区的Landsat 8影像（2014年6月1日），来源于美国地质勘查局服务平台（https://glovis.usgs.gov/）；四川省公里格网降水数据（2015年）和四川省公里格网GDP密度数据（2015年）均来源于国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心（http://www.geodata.cn）。

在ArcGIS 10.2和ENVI 5.3支持下对以上数据进行预处理后进行研究区范围划定；待得到确定的研究区范围后，参考中国科学院土地利用/覆被分类，并综合考虑研究区实际土地利用情况和遥感影像分辨率特征，将土地利用类型划分为草地、水域、林地、建设用地及未利用地五类；采用监督分类与人机交互目视解译相结合的方法进行研究区土地利用分类，结合Google Earth历史影像和野外实地考察的对解译结果进行混淆矩阵和Kappa指数评价与验证，最终得到总分类精度为90.38%，Kappa系数为0.85。数据空间参考为WGS_1984_UTM_Zone_48N 坐标系统。

1.3 研究方法

1.3.1 划定依据 （1）地质构造。雪宝顶流域内的岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂等共同构成了东昆仑断裂带东端“扫帚型”构造体系[19]（图1）。岷江断裂整体呈南北向延伸，其北部为塔藏断裂截接，长约170 km，构成了摩天岭地块和的巴颜喀拉地块分界线，以东摩天岭地形起伏度大，以西巴颜喀拉地块地形起伏度相对较小[20]；其东西两侧构造线方向和地层时代也都有所不同[21]。塔藏断裂是东昆仑断裂的东段，横贯于青藏高原东缘的高原内部和边缘，整体呈反“S”形，长约140 km，与岷江断裂共同构成巴颜喀拉地块的东北构造边界，是青藏高原的北缘隆起形成的重要原因，断裂两侧地层断错，地貌差异大[22]。虎牙断裂是岷山断块的东边界，横跨涪江流域，总体呈NNW-SN向展布，断裂两侧地形起伏大、地貌迥异，以东为中低山区，地表中等切割；以西处于岷山块体内部，山顶面连绵起伏[23]。综上，岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂具有重要且明显的地理分界意义，故将其作为雪宝顶流域范围界定的奠基性依据。

（2）钙华资源。钙华是泉水出露地表时因压力下降导致CO2大量逸出而形成的碳酸盐沉积，中国境内钙华沉积点集中散布于中国西南部。世界自然遗产名录中共收录了5处钙华景观，雪宝顶流域占了两处，即四川九寨沟、黄龙沟风景区。此外，研究区还存在其他钙华沉积点，如牟尼沟、神仙池和漳腊等，分布相对较密集。

（3）地形地貌。雪宝顶流域是我国典型的西南山区。UNEP/WCMC将海拔介于300～2 500 m之间以及在2 500 m 以上的，且在小范围内高程起伏极大或坡度较陡的区域都划为山地。徐樵利等[24]认为山地实质上是一种区域概念，包括了山体周围的山谷、河流、盆地等，即山地具有完整性和群体性。依据山地完整性、群体性原则，使雪宝顶流域内划出的地貌区在研究区内连续，不出现“飞地”。

（4）植被生态系统的相对连续性和完整性。气候的主要成分是降水和气温，水热状况将对植被发育产生直接性影响，因此植被区划特征是自然环境综合影响的产物[25]。故以植被区划和植被垂直带谱是否具有相对连续性和完整性作为划定雪宝顶流域重要依据之一。研究区植被类型以亚热带和热带山地针叶林和亚高山硬叶常绿阔叶灌丛为主。经多次现场走访调查，九寨沟、黄龙沟、神仙池、牟尼沟等钙华沉积点所在地的植被有铁杉、槭、桦林，草原杜鹃灌丛和岷江冷杉林等，这些植被直接或间接产生的生物有机物对钙华的沉积有一定的影响作用[26]。因此在雪宝顶流域划定过程中，除充分考虑其主要植被类型的相对连续性和完整性外，也要考虑囊括对钙华沉积有影响的植被类型。

1.3.2 小流域单元的提取 以ArcGIS10.2为技术平台，ASTER GDEM V3的DEM为数据源，利用其中的水文分析模块（Hydrology），可快速实现雪宝顶及其周边地区小流域单元的自动提取，水流方向的计算采用D8算法，即单向流算法；水系级别的定义采用Strahler分类系统。具体方法如下：对原始DEM数据依次进行填洼、水流方向提取、汇流累积量计算；分别以1、2、……、10 km2的汇水面积阈值通过河流链接使离散的像元得以串联，再对其进行河网分级，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岭，将栅格格式的分水岭以及流域盆地矢量化，最终得到小流域面矢量文件。通过对1、2、……、10 km2的汇水面积阈值生成的河流与1∶25万国家基础地理信息数据库的河流信息和遥感影像图对比，选取最符合实际情况的汇水面积阈值并进行小流域单元边界修正，最终以5 km2为汇水面积阈值提取的河网和河网节点划分小流域。技术路线图见图2。

图2 小流域单元提取技术路线图Fig. 2 Technology roadmap for extraction of small watershed units

1.3.3 划定方法 在ArcGIS 10.2的支持下，采用实地考察和多元数据分析的方法，将地质构造、钙华资源、地形地貌和植被区划与小流域单元依次进行空间叠加分析（图3）。

图3 研究区划定技术路线图Fig. 3 Technology roadmap for delineation of study area

断裂是雪宝顶流域地质构造的主要形态之一，其在很大程度上影响该地区的地形地貌。岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂因两侧存在岩性、地层系统、地形地貌等方面的不同，具有重要的地理分界意义[20-23]，故而成为雪宝顶流域划定的奠基性依据，它们依次构成雪宝顶流域西部、北部和东部的参考界限；钙华资源是雪宝顶流域山地生态系统和岩溶生态系统相互叠加的重要表征之一，该区域钙华景观分布较密集且均属表生钙华[27]，为确保不疏漏钙华沉积点，基于前期课题研究和相关文献，以黄龙国家级风景名胜区管理局提供的黄龙国家级风景名胜区矢量图的南部边界线作为雪宝顶流域的南部参考界限（图3A）。

初步确定雪宝顶流域界限后，基于山地的完整性和群体性原则，结合遥感影像和由ArcGIS生成的等高线，根据研究区山体高耸连绵、深切沟谷发育的地形地貌特征，连接研究区周围相邻山体、沟谷或河流的分水线，或某一高度的等高线，相互补充配合细化雪宝顶流域界线（图3B）；核实研究区植被类型空间分布是否相对连续、完整且囊括了对钙华沉积有影响的植被类型，若不是则予以调整（图3C）。最后，为了保持省级行政区的一致性，便于统一管理，对个别超出四川省行政区范围的小流域单元边界进行调整，最终确定雪宝顶流域地域范围（图3D）。

1.3.4 小流域生态因子、社会经济因子提取 在ENVI 5.3中以2014年6月的LANDSAT 8遥感影像为数据源，利用波段运算得到研究区的NDVI指数，进而采用基于像元二分法的植被覆盖度估算模型来提取研究区植被覆盖；在ArcGIS 10.2中对研究区DEM数据进行坡度分析后，以小流域为统计单位，利用Zonal Analysis模块实现小流域单元平均高程、坡度、植被覆盖度等因子提取。

2 结果与分析

雪宝顶流域位于四川省西北部，总面积6 988.97 km2，地理位置为 103°25′59″～104°17′12″E，32°26′11″～33°28′51″N（图 4），共覆盖3个县2 9个乡镇，其中九寨沟县2 630.65 km2、占 37.64%，松潘县 3 198.99 km2、占 45.77%，平武县面积仅 1 159.33 km2、占16.59%。

2.1 小流域单元特征分析

雪宝顶流域内共519个小流域单元，平均面积为13.47 km2，最大面积为42.07 km2，最小面积为0.77 km2，其中有20个小流域单元无水系经过。按照小流域类型统计结果（表1），其中完整型小流域为112个、占22.45%，区间型小流域为110个、占22.04%，坡面型小流域为277个、占55.51%；按照小流域面积统计结果（表2），小流域面积0～10 km2为183个、占35.26%，面积10～30 km2为317个、占61.08%，面积30～50 km2为19个、占3.66%。

图4 雪宝顶流域范围Fig. 4 Scope of Xuebaoding Basin

表1 小流域类型统计结果Table 1 Statistics of types of small watersheds

表2 小流域面积统计结果Table 2 Statistics of small watershed areas

2.2 基于小流域的研究区生态因子空间分布特征

2.2.1 地形因子 （1）高程特征。高程是流域地貌的主要表征对象，研究区内小流域单元最大平均高程为4 539 m，最小平均高程为1439 m。

（2）坡度特征。坡度是流域汇流快慢、水能蕴藏多寡和侵蚀程度的指标之一，对地表径流的产生、汇集、下渗及水土保持等均有很大影响。研究区内小流域单元最大平均坡度为39.12°，最小平均坡度为13.58°。由图5A、B、C可知，雪宝顶流域海拔较低地区主要分布于涪江河谷、白河河谷和岷江河谷一带，海拔较高地区分布于岷山隆起一带，最高处位于雪宝顶，海拔高差悬殊；平均坡度以岷江河谷地区为最低，其次是研究区东北部，即白河以南地区；东南部平均坡度较高。

2.2.2 植被覆盖度 植被覆盖度是指植被（包括茎、叶、枝）在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比，它反映了统计区对气候的响应程度和基本生态环境状况。如图5D，研究区植被覆盖度呈现由四周向中部降低的趋势。中部岷山隆起一带因拔过高，植被不发育而导致植被覆盖度接近于0；岷江河谷地区植被覆盖度相对于研究区四周其他部分较低。

2.2.3 降水 降水是地下水和地表径流的重要补给来源，其在时空上的分布不均是导致洪涝、旱灾害的直接原因。如图5E，研究区年降水量以东南部为最大，岷山隆起一带最低；岷江河谷、白河河谷年降水量相对较少。

图5 研究区小流域单元生态因子Fig. 5 Ecological factors of small watersheds in study area

2.2.4 生态服务价值（ESV） 生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务[28]。本研究参考谢高地等[28]修订的中国生态系统单位面积ESV当量因子表和彭文甫等[29]计算的四川省农田自然粮食产量的经济价值（约1 140.421元/hm2）来测算雪宝顶流域ESV。根据雪宝顶流域解译结果的土地利用类型特征，将每种土地利用类型按研究区实际情况与其最相近的生态系统类型相联系。具体方法为：林地取森林中针阔混交、针叶与灌木的ESV平均值，草地取灌草丛和草甸ESV的平均值，水域为水系，未利用地为裸地，城乡建设用地包括公共设施用地、城镇和农村居民点和等，取ESV值为0（表3）。

结合根据研究区土地利用类型特征修改之后的生态系统单位面积ESV当量因子表和四川省农田自然粮食产量的经济价值（约为1 140.421元/hm2），得到表3。将表3和下列公式进行运算则得到雪宝顶流域各土地利用类型生态系统服务总价值ESV：

式中，Ki为土地利用类型i的面积（hm2）；Ci为土地利用类型i的单位面积生态系统服务价值（元/ hm2·年）。

由图5F可知，雪宝顶流域东北部出现ESV最大值，岷江上游和涪江河谷ESV值较低，研究区中部、西北部和西南部一带出现ESV最低值。

2.3 雪宝顶流域社会经济因子空间分布特征

国内生产总值是衡量国家或地区经济状况的核心指标，是一国（或地区）经济活动、市场规模的重要反应。结合图6、图7，研究区内GDP值较高处位于岷江河谷、白河河谷和涪江河谷一带，或是主要交通路线周边；其他地区GDP值普遍较低或为0。

表3 雪宝顶流域各土地利用类型单位面积ESVTable 3 Per unit area ESV of different land use types in Xuebaoding Basin（hm2）

图6 研究区小流域单元平均GDPFig. 6 Average GDP of small watersheds in study area

图7 2014年研究区土地利用类型Fig. 7 Land use types of study area in 2014

3 讨论

刘琰[30]以位于秦岭造山带、杨子板块和松潘-甘孜造山带交汇处的龙门山北缘的川西北雪宝顶矿床为研究区，对其进行成因矿物学、构造-岩浆-成矿作用和区域成矿特征等研究；邱豪等[7]在进行雪宝顶区域的NPP时空格局演变研究时，选取雪宝顶及其周边一定的辐射范围作为研究区，并未说明划定研究区的方法和依据，且无引用来源；刘蓓蓓等[6]选取岷山雪宝顶-九寨沟为研究区，总面积约10 000 km2，并将其分为雪宝顶地区、九寨沟地区和岷山西侧3个区域，以ArcGIS水文分析模块提取的小流域单元作为研究区基本单元，并对其进行面积-高程积分计算和分析，探讨了在研究区岩性和冰川作用的背景下，小流域单元对区域地貌演化的影响。以上研究均未对雪宝顶流域有明确的定义和界限划分，或根据实际需要凭经验划分，或直接选取符合研究结果的部分，既忽视了该区域自地质历史时期便是一个独立、完整的自然地理单元，又割裂了其内部的生物、生态完整性，给该区域的资源调查、统筹建设和系统性科学研究造成不便。雪宝顶流域并不等同于岷山断块，也不等同于简单的小流域单元集合体，其界限划定不能一刀切，更不能模棱两可没有界限。本研究基于ArcGIS的水文分析模块和空间分析模块，选取小流域作为界定雪宝顶流域的基本组成单元，以该区域独有的自然环境因素为划分依据，保证了研究区自然生态过程的相对完整性，对开展该区域后续生态、生物多样性、岩溶系统研究具有重要现实意义。目前，关于雪宝顶流域的研究甚少，其自然地域范围的确定，将会弥补现阶段该区域生态环境、地质构造和钙华资源等方面整体性、系统性研究的缺失。

本研究只选取了地质构造、钙华资源、地形地貌和植被区划作为研究区划定依据，对土壤、气候等自然条件和人类活动影响等社会经济条件未予以考虑，需待进一步研究探明其他自然因子或社会经济因子是否对雪宝顶流域边界划定有影响；受数据来源限制，本研究无法对植被覆盖度、降水、ESV、GDP等动态演变的因子作多年平均统计，在一定程度上限制了对研究区生态、社会经济因子空间分布特征分析的准确性。

相对于规则的格网单元，小流域单元能够更好地反映区域内实际的生态环境、孕灾条件和人类活动强度等。雪宝顶流域地质环境复杂，地势陡峻，降水充沛，地质灾害频发，因而在今后的研究中，仍需深入探讨的问题主要包括：灾变山地环境影响下小流域单元生态脆弱性和地质灾害易发性等评价，以小流域为单元综合治理水土流失和构建生态安全格局。

4 结论

在确定研究区范围后，以小流域单元为统计单位分析了雪宝顶流域生态因子和社会经济因子空间分布特征，结果表明：

（1）研究区小流域类型以坡面型为主；面积以10～30 km2的个数最多，3～10 km2的次之。

（2）雪宝顶流域海拔高差、坡度普遍较大，是该区域高山峡谷地貌的重要表征。除中部岷山隆起处外，雪宝顶流域四周其他部分植被覆盖度均较高，但岷江河谷地区由于城镇分布集中，植被覆盖度略低。年降水量于东南部出现最大值，而其他地区年降水量较低，主要原因在于我国夏季盛行东南季风，带来充沛雨水，但受岷山隆起阻挡，湿润的东南季风无法抵达研究区北部和东部。ESV值东北部最高，西北部、西南部和中部较低，原因是雪宝顶流域东北部林地集中成片分布，建设用地较少；西北部、西南部人类生活生产活动剧烈，地表人文景观丰富；中部海拔较高，无植被覆盖，大多为砾石、裸岩和冰雪。

（3）雪宝顶流域GDP空间分布呈两极分化，岷江、涪江和白河河谷地带GDP值较高，且沿河流呈带状分布；除数处交通要道所在小流域GDP值较高外，其他地区GDP值几乎为0。该现象是因为河谷地区地形平坦，气候宜人，利于开展生产生活活动；而研究区中部，即岷山隆起一带海拔过高，气温低，不利于人类生存。

（4）雪宝顶流域整体受自然因素影响较强，受人类活动影响则相对不明显。研究区东北部白河河谷周边地区和东南部涪江河谷周边地区均具有坡度大、降水强和人类活动强度高的特征，需注意涵养水源、预防地质灾害。