元谋干热河谷区面积高程积分分析

丁　琳，张　斌， 邓青春，向　卫，刘　辉，冯玉祥，杨海青

(西华师范大学　国土资源学院，四川 南充　637009)

元谋干热河谷区面积高程积分分析

丁琳，张斌， 邓青春，向卫，刘辉，冯玉祥，杨海青

(西华师范大学国土资源学院，四川 南充637009)

摘要：为识别元谋干热河谷区流域地貌发育阶段，作者以元谋干热河谷区90m空间分辨率的DEM为数据源，利用ArcGIS 10.0水文分析模块提取研究区沟谷系统及其汇水区，以15 000m2为阈值，计算各区域面积高程积分值。结果表明：元谋干热河谷地貌发育阶段总体上处于壮年期，老年期次之，幼年期最少；幼年期阶段主要分布于1级沟谷区，少数位于2级；壮年期阶段多分布于1—4级沟谷区，即河流的支沟；老年期阶段多分布于5—6级沟谷区，少数分布于4级沟谷区，主要位于中部的元谋断陷盆地，河流的下游及主沟。河流上游的面积高程积分值大于下游，支沟的面积高程积分值大于主沟，面积高程积分值总体上呈现盆地>丘陵>山地。这种空间格局是构造、地貌、岩性等因素耦合作用的结果。本研究不仅有助于认识元谋干热河谷区流域发育特征，也能为水土流失防治及生态修复提供科学指导。

关键词：面积高程积分；空间格局；影响因素；干热河谷

1899年地貌学奠基人戴维斯(Davis)提出了地貌侵蚀循环理论，为地貌研究奠定了理论基础[1]。20世纪50年代，美国理论地貌学家斯特拉勒(N.Strahler)提出的面积高程分析法将戴维斯地貌循环理论定量化，并将其应用到流域地貌发育研究之中[2]。面积高程积分(HypsometricIntergral，HI)是一种具有明确物理含义与深刻地貌学意义的宏观地形指标，对指示流域发育阶段具有重要作用[2]；Strahler按其大小把地貌发育分为三个阶段：幼年期(大于0.6)，壮年期(大于0.35且小于0.6)，老年期(小于0.35)[2]；该指标也是检验构造运动、岩性和气候在地貌演化过程中相对作用强度最有效的工具之一[3]。HI作为揭示区域构造相对活跃性的指标，其面积依赖和空间格局两大特性会影响到对构造活动的解释[4]。大量研究证实，HI受气候、构造运动强度、岩性、地貌差异等因素耦合作用的影响。气候条件影响着流域的径流过程和侵蚀产沙过程，进而影响HI的空间分布[5]；此外，HI还受到流域形态和河网密度的影响。另外，HI值的大小反过来也对构造作用强度，基岩的抗侵蚀力强弱有相对的指示意义。HI的计算方法，以起伏比法[6,7]最为有效、简捷且应用最广泛，而积分曲线法[8]、体积比例法[8]等则适用于流域数目较少时；王辉源等改进的体积高程积分[9]，与HI计算结果具有相对一致性，可据实际情况选取相应的简便方法以达到计算分析的目的。

作为常用的地貌参数之一，已有从不同地貌单元对HI的研究，如黄土高原区[9-12]、黄土丘陵沟壑区[13,14]、鲁中南山地区[6]、不同尺度河流流域[10,15,16]等，这些研究深刻地揭示了HI的面积依赖性及空间分布性，以及对地貌发育阶段的定量化分析及其侵蚀地貌学意义，从而更进一步为防治水土流失提供依据。为了识别元谋干热河谷区流域地貌发育阶段空间差异性，本文通过计算研究区HI值，认识其空间分异特征及其影响因素，研究结果将对防治水土流失及生态恢复提供科学依据。

1研究区概况

元谋县位于云南省楚雄彝族自治州北部，滇中高原北部，处于101°35′E-102°06′E至25°23′N-26°06′N之间，全境土地面积约2 021km2。本区域属低纬度高原季风气候，因海拔最高与最低之差近2 000m，气候垂直分布明显，大致可分为温暖带—中温带、北亚热带、中亚热带和南亚热带4个气候类型，年平均气温21.9℃，年平均降水量613.8mm。元谋地区地质构造属于康滇背斜中段，可分两个次一级结构单元。以东山大断裂为界，以东为元谋中生代台凹，以西为元谋台凸，元谋盆地为新生代断陷堆积盆地。基于地质构造显示了东山侵蚀构造中山地形；西山剥蚀构造中山丘陵地形；盆地断陷堆积地形三个单元。

2数据来源与数据处理

2.1数据来源

本研究采用的数据是90m空间分辨率元谋干热河谷区DEM。对原始DEM数据进行投影变换，采用Mercator(world)投影坐标系，Xian1980地理坐标系，黄海1985高程坐标系。

2.2数据处理流程

在ArcGIS10.0中加载已定义投影的元谋干热河谷DEM数据，进行水系网络的提取及流域的划分，此过程由ArcGIS中的水文分析模块实现，流程如图2。

对原始的DEM进行洼地填充，水流方向提取，汇流累积量计算后，以1 000m2为间隔在15 000—25 000m2范围内设定不同的汇流累积面积阈值，得到11种元谋干热河谷子流域划分结果，通过比较，当汇流累积面积阈值设为15 000m2时，得到的流域河网较少且与实际较为符合。设定阈值后将其中nodata数值定义为0，以排除干扰。同时结合ETM遥感影像，对不符合实际情况的个别河网进行调整，得到元谋干热河谷区水系网络图。

本研究采用strahler分级系统，以15 000m2为集流阈值划分次集水流域共计693个，平均面积约2.81km2。对各集水流域进行分区统计，分别统计出每个集水流域高程的最大值，最小值和平均值。以Pike(1971)提出的高程起伏比法作为HI的简易算法，它的计算公式如下：

HI=(Hmean-Hmin)/(Hmax-Hmin)[17]

(1)

式中，Hmean表示平均高程，Hmin表示最小高程，Hmax表示最大高程。

由于研究区流域数目较多，相比积分曲线法和体积比例法，起伏比法不失为一种最高效简捷的方法。将所得结果以0.35、0.6为界进行重分类，得到HI的空间分布图(图3)。

3结果分析

3.1HI的整体性特征

从HI的数值上看，研究区处于幼年期(HI>0.6)的集水流域为109个，占总集水流域个数的15.73%，平均HI值0.69；处于壮年期(0.35

3.2HI的空间分布特征

从图3可以看出，处于幼年期阶段的集水流域大多数位于一级流域盆地，少数位于二级流域盆地；壮年期阶段的集水流域占研究区的大多数，且基本位于1—4级流域盆地，分布密集；老年期阶段的集水流域所占研究区面积界于幼年期和壮年期之间，且多数位于5—6级流域盆地，少数位于前4级子流域。

幼年期分布面积小而且分散，零星分布于整个研究区域；而壮年期基本分布于研究区边缘部分，分布面积广泛且集中；老年期多分布于研究区中部，在研究区东北部及南部也有零星分布。更进一步看，按照河流流向，无论是整个河流流域，还是河流分支流域，上游次集水流域的HI值一般都大于下游的次集水流域HI值，即处于老年期的次集水流域多分布于流域下游，处于壮年期及幼年期的次集水流域多分布于流域下游；从整个河流流域看，河流支沟的HI值多大于河流干沟的HI值。这是因为沟壑的溯源发育，其顺序为由干沟到支沟，由下游到上游，但由于流域区域地质、降雨、坡向、植被等因素的影响，流域地貌发育并不是严格遵循自下而上发育的规律[13]。但局地侵蚀基准面的影响，使流域地貌大体上符合流域自下而上发育的原则。

从图3的HI分布图中可以看出，研究区东部和西部海拔较高的山地、山岗带的次集水盆地的HI值多位于0.6—0.94之间，南部和北部高峻山地带的HI值也多位于0.6—0.94之间；西部低山丘陵带的HI值多位于0.35—0.6之间；而研究区中部元谋盆地、北部龙街盆地、西部班果盆地、物茂盆地、芝麻盆地等的HI值多位于0.03—0.35之间。总体上呈现HI值盆地>低山丘陵区>山地带的趋势。

在整个研究区中存在HI值异常区。即在河流上游HI值偏高地区出现HI低值区，在河流下游HI值偏低地区出现HI高值区，如龙川江上游及龙川江支流物茂河等。这种分布情况不能单纯的以构造活动的特性来解释，HI值异常区可能受到地貌、基岩岩性等因素的影响。因此，以次集水流域HI值的高低直接判断构造活动特性的方法，并不适用于研究区这种跨越了山地、丘陵、盆地等多种地貌类型的区域。

3.3HI对构造、基岩岩性的响应

3.3.1研究区构造背景

元谋盆地在构造上处于川滇南北构造带中段，盆地的发育和形成主要是受到川滇南北构造带中的磨盘山—绿汁江断裂控制，该断裂带在元谋被称为元谋东山断裂，磨盘山—绿汁江断裂是条古老的、长期活动的、压扭性的深大断裂，呈南北向延展。该断裂在元古代晋宁期就有强烈活动，在以后的构造运动中也一直有活动。在中新世末，再一次活动，形成了元谋盆地。沿该断裂带可见到众多的新构造运动遗迹，现代地震活动频繁、强烈。元谋东山断裂还是划分次一级构造单元的界线，也是元谋盆地和东山在地貌上的分界线[18]。

在元谋地区还发育了一些北北西、北东、北东东和东西向的断层，它们大多是元谋东山断层的次一级构造，对元谋盆地西侧边界及盆地中次一级小盆地的形成起控制作用[18]。

3.3.2HI对构造运动、基岩岩性的响应

研究区的地质构造将元谋盆地挤压如一楔形，主要被东面的南北向大断裂，西南至西面的北北西向断裂和西北的北北东向断裂三个方向断裂控制。此处将研究区分为三个部分，A区—元谋东山断裂以东的东部山区(图4中F1)，B区—元谋东山断裂与虎溪—班果—华竹—小河口断裂(图4中F2)，竹棚—虎溪断裂(图4中F3)之间的元谋盆地区域，C区—F2与F3以西的西部低山丘陵区。

从图4中可以看出，东部山区发育了众多平形状沟系，属龙川江支流上游，绝大部分次集水盆地的HI值在0.35—0.6之间，处于地貌发育的壮年期。部分高峻山地区域处于幼年期阶段，而在支沟上游马头山以北的次集水盆地的流域地貌却表现出老年期阶段(0.03

4结果与讨论

研究区地貌发育阶段总体上处于壮年期，老年期次之，幼年期最少，是区域性构造隆升或沉降作用结果的总体反映，这与梁明剑[19]的研究结果类似。研究区幼年期阶段多分布于1级流域盆地，少数位于2级流域盆地，零星分布于研究区内，面积较小；壮年期阶段多分布于1—4级流域盆地，即河流的支沟；老年期阶段多分布于5—6级流域盆地，少数分布于4级流域盆地，主要位于研究区中部的元谋断陷盆地，河流的下游及干沟，在东北部及南部也有零星分布。这是构造、地貌、岩性等因素耦合作用的结果。

研究区HI低值分布区与元谋断陷盆地的范围基本相一致，这与梁明剑等研究提出的HI低值分布与第四纪断陷盆地和河谷盆地范围相一致的结论一致[19]，这是因为二者均处于断陷沉降地带，均反映了局部不同构造沉降和侵蚀作用的结果。此外，影响HI值的因素有主营力和次营力之分，一般大空间尺度上以构造运动的强度为主营力，小空间尺度上以岩性等为主营力，这体现了HI值的面积依赖性。

研究区跨越了山地、丘陵、盆地等地貌类型，在不同的地貌单元河流的主要营力不同，HI值也相应不同。F1，F2，F3构造带将研究区划分成三个部分，其中，上游次集水盆地的HI值一般大于下游，支沟的HI值一般大于干沟。河流上游地势高差大，下游的地势高差小，从而HI对构造活动的响应时间也不尽相同。而在小流域范围内，HI值高值区出现异常偏低值或在低值区出现异常偏高值，则可能受到基岩岩性差异的影响。一般而言，基岩抗侵蚀能力强，则HI值偏高，流域多表现为幼年期特征；基岩抗侵蚀能力弱，则HI值偏低，流域表现为老年期特征。

HI的研究多于高原、山地、丘陵、盆地等地区，而平原地区流域的HI尚有待研究。研究HI进入了地貌发育阶段定量化的时代，为防治水土流失和进行生态恢复提供了科学依据，而如何根据HI的空间分布及定量化分析制定水土保持方案，保护生态环境，仍需进一步探讨。此外，HI值只是定量研究地貌发育阶段的一个指标，并不能以此作为划分地貌阶段严格的界线，在实际工作中仍需考虑各种地貌参数的作用。

参考文献：

[1]DAVISWM.Thegeographicalcycle[J].TheGeographicalJournal,1899,14(5):481-504.

[2]STRAHLERAN.Hypsometric(area-altitude)analysisoferosionaltopography[J].GeologicalSocietyofAmericaBulletin,1952,63(11):1117-1142.

[3]常直杨,王建,白世彪,等.空间自相关分析在面积-高程积分中的应用[J].山地学报,2014,32(1):1-10.

[4]赵洪壮,李有利,杨景春,等.面积高度积分的面积依赖与空间分布特征[J].地理研究,2010,29(2):271-282.

[5]MASEKJG,ISACKSBL,GUBBELSTL,etal.Erosionandtectonicsatthemarginsofcontinentalplateaus[J].JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth(1978-2012),1994,99(B7):13941-13956.

[6]姜鲁光,张祖陆.鲁中南山地流域地貌的高程-面积分析[J].山东师范大学学报(自然科学版),2003,18(1):63-66.

[7]昌小莉,周杨,罗明良.基于ASTERGDEM的延河流域水系提取及面积-高程积分研究[J].资源开发与市场,2014,30(12):1475-1477.

[8]常直杨,王建,白世彪,等.面积-高程积分值计算方法的比较[J].干旱区资源与环境,2015,29(3):171-175.

[9]王辉源,刘万青,湛青青.GIS的黄土高原典型小流域地貌发育定量化分析[J].西安科技大学学报,2014,34(2):210-215.

[10]王辉源.黄土高原典型小流域地貌发育阶段定量表征[D].西安:西北大学,2014.

[11]信忠保,许炯心,马元旭.黄土高原面积-高程分析及其侵蚀地貌学意义[J].山地学报,2008,26(3):356-363.

[12]祝士杰.基于DEM的黄土高原流域面积-高程积分谱系研究[D].南京:南京师范大学,2013.

[13]廖义善,蔡强国,秦奋,等.基于DEM黄土丘陵沟壑区不同尺度流域地貌现状及侵蚀产沙趋势[J].山地学报,2008,26(3):347-355.

[14]钟德燕,常庆瑞,宋丰骥.黄土丘陵沟壑区土地利用空间分布与地形因子关系研究[J].干旱区资源与环境,2012,26(6):102-107.

[15]常直杨.青藏高原东缘白龙江流域地貌定量化参数体系研究[D].南京:南京师范大学,2014.

[16]张敬春,李川川,张梅,等.格尔木河流域面积-高程积分值的地貌学分析[J].山地学报,2011,29(3):257-268.

[17]PIKERJ,WILSONSE.Elevation-reliefratio,hypsometricintegral,andgeomorphicarea-altitudeanalysis[J].GeologicalSocietyofAmericaBulletin,1971,82(4):1079-1084.

[18]钱方, 周国兴. 元谋第四纪地质与古人类[M]. 北京: 科学出版社, 1991.

[19]梁明剑,周荣军 闫亮,等.青海达日断裂中段构造活动与地貌发育的响应关系探讨[J].地震地质,2014,36(1):28-38.

HypsometricIntegralAnalysisofYuanmouDry-hotValley

DINGLin，ZHANGBin，DENGQingchun，XIANGWei，LIUHui，FENGYuxiang，YANGHaiqing

(SchoolofLandandResources,ChinaWestNormalUniversity,NanchongSichuan637009,China)

Abstract:In order to identify the stage of geomorphological evolution of Yuanmou Dry-hot Valley,this paper based on DEM of 90 meters spatial resolution of Yuanmou Dry-hot Valley for the data source,and uses hydrological analysis module in ArcGIS 10.0 software to extract gully system and its catchment area with 15 000 square meters as the threshold to calculate the Hypsometric Integral in every area.The results show that:The stage of geomorphological evolution of Yuanmou Dry-hot Valley is mostly in the evaluation process of the mature stage,less in the old stage,and the least is in the infant stage;the infant stage is mainly distributed in gully area of level 1,with a few located in level 2;the mature stage is mainly distributed in gully area of level 1 to 4,or in tributary of the river;the old stage is mainly distributed in gully area of level 5 to 6,with a few distributed in gully area of level 4,and mainly is located in Yuanmou faulted basin,which is the downstream or the main stream of the river.Hypsometric Integral value in the upstream of the river is greater than that in the downstream,and Hypsometric Integral value in the tributary of the river is greater than that in the main stream.Generally,Hypsometric Integral value in basin is greater than that in hills,and that in hills is greater than that in mountainous regions.This spatial pattern is the result of the influence on tectonic,geomorphology,and lithology and so on.The study not only can identify the characteristics of the stage of geomorphological evolution of Yuanmou Dry-hot Valley,but is able to provide scientific guidance for soil and water conservation and ecological restoration.

Keywords：Hypsometric Integral；spatial pattern；influence factors；Dry-hot Valley

文章编号：1673-5072(2016)02-0227-06

收稿日期：2015-11-01

基金项目：国家自然科学基金( 41101348 )

作者简介：丁琳(1990—)，女，山西阳泉人，硕士研究生，主要从事水土保持与荒漠化研究。 通讯作者：张斌(1975—)，男，四川南部人，教授，主要从事沟蚀地貌研究。E-mail：envgeo@163.com

中图分类号：P931.1

文献标志码：A

DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2016.02.021