基于条带高程法的珠峰自然保护区流域地貌分析

陈 露，何 军，秦 川，冉清红，张 伟

(1.成都师范学院 西部人文研究所，成都 611130；2.西藏自治区科技信息研究所，拉萨 850001；3.西藏自治区水文水资源勘测局 山南水文水资源分局，山南 856000；4.四川师范大学 地理与资源科学学院，成都 610101)

0 引言

珠穆朗玛峰国家级自然保护区是世界上海拔最高的自然保护区，拥有珠穆朗玛峰、洛子峰、卓奥友峰、马卡鲁峰和希夏邦马峰五座8 000 m以上雪峰，在世界高山极高山自然科学研究领域占据独一无二的地位。作为世界“第三极”，已有研究主要集中在陆陆碰撞造山、全球气候变化、生态环境演化等大尺度宏观层面。而中观和微观层面的地形地貌问题少见报道，仅在青藏高原科学考察初期有零星研究。但是，地形与气候、植被关系密切，还与人类活动过程交织作用。深入研究珠峰地区的高山极高山区地形特征，对认识青藏高原隆升与全球气候演化等重大科学问题具有重要的基础科学研究意义。

数字高程模型(Digital Elevation Models, DEM)提供从汇水盆地到大洲大陆不同尺度但格式统一的观测数据，DEM与构造运动、地层岩性、侵蚀过程等结合，成为地貌解释的重要手段[1-2]。珠峰自然保护区巨大的空间规模和复杂的地表过程，具有应用DEM开展地貌研究的天然优势[3-5]。这里采集珠峰自然保护区数字高程模型，提取河流流域，选取条带高程剖面指标进行数字地形分析，探索珠峰高山极高山流域地貌景观类型的空间分布规律，为保护区地表过程研究提供参考。

图1 珠峰自然保护区概况与区位条件

1 数据与方法

1.1 研究区概况

珠穆朗玛峰国家级自然保护区地处西藏高原南部的高山峡谷区，南临印度、尼泊尔、不丹三国，北依雅鲁藏布江[6]，西起吉隆县，东至定结县，位于北纬27°48′～29°19′，东经84°27′～88°之间，行政区划上隶属西藏自治区日喀则市，辖吉隆、聂拉木、定日、定结4县[7]。珠峰自然保护区建于1988年，1994年批准为国家级自然保护区，2004年加入联合国教科文组织 “世界生物圈保护区网络”。主要保护对象为高山、高原生态系统及其物种多样性，保护区面积为32 681.53 km2[8]。以喜马拉雅山脉东西向主脊线为界，以北地段山地平缓，湖盆罗布，河谷宽坦，呈现广阔、恬静的高原风光；以南地段沟谷纵列，垂直落差大(约800 m～5 200 m)，受印度洋季风影响，形成了多雨、湿润的山地气候，因此形成了森林密布、鸟语花香的喜马拉雅南翼风光[9]。

国内、外对喜马拉雅地质结构与地质演化有一定共识[10-12]：中新世早中期(10 Ma-20 Ma)印欧大陆以大规模逆冲断裂和南北向伸展拆离作用强烈碰撞造山，形成一系列断面北倾的叠瓦构造——自南向北为主前缘逆冲断裂(MFT)、主边界逆冲断裂(MBT)、主中央逆冲断裂(MCT)——和广泛的变质、岩浆活动以及褶皱变形。古新世-始新世进入喜马拉雅运动期，至始新世末，造山带地质构造整体形成[13]。

1.2 DEM数据源与数据处理

数字高程模型数据来源较多，自1986年法国SPOT卫星提供立体相对地形数据，至今，卫星和干涉雷达技术使得地面高程信息获取已十分方便。ASRER GDEM和SRTM 3是目前广泛采用的数字高程模型。先进星载热发射和反射辐射仪(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER)是美国国家航空和宇宙航行局(NASA)与日本通产省(METI)合作成果，隶属地球观测系统平台(EOS计划)，DEM精度依赖Terra卫星传感器分辨率。航天雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)由NGA和NASA组织的国际间合作项目，DEM精度依赖奋进号航天飞机雷达载波，美国本土之外地区可公开数据为SRTM 3(大约为90 m空间分辨率)。因为ASTER来自Terran卫星光学传感系统的红外影像，不能剔除地表植被和建筑物高度；SRTM来自奋进号航天飞机雷达载波，可透过植被接收来自地面热辐射反馈。在非建筑用地为主的山地丘陵区，包含地表植被高程的ASTER 能更突出自然起伏形态参与地形数字特征表达[4,14-16]。已有研究表明，ASTER空间分辨率和水平位置精度高于STRM 3[17]，两者坡度精度相似[18]，在计算地表曲率时，ASTER GDEM应表现更好[19]。因此，笔者采用ASTER GDEM2。

此外，可视化制图时使用了珠峰自然保护区1∶10 000 基础地理信息数据库。基于DEM的地形指标提取使用ArcGIS 10.2。条带高程剖面分析使用MATLAB2016软件。

1.3 方法

1.3.1 流域提取

流域提取方法如图2所示。首先，DEM洼地填充。由于数据噪音、内插方法的影响，DEM数据中常包含一些“洼地”，将导致水流不畅，不能形成完整的流域网络。因此在利用模拟法进行流域地形分析时，要先对DEM数据中的洼地进行处理。其次，水流方向确定。流向确定目前有单流向和多流向两种，但在流域分析中，是在3×3格网中通过D8算法确定水流方向。O’Callaghan等[20]研究证实D8算法在没有广阔平地分布的山地提取流向有很好的应用效果。再次，生成水流累积矩阵。水流累积矩阵是指流向该格网的所有上游格网单元的水流累计量，它是基于水流方向确定的，是流域划分的基础。其关键参数是确定河流源头汇流累积量初值。在大量实验基础上，对照吉隆县幅1:250 000地质地形图[21]，最终确定为1 000。然后，提取流域网络。设定汇流起始阈值，将沿水流方向高于此阈值的格网连接起来形成流域网络。最后，流域分割和流域地形参数统计计算。利用流域网络生成流域出口捕捉点，即可划分出各个沟谷段的汇流区域，所有的子汇流区形成整体汇水区。对每个汇流区域，可以计算其各种统计参数，如平均坡度、平均高程、沟谷长度等。

图2 流域提取方法

1.3.2 条带高程剖面提取

条带高程剖面是沿山脉主构造线的垂直方向，绘制一条具有一定水平宽度的带，再裁剪为若干等间隔长度的带区，根据研究目标计算各带区高程属性值——如最大高程、最小高程、平均高程、高程极差、高程标准差等，以带区编号为横坐标，属性值为纵坐标，绘制成高程剖面图。条带法高程剖面在造山带尺度的地形研究领域，如阿尔卑斯山脉起伏变化[22]，青藏高原平坦程度分析[23]，以及安第斯山脉和喜马拉雅山脉起伏度比较[1,24]，得到了广泛地应用。根据Frank[22]实验证实，条带水平宽度与条带高程极差值为非线性关系，当条带水平宽度从10 km逐渐增加到30 km时，高程极差将趋向收敛于一个常量。笔者根据各流域最大宽度情况，绘制了一条水平宽度为20 km，长度为各流域极限长度的条带，按1 km等间隔裁剪成20×xkm2带区。利用ArcGIS分区统计，计算各带区最大高程、最小高程、平均高程和高程极差，MATLAB实现剖面绘图。

2 结果

2.1 流域划分

流域提取结果显示珠峰自然保护区有7个流域(图3)，分别是错母折林流域、澎曲流域、雅鲁藏布江流域、绒辖曲流域、波曲流域、吉隆藏布流域、斗嘎尔河流域(图3)，各流域规模差异大，但与保护区水系状况基本吻合。除了措姆折林流域是内流河流域之外，其余6个流域均为外流河流域，都归属于恒河水系。

流域规模差异体现了保护区特殊的地理与区位背景。由于珠峰自然保护区按照定结、定日、聂拉木、吉隆四个县级行政区域划定边界，喜马拉雅山脉南坡的四个流域(图3中DEFG)是恒河水系发源于我国的四个主要支流上游，山脉抬升、河流侵蚀、重力崩塌等内外营力塑造的高山峡谷地形和中国尼泊尔边境线位置共同决定了其流域规模。雅鲁藏布江流域和错母折林流域是发源于藏南分水岭拉轨冈日山脉北坡的河流集水区(图3中AC)，其规模主要受到县域行政边界限制。最完整的流域是两大山脉之间的澎曲流域(图3中B)，即包含完整的地形又未被行政边界裁剪。

图3 珠峰自然保护区7个流域分布

2.2 各流域条带高程剖面

按条带高程剖面提取方法，共设计7组高程剖面条带(图4)。各组条带宽度均为20 km，而长度因流域不同而不同。最长的是澎曲流域为278 km，其后依次是吉隆流域剖面长为76 km，波曲流域为60 km，绒辖流域为40 km，措姆泽林流域为36 km，斗嘎尔河流域为30 km，雅鲁藏布江流域为28 km。7组条带覆盖地表面积为11 000 km2，占保护区总面积为33.66%，涵盖了各流域代表性地貌区。

图4 7流域条带高程剖面位置

利用ArcGIS分区统计功能，获得各组剖面1 km带宽上的最大高程、最小高程、平均高程和高程极差，剖面绘图如图5所示。

图5 7流域条带高程剖面

3 讨论

3.1 流域空间展布特征

错母折林流域位于保护区东北部，地处藏南分水岭拉轨冈日山脉腹地，典型高原内流湖盆。面积为研究区总面积的1.59%，流域高差1 385 m为7流域中高差最小的流域(表1)。但是流域最低高程为4 435 m，错母折林湖面拔高成为研究区山地垂直带基带的最高位置。

其他6个流域虽然同属于恒河流域和印度洋水系范围，但各流域特征的差异很大。喜马拉雅山脉和拉轨岗日山脉将6个流域的河流导向山脉南北坡，地理位置成为流域分异的首要原因。澎曲流域是研究区最大的流域，占总面积约45%，干流澎曲已切开喜马拉雅山脊线，深入到保护区中部的藏南高平原地带。澎曲流域也因此形成巨大的流域高差，居研究区流域之最。绒辖、波曲、吉隆河和斗嘎尔河流域均位于喜马拉雅山脉南翼，流域的显著特征是高差巨大(表1)，造成地形起伏程度剧烈，为流域地貌多样性发育提供了空间。

表1 珠峰极高山区流域统计

3.2 流域条带高程剖面特征

虽然7个流域的条带高程剖面图展示为线状高程，但实际意义是各流域从低至高的面状地形变化特征。7幅高程剖面图，展示了珠峰极高山地在水平方向上的连续地形变化。其中，从东向西水平方向上，错母折林流域(图5(a))和雅鲁藏布江流域(图5(c))两个剖面代表拉轨岗日山脉发育的流域，与其他流域剖面形态显著不同。其特点是最大高程、最小高程和平均高程变化一致，地势顺河流向上游缓慢增加，高程极差在1 000 m以下，地形起伏平缓。雅鲁藏布江流域高程极差在水平15 km范围上接近0 m，进入山区才提升至200 m～400 m。措姆泽林流域在水平20 km范围上，受最大高程起伏影响，高程极差随着一致起伏外，平均高程依然保持4 600 m高度。两个高程剖面揭示了拉轨冈日以北为宽坦平缓的湖盆地貌景观特征。

澎曲流域(图5(b))自东向西平均高程变化趋势与最大高程相同，最小高程在1 km～85 km条带范围内与最大高程相同，但是三条高程剖面的变化趋势不够显著，地形水平变化仍然显得复杂。高程极差剖面在一定程度上显现了地形分类的优势。

图5(d)、图5(e)、图5(f)、图5(g)分别是绒辖曲流域、波曲流域、吉隆藏布流域和斗嘎尔河流域的高程剖面，代表了喜马拉雅山脉南翼高山峡谷自南向北方向上的水平变化。四条剖面对比显示，各流域最大高程起伏巨大，在流域分水岭上山峰陡峭，最小高程随条带递增而快速增加，说明干流河道比降较大，平均高程往往与最大高程变化趋势一致，表明流域地势的影响因素来自山体坡面变化，通常是下游山体陡峭，中游稳定，上游趋于平坦。高程极差的水平变化趋势显著体现了流域下、中、上游地形由陡峭至平稳的变化特征。

3.3 条带高程剖面的地貌景观分区指示意义

7组条带高程剖面将珠峰自然保护区明显分为三个地貌景观区。

1)拉轨冈日山脉流域地貌景观区，以错母折林和雅鲁藏布江流域(图5(a)、图5(c))为代表。根据条带剖面特征，将流域划分出两个景观单元——山前平原景观单元和中低山地景观单元。以错母折林流域为例，作为内流湖盆景观综合体的代表，地形具有海拔高、起伏小、地形封闭的特点。在条带20 km处，将流域分为措姆泽林湖盆景观单元和中高山地景观单元两个部分。在1 km～20 km的湖盆区，可再细分出两个子湖盆，从四条高程曲线来看，两个子湖盆最低高程和最大高程相同，平均高程一致，高程极差也基本相同，说明两个子湖盆的地形基本一致，地理位置比邻，可以归为同一个景观单元。

2)拉轨冈日-喜马拉雅山间谷地流域地貌景观区，包括澎曲流域全境(图5(b))。根据已有研究和实地调查[25]，流域显著的地形起伏可划分出至少7个～9个次级景观单元，均为河谷盆地景观类型，自东向西分别是叶如藏布景观单元—长所盆地景观单元—澎曲中游景观单元—定日盆地景观单元—古错盆地景观单元—浪强错湖盆景观单元—泊古错湖盆景观单元。

3)喜马拉雅山脉南翼高山流域地貌景观区，以绒辖曲、波曲、吉隆藏布和斗嘎尔河流域为代表(图5(d)～图5(g))。结合实地调查，发现条带剖面传递的剧烈起伏、中等起伏、平稳起伏地形高程信息，正好分别对应流域下游深切峡谷地貌景观、中游U型宽谷地貌景观和上游宽坦河流滩地地貌景观。由此可见，条带高程剖面传递的地形起伏形态信息，对流域地貌景观类型的辨识具有很好的指示意义。

4 结论

基于地形指标定量计算地表形态特征，既是对地貌形态的科学概括和抽象，也与数字高程模型对地理空间模拟的数学表达要求一致。条带高程剖面这一面状地形指标能够反映山地流域地貌的基本地形特征，刻画坡面起伏形态的数量差异。由于河流对内、外营力响应敏感，且局部属性值往往发生突变而易于辨识，在对流域地貌景观分区方面具有很好的地形指示意义，在数字地形分析领域具有重要研究价值。