涪江流域地貌特征及其与人口、经济的相关性研究

陈 浩,林孝先,董廷旭,李 勇

(1.绵阳师范学院 资源环境工程学院,四川 绵阳 621006;2.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610059)

地貌形态是人类社会赖以生存和发展的基础自然地理要素,区域地貌特征对人口分布格局、经济发展状况影响显著[1-4]。海拔和地形起伏度是描述和反映地貌形态的最重要指标[5]。分析地貌特征与人口、经济的相关性,是了解自然环境与人类社会相互关系的有效手段。在地貌形态与人口分布、经济发展关系方面,前人进行了诸多探析,如从国家层面分析中国地形起伏度与人口分布、经济发展的关联性[6],从省级层面对中等尺度区域地形起伏度、海拔与人口、经济的相关性进行探讨[7-11],对山区自然环境下的人口分布、经济情况进行分析[12-15]。以往研究表明,地形特征是人口密度、经济水平的主要限制因子,也是宜居地选址的主要考量因素。前人主要基于国家、省市等行政单元研究地貌形态与人口布局、经济发展的相关性,对流域等特定地形条件下的人口分布、经济状况研究甚少。同一流域内地貌形态往往存在较大差异,研究流域尺度地形因子对人口和经济的影响通常比基于行政单元的研究数据更能体现人口分布和经济发展的空间差异性。尤其在高分辨率影像和GIS技术的支持下,地貌类型的划分更为精细化,社会经济指标的空间分辨率亦更高。

位于青藏高原与四川盆地过渡地带的涪江流域地形复杂,特别是上游地区社会经济发展相对落后,交通不便,属于欠发达区域,与中、下游流域在经济状况、人口分布方面差异显著。该流域上、中、下游的海拔和地形起伏差异明显,复杂的地形条件对涪江流域各行政单元内人口、经济格局的形成起重要约束作用,因此开展地貌特征对人口、经济的影响研究尤为必要。表征地貌特征的地形起伏因子计算具有不确定性及尺度依赖性,科学界定其计算尺度(即最佳统计单元)是确定区域地形起伏度的关键,“均值变点分析法”能够快速、准确地计算最佳统计单元[16]。本次研究运用该方法确定涪江流域地形起伏度的最佳统计单元,在此基础上结合各行政区域平均海拔,对涪江流域地貌特征与人口、经济的相关性进行定量研究,以期为该区域宜居地选址、改善人居环境、制定经济发展政策以及探寻脱贫机理和开展精准扶贫工作提供理论参考。

1 研究区域

涪江发源于岷山主峰雪宝顶,是嘉陵江以西最大支流,其流域处于中国地形由第一级阶梯向第二级阶梯的过渡地带,同时也位于青藏高原东缘与四川盆地的过渡地带,地势自西北向东南倾斜(图1)。涪江源头至江油武都镇为上游,地处川西北高山区,河谷深切,江水迂回跌宕;武都镇至遂宁为中游,流经缓丘、平坝区,河谷宽阔,水流平缓,江中漫滩发育;遂宁至合川河口为下游,以中、低丘陵地貌为主,沿江两岸间隔分布着河流冲积层形成的Ⅰ、Ⅱ级阶地,河道滩沱相间、曲折蜿蜒。涪江流域面积约3.95万km2,包括31个县(区、市),总体来看,上游山区各县地广人稀,森林茂密,矿产资源较丰富,主要出产玉米、小麦、马铃薯等农作物;中、下游各县土地开垦率高,人稠物丰,城镇密集,交通发达,沿江城市已初步建成各具特色的轻、重工业体系。

2 数据来源与处理

2.1 基础数据

DEM数据(ASTER GDEM)来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站,空间分辨率为30 m。人口、经济数据为涪江流域31个县(区、市)2020年的人口密度和地区生产总值,人口密度由各县域单元人口总数除以对应单元的面积所得,2020年人口总数和生产总值来源于2021年四川省统计年鉴。

2.2 地貌形态分级体系

海拔反映了气温、降水等自然因素随高度增加的变化情况,地形起伏度描述了地表的相对高差和起伏状况[17]。根据中国地貌划分标准[5,18],利用DEM数据,采用两级分类法建立涪江流域地貌形态分级体系。海拔划分为:低海拔(<1 000 m)、中海拔(1 000～3 500 m)、高海拔(3 500～5 000 m)、极高海拔(>5 000 m),共4级;地形起伏度划分为:平原(0～30 m)、台地(30～50 m)、丘陵(50～200 m)、小起伏山地(200～500 m)、中起伏山地(500～1 000 m)、大起伏山地(1 000～2 500 m),共6级。

2.3 地形起伏度最佳分析窗口

地形起伏度是指某一范围内最大高程与最小高程之间的差值,从理论上分析,随计算范围的扩大,地形起伏度的值必然会增加,因而,确定“某一范围”对地形起伏度估算的准确度至关重要。本次研究使用滑动窗口算法[17],以n×n像元的格网对研究区进行滑动计算,分别获取最大高程值与最小高程值之差,即得该提取像元的平均起伏度(表1)。根据统计单元大小和平均起伏度的对应关系,建立对数方程并进行回归分析。从图2可以看出,拟合方程的判定系数R2=0.945 9,拟合效果较好。

表1 平均起伏度与统计单元大小对应关系Table 1 Corresponding relation between average relief amplitude and statistical unit size

式中:t1=1,2,3…,i-1;t2=i,i+1,…,N。S和Si的最大差值对应的点即为地形起伏度曲线由陡变缓的拐点,其对应的起伏度提取窗口即为最佳统计窗口。从图3可以看出,第11个点所对应的S和Si的差值达到最大,该点所属分析窗口为12×12像元,因而,本研究提取地形起伏度最佳分析窗口面积为129.6×103m2。

2.4 数据融合

以12×12格网作为分析窗口,采用邻域分析方法,提取涪江流域地形起伏度,并按照本研究确定的地貌形态分级体系对所提取地形起伏度重分类为6个等级。同理,将DEM数据的海拔重分为4个等级。将重分类的栅格数据转化为矢量数据之后,进行数据融合及空间叠加分析,得到初步地貌分类图。考虑到某些地貌斑块面积过小,将其合并到相邻地貌单元中,并进行平滑处理,最后在研究区得到16种地貌类型。

3 地貌特征分析

涪江上游流域共提取出海拔与地形起伏度所组合的16种地貌形态(表2,图4)。

表2 涪江流域地貌形态面积统计Table 2 Statistical of geomorphologic shape areas in Fujiang river basin (单位:km2)

海拔与地形起伏度的空间分布特征如图5所示,涪江流域的海拔具有自西北向东南逐级降低的地理梯度性。其中西北部的北川县、平武县、茂县、松潘县、九寨沟县平均海拔均超过1 500 m,该地区地质构造活跃,地质灾害频发,也是2008年汶川特大地震中受灾最严重地区,其中汶川地震的发震断裂(北川—映秀断裂)横贯北川县和平武县。上述区域相对较高的海拔主要为龙门山各断块呈叠瓦状依次抬升及岷山断块沿虎牙断裂逆冲滑动所致。由表2可知,低海拔地形面积达到27 790.64 km2,占研究区域总面积的70.33%。低海拔地形主要分布于研究区东南部(龙门山脉东南侧),该地区为龙门山断裂带驱动的逆冲作用推挤扬子地台形成的压陷盆地。位于低海拔区域的各县域地势较为平坦,依托成渝城市群的建设,经济相对发达,人口也较集中。

与海拔特征类似,涪江流域地形起伏度也存在明显梯度规律性(图5)。涪江流域的地形起伏度与平均海拔呈正相关关系,随着海拔增加,地形起伏度亦呈增大趋势,两者相关系数达0.916 7。总体来看,涪江流域地形起伏度也呈西北高、东南低的空间格局,在西北部的青藏高原东缘各县域,分布有近南北走向的岷山山脉、近东西走向的摩天岭山脉和近北东—南西走向的龙门山脉,该区域地壳抬升幅度大,在流水等外营力侵蚀作用下,溪沟纵横,地形起伏度相对较大。研究区东南部各县域主要位于川中丘陵区域,相对于青藏高原东缘地区,其地壳抬升幅度较小,地壳抬升驱动的河流下切作用较弱,因而地势起伏相对平缓,地形起伏度较小。由表2、图4可知,在研究区,丘陵面积最大,为14 071.50 km2,平原面积次之(10 472.59 km2),上述两类地形占研究区域总面积的62.12%;小起伏山地分布最广,该类地形广布于低海拔、中海拔、高海拔、极高海拔等各级海拔,面积达到7 613.82 km2。

4 人口与县域经济空间分布

4.1 人口空间分布

涪江流域各县(市、区)人口空间分布差异较大(图6),人口密度总体呈自上游(流域西北部)向中、下游递增的趋势。其中,位于涪江中游的绵阳市涪城区、遂宁市船山区、德阳市旌阳区人口密度高达2 238.34人/km2、1 347.90人/km2和1 277.78人/km2,位于下游各县的人口密度均不低于400人/km2。与中、下游河段相比,涪江上游的九寨沟县、松潘县、茂县、平武县、北川县人口密度较低,除北川县人口密度达到56.44人/km2外,上述各县人口密度均低于30人/km2,其中,松潘县人口密度最低,仅为7.90人/km2,其人口密度值约为绵阳市涪城区(涪江流域人口密度值最高区域)的1/283。

4.2 县域经济空间特征

涪江流域31个县(市、区)地区生产总值(GDP)差异显著(图6),总体来看,地区生产总值空间分布特征与人口密度分布特征类似,呈现东南部高、西北部低的趋势。处于涪江中下游(研究区东南部)的绵阳市涪城区、德阳市旌阳区、重庆市合川区、铜梁区、大足区、永川区,生产总值均超过600亿元,其中,绵阳市涪城区GDP达到1 065.91亿元;处于涪江上游的九寨沟、松潘、茂县、平武、北川5县,生产总值均低于80亿元,其中松潘县GDP仅为25.95亿元,为绵阳市涪城区(涪江流域GDP最高的县域单元)GDP的1/41。

5 地貌特征与人口、经济关系

5.1 海拔与人口经济相关性分析

为了探讨海拔对人口、经济发展的约束程度,分别对涪江流域31个县(市、区)海拔与人口密度、地区生产总值的相关性进行曲线拟合(图7)。结果表明,涪江流域各县(市、区)平均海拔与人口密度、地区生产总值相关系数分别达到0.805 4、0.744 0,其相关性较为显著。海拔较高的区域,植被、农作物生长所需的水热条件匹配较差,交通通达程度较弱,人口密度相对较低,从事工农业生产的人口较少,导致海拔较高区域经济发展水平相对落后。反之,涪江流域低海拔区域一般雨热同期,有利于农作物的生长,另外,自然地理环境优越的低海拔地区交通通达,有利于工业集聚布局,人口相对集中,区域人口密度高,县域经济较发达。

5.2 地形起伏度与人口经济相关性分析

涪江流域的地形起伏度随海拔高程增加呈增大趋势,人口密度和工农业布局亦受地表崎岖程度的影响,相对平坦的平坝和低丘陵区域有利于农作物种植、工业企业聚集、交通运输线路建设,从而使涪江流域的人口主要集中于地形起伏度较低的龙门山东南侧川中丘陵地区。反之,与高海拔区域类似,地形相对高差较大的山地不利于农业、工业和交通等发展,宜居性较弱,人口分布稀疏,经济状况相对落后。由图8可知,研究区各县(市、区)地形起伏度与人口密度、地区生产总值相关系数分别为0.825 8、0.752 4,具有较明显相关性。虽然地貌形态是决定区域人口经济发展的主导因素,但近年来随着旅游业的兴盛,处于岷山山脉和龙门山山脉的涪江流域部分县域旖旎的自然风光所带来的旅游收入一定程度上抵消了自然环境产生的经济发展劣势,如地处岷山主峰雪宝顶北麓的九寨沟县人均地区生产总值近年来均大于位于川中丘陵地区的部分县域单元。

6 结论与对策

6.1 结 论

涪江流域海拔和地形起伏度均呈西北高、东南低的空间分布格局,其与人口密度、地区生产总值均呈显著空间负相关。另外,对人口分布、经济发展产生约束作用的因素较多,本次研究主要从地貌特征角度对其进行了探讨,在后续的研究中,将深入挖掘其他因素对该区域人口、经济的影响,以期为涪江流域人口与经济合理布局提供理论参考。

6.2 对 策

基于涪江流域海拔、地形起伏度与对应区域人口、经济的关联性,提出研究区不同地貌单元人口、经济协调发展的对策建议:

1)总体来看,涪江流域地势自西北向东南倾斜,研究区东南侧海拔、地形起伏度均较低。地貌特征是区域人口、经济空间格局形成的基底条件,研究区东南侧各县域单元应依托较为低平的地势,利用优越的水热资源着力于农业现代化进程、农业规模化经营和集群化发展。同时,应利用该区域在地方财政、基础设施、招商引资、经济集聚效应等方面的优势,高效统筹生产、生活、生态空间,着力推进产业转型升级,进一步加快城市化进程。

2)龙门山断裂带叠瓦状推挤及岷山断块逆冲作用导致涪江流域西北侧各县域海拔和地形地伏度相对较高,崎岖的高海拔地形对区域人口分布、经济发展具有显著约束作用,随着海拔和地形起伏度增加,交通通达程度减弱,经济发展成本相对增大,导致这一区域与涪江流域东南侧各县域之间人口密度、经济水平差异显著。由于该地区自然条件和居住环境所限,致力于人口聚集不是促进区域发展的主要方向,应在增加交通通达性的基础上努力发展该区域特色生态农业(利用凉爽气候进行反季节生产,种植喜凉作物,并采用天然生产方式,避免农药对环境的污染)、绿色工业(水电、风电、太阳能开发及药材深加工等)和旅游业(“海拔效应”“地形起伏度效应”对旅游产业的优势大于劣势),从而提高区域经济水平。