文 萌，張新華，黃火建，趙鐘楠

(1.四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100011)

0 引 言

為了加快推進生態(tài)文明建設(shè)，2016年4月28日國務(wù)院辦公廳發(fā)布了國辦發(fā)〔2016〕31號《關(guān)于健全生態(tài)保護補償機制的意見》。其目標(biāo)任務(wù)是：到2020年，實現(xiàn)森林、草原、濕地、荒漠、海洋、水流、耕地等重點領(lǐng)域和禁止開發(fā)區(qū)域、重點生態(tài)功能區(qū)等重要區(qū)域生態(tài)保護補償全覆蓋。水流生態(tài)保護補償作為生態(tài)保護補償?shù)钠叽笾攸c領(lǐng)域之一，要求在江河源頭區(qū)、集中式飲用水水源地、重要河流敏感河段和水生態(tài)修復(fù)治理區(qū)、水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)、水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)、大江大河重要蓄滯洪區(qū)以及具有重要飲用水源或重要生態(tài)功能的湖泊，全面開展生態(tài)保護補償。

由于水的流動性和關(guān)聯(lián)性等特點，決定了江河源頭區(qū)在全流域生態(tài)保護中的重要地位。然而，江河源頭區(qū)還缺乏明確的界定與劃分方法，厘清江河源頭區(qū)范圍是開展江河源頭區(qū)生態(tài)保護補償?shù)南葲Q條件。目前對江河源頭區(qū)的研究主要集中在社會關(guān)注度高的大江大河的源頭區(qū)域[1-2]，如有“中華水塔”之稱的三江源[3]。馮永忠等[4-6]通過各種文獻資料、遙感資料，結(jié)合實地考察，確定三江源的江源地區(qū)主要指長江源區(qū)和瀾滄江源區(qū)，河源地區(qū)主要指黃河源區(qū)。

我國江河眾多，在加快推進生態(tài)文明建設(shè)的總體要求下，大量江河源頭區(qū)亟需劃定范圍[7]。過去多側(cè)重于對某一具體江河源頭區(qū)的生態(tài)功能進行研究，缺少對江河源頭區(qū)范圍劃定的研究。因此，本文首先通過研究江河源頭區(qū)的概念與內(nèi)涵，分析源頭區(qū)及河流的特征參數(shù)，再結(jié)合實際土地利用及功能區(qū)劃，提出我國江河源頭區(qū)范圍的劃定方法。

1 研究方法

要劃定江河源頭區(qū)范圍，首先需要明晰江河源頭區(qū)的概念與內(nèi)涵。本文通過調(diào)查研究我國主要江河流域源頭的地形地、貌特征及河道形態(tài)參數(shù)，明確了江河源頭區(qū)的概念與內(nèi)涵。即，把江河源頭區(qū)定義為：地形地貌多為山地、丘陵和中低山，水流湍急、河底比降大且具有特殊功能(生態(tài)、社會、經(jīng)濟、地緣優(yōu)勢等)的水系發(fā)源區(qū)域。其內(nèi)涵主要包括4個方面：①海拔較高的山區(qū)，如長江、黃河和西南諸河源頭的青藏高原分布有唐古拉山、巴顏喀拉山、橫斷山脈、喜馬拉雅山、羌塘高原、青海高原等；②自然資源(生物物種、礦產(chǎn)、水資源和旅游資源)和生物多樣性豐富，屬于國家限制或禁止開發(fā)的生態(tài)保護區(qū)或保留區(qū)，也是我國的生態(tài)保護屏障；③植被覆蓋度一般較高，具水源涵養(yǎng)、水土保持、調(diào)節(jié)中下游水沙和水質(zhì)功能；④生態(tài)脆弱、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展相對滯后。

江河源頭區(qū)，其地形地貌多為高山、山地、丘陵和中低山。就整條江河而言，源頭區(qū)海拔高程較高、峽谷地貌偏多，河道落差集中，河道河底比降大。因此，可將能反映江河源頭地區(qū)特征的相關(guān)參數(shù)作為劃分江河源頭區(qū)范圍的依據(jù)，如源頭區(qū)內(nèi)河流的長度、落差和河底比降，源頭區(qū)的面積等。初步劃分時，可選河流的河底比降、落差等特征參數(shù)具有明顯變化處作為源頭區(qū)的劃分點，河流源頭至劃分點之間的集水區(qū)域即為初步劃定的江河源頭區(qū)。再結(jié)合對象流域的實際土地利用和功能區(qū)劃等，進一步完善和確定江河源頭區(qū)的范圍。

劃定江河源頭區(qū)范圍的具體步驟：①在“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站上，下載對象流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)；②對該流域DEM數(shù)據(jù)進行處理后，用地理信息系統(tǒng)(GIS)和分布式水文模型(SWAT)生成該流域的河流水系；③提取該流域的面積、河流的長度、落差和河底比降等特征參數(shù)，找出劃分點，初步劃分江河源頭區(qū)；④根據(jù)土地利用類型，結(jié)合各功能區(qū)劃進行優(yōu)化調(diào)整，最終確定江河源頭區(qū)。

2 研究流域及其源頭區(qū)規(guī)律性分析

2.1 研究流域概況及源頭區(qū)的初步劃分結(jié)果

我國西部海拔高，東部海拔低，地勢呈階梯狀的分布特點[8]，使得我國大多數(shù)河流流向為自西向東。我國的河流(尤其是大江大河)大多發(fā)源于地勢較高的第一階梯和第二階梯中的高山、山地地區(qū)[9]，部分河流發(fā)源于我國地勢第三階梯中的低山、丘陵地區(qū)。為了能夠較為全面的研究發(fā)源于不同地區(qū)的江河源頭區(qū)，選取了發(fā)源于我國地勢的第一二階梯上的青海、四川、甘肅、陜西等省份的12條江河作為研究對象，根據(jù)源頭區(qū)范圍劃分的具體步驟，基于其DEM生成12條河流的流域水系并統(tǒng)計出其流域與河流特征參數(shù)，如表1所示。

初期劃分源頭區(qū)范圍主要依據(jù)河底比降拐點，即河源區(qū)的河底大比降向非河源區(qū)小比降過渡的轉(zhuǎn)折點，并參考流域的其他特征確定，12條河流的初始源頭區(qū)劃分結(jié)果(見表1)。

2.2 江河源頭區(qū)的規(guī)律性分析

一般而言，全流域的面積、河流的長度、落差和河底比降等特征參數(shù)為已知或最容易得到，而源頭區(qū)的這些特征參數(shù)則是未知的。為便于由全流域已知的特征參數(shù)去推求源頭區(qū)未知的特征參數(shù)，對表1中已劃定的源頭區(qū)的特征參數(shù)與全流域的特征參數(shù)進行了擬合，結(jié)果表明全流域主河道長度與源頭區(qū)主河道長度、全流域面積與源頭區(qū)面積、全流域主河道落差與源頭區(qū)主河道落差之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，擬合結(jié)果如圖1所示。

為探究江河源頭區(qū)的一般規(guī)律，對表1中源頭區(qū)主河道長度、源頭區(qū)面積、源頭區(qū)主河道落差占全流域主河道長度、全流域面積、全流域主河道落差的比值進行了計算，結(jié)果如表2所示。

對表2中江河源頭區(qū)特征參數(shù)占全流域?qū)?yīng)特征參數(shù)比值的分布狀況進行分析：源頭區(qū)主河道長度占比的平均值為24%，長度占比在10%以下、10%～30%、30%以上的河流分別有1條、9條、2條；源頭區(qū)面積占比的平均值為20%，面積占比在10%以下、10%～25%、25%以上的河流分別有1條、7條、4條；源頭區(qū)主河道落差占比的平均值為40%，落差占比在20%以下、20%～50%、50%以上的河流分別有2條、7條、3條。分別作出源頭區(qū)主河道長度占比、源頭區(qū)面積占比、源頭區(qū)主河道落差占比的分布圖(見圖2)。

表1 江河源頭區(qū)初步范圍

圖1 源頭區(qū)與全流域相關(guān)特征參數(shù)之間的關(guān)系

表2 江河源頭區(qū)特征參數(shù)占比 %

圖2 江河源頭區(qū)特征參數(shù)占比分布

由圖2可知，源頭區(qū)主河道長度占全流域主河道總長度的比值主要分布在10%～30%，源頭區(qū)面積占全流域面積的比值主要分布在10%～25%，源頭區(qū)主河道落差占全流域主河道落差的比值主要分布在20%～50%。這也體現(xiàn)出了源頭區(qū)河道落差集中、河底比降大等特點。

從表2和圖2可知，源頭區(qū)范圍的主要特征：①源頭區(qū)河道長度約占其所在流域主河道長度的20%，變幅為10%～30%。②源頭區(qū)面積約占全流域面積的20%，變幅為10%～25%。③源頭區(qū)主河道落差約占全流域主河道落差的40%，變幅為20%～50%；并且流域越小，源頭區(qū)特征參數(shù)的占比更偏向于取值范圍的上限；反之，流域越大，其源頭區(qū)的特征參數(shù)占比更偏向取值范圍的下限。

3 實例應(yīng)用與驗證

為了驗證江河源頭區(qū)的規(guī)律在劃分源頭區(qū)范圍時的適用性，以安寧河為例，進行江河源頭區(qū)范圍的劃定。安寧河為雅礱江下游左岸最大支流，發(fā)源于四川省冕寧縣東小相嶺記牌山，流經(jīng)涼山州的冕寧、西昌、德昌三縣市后，入攀枝花市境內(nèi)，在米易縣得石鎮(zhèn)匯入雅礱江。

3.1 初步劃定江河源頭區(qū)

首先，根據(jù)DEM生成安寧河流域的水系圖(見圖3 a)。提取安寧河流域的面積、主河道的長度、落差等特征參數(shù)，其中流域面積11 066 km2，主河道長度311.8 km，主河道落差1 214 m。

圖3 水系圖及初始源頭區(qū)

根據(jù)圖1中的擬合公式，由全流域已知的特征參數(shù)推求出源頭區(qū)未知的特征參數(shù)，再據(jù)此初步劃定江河源頭區(qū)。其中，源頭區(qū)主河道長度與全流域主河道長度關(guān)系式為

l=0.189L+26 605

(1)

式中，L表示全流域主河道長度，m；l表示源頭區(qū)主河道長度，m。由源頭區(qū)主河道長度l=85.5km初步劃定出源頭區(qū)1，如圖3b所示。

源頭區(qū)面積與全流域面積關(guān)系為

Fy=0.191S+497.05

(2)

式中，S表示全流域的面積，km2；Fy表示源頭區(qū)的面積，km2。由源頭區(qū)面積Fy=2 610 km2初步劃定出源頭區(qū)2，如圖3c所示。

源頭區(qū)主河道落差與全流域主河道落差關(guān)系式為

h=0.644H-262.07

(3)

式中，H表示全流域主河道的落差，m；h表示源頭區(qū)主河道的落差，m。由源頭區(qū)主河道落差h=520 m初步劃定出源頭區(qū)3，如圖3d所示。

初步劃定的源頭區(qū)1、源頭區(qū)2和源頭區(qū)3的特征參數(shù)見表3。

表3 源頭區(qū)初始劃分的參數(shù)特征

3.2 確定江河源頭區(qū)

首先，根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出安寧河流域的土地利用類型分布圖(略)。

再根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)，可提取初步劃定的源頭區(qū)1、源頭區(qū)2和源頭區(qū)3內(nèi)每種類型土地的分布面積，結(jié)果見表4。

表4 初始源頭區(qū)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計

源頭區(qū)內(nèi)林地和草地的面積占比總和能體現(xiàn)其生態(tài)系統(tǒng)的好壞，而區(qū)域內(nèi)水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設(shè)用地的面積占比則能反映出源頭區(qū)內(nèi)人類活動影響的大小。由表4可知：林地和草地面積占比總和，源頭區(qū)1為77.35%，源頭區(qū)2為79.62%，源頭區(qū)3為87.13%；水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設(shè)用地的面積占比總和，源頭區(qū)1為21.39%，源頭區(qū)2為18.39%，源頭區(qū)3為10.13%。因此，根據(jù)源頭區(qū)主河道落差公式(3)所初步劃分出的源頭區(qū)3的范圍是合理的，區(qū)域內(nèi)的人類活動影響較小，經(jīng)濟開發(fā)強度低；而根據(jù)源頭區(qū)主河道長度公式(1)和源頭區(qū)面積公式(2)所分別初步劃分出的源頭區(qū)1和源頭區(qū)2的范圍均不及源頭區(qū)3合理，因為二者的范圍都包含了不少農(nóng)田及居民點，人類活動影響較大。

江河源頭區(qū)一般也是各種功能區(qū)劃的保護或保留區(qū)，如水功能渠中的保護區(qū)，區(qū)域內(nèi)水體的主要功能為源頭的水源保護，陸地以水源涵養(yǎng)功能為主。結(jié)合生態(tài)功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃、生態(tài)紅線劃定等來最終確定源頭區(qū)的范圍。從已劃分出的源頭區(qū)3來看，該源頭區(qū)范圍內(nèi)包含了安寧河的河源及其源頭水源保護區(qū)，林地和草地占絕大部分，農(nóng)田、城鎮(zhèn)用地及農(nóng)村居民點基本上都在源區(qū)范圍之外，這也進一步說明了本文提出的源頭區(qū)劃分方法的合理性。

因此，最終將源頭區(qū)3確定為安寧河流域的源頭區(qū)范圍。該源頭區(qū)的主要特征為：主河道長度39.1 km，占全流域主河道長度的13%(一般占全流域主河道總長度10%～30%)；源頭區(qū)面積為1 525 km2，占全流域面積的14%(一般占全流域總面10%～25%)；源頭區(qū)內(nèi)主河道的落差為520 m，占全流域主河道落差的43%(一般占全流域主河道總落差的20%～50%)。

3.3 在大江大河源頭區(qū)劃分中的驗證

通過對安寧河源頭區(qū)范圍的劃分，驗證了江河源頭區(qū)的規(guī)律及其在中小河流源頭區(qū)劃分時的適用性?，F(xiàn)結(jié)合河長、落差和流域面積等多因素進一步驗證在大江大河的江河源頭區(qū)劃分時的合理性，首先，從河長和落差兩個方面對大江大河的源頭區(qū)進行劃分，再從劃出的源頭區(qū)面積占比來驗證所提出的劃分方法是否合理，據(jù)此對我國的長江、黃河和珠江流域進行了，劃分結(jié)果如表5所示。

根據(jù)本研究得出的江河源頭區(qū)面積約占全流域面積的10%～25%，平均為20%；流域越大，其源頭區(qū)的特征參數(shù)占比更偏向取值范圍的下限。依據(jù)河長和落差對長江、黃河和珠江所劃分出的源頭區(qū)的面積占比均在20%以下，且靠近流域面積占比的下限，這進一步說明將本研究得到的江河源頭區(qū)劃分的規(guī)律性應(yīng)用于大江大河的源頭區(qū)范圍劃分也是合適的。

表5 大江大河源頭區(qū)劃分結(jié)果

4 結(jié)論與建議

通過對我國江河源頭區(qū)特征的調(diào)查研究，給出了江河源頭區(qū)的概念與內(nèi)涵，并選取發(fā)源于我國地勢的第一、二階梯上的青海、四川、甘肅、陜西等省份的12條江河作為研究對象，提出了江河源頭區(qū)的具體劃分方法，獲得了劃分江河源頭區(qū)的特征參數(shù)及其規(guī)律性：源頭區(qū)主河道長度一般占全流域主河道總長度的20%，變化幅度為10%～30%；源頭區(qū)面積一般占全流域總面積的20%，變幅為10%～25%；源頭區(qū)主河道落差一般占全流域主河道總落差的40%，變幅為20%～50%。通過在安寧河流域，長江、黃河和珠江流域的應(yīng)用驗證了其變化規(guī)律為：流域越小，源頭區(qū)特征參數(shù)占比越偏向取值范圍的上限，流域越大，源頭區(qū)特征參數(shù)占比越偏向取值范圍的下限。

為便于快捷地劃定江河源頭區(qū)的范圍，可先由江河源頭區(qū)特征參數(shù)占比的規(guī)律初步劃分出江河源頭區(qū)的范圍，再結(jié)合流域內(nèi)的土地利用類型分布及功能區(qū)劃(生態(tài)功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃和生態(tài)保護紅線等)最終劃定江河源頭區(qū)的范圍。

由于時間和掌握的資料有限，本研究提出的江河源頭區(qū)劃分方法還有待在更進一步的推廣應(yīng)用中予以改進和完善。