陳 露，何 軍，秦 川，冉清紅，張 偉

(1.成都師范學(xué)院 西部人文研究所，成都 611130；2.西藏自治區(qū)科技信息研究所，拉薩 850001；3.西藏自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局 山南水文水資源分局，山南 856000；4.四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院，成都 610101)

0 引言

珠穆朗瑪峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是世界上海拔最高的自然保護(hù)區(qū)，擁有珠穆朗瑪峰、洛子峰、卓奧友峰、馬卡魯峰和希夏邦馬峰五座8 000 m以上雪峰，在世界高山極高山自然科學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)獨(dú)一無(wú)二的地位。作為世界“第三極”，已有研究主要集中在陸陸碰撞造山、全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境演化等大尺度宏觀層面。而中觀和微觀層面的地形地貌問(wèn)題少見報(bào)道，僅在青藏高原科學(xué)考察初期有零星研究。但是，地形與氣候、植被關(guān)系密切，還與人類活動(dòng)過(guò)程交織作用。深入研究珠峰地區(qū)的高山極高山區(qū)地形特征，對(duì)認(rèn)識(shí)青藏高原隆升與全球氣候演化等重大科學(xué)問(wèn)題具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究意義。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Models, DEM)提供從匯水盆地到大洲大陸不同尺度但格式統(tǒng)一的觀測(cè)數(shù)據(jù)，DEM與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地層巖性、侵蝕過(guò)程等結(jié)合，成為地貌解釋的重要手段[1-2]。珠峰自然保護(hù)區(qū)巨大的空間規(guī)模和復(fù)雜的地表過(guò)程，具有應(yīng)用DEM開展地貌研究的天然優(yōu)勢(shì)[3-5]。這里采集珠峰自然保護(hù)區(qū)數(shù)字高程模型，提取河流流域，選取條帶高程剖面指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字地形分析，探索珠峰高山極高山流域地貌景觀類型的空間分布規(guī)律，為保護(hù)區(qū)地表過(guò)程研究提供參考。

圖1 珠峰自然保護(hù)區(qū)概況與區(qū)位條件

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

珠穆朗瑪峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處西藏高原南部的高山峽谷區(qū)，南臨印度、尼泊爾、不丹三國(guó)，北依雅魯藏布江[6]，西起吉隆縣，東至定結(jié)縣，位于北緯27°48′～29°19′，東經(jīng)84°27′～88°之間，行政區(qū)劃上隸屬西藏自治區(qū)日喀則市，轄吉隆、聶拉木、定日、定結(jié)4縣[7]。珠峰自然保護(hù)區(qū)建于1988年，1994年批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，2004年加入聯(lián)合國(guó)教科文組織 “世界生物圈保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)”。主要保護(hù)對(duì)象為高山、高原生態(tài)系統(tǒng)及其物種多樣性，保護(hù)區(qū)面積為32 681.53 km2[8]。以喜馬拉雅山脈東西向主脊線為界，以北地段山地平緩，湖盆羅布，河谷寬坦，呈現(xiàn)廣闊、恬靜的高原風(fēng)光；以南地段溝谷縱列，垂直落差大(約800 m～5 200 m)，受印度洋季風(fēng)影響，形成了多雨、濕潤(rùn)的山地氣候，因此形成了森林密布、鳥語(yǔ)花香的喜馬拉雅南翼風(fēng)光[9]。

國(guó)內(nèi)、外對(duì)喜馬拉雅地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)演化有一定共識(shí)[10-12]：中新世早中期(10 Ma-20 Ma)印歐大陸以大規(guī)模逆沖斷裂和南北向伸展拆離作用強(qiáng)烈碰撞造山，形成一系列斷面北傾的疊瓦構(gòu)造——自南向北為主前緣逆沖斷裂(MFT)、主邊界逆沖斷裂(MBT)、主中央逆沖斷裂(MCT)——和廣泛的變質(zhì)、巖漿活動(dòng)以及褶皺變形。古新世-始新世進(jìn)入喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期，至始新世末，造山帶地質(zhì)構(gòu)造整體形成[13]。

1.2 DEM數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來(lái)源較多，自1986年法國(guó)SPOT衛(wèi)星提供立體相對(duì)地形數(shù)據(jù)，至今，衛(wèi)星和干涉雷達(dá)技術(shù)使得地面高程信息獲取已十分方便。ASRER GDEM和SRTM 3是目前廣泛采用的數(shù)字高程模型。先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER)是美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)與日本通產(chǎn)省(METI)合作成果，隸屬地球觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)(EOS計(jì)劃)，DEM精度依賴Terra衛(wèi)星傳感器分辨率。航天雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)由NGA和NASA組織的國(guó)際間合作項(xiàng)目，DEM精度依賴奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)雷達(dá)載波，美國(guó)本土之外地區(qū)可公開數(shù)據(jù)為SRTM 3(大約為90 m空間分辨率)。因?yàn)锳STER來(lái)自Terran衛(wèi)星光學(xué)傳感系統(tǒng)的紅外影像，不能剔除地表植被和建筑物高度；SRTM來(lái)自?shī)^進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)雷達(dá)載波，可透過(guò)植被接收來(lái)自地面熱輻射反饋。在非建筑用地為主的山地丘陵區(qū)，包含地表植被高程的ASTER 能更突出自然起伏形態(tài)參與地形數(shù)字特征表達(dá)[4,14-16]。已有研究表明，ASTER空間分辨率和水平位置精度高于STRM 3[17]，兩者坡度精度相似[18]，在計(jì)算地表曲率時(shí)，ASTER GDEM應(yīng)表現(xiàn)更好[19]。因此，筆者采用ASTER GDEM2。

此外，可視化制圖時(shí)使用了珠峰自然保護(hù)區(qū)1∶10 000 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)?；贒EM的地形指標(biāo)提取使用ArcGIS 10.2。條帶高程剖面分析使用MATLAB2016軟件。

1.3 方法

1.3.1 流域提取

流域提取方法如圖2所示。首先，DEM洼地填充。由于數(shù)據(jù)噪音、內(nèi)插方法的影響，DEM數(shù)據(jù)中常包含一些“洼地”，將導(dǎo)致水流不暢，不能形成完整的流域網(wǎng)絡(luò)。因此在利用模擬法進(jìn)行流域地形分析時(shí)，要先對(duì)DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行處理。其次，水流方向確定。流向確定目前有單流向和多流向兩種，但在流域分析中，是在3×3格網(wǎng)中通過(guò)D8算法確定水流方向。O’Callaghan等[20]研究證實(shí)D8算法在沒(méi)有廣闊平地分布的山地提取流向有很好的應(yīng)用效果。再次，生成水流累積矩陣。水流累積矩陣是指流向該格網(wǎng)的所有上游格網(wǎng)單元的水流累計(jì)量，它是基于水流方向確定的，是流域劃分的基礎(chǔ)。其關(guān)鍵參數(shù)是確定河流源頭匯流累積量初值。在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)照吉隆縣幅1:250 000地質(zhì)地形圖[21]，最終確定為1 000。然后，提取流域網(wǎng)絡(luò)。設(shè)定匯流起始閾值，將沿水流方向高于此閾值的格網(wǎng)連接起來(lái)形成流域網(wǎng)絡(luò)。最后，流域分割和流域地形參數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。利用流域網(wǎng)絡(luò)生成流域出口捕捉點(diǎn)，即可劃分出各個(gè)溝谷段的匯流區(qū)域，所有的子匯流區(qū)形成整體匯水區(qū)。對(duì)每個(gè)匯流區(qū)域，可以計(jì)算其各種統(tǒng)計(jì)參數(shù)，如平均坡度、平均高程、溝谷長(zhǎng)度等。

圖2 流域提取方法

1.3.2 條帶高程剖面提取

條帶高程剖面是沿山脈主構(gòu)造線的垂直方向，繪制一條具有一定水平寬度的帶，再裁剪為若干等間隔長(zhǎng)度的帶區(qū)，根據(jù)研究目標(biāo)計(jì)算各帶區(qū)高程屬性值——如最大高程、最小高程、平均高程、高程極差、高程標(biāo)準(zhǔn)差等，以帶區(qū)編號(hào)為橫坐標(biāo)，屬性值為縱坐標(biāo)，繪制成高程剖面圖。條帶法高程剖面在造山帶尺度的地形研究領(lǐng)域，如阿爾卑斯山脈起伏變化[22]，青藏高原平坦程度分析[23]，以及安第斯山脈和喜馬拉雅山脈起伏度比較[1,24]，得到了廣泛地應(yīng)用。根據(jù)Frank[22]實(shí)驗(yàn)證實(shí)，條帶水平寬度與條帶高程極差值為非線性關(guān)系，當(dāng)條帶水平寬度從10 km逐漸增加到30 km時(shí)，高程極差將趨向收斂于一個(gè)常量。筆者根據(jù)各流域最大寬度情況，繪制了一條水平寬度為20 km，長(zhǎng)度為各流域極限長(zhǎng)度的條帶，按1 km等間隔裁剪成20×xkm2帶區(qū)。利用ArcGIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各帶區(qū)最大高程、最小高程、平均高程和高程極差，MATLAB實(shí)現(xiàn)剖面繪圖。

2 結(jié)果

2.1 流域劃分

流域提取結(jié)果顯示珠峰自然保護(hù)區(qū)有7個(gè)流域(圖3)，分別是錯(cuò)母折林流域、澎曲流域、雅魯藏布江流域、絨轄曲流域、波曲流域、吉隆藏布流域、斗嘎爾河流域(圖3)，各流域規(guī)模差異大，但與保護(hù)區(qū)水系狀況基本吻合。除了措姆折林流域是內(nèi)流河流域之外，其余6個(gè)流域均為外流河流域，都?xì)w屬于恒河水系。

流域規(guī)模差異體現(xiàn)了保護(hù)區(qū)特殊的地理與區(qū)位背景。由于珠峰自然保護(hù)區(qū)按照定結(jié)、定日、聶拉木、吉隆四個(gè)縣級(jí)行政區(qū)域劃定邊界，喜馬拉雅山脈南坡的四個(gè)流域(圖3中DEFG)是恒河水系發(fā)源于我國(guó)的四個(gè)主要支流上游，山脈抬升、河流侵蝕、重力崩塌等內(nèi)外營(yíng)力塑造的高山峽谷地形和中國(guó)尼泊爾邊境線位置共同決定了其流域規(guī)模。雅魯藏布江流域和錯(cuò)母折林流域是發(fā)源于藏南分水嶺拉軌岡日山脈北坡的河流集水區(qū)(圖3中AC)，其規(guī)模主要受到縣域行政邊界限制。最完整的流域是兩大山脈之間的澎曲流域(圖3中B)，即包含完整的地形又未被行政邊界裁剪。

圖3 珠峰自然保護(hù)區(qū)7個(gè)流域分布

2.2 各流域條帶高程剖面

按條帶高程剖面提取方法，共設(shè)計(jì)7組高程剖面條帶(圖4)。各組條帶寬度均為20 km，而長(zhǎng)度因流域不同而不同。最長(zhǎng)的是澎曲流域?yàn)?78 km，其后依次是吉隆流域剖面長(zhǎng)為76 km，波曲流域?yàn)?0 km，絨轄流域?yàn)?0 km，措姆澤林流域?yàn)?6 km，斗嘎爾河流域?yàn)?0 km，雅魯藏布江流域?yàn)?8 km。7組條帶覆蓋地表面積為11 000 km2，占保護(hù)區(qū)總面積為33.66%，涵蓋了各流域代表性地貌區(qū)。

圖4 7流域條帶高程剖面位置

利用ArcGIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能，獲得各組剖面1 km帶寬上的最大高程、最小高程、平均高程和高程極差，剖面繪圖如圖5所示。

圖5 7流域條帶高程剖面

3 討論

3.1 流域空間展布特征

錯(cuò)母折林流域位于保護(hù)區(qū)東北部，地處藏南分水嶺拉軌岡日山脈腹地，典型高原內(nèi)流湖盆。面積為研究區(qū)總面積的1.59%，流域高差1 385 m為7流域中高差最小的流域(表1)。但是流域最低高程為4 435 m，錯(cuò)母折林湖面拔高成為研究區(qū)山地垂直帶基帶的最高位置。

其他6個(gè)流域雖然同屬于恒河流域和印度洋水系范圍，但各流域特征的差異很大。喜馬拉雅山脈和拉軌崗日山脈將6個(gè)流域的河流導(dǎo)向山脈南北坡，地理位置成為流域分異的首要原因。澎曲流域是研究區(qū)最大的流域，占總面積約45%，干流澎曲已切開喜馬拉雅山脊線，深入到保護(hù)區(qū)中部的藏南高平原地帶。澎曲流域也因此形成巨大的流域高差，居研究區(qū)流域之最。絨轄、波曲、吉隆河和斗嘎爾河流域均位于喜馬拉雅山脈南翼，流域的顯著特征是高差巨大(表1)，造成地形起伏程度劇烈，為流域地貌多樣性發(fā)育提供了空間。

表1 珠峰極高山區(qū)流域統(tǒng)計(jì)

3.2 流域條帶高程剖面特征

雖然7個(gè)流域的條帶高程剖面圖展示為線狀高程，但實(shí)際意義是各流域從低至高的面狀地形變化特征。7幅高程剖面圖，展示了珠峰極高山地在水平方向上的連續(xù)地形變化。其中，從東向西水平方向上，錯(cuò)母折林流域(圖5(a))和雅魯藏布江流域(圖5(c))兩個(gè)剖面代表拉軌崗日山脈發(fā)育的流域，與其他流域剖面形態(tài)顯著不同。其特點(diǎn)是最大高程、最小高程和平均高程變化一致，地勢(shì)順河流向上游緩慢增加，高程極差在1 000 m以下，地形起伏平緩。雅魯藏布江流域高程極差在水平15 km范圍上接近0 m，進(jìn)入山區(qū)才提升至200 m～400 m。措姆澤林流域在水平20 km范圍上，受最大高程起伏影響，高程極差隨著一致起伏外，平均高程依然保持4 600 m高度。兩個(gè)高程剖面揭示了拉軌岡日以北為寬坦平緩的湖盆地貌景觀特征。

澎曲流域(圖5(b))自東向西平均高程變化趨勢(shì)與最大高程相同，最小高程在1 km～85 km條帶范圍內(nèi)與最大高程相同，但是三條高程剖面的變化趨勢(shì)不夠顯著，地形水平變化仍然顯得復(fù)雜。高程極差剖面在一定程度上顯現(xiàn)了地形分類的優(yōu)勢(shì)。

圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)、圖5(g)分別是絨轄曲流域、波曲流域、吉隆藏布流域和斗嘎爾河流域的高程剖面，代表了喜馬拉雅山脈南翼高山峽谷自南向北方向上的水平變化。四條剖面對(duì)比顯示，各流域最大高程起伏巨大，在流域分水嶺上山峰陡峭，最小高程隨條帶遞增而快速增加，說(shuō)明干流河道比降較大，平均高程往往與最大高程變化趨勢(shì)一致，表明流域地勢(shì)的影響因素來(lái)自山體坡面變化，通常是下游山體陡峭，中游穩(wěn)定，上游趨于平坦。高程極差的水平變化趨勢(shì)顯著體現(xiàn)了流域下、中、上游地形由陡峭至平穩(wěn)的變化特征。

3.3 條帶高程剖面的地貌景觀分區(qū)指示意義

7組條帶高程剖面將珠峰自然保護(hù)區(qū)明顯分為三個(gè)地貌景觀區(qū)。

1)拉軌岡日山脈流域地貌景觀區(qū)，以錯(cuò)母折林和雅魯藏布江流域(圖5(a)、圖5(c))為代表。根據(jù)條帶剖面特征，將流域劃分出兩個(gè)景觀單元——山前平原景觀單元和中低山地景觀單元。以錯(cuò)母折林流域?yàn)槔鳛閮?nèi)流湖盆景觀綜合體的代表，地形具有海拔高、起伏小、地形封閉的特點(diǎn)。在條帶20 km處，將流域分為措姆澤林湖盆景觀單元和中高山地景觀單元兩個(gè)部分。在1 km～20 km的湖盆區(qū)，可再細(xì)分出兩個(gè)子湖盆，從四條高程曲線來(lái)看，兩個(gè)子湖盆最低高程和最大高程相同，平均高程一致，高程極差也基本相同，說(shuō)明兩個(gè)子湖盆的地形基本一致，地理位置比鄰，可以歸為同一個(gè)景觀單元。

2)拉軌岡日-喜馬拉雅山間谷地流域地貌景觀區(qū)，包括澎曲流域全境(圖5(b))。根據(jù)已有研究和實(shí)地調(diào)查[25]，流域顯著的地形起伏可劃分出至少7個(gè)～9個(gè)次級(jí)景觀單元，均為河谷盆地景觀類型，自東向西分別是葉如藏布景觀單元—長(zhǎng)所盆地景觀單元—澎曲中游景觀單元—定日盆地景觀單元—古錯(cuò)盆地景觀單元—浪強(qiáng)錯(cuò)湖盆景觀單元—泊古錯(cuò)湖盆景觀單元。

3)喜馬拉雅山脈南翼高山流域地貌景觀區(qū)，以絨轄曲、波曲、吉隆藏布和斗嘎爾河流域?yàn)榇?圖5(d)～圖5(g))。結(jié)合實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)條帶剖面?zhèn)鬟f的劇烈起伏、中等起伏、平穩(wěn)起伏地形高程信息，正好分別對(duì)應(yīng)流域下游深切峽谷地貌景觀、中游U型寬谷地貌景觀和上游寬坦河流灘地地貌景觀。由此可見，條帶高程剖面?zhèn)鬟f的地形起伏形態(tài)信息，對(duì)流域地貌景觀類型的辨識(shí)具有很好的指示意義。

4 結(jié)論

基于地形指標(biāo)定量計(jì)算地表形態(tài)特征，既是對(duì)地貌形態(tài)的科學(xué)概括和抽象，也與數(shù)字高程模型對(duì)地理空間模擬的數(shù)學(xué)表達(dá)要求一致。條帶高程剖面這一面狀地形指標(biāo)能夠反映山地流域地貌的基本地形特征，刻畫坡面起伏形態(tài)的數(shù)量差異。由于河流對(duì)內(nèi)、外營(yíng)力響應(yīng)敏感，且局部屬性值往往發(fā)生突變而易于辨識(shí)，在對(duì)流域地貌景觀分區(qū)方面具有很好的地形指示意義，在數(shù)字地形分析領(lǐng)域具有重要研究?jī)r(jià)值。