基于DEM的河網結構與地貌特征相關性研究

摘 要：以數字高程模型數據為基礎，運用ArcGIS10.2軟件，通過水文分析模塊提取河網信息，研究河網結構與區域構造、地形地貌的響應關系。結果表明，河流總體流向與斷層走向相同，河網分布、干流流向與區域斷層走向具有一致性；實驗得到5級河流，一級河流最多，幼年期、壯年期和老年期流域面積分別約占總面積的15.29%、74.85%、9.86%，以壯年期為主，坡度大于15°的流域面積占總面積的77%；干流區地形起伏度較大，支流集中分布在平地地區。

關鍵詞：數字高程模型；河網；構造；地貌特征

河網分布特征與礦產資源、地質災害等資源環境研究具有重要意義。數字高程模型（DEM）作為地形地貌數字化表達方式，成為與空間地理信息相關研究的必然基礎。同時數字高程模型數據在流域方向的研究越來越受到重視[1]?；谀壳皩Υ髤^域內河網空間分布特征及其與構造活動、地貌特征的響應關系的研究較少。文章以SRTM-DEM（Shuttle Radar Topography Mission-DEM）為數據源，利用ArcGIS10.2軟件的水文分析功能提取研究區內河網結構，結合流域內構造地形地貌特征，定量地分析西藏境內瀾滄江和怒江流域河流分布與地貌、構造運動之間的響應關系。

1 區域概況

西藏東部地區平均海拔3500m以上，以瀾滄江和怒江流經的昌都縣、類烏齊縣、八宿縣、察雅縣、左貢縣和芒康縣為研究區，區內日照時間長，輻射強、晝夜溫差大；干濕分明，夏季多夜雨，冬春多風，年平均氣溫7.6℃，年降雨量400～600mm。由于水系的切割作用，形成了非常顯著的垂直地帶性特征，有著復雜的地貌結構、氣候類型及植被狀況。

2 研究方法

2.1 水系結構提取與分級

利用水文分析模塊進行洼地填充、水流方向、設置不同匯流閾值，提取研究區內部的地表水系網絡。水系級別的定義采用現今最為廣泛流行的Strahler分類系統，將所有河網弧段中沒有支流的河網弧段定為第1級，兩個1級河網弧段合成的河網弧段為第2級，如此下去為第3級，第4級，……，一直到河網出水口[2]。

2.2 面積高程積分

面積高程積分（Hypsometric Integral，HI） 是通過統計流域地表的高程組合信息，從而揭示流域地貌形態與發育特征的重要指標。Pike于1971年提出以流域高程起伏比作為面積高程積分的簡易算法[3，4]。計算公式為：

HI=（Hmean-Hmin）/（Hmax-Hmin） （1）

式中，Hmean、Hmin、Hmax分別是區域高程的均值、最小值、最大值。

按照戴維斯地貌旋回理論，當流域高程-面積積分值大于0.60 時，地貌特征變化迅速，水系不斷擴展分支，流域侵蝕劇烈，是地貌發育的不均衡階段，稱為幼年期。當高程-面積積分值小于0.60大于0.35時，是地貌發育的壯年期；高程-面積積分值小于0.35時，為老年期[5，6]。

3 結果與分析

3.1 河網提取

河流閾值的確定直接影響河流數量的提取和分析，通過ArcGIS10.2水文分析模塊進行洼地填充、水流方向、匯流累積量的求取之后，漸變設置匯流閾值，計算Stream order、Stream Link及Watershed，以1000為基礎、步長200累計統計不同匯流閾值下的溝谷段數、溝谷總長，并計算流域內的溝壑密度等水文信息。

由統計信息可知，隨著匯流閾值越大，得到研究區溝谷段數、溝谷總長和溝壑密度值越小。當匯流閾值小于3000時，流域內溝壑密度變化較大，當閾值大于3000時，溝壑密度變動較小，并趨于平穩；當匯流閾值為1000時，溝谷段數為3480，約為閾值為5600時對應溝谷段數的5.6倍，而溝壑總長是其2.3倍，可知流域閾值的選取對提取的流域溝谷段數影響較大。選擇研究區合適的匯流閾值，是流域河網提取與特征分析的基礎，當匯流閾值為5600時，溝谷段數為626，溝谷總長為5305.85km，溝壑密度為0.23km/km2，當匯流閾值增加到6000時，溝谷段數和總長變動較小并趨于平穩，溝壑密度保持不變，數據顯示，確定最佳匯流閾值為5600。

由最佳閾值提取研究區河網數據，得到共5級水系結構，612條河流。其中一級河流307條，二級河流108條，三級河流70條，四級河流91條，五級河流36條。一級河流最多，基本覆蓋整個流域范圍，一二級河流占研究區的68%。

3.2 河網分布與構造關系

水系發育程度和流向受區域地形地貌、構造特征和地表巖性的影響。探究研究區河網分布特征與區域斷裂構造的相關性，對河流和斷層線進行玫瑰圖式分析，以15°為一個間隔，統計各個方向上的河數量和斷裂構造數量。斷層線性構造走向方位統計圖，揭示斷層主要沿北西向，315°方向上斷層較多。河流主要流向也是北西向，在315°和330°方向上發育的河流較多，與斷層的主要走向一致，研究區在北東方向上的流河發育也較為明顯，這與區域構造45°的斷層相關。對比分析河網數據與區域構造特征，得到河流流向與區域構造具有明顯的相關性，河網分布受構造活動的強烈影響，河流流向和支流的發育與區域斷層構造方向具有一致性。

3.3 流域內地形地貌特征

地貌特征是水系結構的基礎，研究區最低高程為1666米，最大高程為6468米，地勢起伏較大。1666～3000m區域占總面積的22.67%；3000～5000m的區域最大，占總面積的64.63%；5000～6468m的區域最小，僅占總面積的12.7%。

地面坡度的級別不同，對于坡地系統的發育影響不同，對于水系結構的影響也不一樣。研究區坡度范圍在0～75°之間，可根據其對水土流失的影響和所發揮的水土保持功能等，將研究區的坡度劃分為4個范圍等級：0～8°、8～15°、15～25°，以及>25°。其中坡度小于8°區域最少，占總面積的8.09%；坡度在8～15°之間占15.19%；坡度在15～25°之間的占30.68%；坡度>25°的占46.04%?？梢娖露戎饕性?5°以上。

研究區地面起伏度最大值為837米，將研究區地面起伏度<200米的確定為平地；地面起伏度在200～500米之間的確定為丘陵；>500米的確定為山地。研究區主要以平地地形為主，占總面積的74.67%。

研究區四級河流和五級河流流域地表起伏度較大，河流交匯的地區地形起伏度較大，以丘陵地形為主；一級河流和二級河流主要分布在平地地區，地表起伏度較小；研究區內怒江流域的地表起伏度比瀾滄江流域地表起伏度大，由于受地形影響，瀾滄江干流右側河流發育較多，左側支流發育較少，以一級河流為主。

匯流累積量對面積高程積分值的影響不大，基于最佳閾值提取區域內河流的面積高程積分值。得到研究區處于幼年期地貌河流86條，主要集中分布在瀾滄江和怒江干流左側1級流域，占流域面積的15.29%；處于壯年期地貌河流416條，主要分布在瀾滄江和怒江干流外側，各級河流都有分布，2級河流較多，占流域面積的74.85；處于老年期地貌特征河流110條，主要分布在干流流域范圍內，占流域面積的9.86%；研究區以壯年期流域地貌為主。瀾滄江與怒江干流呈平行分布。

4 結束語

（1）基于ArcGIS10.2水文分析，提取研究區流域內河網分布特征并進行面積高程積分分析。匯流閾值越大，河道數目越少，河道總長和河網密度均呈現持續下降趨勢；當匯流閾值為5600時，河網密度為0.23km/km2，趨于平穩；不同匯流閾值產生的河網形態各有差異，閾值越大，生成河網越稀疏，反之越密集。水系劃分為5級結構，河網總數目626條，總長度為5305.85千米。面積-高程積分結果表明，研究區內大多數河流處于發育壯年期，幼年期、壯年期和老年期流域面積分別約占總面積的15.29%、74.85%、9.86%。

（2）研究區相對高程較大，高程值在3000～5000m之間的分布較廣，坡度主要集中在15°以上，河流交匯地區以丘陵地形為主，地形起伏度較大，支流主要分布在平地地區；干流流域內地形起伏度較大，河流發育受區域地貌特征影響較大，研究區內兩條干流呈平行狀發展。區域內河流發育與斷層等構造活動方向一致，河流侵蝕方向與區域構造、地貌特征具有明顯相關性。

（3）影響流域發展的因素是多方面的，流域地貌發育和河網分布與地表基巖巖性有關，在后續實驗中將進一步完善。

參考文獻

[1]劉新華，楊勤科，湯國安.中國地形起伏度的提取及在水土流失定量評價中的應用[J].水土保持通報，2001，21（1）：57-59.

[2]劉興旺，袁道陽，史志剛，等.六盤山斷裂帶構造活動特征及流域盆地地貌響應[J].地震工程學報，2015，37（1）：168-174.

[3]劉飛，范建容.地貌特征與土壤侵蝕空間分布直方圖相似度研究[J].水土保持研究，2011，18（6）：18-21.

[4]程三友，李英杰.撫仙湖流域地貌特征及其構造指示意義[J].地質力學學報，2010，16（4）：383-392.

[5]孫希華，姚孝友，周虹，等.基于DEM的山東沂沭泗河流域地貌演化與水土流失研究[J].水土保持通報，2005，25（4）：24-28.

[6]祝士杰，湯國安，李發源，等.基于DEM的黃土高原面積高程積分研究[J].地理學報，2013，68（7）：921-932.

作者簡介：陳娟（1992-），女，重慶市，成都理工大學，碩士研究生，主要從事3S應用研究。