江河源头区范围划定方法研究

文 萌，张新华，黄火建，赵钟楠

(1.四川大学水力学及山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.水利部水利水电规划设计总院，北京 100011)

0 引 言

为了加快推进生态文明建设，2016年4月28日国务院办公厅发布了国办发〔2016〕31号《关于健全生态保护补偿机制的意见》。其目标任务是：到2020年，实现森林、草原、湿地、荒漠、海洋、水流、耕地等重点领域和禁止开发区域、重点生态功能区等重要区域生态保护补偿全覆盖。水流生态保护补偿作为生态保护补偿的七大重点领域之一，要求在江河源头区、集中式饮用水水源地、重要河流敏感河段和水生态修复治理区、水产种质资源保护区、水土流失重点预防区和重点治理区、大江大河重要蓄滞洪区以及具有重要饮用水源或重要生态功能的湖泊，全面开展生态保护补偿。

由于水的流动性和关联性等特点，决定了江河源头区在全流域生态保护中的重要地位。然而，江河源头区还缺乏明确的界定与划分方法，厘清江河源头区范围是开展江河源头区生态保护补偿的先决条件。目前对江河源头区的研究主要集中在社会关注度高的大江大河的源头区域[1-2]，如有“中华水塔”之称的三江源[3]。冯永忠等[4-6]通过各种文献资料、遥感资料，结合实地考察，确定三江源的江源地区主要指长江源区和澜沧江源区，河源地区主要指黄河源区。

我国江河众多，在加快推进生态文明建设的总体要求下，大量江河源头区亟需划定范围[7]。过去多侧重于对某一具体江河源头区的生态功能进行研究，缺少对江河源头区范围划定的研究。因此，本文首先通过研究江河源头区的概念与内涵，分析源头区及河流的特征参数，再结合实际土地利用及功能区划，提出我国江河源头区范围的划定方法。

1 研究方法

要划定江河源头区范围，首先需要明晰江河源头区的概念与内涵。本文通过调查研究我国主要江河流域源头的地形地、貌特征及河道形态参数，明确了江河源头区的概念与内涵。即，把江河源头区定义为：地形地貌多为山地、丘陵和中低山，水流湍急、河底比降大且具有特殊功能(生态、社会、经济、地缘优势等)的水系发源区域。其内涵主要包括4个方面：①海拔较高的山区，如长江、黄河和西南诸河源头的青藏高原分布有唐古拉山、巴颜喀拉山、横断山脉、喜马拉雅山、羌塘高原、青海高原等；②自然资源(生物物种、矿产、水资源和旅游资源)和生物多样性丰富，属于国家限制或禁止开发的生态保护区或保留区，也是我国的生态保护屏障；③植被覆盖度一般较高，具水源涵养、水土保持、调节中下游水沙和水质功能；④生态脆弱、区域经济发展相对滞后。

江河源头区，其地形地貌多为高山、山地、丘陵和中低山。就整条江河而言，源头区海拔高程较高、峡谷地貌偏多，河道落差集中，河道河底比降大。因此，可将能反映江河源头地区特征的相关参数作为划分江河源头区范围的依据，如源头区内河流的长度、落差和河底比降，源头区的面积等。初步划分时，可选河流的河底比降、落差等特征参数具有明显变化处作为源头区的划分点，河流源头至划分点之间的集水区域即为初步划定的江河源头区。再结合对象流域的实际土地利用和功能区划等，进一步完善和确定江河源头区的范围。

划定江河源头区范围的具体步骤：①在“地理空间数据云”网站上，下载对象流域的数字高程数据(DEM)；②对该流域DEM数据进行处理后，用地理信息系统(GIS)和分布式水文模型(SWAT)生成该流域的河流水系；③提取该流域的面积、河流的长度、落差和河底比降等特征参数，找出划分点，初步划分江河源头区；④根据土地利用类型，结合各功能区划进行优化调整，最终确定江河源头区。

2 研究流域及其源头区规律性分析

2.1 研究流域概况及源头区的初步划分结果

我国西部海拔高，东部海拔低，地势呈阶梯状的分布特点[8]，使得我国大多数河流流向为自西向东。我国的河流(尤其是大江大河)大多发源于地势较高的第一阶梯和第二阶梯中的高山、山地地区[9]，部分河流发源于我国地势第三阶梯中的低山、丘陵地区。为了能够较为全面的研究发源于不同地区的江河源头区，选取了发源于我国地势的第一二阶梯上的青海、四川、甘肃、陕西等省份的12条江河作为研究对象，根据源头区范围划分的具体步骤，基于其DEM生成12条河流的流域水系并统计出其流域与河流特征参数，如表1所示。

初期划分源头区范围主要依据河底比降拐点，即河源区的河底大比降向非河源区小比降过渡的转折点，并参考流域的其他特征确定，12条河流的初始源头区划分结果(见表1)。

2.2 江河源头区的规律性分析

一般而言，全流域的面积、河流的长度、落差和河底比降等特征参数为已知或最容易得到，而源头区的这些特征参数则是未知的。为便于由全流域已知的特征参数去推求源头区未知的特征参数，对表1中已划定的源头区的特征参数与全流域的特征参数进行了拟合，结果表明全流域主河道长度与源头区主河道长度、全流域面积与源头区面积、全流域主河道落差与源头区主河道落差之间存在一定的相关关系，拟合结果如图1所示。

为探究江河源头区的一般规律，对表1中源头区主河道长度、源头区面积、源头区主河道落差占全流域主河道长度、全流域面积、全流域主河道落差的比值进行了计算，结果如表2所示。

对表2中江河源头区特征参数占全流域对应特征参数比值的分布状况进行分析：源头区主河道长度占比的平均值为24%，长度占比在10%以下、10%～30%、30%以上的河流分别有1条、9条、2条；源头区面积占比的平均值为20%，面积占比在10%以下、10%～25%、25%以上的河流分别有1条、7条、4条；源头区主河道落差占比的平均值为40%，落差占比在20%以下、20%～50%、50%以上的河流分别有2条、7条、3条。分别作出源头区主河道长度占比、源头区面积占比、源头区主河道落差占比的分布图(见图2)。

表1 江河源头区初步范围

图1 源头区与全流域相关特征参数之间的关系

表2 江河源头区特征参数占比 %

图2 江河源头区特征参数占比分布

由图2可知，源头区主河道长度占全流域主河道总长度的比值主要分布在10%～30%，源头区面积占全流域面积的比值主要分布在10%～25%，源头区主河道落差占全流域主河道落差的比值主要分布在20%～50%。这也体现出了源头区河道落差集中、河底比降大等特点。

从表2和图2可知，源头区范围的主要特征：①源头区河道长度约占其所在流域主河道长度的20%，变幅为10%～30%。②源头区面积约占全流域面积的20%，变幅为10%～25%。③源头区主河道落差约占全流域主河道落差的40%，变幅为20%～50%；并且流域越小，源头区特征参数的占比更偏向于取值范围的上限；反之，流域越大，其源头区的特征参数占比更偏向取值范围的下限。

3 实例应用与验证

为了验证江河源头区的规律在划分源头区范围时的适用性，以安宁河为例，进行江河源头区范围的划定。安宁河为雅砻江下游左岸最大支流，发源于四川省冕宁县东小相岭记牌山，流经凉山州的冕宁、西昌、德昌三县市后，入攀枝花市境内，在米易县得石镇汇入雅砻江。

3.1 初步划定江河源头区

首先，根据DEM生成安宁河流域的水系图(见图3 a)。提取安宁河流域的面积、主河道的长度、落差等特征参数，其中流域面积11 066 km2，主河道长度311.8 km，主河道落差1 214 m。

图3 水系图及初始源头区

根据图1中的拟合公式，由全流域已知的特征参数推求出源头区未知的特征参数，再据此初步划定江河源头区。其中，源头区主河道长度与全流域主河道长度关系式为

l=0.189L+26 605

(1)

式中，L表示全流域主河道长度，m；l表示源头区主河道长度，m。由源头区主河道长度l=85.5km初步划定出源头区1，如图3b所示。

源头区面积与全流域面积关系为

Fy=0.191S+497.05

(2)

式中，S表示全流域的面积，km2；Fy表示源头区的面积，km2。由源头区面积Fy=2 610 km2初步划定出源头区2，如图3c所示。

源头区主河道落差与全流域主河道落差关系式为

h=0.644H-262.07

(3)

式中，H表示全流域主河道的落差，m；h表示源头区主河道的落差，m。由源头区主河道落差h=520 m初步划定出源头区3，如图3d所示。

初步划定的源头区1、源头区2和源头区3的特征参数见表3。

表3 源头区初始划分的参数特征

3.2 确定江河源头区

首先，根据中国科学院资源环境科学数据中心的中国土地利用现状遥感监测数据，得出安宁河流域的土地利用类型分布图(略)。

再根据土地利用数据，可提取初步划定的源头区1、源头区2和源头区3内每种类型土地的分布面积，结果见表4。

表4 初始源头区土地利用现状统计

源头区内林地和草地的面积占比总和能体现其生态系统的好坏，而区域内水田、旱地、城镇用地、农村居民点和其他建设用地的面积占比则能反映出源头区内人类活动影响的大小。由表4可知：林地和草地面积占比总和，源头区1为77.35%，源头区2为79.62%，源头区3为87.13%；水田、旱地、城镇用地、农村居民点和其他建设用地的面积占比总和，源头区1为21.39%，源头区2为18.39%，源头区3为10.13%。因此，根据源头区主河道落差公式(3)所初步划分出的源头区3的范围是合理的，区域内的人类活动影响较小，经济开发强度低；而根据源头区主河道长度公式(1)和源头区面积公式(2)所分别初步划分出的源头区1和源头区2的范围均不及源头区3合理，因为二者的范围都包含了不少农田及居民点，人类活动影响较大。

江河源头区一般也是各种功能区划的保护或保留区，如水功能渠中的保护区，区域内水体的主要功能为源头的水源保护，陆地以水源涵养功能为主。结合生态功能区划、水功能区划、生态红线划定等来最终确定源头区的范围。从已划分出的源头区3来看，该源头区范围内包含了安宁河的河源及其源头水源保护区，林地和草地占绝大部分，农田、城镇用地及农村居民点基本上都在源区范围之外，这也进一步说明了本文提出的源头区划分方法的合理性。

因此，最终将源头区3确定为安宁河流域的源头区范围。该源头区的主要特征为：主河道长度39.1 km，占全流域主河道长度的13%(一般占全流域主河道总长度10%～30%)；源头区面积为1 525 km2，占全流域面积的14%(一般占全流域总面10%～25%)；源头区内主河道的落差为520 m，占全流域主河道落差的43%(一般占全流域主河道总落差的20%～50%)。

3.3 在大江大河源头区划分中的验证

通过对安宁河源头区范围的划分，验证了江河源头区的规律及其在中小河流源头区划分时的适用性。现结合河长、落差和流域面积等多因素进一步验证在大江大河的江河源头区划分时的合理性，首先，从河长和落差两个方面对大江大河的源头区进行划分，再从划出的源头区面积占比来验证所提出的划分方法是否合理，据此对我国的长江、黄河和珠江流域进行了，划分结果如表5所示。

根据本研究得出的江河源头区面积约占全流域面积的10%～25%，平均为20%；流域越大，其源头区的特征参数占比更偏向取值范围的下限。依据河长和落差对长江、黄河和珠江所划分出的源头区的面积占比均在20%以下，且靠近流域面积占比的下限，这进一步说明将本研究得到的江河源头区划分的规律性应用于大江大河的源头区范围划分也是合适的。

表5 大江大河源头区划分结果

4 结论与建议

通过对我国江河源头区特征的调查研究，给出了江河源头区的概念与内涵，并选取发源于我国地势的第一、二阶梯上的青海、四川、甘肃、陕西等省份的12条江河作为研究对象，提出了江河源头区的具体划分方法，获得了划分江河源头区的特征参数及其规律性：源头区主河道长度一般占全流域主河道总长度的20%，变化幅度为10%～30%；源头区面积一般占全流域总面积的20%，变幅为10%～25%；源头区主河道落差一般占全流域主河道总落差的40%，变幅为20%～50%。通过在安宁河流域，长江、黄河和珠江流域的应用验证了其变化规律为：流域越小，源头区特征参数占比越偏向取值范围的上限，流域越大，源头区特征参数占比越偏向取值范围的下限。

为便于快捷地划定江河源头区的范围，可先由江河源头区特征参数占比的规律初步划分出江河源头区的范围，再结合流域内的土地利用类型分布及功能区划(生态功能区划、水功能区划和生态保护红线等)最终划定江河源头区的范围。

由于时间和掌握的资料有限，本研究提出的江河源头区划分方法还有待在更进一步的推广应用中予以改进和完善。