火星是太阳系内与地球最为相似的行星，已成为各国开展深空探测任务的主要目标之一。目前火星表面干旱寒冷，主要存在撞击坑和大型撞击盆地、盾形火山、风成沙丘、极区极冠、峡谷系统、干涸河床和沟渠等多种地貌。广泛发育的河网、干涸河床、三角洲、冲积扇和沟渠等反映了曾经存在的流水活动不断侵蚀和改造火星表面而形成的流水地貌(Baker，2006；McSween，2006)。科学家最早于1972年利用“水手9号”返回的影像发现火星上存在河网(McCauley 等，1972)。河网的发现引发了人们对火星过去是否存在支持生命生存的环境的讨论，并成为火星科学研究的热点之一。随着“火星全球勘探者MGS(Mars Global Surveyor)”、“火星奥德赛MO(Mars Odyssey)”、“火星快车MEX(Mars Express)”和“火星侦察轨道器MRO(Mars Reconnaissance Orbiter)”等探测任务相继成功实施，科研人员利用它们获取的大量高分辨率遥感影像进一步研究了火星表面河网的分布，发现它们大多数位于火星赤道附近和中南纬度区域(Hynek 等，2010)。火星表面的河网与地球上的河网极为相似，前人对它们从形态特征、空间分布、形成年代等开展了多个方面的研究，对它们的可能出现和消失成因也提出了不尽相同的假说，如降雨流水冲刷、冰川和泥石流冲刷、地下水外泄、地下含冰层融化后外泄等(Carr和Clow，1981；Carr，1995；Gulick，2001；Irwin和Howard，2002；Carr和Head，2003；Howard 等，2005；Hoke和Hynek，2009)。地球上，水流侵蚀地表形成河网水系，在补给量不足的情况下，往往形成季节性河流甚至最终干涸，而在补给量充足时，河流最终注入汇水盆地形成湖泊或者注入海洋参与全球水循环。Luo和Stepinski (2009)在解释火星表面河网主要分布于南半球时，根据火星表面北半球以低地、南半球以高地为主的地貌特征，推测火星北半球表面曾经存在着一个较大的海洋。

火星表面存在不同形态特征的水系，且规模大小不等，其成因也有所差异。位于火星诺亚高地的Evros Vallis(12°S, 12°E)是火星上年代最老的河道之一，水系较为发育，整体形态呈树枝状。河网水系的发育说明了火星表面过去的气候条件比干旱寒冷的现状要温暖潮湿得多，局部地区甚至还存在流水活动。同时，高光谱遥感探测显示该区域存在含水矿物(Carter 等，2013)。含水矿物通常是水参与条件下热液蚀变和变质的产物(如火山灰)，能够指示矿物形成时的温压条件和揭示古气候环境演变过程(汤艳杰 等，2002)。以上这些说明Evros Vallis地区探测到的含水矿物可能是沉积物在开放水域蚀变形成。新疆塔里木盆地处于中国3大地貌阶地的第2与第3阶地过渡带位置，整体地势南高北低，自西向东缓倾。由于盆地被青藏高原、帕米尔高原、天山、昆仑山、阿尔金山等高大山系包围，使得海洋季风输送的水汽无法达到，年蒸发量远远大于降雨量(金炯 等，1994；Chen 等，2006)，导致该地区气候极端干旱，发育了大量独特的地貌，如雅丹、沙丘、洪积/冲积平原、干河道和干盐湖等(白振平，1994；王弭力 等，2006；董治宝 等，2011；董瑞杰 等，2013)，这些流水和风沙地貌与火星上观察到的典型地貌十分相似，是中国除柴达木盆地外(Xiao 等，2017)，另外一个潜在的可开展火星环境演化和气候变迁等类比研究的理想场所。塔里木盆地的开都河是当地重要的地表水源，历史上，开都河流域曾与塔里木河下游汇合一同注入罗布泊，后来塔里木河河道不断南移，二者逐渐脱离形成古三角洲，但其上仍能分辨出树枝状水系(白振平，1994；张永雷 等，2016)。目前，罗布泊已经完全干涸消失，只留下一个多级环状“大耳朵”形状的盐碱地痕。地质工作者在此勘查到中国重要的钾盐矿产区，主要有氯化钾等资源(王弭力 等，2006)。Evros Vallis与塔里木河的水系形态较为相似，流域内的含水矿物和罗布泊的钾盐等矿物的形成均离不开水。随着中国火星探测任务的提出，从比较行星学的角度，开展火星表面和地球类比区对比研究，探测和分析地球类比区流域河网水系特征和矿物成分等对深入理解火星表面河网水系产生、发展和消亡的时空演变过程，甚至对探索火星古老生命遗迹均具有重要意义。为此，本文选择火星诺亚高地的Evros Vallis和新疆塔里木盆地的开都河流域，开展流域河网水系提取与特征对比研究。

Evros Vallis位于火星地形南北分界处附近，介于子午平原(Meridiani Planum)东南和诺亚高地(Noachis Terra)之间，高程起伏范围约–2000—3900 m，整个峡谷呈东西走向，全长约800 km(图1)。Evros Vallis流域范围内大部分坡度均小于2°，坡向以西南、西北和西向为主。该区域内几乎所有的撞击坑均形成于诺亚纪时期，并受到强烈的后期地质改造作用，有些撞击坑坑壁、坑缘以及溅射席上能够观测到水流侵蚀后形成的明显的平形状河谷和冲沟。

图 1 Evros Vallis地区MOLA高程及流域范围 Figure 1 MOLA elevation map of Evros Vallis and its drainage basin

开都河流域地处内陆荒漠，位于新疆塔里木盆地东北侧，地势西高东低、北高南低，平均海拔3100 m(图2)，流域内大部分地区坡度小于15°，坡向以东北、西南、东向和南向为主。开都河源于天山中部，河流呈“U”字型依次流经上游的小尤尔都斯盆地、中游的大尤尔都斯盆地和下游的焉耆盆地后注入博斯腾湖。由于开都河下游地区深受农垦开发等工农业活动影响，河流的自然形态受到较大影响，本文仅以传统的流域中上游地区为研究对象开展比较研究，即图2的上游至大山口水文站这一段。

图 2 开都河流域范围及ASTER GDEM高程 Figure 2 ASTER GDEM elevation map of Kaidu river and its drainage basin

采用搭载于“火星全球勘探者”MGS的激光高度计MOLA(Mars Orbiter Laser Altimeter)获取的高程数据提取Evros Vallis的河网。该数据的空间分辨率约为463 m，水平和垂直精度分别为100 m和10 m(Neumann 等，2001)。此外，本文研究中用到的影像数据包括搭载于“火星奥德赛MO”的热发射成像系统THEMIS(Thermal Emission Imaging System)最新发布的全球镶嵌影像，分辨率约为100 m(Edwards 等，2011)，以及搭载于“火星侦察轨道器MRO”的背景相机(Context Camera)和高分辨率成像科学实验相机HiRISE(High Resolution Imaging Science Experiment)影像，分辨率分别约为5 m和0.25 m(Malin 等，2007；McEwen 等，2007)。

采用2009年美国和日本共同推出的先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Map)数据提取整个开都河流域的河网，该数据的空间分辨率为30 m，水平和和垂直精度分别为30 m和20 m(Tachikawa 等，2011)。此外，本文研究中还用到中国高分一号影像，分辨率约为8 m(白照广，2013)。

流域河网水系的准确提取是开展形态和水文特征定量分析与比较的基础，本文利用ArcGIS软件平台的Spatial Analysis模块和Arc Hydro Tools模块，对火星Evros Vallis和地球类比区开都河流域的高程数据进行地形分析与处理，提取流域河网水系。

火星Evros Vallis和地球类比区开都河流域河网水系较为发达，地势平坦，支流纵横交错。同时，高程数据也存在精度限制，单独利用它提取流域河网水系会产生较多的误提结果。因此，本文先基于高分辨率遥感影像人工识别和提取火星Evros Vallis和地球类比区流域内的干流和主要支流的矢量数据。然后按照图3所示流程提取河网水系：

图 3 火星Evros Vallis和地球类比区流域河网水系提取流程 Figure 3 Flowchart of drainage network extraction of Evros Vallis on Mars and terrestrial analog

(1) 利用DEM Reconditioning工具采用AGREE法(Hellweger，1997)将干流和主要支流等实际河网信息融合嵌入到原始高程数据。经该方法调整后的高程数据与真实河流高程信息吻合度更高，且能有效减小平坦区域平行伪河道的生成。

(2) 利用Fill Sinks工具进行填洼处理以尽可能消除高程数据中由于数据噪音等导致的非真实地形，生成无洼地高程数据，使得水流可以畅通无阻地流至区域地形边缘。

(3) 利用Flow Direction工具在在已填洼高程数据的基础上采用最大坡降法(O’Callaghan和Mark，1984)计算水流方向。该方法极大地概括了自然状态下的水流方向，在3×3的格网上，中心格网点的水流方向是与之相邻的８个格网中坡度最陡的方向(分别表示东、东南、南、西南、西、西北、北、东北８个方向)。

(4) 利用Flow Accumulation工具在流向数据的基础上计算流过每个格网点的水量，从而得到各个格网点的汇流累积量。单个格网点的汇流累积量等于直接或间接流经该格网点的水流的累积量，其值越大，表示该格网点越容易形成地表径流。

(5) 利用Stream Definition工具根据设定的集水面积阈值分别生成火星Evros Vallis和塔里木盆地开都河流域河网水系。由于集水面积阈值直接关系到河网水系中各级河流长度及总河长的计算，继而影响河网和河道密度等形态和水文特征参数分析的准确度。本文以孔凡哲和李莉莉(2005)提出的河网密度法确定出火星Evros Vallis和开都河流域的最佳集水面积阈值分别是27 km²和30 km²。

(6) 由于在地势平坦地区，如平原和谷底等，最大坡降法计算的水流方向是随机的，可能生成平行状的伪沟谷，还需要利用Edit工具进一步手工编辑剔除和修正这些伪沟谷。

(7) 利用Stream Order工具采用Strahler分级法(Strahler，1958)对火星和地球类比区的河网水系进行分级，在此基础上构建流域河网水系的拓扑关系，用于进一步计算和分析火星和地球类比区的流域形态和水文特征。

在准确提取流域河网水系和构建拓扑关系的基础上，本文主要计算河流长度、河网密度、河道密度、河道比降、各级河流平均长度、各级河流平均弯曲系数、河流分叉比、河流长度比以及河流分维数等流域河网形态和水文参数，开展火星Evros Vallis和地球类比区开都河流域形态和水文特征对比分析研究。这些地球上常用的河网形态和水文特征计算方法已经应用于火星表面的河网水系研究(Carr和Chuang, 1997, Stepinski 等，2002, 2004, Irwin 等，2005, Som 等，2009)，它们的计算公式可参考高抒和张捷(2006)编写的《现代地貌学》。对于河流分维数，常用的主要有网格法和河系定律法，实际计算显示二者基本吻合，均可用于研究河流形态的分维特征(冯平和冯焱，1997)。本文采用La Barbera和Rosso(1989)在Horton河系和河数定律基础上推导的河网分维数计算公式，该公式能够利用已经计算出的河长比和分叉比，保持了信息的一致性和可比较性。

式中，R_B是河流分叉比，R_L是河流长度比。

图4为火星Evros Vallis和地球类比区新疆塔里木盆地开都河流域河网水系提取结果。从形态上看，二者均具有类似树枝状的水系，说明二者地表抗侵蚀能力较弱。Evros Vallis干流河道长度约是开都河干流河道长度的两倍，分别为802.28 km和397.60 km。为了验证本文利用高程数据提取的河网水系精度，将本文提取的河网分别与Hynek等人(2010)主要利用分辨率为230 m的THEMIS全球镶嵌影像在Evros Vallis流域人工识别的河网以及韩鑫(2014)在开都河同样区域内提取的河网相比较，发现二者主要形态特征一致，但细节信息有所差异。这可能分别是由于MOLA高程数据分辨率较低(约463 m)引起的以及本文计算的最佳集水面积阈值与韩鑫(2014)一文中使用的阈值不一致引起的。考虑到本文将两个流域的干流和主要支流的实际河网融合嵌入到初始高程数据，增加了高程数据的有效信息量，故虽然存在一定相对误差，但总体上该方法的提取结果是可靠的。因此，本文利用高程数据提取的火星Evros Vallis和地球类比区开都河流域的河网水系可用于后续形态和水文特征参数定量计算并开展对比分析研究。

图 4 火星和地球类比区流域河网水系提取结果 Figure 4 Valley network extraction results

表1和表2是火星Evros Vallis流域和地球类比区塔里木盆地开都河流域二者河网水系形态参数统计结果。由表1、表2可知，火星和地球类比区河流数目随河流等级的升高呈减少趋势。其中，1级和2级河流较多，覆盖整个流域范围，分别占火星和地球类比区所有河流数目的93.25%和94.86%，它们的长度分别占整个流域内河流总长度的83.95%和87.64%。

表1和表2对比表明，Evros Vallis流域各级河流平均长度都比开都河流域长，是后者的1.4—2.5倍，说明Evros Vallis流域河流的规模普遍较大。开都河流域各级河流平均弯曲系数都比Evros Vallis流域大，它们的均值为1.35，说明其为弯曲河流，而Evros Vallis流域各级河流平均弯曲系数为1.19，为平直河流，这与Irwin等人(2008)根据Hack指数推断火星南部高地的流域较地球上同等规模的流域更为狭长的结论一致。图4的河网形态也显示Evros Vallis流域的河道较为平直。Horton (1945)通过分析大量河流的形态参数后发现，在自然水系中，河流分叉比的值介于3.0—5.0，河长比的值介于1.5—3.5。Evros Vallis流域的平均河流分叉比和河长比分别为3.42和2.12，开都河流域的平均值分别为3.84和2.21，它们全部都处于地球上自然水系的经验值范围内。

表 1(Table 1)

表 1 Evros Vallis流域河网水系形态参数 Table 1 Morphometric parameters of valley network of Evros Vallis drainage basin 河流 等级 数目/条 总长 度/km 平均长 度/km 平均弯 曲系数 分叉比 河长比 1级 121 2856.34 23.61 1.17 3.90 — 2级 31 978.19 31.55 1.16 4.43 1.34 3级 7 396.12 56.59 1.15 2.33 1.79 4级 3 406.44 135.48 1.21 3.00 2.39 5级 1 402.68 402.68 1.25 — 2.97

表 1 Evros Vallis流域河网水系形态参数 Table 1 Morphometric parameters of valley network of Evros Vallis drainage basin

表 2(Table 2)

表 2 开都河流域河网水系形态参数 Table 2 Morphometric parameters of valley network of Kaidu river drainage basin 河流 等级 数目/条 总长 度/km 平均长 度/km 平均弯 曲系数 分叉比 河长比 1级 196 1935.08 9.87 1.24 4.45 — 2级 44 976.57 22.19 1.26 4.89 2.25 3级 9 227.15 25.24 1.35 3.00 1.14 4级 3 281.05 93.68 1.40 3.00 3.71 5级 1 161.61 161.61 1.49 — 1.73

表 2 开都河流域河网水系形态参数 Table 2 Morphometric parameters of valley network of Kaidu river drainage basin

何隆华和赵宏(1996)研究指出，整体水系的河网分维数反映了水系所处流域的地貌侵蚀发育阶段，其值为1.0—1.6时，流域地貌处于侵蚀发育阶段的幼年期；为1.6—1.89时，处于壮年期；为1.89—2.0时处于老年期。本文计算出Evros Vallis流域和开都河流域的河网分维数分别为1.63和1.70(表3)，说明这两个流域的地貌发育处于幼年期刚刚结束，壮年期才开始的阶段。但是Evros Vallis流域的河网密度和河道密度远小于开都河流域，说明Evros Vallis流域的整体发育程度小于开都河流域。同时，本文根据Hynek等人(2010)人工识别的河网计算出Evros Vallis流域河网分维数为1.68，与本文基于高程数据提取结果计算值1.63一致，这说明同一地区河网分维数不会由于使用不同的数据源而发生改变，它是固定的值，指示了流域的地貌发育阶段，不同数据源代表的可靠程度不同。

表 3(Table 3)

表 3 火星Evros Vallis和地球类比区开都河流域河网水系水文特征参数 Table 3 Hydrological parameters of valley networks of Evros Vallis drainage basin on Mars and Kaidu river drainage basin as terrestrial analog 流域名称 河网总长度/km 河道总数/条 流域面积/km2 河网密度/(km/km2) 河道密度/(条/km2) 河网分维数 Evros Vallis流域 5039.78 163 105905.72 0.048 0.002 1.63 开都河流域 3581.46 253 18348.47 0.195 0.014 1.70

表 3 火星Evros Vallis和地球类比区开都河流域河网水系水文特征参数 Table 3 Hydrological parameters of valley networks of Evros Vallis drainage basin on Mars and Kaidu river drainage basin as terrestrial analog

本文以高程数据空间分辨率为间隔，分别对火星Evros Vallis和开都河流域的干流提取河长和对应的河床高程值，绘制干流的河道纵剖面曲线(图5)。由于MOLA高程数据空间分辨率的限制以及流域范围内广泛存在的撞击坑和河道后期改造填埋的综合影响，图5(a)显示的Evros Vallis干流纵剖面中存在局部起伏，但其整体呈现下凹的趋势依然十分清晰，河道相对平缓，比降为1.63‰。图5(b)显示整个开都河干流的比降为3.74‰，其纵剖面整体形态可划分为两部分，距河源215 km这一段干流纵剖面形态为下凹型，河道较平缓，比降为2.54‰，从215 km到河口这一段干流纵剖面形态为上凸型，河道较陡峭，比降为5.18‰。河道的形成与发展演变主要受流域水文状况和气候条件、区域构造活动和岩性差异等多种因素的综合影响，其直观表现为河道比降的差异，而河道比降又与流速密切相关。由曼宁经验公式(Manning，1891)可知，当其他因素不变，比降相差1倍时，同水深的流速将相差41%。Evros Vallis流域干流的河道比降比开都河流域的河道比降小很多，考虑到火星重力约为地球的1/3，重力加速度仅为3.71 m/s²(Carr，2006)，这说明Evros Vallis流域有水流动的时期，其流速很可能小于现今开都河流域的流速。河流纵剖面也能够反映河流地貌的发育演化过程(赵洪壮 等，2009)：Evros Vallis干流河道纵剖面可被指数函数拟合(回归系数R²为0.9523)开都河干流的两段纵剖面也均可由指数函数拟合(回归系数R²分别为0.9757和0.9784)，表明两个流域的河流地貌开始逐渐由壮年早期向壮年期过渡，这与前文河网分维数揭示的整个流域的地貌发育处于幼年期刚结束，壮年期才开始的结论相吻合。

图 5 火星和地球类比区流域干流河道纵剖面 Figure 5 Longitudinal profiles of main stream channel

河网的形成离不开大量流水，火星表面的河网主要分布于南半球诺亚纪古老高地上，近年来火星表面矿物探测发现含水矿物主要也分布于诺亚纪地层(Bibring 等，2006)，这些均表明火星地质早期有过温暖潮湿的气候。研究人员对Evros Vallis流域流水的来源具有不同的看法，Howard等人(2005)，Hoke和Hynek (2009)以及Caprarelli和Wang (2012)认为该流域是长期稳定的地表径流侵蚀形成的；Som等人(2009) 则认为其是短暂出现的湿润环境下形成的。通过定量计算Evros Vallis流域河网水系的形态和水文参数，其河流平均弯曲系数、分叉比、河长比和河网分维数等综合反映流域整体特征的参数与地球上自然形成的流域非常相似，均在地球表面河网水系的典型经验值范围内(表1、表2和表3)。这些特征参数表明Evros Vallis很可能是由流水侵蚀地表形成。在地球上，河网的典型分维值在1.5—2.0，平均值为1.6—1.7(La Barbera和Rosso，1989)，Evros Vallis的河网分维值为1.63(表3)，说明它可能是火星表面一个发育接近常规的流域。

此外，Evros Vallis干流中游和下游的河道内还能观察到滩地(图6具体位置如图1所示)以及网状裂缝和撞击坑(图7)。这些滩地长宽比差异较大，介于1.6—3.4，且可以观察到其形态为非流线型，说明它们为发育程度不高的心滩，为典型河流地貌，这与河网分维数蕴含的地貌发育信息保持一致。除形成季节性坡纹的卤水外(Ojha 等，2015)，目前已基本无法在火星表面观测到液态水，但在过去的几百万年中，当火星达到较高的轴倾角时(30°—35°)，火星表面仍可能出现液态水(de haas 等，2015)。Evros Vallis所在纬度较低(12°S, 12°E)，不太可能被因倾斜进动时产生的冰层覆盖(Fanale 等，1986)，而极可能有水存在于该地区。因此，图7观察到的网状裂缝类似常存在于地球上干涸河道和湖盆中的龟裂或泥裂多边形地貌，如新疆塔里木罗布泊(赵元杰 等，2005；马黎春 等，2011)和美国西部加州的干盐湖(El Maarry 等，2012；El-Maarry 等，2015)。“好奇号”火星车于2017年1月在火星表面首次发现了一块布满交叉裂纹的岩石，它很可能是30亿年前形成的泥裂，其形态既有多边形又有方形(Stein 等，2017)。泥裂是富含水的沉积物暴露干涸、逐渐收缩形成的(Neuendorf 等，2011)。图7的撞击坑溅射席较同等规模普通撞击坑溅射席大，且其末端有突起壁垒，说明其为壁垒撞击坑，这类撞击坑的形成往往与火星浅表层的水或者冰密切相关(Carr 等，1977)。心滩、泥裂和壁垒撞击坑等地貌特征均间接证实了Evros Vallis曾经有水活动。

这些定量计算的与地球上自然流域十分类似的形态与水文参数以及遥感影像上观察到的地貌特征强烈指示了该流域是长期水流冲刷侵蚀形成，但是水的来源以及具体持续时间还需进一步结合该流域不同地层的有效厚度、整个流域的流速流量等估算结果以及火星表面区域及全球性古地理和古气候等研究成果才能最终确定。

图 6 火星Evros Vallis干流河道CTX影像中观察到的心滩 Figure 6 Typical fluvial landforms observed on CTX images along main stream in Evros Vallis on Mars

图 7 火星Evros Vallis干流下游河道HiRISE影像 Figure 7 HiRISE imagery along downstream channel in Evros Vallis on Mars

本文综合利用高精度高程数据和高分辨率遥感影像提取了火星诺亚高地Evros Vallis和地球类比区新疆塔里木盆地开都河流域的河网水系，并定量计算了二者的河网形态和水文参数，通过对比分析主要得到以下结论：

(1) Evros Vallis观察到了典型河流地貌，以及其河流平均弯曲系数、分叉比、河长比和河网分维数等综合反映流域整体形态特征的参数与地球上自然形成的流域(如塔里木盆地的开都河流域)的形态与水文参数非常相似，这些特征强烈暗示该流域是长期水流冲刷侵蚀形成。

(2) Evros Vallis和开都河流域的地貌发育均处于幼年期刚刚结束，壮年期才开始的阶段，但前者整体发育程度小于后者。

另外，高程数据分辨率会影响河网水系的提取结果，分辨率过低会导致细小支流无法提取，但同一地区河网分维数不会由于使用不同的数据源而发生改变，它是固定的值，可以稳定指示流域的地貌发育阶段，不同数据源能代表的可靠程度不同。

在后续研究中，将利用CTX立体影像生成高精度高分辨率的高程数据，进而精确量测Evros Vallis流域河道宽度、深度等特征参数，然后运用河流动力学模型推算流量、含沙量等关键信息，进一步认识Evros Vallis形成和演化的过程。