贺兰山水系流域地貌特征及其构造指示意义

1、贺兰山水系流域地貌特征及其构造指示意义摘要：基于Arcgis9.3 提取了贺兰山河流水系流域的地貌特征，并计算面积高程积分及河流纵剖面的凹度值。通过对比分析该区河流的面积高程积分值及凹度值，结合前人研究结果，探讨了贺兰山区河流发育阶段及两种指标对区域构造活动的指示意义。研究发现，该区河流大多处于中年期，及中年向老年过渡的阶段，反映该区构造侵蚀之间基本均衡。并发现，两种指标同常规地貌指标（流域落差，流域面积，河长）之间存在一定的关系。关键词：面积高度积分；凹度；构造活动；贺兰山0 引言河流系统的演化受到一系列因子的影响，如地形、水文、流域地质、气候以及沉积物源1。隔离其中某一因子去探讨其他因子对

2、河流的影响相当复杂2，但这为我们研究单一因子对河流演化的贡献提供了可能。在构造活跃区，剔除其他因子的干扰，流域表现出来的形态也可以被用来反演区域的构造活动。河流对构造活动的微妙变化十分敏感3。通过对河流地貌因子的提取，可以帮助我们分析某一区域的构造活动状况。本文基于 Arcgis9.3 和ASTER 30m DEM 数据，提取贺兰山河流地貌指标，以Strahler曲线和河流纵剖面凹度两个指标进行分析，探讨贺兰山区河流发育阶段及其所反映的区域构造活动状况。1 研究区概况贺兰山为一地垒式山地，山地东西麓均有巨大的山前隐状断裂。其山体狭长，呈南北走向，全长110km，东西宽2040km。贺兰山处于我

3、国南北构造带的北端，新生代以来以大陆内部的伸展变形为主，受青藏高原东北源的挤压，形成一系列内部断裂4。地形地貌上表现为西缓东陡，北宽南窄，平均海拔约1800m，最高峰敖包疙瘩3556m。贺兰山位于我国季风季候与非季风气候，荒漠草原与荒漠的过渡带。水源补给主要来源于降水，且降水集中于6-8 月份5-6，因此山内河流多为季节性河流2 水系及流域的提取以 30m 分辨率的ASTER DEM V001 为数据源，在Acrgis9.3 中加载并拼接，得到研究区DEM（图1）根据前人关于贺兰山断裂的研究4,7-8，并参考山脉两侧洪积扇扇口的分布，裁切得到贺兰山地区的DEM 图。通过Arcgis 中hydr

4、ology 分析模块提取水系及流域，水系提取阈值为40000。利用 3D analysis 模块将提取的河网进行处理，得到12 条河流的纵剖面图及河道高程数据3 地貌指标的应用本文主要运用Strahler 曲线、河流纵剖面及凹度指标进行该区河流的分析。3.1 Strahler 曲线Langbein9首次提出将流域面积与高程联系起来，分析它们之间的关系。Strahler10将这种方法进行推广和完善，并将这种关系曲线称之为hypsometric curve，后人称为Strahler 曲线，这种方法称为面积高程积分法。利用空间分析模块中的Tabulate areas 工具进行各个流域的等高线截取面积

5、计算，得到各流域的面积高程分布数据。在origin8 中导入数据，得出河流的Strahler 曲线图.Strahler 通过统计分析，结合Davis 关于河流演化阶段的理论，将HI 值划分为三类：0.60；分别对应于河流的老年期、中年期和幼年期。这种经典的划分方案被广为运用。承继成11认为，上述划分的取值只是经验值，实际上，在跨越临界值0.35,0.60 时，河流侵蚀状态并不会发生突变性的变化，因此，将其认为是一个过渡带即0.300.40；0.600.70 更加合理。按照承继成的建议，该区不存在处于幼年期的河流，大部分河流（7 条）处于中年期，1 条（R8）处于老年期，4 条河流处于由中年期向

6、老年期的转化过渡阶段。3.2 河流纵剖面及凹度理想的河流纵剖面可以用以河口为坐标原点的抛物线进行拟合12-13,h=A*ln 或h/H=(l/L)n其中 H，L 分别为河流的总落差和长度，h，l 分别为河谷纵剖面上某点与河口间的高差，该点距河口的水平距离。h，H 单位为m；l，L 单位为km。形态指标n0，为河流纵剖面的凹度值，代表剖面曲线的弯曲状态，其中n1，曲线下凹。据许炯心12，河流出山口以上的河流纵剖面的凹度曲线主要反映山区的构造及岩性，出山口以下的平原河段主要反映气候等因子。故上图对12 支沟谷的拟合结果，均以出山口为河口。通过拟合发现（图4），12 条河流的凹度值均大于1，全为下凹

7、型。说明河流处在由深切下蚀向侧向拓宽的阶段，对应于河流发育阶段的中年期向老年期的过渡阶段。其中R1、R7、R11 凹度值接近于1，其河谷纵剖面曲线接近直线形，反映河流发育的均衡调整阶段，对应于中年期；而其余河流凹度值较大，以R3、R9 最大，理论上应比其他河流更靠近老年期。4 地貌指标分析与讨论4.1 两种指标的影响因素分析Strahler 曲线是河流纵剖面的一种反映，因此影响河流演化的因素必然也影响Strahler曲线。大量研究发现，Strahler 曲线对构造、岩性和气候等外力的变化较为敏感，且与抬升速率成显着正相关14-15。DEM 数据精度影响水系和流域提取的精度。而众多学者研究发现1

8、5-17，DEM 数据的分辨率几乎不影响所得出的Strahler 曲线及HI 值。Lifton14通过对加利福尼亚圣盖博山的研究发现：研究所采用的活动窗口的大小不同，反映出的影响面积高度积分的主因子也不同。在采用大的活动窗口（1000km2）时，构造活动为主导影响因子；在选取较小的活动窗口（100km2）时，岩性的影响则更为重要。信忠保17等对黄土高原面积高度积分研究时，也发现了类似现象。Masek 18等通过对Andean 高原中部的两个大尺度流域盆地的Strahler 曲线的对比研究提出，气候因子对HI 值存在影响。Hurtrez15在对Siwalik 山脉研究时，选取17 个流域盆地，其

9、气候、岩性及其他条件相似，比较流域面积对HI 值的影响，结果发现流域面积大小与HI 值之间存在一定关系。凹度作为河流纵剖面弯曲程度的一种指示，同样受到构造、气候及岩性的影响12。构造沉降，降水的增大等均会导致凹度值的降低，形成下凹形的河流剖面。虽然诸多学者对影响HI 值及凹度的因素进行了探讨，但它们之间具体的定量关系仍不清楚，干扰因子的排除也不很理想。4.2 HI 与凹度值反映的构造侵蚀状态贺兰山主体大致呈南北走向，东侧夏季受到东南季风的影响降水较多，西侧则为雨影区，降水稀少。总体而言：东坡年均温、年降水均大于西坡。但是东坡的蒸发量远大于西坡，其结果是从植被上看：贺兰山东坡植被覆盖较差，西坡虽

10、然降水少，但湿度却很大，植被覆盖好于东坡。从降水的季节分布而言，东坡降水季节性明显，集中于夏季，多以暴雨形式出现；西坡降水较少，而各季节分布均匀。因此，东西坡的有效水量补给差异不太。由于贺兰山断裂众多，岩体主要为原生及风化基岩。另据刘建辉等4，整个贺兰山的地表条件、岩石类型及气候条件基本一致，其剥露作用的空间分布特征显然受控于贺兰山晚新生代以来的构造变形样式。因此，在气候、岩性差异较小的情况下，本文排除二者对两种指标的影响，探讨它们指示的构造意义。从 12 条河流的HI 来看，几乎全部河流均处在中年期的均衡调整阶段，不存在深切侵蚀的幼年期河流。从凹度值来看，12 条河全部为下凹形曲线，对应于由

11、均衡向老年期演化的阶段。由此得出，贺兰山构造侵蚀基本达到均衡且侵蚀逐渐成为主导河流演化的主因。5 各个指标之间的关系通过统计分析发现，河流落差，河长，流域面积，HI 值，凹度值之间存在一些关系。尽管两种指标所揭示的区域总体构造侵蚀状况相似，但HI 值与凹度值之间仍存在一些差异。按照Strahler 的解释，HI 值越小，河流越接近演化生命周期的老年阶段。理论上HI值越小，则河流的凹度值越大。为了探讨集中指标间的关系，笔者将五种地貌指标按统一标准进行标准化，将12 条河流的各指标值按散点作图（图5）。从图6 中不难发现，二者之间并没有完美的匹配。可以看出，各指标之间存在一些关系：(1)河流落差与

12、HI 值、凹度呈现出相似的变化趋势；(2) 流域面积和河流长度之间有很好的相关性；(3)凹度与HI 值之间大致存在一致性，但有差异。这些关系不难理解：在同一地区，河流长度的增加，必然引起其影响区域的扩大，故而导致流域面积的增加。河流发展过程中总是在不断溯源侵蚀，降低总坡降；而落差越大，总比降也越大，其越不易接近于均衡，因此其面积高度积分值也越大；河流纵剖面也越来越凸，凹度值降低。本文只是从数值上分析了几种指标之间的变化趋势关系，并没有从指标之间的相关性，量化关系趋探讨。但总可以看出，它们之间必然存在着某种联系。6 结论本文基于 Arcgis9.3 提取贺兰山水系、流域及其地貌指标。通过对Str

13、ahler 曲线及河流纵剖面凹度的分析，12 条河流的HI 值与凹度值均表明：贺兰山区的河流大多处于中年期，少数处于老年及中老年过渡期。说明贺兰山整体构造侵蚀基本均衡，且侵蚀将逐渐成为主导。参考文献 (References)1 Tooth S, McCarthy T S, Brandt D et al. Geological controls on the formation of alluvial meanders andfloodplain wetlands: the example of the Kilip River, Eastern Free State, South AfricaJ

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