九龍江北溪流域河流特征及其構(gòu)造指示意義

田立佳，張明華，張辰光

（1.福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心，福州 350002；

2.廈門(mén)理工學(xué)院空間信息科學(xué)與工程系，廈門(mén) 361024；

3.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，桂林 541001)

九龍江北溪流域河流特征及其構(gòu)造指示意義

田立佳1，張明華2，張辰光3

（1.福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心，福州 350002；

2.廈門(mén)理工學(xué)院空間信息科學(xué)與工程系，廈門(mén) 361024；

3.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，桂林 541001)

本文利用DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用基巖河道侵蝕模型提取九龍江北溪流域的河流下凹程度、陡峭指數(shù)和蜿蜒度等地貌指數(shù)研究北溪流域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)流域地貌參數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)九龍江北溪流域陡峭指數(shù)存在自NW向SE遞減的規(guī)律，陡峭指數(shù)和蜿蜒度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系．排除氣候因素和基巖性質(zhì)等影響因子，認(rèn)為河道陡峭指數(shù)的分布特征揭示了九龍江北溪流域的地殼抬升速率自西北向東南遞減的分布特征，此認(rèn)識(shí)與前人采用精密水準(zhǔn)資料計(jì)算地殼垂直運(yùn)動(dòng)速率結(jié)果相一致。

DEM；河道基巖侵蝕力模型；地貌指標(biāo)；構(gòu)造抬升速率

在活動(dòng)構(gòu)造地區(qū)，河流地貌對(duì)構(gòu)造活動(dòng)具有明顯的響應(yīng)[1-4]。隨著高精度數(shù)字地形數(shù)據(jù)的成功獲取，地貌研究所需的相關(guān)指標(biāo)能夠快速地獲取，大量定性層面上的地貌問(wèn)題能夠通過(guò)模型和數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行驗(yàn)證[5-6]。隨著河流水力侵蝕模型研究的深入，直接從地貌形態(tài)特征上提取地殼運(yùn)動(dòng)的定量信息似乎成為可能。在國(guó)外Whipple等通過(guò)對(duì)美國(guó)加州北部King Range地區(qū)的基巖河道縱剖面分析指出，在巖石抬升速率高的區(qū)域河道比較陡，抬升速率低的區(qū)域較緩[7-8]。相同的結(jié)果在加州的Santa Ynez山脈和San Gabriel山脈也得到印證，陡峭指數(shù)與抬升速率之間有很好的線性關(guān)系[9-10]。 國(guó)內(nèi)趙洪壯等[4]在天山地區(qū)的研究也指出河流的陡峭指數(shù)與河流所對(duì)應(yīng)構(gòu)造抬升速率具有很大的一致性。本文采用DEM數(shù)據(jù)，利用河道水力侵蝕模型和蜿蜒度等地貌模型和指標(biāo),嘗試分析九龍江北溪流域構(gòu)造抬升的空間分布特征。

1研究區(qū)概況

北溪是九龍江的主要支流，發(fā)源于玳瑁山脈，主要位于福建省龍巖市境內(nèi)。北溪流域主要有萬(wàn)安溪、九鵬溪、雁石溪、新橋溪、拱橋溪和溪南河等河流組成，最終匯入九龍江干流(圖1)。北溪流域東西長(zhǎng)約100 km，南北長(zhǎng)約90 km，近方形，平均海拔500m以上，最高海拔1400 m。區(qū)內(nèi)有印支-燕山期的NW和NE向兩條大斷裂。巖性主要花崗閃長(zhǎng)巖為主，夾有少部分閃長(zhǎng)花崗巖。

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文使用的DEM數(shù)據(jù)是30m空間分辨率的GDEM數(shù)據(jù)。2009年美國(guó)航天局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI）共同推出了最新的地球電子地形數(shù)據(jù)ASTER GDEM（先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型），該數(shù)據(jù)是根據(jù)NASA的新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星TERRA的詳盡觀測(cè)結(jié)果制作完成的，是一種非常實(shí)用的區(qū)域地貌分析數(shù)據(jù)源，在國(guó)內(nèi)外的地貌形態(tài)定量分析研究中被廣泛使用。

圖1 九龍江北溪流域DEM及主要水系圖Fig.1 DEMand stream of Beixi river basin,Jiulongjiang area

2.2 地貌量化研究指標(biāo)

2.2.1 河流的蜿蜒度S(sinuosity)

河流的蜿蜒度S(Sinuosity)是地貌指標(biāo)的一種，是衡量河流彎曲程程度。主要是利用河道的長(zhǎng)度(C)和溪谷直線長(zhǎng)度(V)的關(guān)系，其公式為

當(dāng)河流蜿蜒度為1時(shí)，表示河流的高度落差較大，侵蝕能量增大，使得原來(lái)彎曲的河道被切成直線；反之，當(dāng)河流流過(guò)地形高度差較小的區(qū)域，如泛濫平原，水流的流速減緩，下切能量較小，則會(huì)出現(xiàn)側(cè)向侵蝕的現(xiàn)象，因此河道會(huì)開(kāi)始漸漸變蜿蜒。河流蜿蜒度的改變可能是由差異侵蝕所造成，或是受到構(gòu)造活動(dòng)的影響。

2.2.2 河道基巖侵蝕力模型

在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū),基巖河道的發(fā)育和演化能夠記錄構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)該地區(qū)基巖的隆升以及河流的下切過(guò)程。基巖河道侵蝕模型通過(guò)河道縱剖面上的坡度變化與河流集水面積之間的相互關(guān)系來(lái)推導(dǎo)河流與基巖河床之間的營(yíng)力作用。Whipple等[7]的研究中都定義基巖河床侵蝕力模型的公式為：

公式中：dz/dt代表河床高程隨時(shí)間變化的情況。U為構(gòu)造抬升作用引起的地殼抬升速率。

E為河流下切侵蝕速率。A為河道上游的流域面積，S為河道坡度，K為侵蝕系數(shù)，m和n為常數(shù)(代表水文、侵蝕作用等)。

公式的形式正好與大量的實(shí)踐研究[11-14]得出的結(jié)果相吻合,實(shí)踐研究得出河道比降是流域面積的冪函數(shù)∶

即：log(S)=-θ*log(A)+log(K)其中θ=m/n,Ks=(U/K)1/n,參數(shù)θ為均衡河道縱剖面的下凹程度指數(shù)(concavity index)，而 Ks則為均衡河道縱剖面的(steepness index)。可直接在S-A的雙對(duì)數(shù)圖中得到，回歸直線的斜率和截距即為θ和Ks。當(dāng)?shù)匦芜_(dá)到均衡狀態(tài)時(shí)，其集水盆地內(nèi)河流的S-A在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系圖上會(huì)呈現(xiàn)一條直線形態(tài)。

2.3 研究結(jié)果

本文采用研究區(qū)30 m分辨率的ASTER DEM V001為數(shù)據(jù)源，在ArcGIS 9.3中加載并拼接，得到研究區(qū)DEM。通過(guò)ArcGIS中Hydrology分析模塊提取水系及流域，水系提取閾值為40000，對(duì)九龍江北溪流域的6條主要河流進(jìn)行矢量化。并利用Space analysis模塊將提取的河網(wǎng)進(jìn)行處理，得到6條河流的面積高度分布數(shù)據(jù)。然后將河流的面積和坡度數(shù)據(jù)分別取對(duì)數(shù)并進(jìn)行擬合。如圖2，以九鵬溪為例，繪制S-A雙對(duì)數(shù)圖，然后進(jìn)行直線擬合，擬合得到的直線方程為Y=-0.7543X+3.6802，相關(guān)系數(shù)R2=0.991。由以上分析可知萬(wàn)安溪河流下凹程度指標(biāo)θ是0.7414，陡峭指數(shù)Ks是3.8976。用同樣方法生成其他河流的S-A雙對(duì)數(shù)圖，并進(jìn)行直線擬合，得到河流下凹程度θ和和陡峭指數(shù)Ks，擬合的相關(guān)系數(shù)都在0.85以上。并計(jì)算蜿蜒度指數(shù)，各條河流地貌指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

3 討論

3.1 地貌指標(biāo)的結(jié)果分析

以九龍江北溪流域內(nèi)6條河流為研究對(duì)象，對(duì)6條河流的河道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立log(A)-log(S)的關(guān)系圖，并進(jìn)行直線擬合(圖2)，得到河流縱剖面的下凹程度指數(shù)和陡度指數(shù)。從結(jié)果中我們可以發(fā)現(xiàn)九龍江北溪流域6條河流的下凹程度指數(shù)大都在0.7以上。根據(jù)Whipple和Tucker在1999年分析指出在下凹曲度0.5是抬升和侵蝕達(dá)到均衡狀況的理論值。本研究區(qū)河流的下凹程度都在0.5以上，說(shuō)明還處于構(gòu)造的活動(dòng)狀態(tài)。福建省區(qū)域地質(zhì)志等相關(guān)資料也表明此區(qū)域處在北西向和北東向大斷裂形成的斷塊區(qū)域，斷塊抬升較明顯[15]。

從陡峭指數(shù)上來(lái)看在都在3.0以上，并且呈現(xiàn)出從西北向東南遞減的趨勢(shì)。Whipple在研究加利福尼亞州地區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)θ值接近時(shí)，坡度指數(shù)(Ks值)變化趨勢(shì)與該集水盆地構(gòu)造抬升有關(guān)。陳彥杰等[16]在研究臺(tái)灣地區(qū)時(shí)也指出由此可知在θ值相近的條件之下,位于較高抬升速率的地區(qū)，logKs值亦較高；而位于較低抬升速率地區(qū)，集水盆地logKs值則較低。本研究區(qū)內(nèi)位于萬(wàn)安溪(0.74)、九鵬溪(0.75)新橋溪(0.74)、溪南河(0.73)，河流的下凹程度很接近，而坡度指標(biāo)(logKs值)卻呈現(xiàn)由西北向東南減小的規(guī)律(3.8976＞3.6880＞3.6802＞3.3938)。由此我們可以認(rèn)為九龍江北溪流域抬升速率自西北向東南遞減。通過(guò)參閱閩南區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料[15]，這與閩南地區(qū)由西北向東南抬升速率遞減情況相一致。

圖2 九龍江北溪各條河流面積-坡度雙對(duì)數(shù)圖Fig.2 Area-slope double logarithm diagram of Beixi river basin,Jiulongjiang area

表1 九龍江北溪各河流地貌指標(biāo)Table 1 Geomorphology index of Beixi river basin,Jiulongjiang area

河流的蜿蜒度指標(biāo)是本研究中使用的另一個(gè)地貌指標(biāo)，作為一種衡量河流彎曲程度的指標(biāo)。本研究區(qū)內(nèi)6條干流的蜿蜒度都在1.3以上，除了萬(wàn)安溪(1.659)的蜿蜒度較大外，其他幾條河流的蜿蜒度較為接近。萬(wàn)安溪蜿蜒度較大的原因可能一是由于西部NE向和NW向的斷裂或節(jié)理較為發(fā)育，導(dǎo)致河道呈連續(xù)的NE與NW向轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)較大的蜿蜒度。二是現(xiàn)今地貌差異實(shí)際形成時(shí)間較早，西部的河谷實(shí)際也較為成熟（如萬(wàn)安溪中段），因此在河谷中形成蜿蜒性河道。

3.2 地貌指標(biāo)影響因素

河流的下凹程度指標(biāo)θ是受到流域發(fā)育時(shí)間、降水、河床基巖巖性和區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因子影響[17]。(a)就降水因子而言，大的降水量可以增大河流的徑流量，增強(qiáng)河流的侵蝕能力(增大侵蝕系數(shù)K，從而減小河道的陡峭指數(shù)。本研究區(qū)面積是6640 km2，參考九龍江流域降水分布圖可以發(fā)現(xiàn)北溪流域降水年降水量是1200～1400mm，整個(gè)區(qū)域降水分布相對(duì)均勻，無(wú)明顯差異。所以我們認(rèn)為九龍江北溪流域的河道陡峭指數(shù)的變化由降水變化導(dǎo)致可能性較小。(b)河道基巖抗侵蝕能力隨巖石類型的不同而改變，同時(shí)其可侵蝕性可能主要由巖石的破裂程度所決定。研究區(qū)各條河流都是從高海拔地區(qū)流入漳平市區(qū)，整個(gè)區(qū)域多屬于燕山第二構(gòu)造層，研究區(qū)基本上分布鉀長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖等，但都屬于花崗巖，巖性差異較小。所以綜合以上分析可以認(rèn)為影響河道陡峭指數(shù)出現(xiàn)自西北向東南方向遞減，主要是與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)抬升差異有關(guān)。此結(jié)論與劉與錕[18]等人采用精密水準(zhǔn)復(fù)測(cè)資料，利用速率面擬合法研究所得到的地殼垂直運(yùn)動(dòng)的結(jié)果相一致，同時(shí)也驗(yàn)證了在Whipple等人的結(jié)論，即在當(dāng)河流下凹程度（θ值）接近時(shí)，坡度指數(shù)(Ks值)變化趨勢(shì)與該集水盆地構(gòu)造抬升有關(guān)。

4 結(jié)論

通過(guò)基巖河道侵蝕力模型分析，我們發(fā)現(xiàn)九龍江北溪流域的陡峭度指數(shù)分布有自NW向SE遞減的規(guī)律。分析巖性和降水條件對(duì)河道的陡峭指數(shù)影響，在巖性和降水基本相同的條件下，河道陡峭度指數(shù)的變化主要受區(qū)域構(gòu)造抬升速率的影響，在九龍江北溪流域呈現(xiàn)出自西北向東南遞減的趨勢(shì)，與前人采用精密水準(zhǔn)資料計(jì)算地殼垂直運(yùn)動(dòng)速率結(jié)果相一致。

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Geomorphological Features and Its Tectonic Im plication of Beixi River Basin,Jiulongjiang Area,Fujian Province

TIAN Li-Jia1,ZHANGMing-Hua2,ZHANGCheng-Guang3
(1.Spatial Information Engineering Research Center in Fujian,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China;
2.Spatial Science Technology department,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China;
3.College of Earth Science，Guilin University of Technology,Guilin 541001,China)

River concave degree index,steep index and sinuosity index extracted from DEM data by using bedrock channel erosionmode are used for reveal the geologic structure activity characteristics in Beixi river basin,Jiulongjiang area.Through the analysis of geomorphic parameters,there is the law of dim inishing from northwest to southeast.Rule out Climate factors and back rock factors,we consider that the distribution of river steep index reveals the regularity of uplift rate change (dim inishing from northwest to south east)of Beixi river basin,Jiulongjiang area,which is sim ilar to the resultof crustmovement rate from usingmethod of precision levelmaterial calculating vertical.

DEM;riverbedrock erosion forcemodel;geomorphic characteristic;tectonic uplift rate

P941.77；P542+.1

A

1007-3701(2012)01-079-05

2011-06-20；

2011-09-02

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2007BAH16B01）

田立佳(1985—)，男，在讀研究生，研究方向：地質(zhì)遙感和GIS應(yīng)用,Email：tljtzf@126.com