九龙江北溪流域河流特征及其构造指示意义

田立佳，张明华，张辰光

（1.福州大学福建省空间信息工程研究中心，福州 350002；

2.厦门理工学院空间信息科学与工程系，厦门 361024；

3.桂林理工大学地球科学学院，桂林 541001)

九龙江北溪流域河流特征及其构造指示意义

田立佳1，张明华2，张辰光3

（1.福州大学福建省空间信息工程研究中心，福州 350002；

2.厦门理工学院空间信息科学与工程系，厦门 361024；

3.桂林理工大学地球科学学院，桂林 541001)

本文利用DEM数据，运用基岩河道侵蚀模型提取九龙江北溪流域的河流下凹程度、陡峭指数和蜿蜒度等地貌指数研究北溪流域地质构造活动特点。通过对流域地貌参数的分析发现九龙江北溪流域陡峭指数存在自NW向SE递减的规律，陡峭指数和蜿蜒度有很好的对应关系．排除气候因素和基岩性质等影响因子，认为河道陡峭指数的分布特征揭示了九龙江北溪流域的地壳抬升速率自西北向东南递减的分布特征，此认识与前人采用精密水准资料计算地壳垂直运动速率结果相一致。

DEM；河道基岩侵蚀力模型；地貌指标；构造抬升速率

在活动构造地区，河流地貌对构造活动具有明显的响应[1-4]。随着高精度数字地形数据的成功获取，地貌研究所需的相关指标能够快速地获取，大量定性层面上的地貌问题能够通过模型和数学运算进行验证[5-6]。随着河流水力侵蚀模型研究的深入，直接从地貌形态特征上提取地壳运动的定量信息似乎成为可能。在国外Whipple等通过对美国加州北部King Range地区的基岩河道纵剖面分析指出，在岩石抬升速率高的区域河道比较陡，抬升速率低的区域较缓[7-8]。相同的结果在加州的Santa Ynez山脉和San Gabriel山脉也得到印证，陡峭指数与抬升速率之间有很好的线性关系[9-10]。 国内赵洪壮等[4]在天山地区的研究也指出河流的陡峭指数与河流所对应构造抬升速率具有很大的一致性。本文采用DEM数据，利用河道水力侵蚀模型和蜿蜒度等地貌模型和指标,尝试分析九龙江北溪流域构造抬升的空间分布特征。

1研究区概况

北溪是九龙江的主要支流，发源于玳瑁山脉，主要位于福建省龙岩市境内。北溪流域主要有万安溪、九鹏溪、雁石溪、新桥溪、拱桥溪和溪南河等河流组成，最终汇入九龙江干流(图1)。北溪流域东西长约100 km，南北长约90 km，近方形，平均海拔500m以上，最高海拔1400 m。区内有印支-燕山期的NW和NE向两条大断裂。岩性主要花岗闪长岩为主，夹有少部分闪长花岗岩。

2 数据和研究方法

2.1 遥感数据

本文使用的DEM数据是30m空间分辨率的GDEM数据。2009年美国航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）共同推出了最新的地球电子地形数据ASTER GDEM（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型），该数据是根据NASA的新一代对地观测卫星TERRA的详尽观测结果制作完成的，是一种非常实用的区域地貌分析数据源，在国内外的地貌形态定量分析研究中被广泛使用。

图1 九龙江北溪流域DEM及主要水系图Fig.1 DEMand stream of Beixi river basin,Jiulongjiang area

2.2 地貌量化研究指标

2.2.1 河流的蜿蜒度S(sinuosity)

河流的蜿蜒度S(Sinuosity)是地貌指标的一种，是衡量河流弯曲程程度。主要是利用河道的长度(C)和溪谷直线长度(V)的关系，其公式为

当河流蜿蜒度为1时，表示河流的高度落差较大，侵蚀能量增大，使得原来弯曲的河道被切成直线；反之，当河流流过地形高度差较小的区域，如泛滥平原，水流的流速减缓，下切能量较小，则会出现侧向侵蚀的现象，因此河道会开始渐渐变蜿蜒。河流蜿蜒度的改变可能是由差异侵蚀所造成，或是受到构造活动的影响。

2.2.2 河道基岩侵蚀力模型

在构造活动强烈的地区,基岩河道的发育和演化能够记录构造运动对该地区基岩的隆升以及河流的下切过程。基岩河道侵蚀模型通过河道纵剖面上的坡度变化与河流集水面积之间的相互关系来推导河流与基岩河床之间的营力作用。Whipple等[7]的研究中都定义基岩河床侵蚀力模型的公式为：

公式中：dz/dt代表河床高程随时间变化的情况。U为构造抬升作用引起的地壳抬升速率。

E为河流下切侵蚀速率。A为河道上游的流域面积，S为河道坡度，K为侵蚀系数，m和n为常数(代表水文、侵蚀作用等)。

公式的形式正好与大量的实践研究[11-14]得出的结果相吻合,实践研究得出河道比降是流域面积的幂函数∶

即：log(S)=-θ*log(A)+log(K)其中θ=m/n,Ks=(U/K)1/n,参数θ为均衡河道纵剖面的下凹程度指数(concavity index)，而 Ks则为均衡河道纵剖面的(steepness index)。可直接在S-A的双对数图中得到，回归直线的斜率和截距即为θ和Ks。当地形达到均衡状态时，其集水盆地内河流的S-A在双对数坐标关系图上会呈现一条直线形态。

2.3 研究结果

本文采用研究区30 m分辨率的ASTER DEM V001为数据源，在ArcGIS 9.3中加载并拼接，得到研究区DEM。通过ArcGIS中Hydrology分析模块提取水系及流域，水系提取阈值为40000，对九龙江北溪流域的6条主要河流进行矢量化。并利用Space analysis模块将提取的河网进行处理，得到6条河流的面积高度分布数据。然后将河流的面积和坡度数据分别取对数并进行拟合。如图2，以九鹏溪为例，绘制S-A双对数图，然后进行直线拟合，拟合得到的直线方程为Y=-0.7543X+3.6802，相关系数R2=0.991。由以上分析可知万安溪河流下凹程度指标θ是0.7414，陡峭指数Ks是3.8976。用同样方法生成其他河流的S-A双对数图，并进行直线拟合，得到河流下凹程度θ和和陡峭指数Ks，拟合的相关系数都在0.85以上。并计算蜿蜒度指数，各条河流地貌指标结果如表1所示。

3 讨论

3.1 地貌指标的结果分析

以九龙江北溪流域内6条河流为研究对象，对6条河流的河道进行统计，建立log(A)-log(S)的关系图，并进行直线拟合(图2)，得到河流纵剖面的下凹程度指数和陡度指数。从结果中我们可以发现九龙江北溪流域6条河流的下凹程度指数大都在0.7以上。根据Whipple和Tucker在1999年分析指出在下凹曲度0.5是抬升和侵蚀达到均衡状况的理论值。本研究区河流的下凹程度都在0.5以上，说明还处于构造的活动状态。福建省区域地质志等相关资料也表明此区域处在北西向和北东向大断裂形成的断块区域，断块抬升较明显[15]。

从陡峭指数上来看在都在3.0以上，并且呈现出从西北向东南递减的趋势。Whipple在研究加利福尼亚州地区时，发现当θ值接近时，坡度指数(Ks值)变化趋势与该集水盆地构造抬升有关。陈彦杰等[16]在研究台湾地区时也指出由此可知在θ值相近的条件之下,位于较高抬升速率的地区，logKs值亦较高；而位于较低抬升速率地区，集水盆地logKs值则较低。本研究区内位于万安溪(0.74)、九鹏溪(0.75)新桥溪(0.74)、溪南河(0.73)，河流的下凹程度很接近，而坡度指标(logKs值)却呈现由西北向东南减小的规律(3.8976＞3.6880＞3.6802＞3.3938)。由此我们可以认为九龙江北溪流域抬升速率自西北向东南递减。通过参阅闽南区域地质构造资料[15]，这与闽南地区由西北向东南抬升速率递减情况相一致。

图2 九龙江北溪各条河流面积-坡度双对数图Fig.2 Area-slope double logarithm diagram of Beixi river basin,Jiulongjiang area

表1 九龙江北溪各河流地貌指标Table 1 Geomorphology index of Beixi river basin,Jiulongjiang area

河流的蜿蜒度指标是本研究中使用的另一个地貌指标，作为一种衡量河流弯曲程度的指标。本研究区内6条干流的蜿蜒度都在1.3以上，除了万安溪(1.659)的蜿蜒度较大外，其他几条河流的蜿蜒度较为接近。万安溪蜿蜒度较大的原因可能一是由于西部NE向和NW向的断裂或节理较为发育，导致河道呈连续的NE与NW向转折，出现较大的蜿蜒度。二是现今地貌差异实际形成时间较早，西部的河谷实际也较为成熟（如万安溪中段），因此在河谷中形成蜿蜒性河道。

3.2 地貌指标影响因素

河流的下凹程度指标θ是受到流域发育时间、降水、河床基岩岩性和区域构造运动等因子影响[17]。(a)就降水因子而言，大的降水量可以增大河流的径流量，增强河流的侵蚀能力(增大侵蚀系数K，从而减小河道的陡峭指数。本研究区面积是6640 km2，参考九龙江流域降水分布图可以发现北溪流域降水年降水量是1200～1400mm，整个区域降水分布相对均匀，无明显差异。所以我们认为九龙江北溪流域的河道陡峭指数的变化由降水变化导致可能性较小。(b)河道基岩抗侵蚀能力随岩石类型的不同而改变，同时其可侵蚀性可能主要由岩石的破裂程度所决定。研究区各条河流都是从高海拔地区流入漳平市区，整个区域多属于燕山第二构造层，研究区基本上分布钾长花岗岩、二长花岗岩等，但都属于花岗岩，岩性差异较小。所以综合以上分析可以认为影响河道陡峭指数出现自西北向东南方向递减，主要是与区域构造活动抬升差异有关。此结论与刘与锟[18]等人采用精密水准复测资料，利用速率面拟合法研究所得到的地壳垂直运动的结果相一致，同时也验证了在Whipple等人的结论，即在当河流下凹程度（θ值）接近时，坡度指数(Ks值)变化趋势与该集水盆地构造抬升有关。

4 结论

通过基岩河道侵蚀力模型分析，我们发现九龙江北溪流域的陡峭度指数分布有自NW向SE递减的规律。分析岩性和降水条件对河道的陡峭指数影响，在岩性和降水基本相同的条件下，河道陡峭度指数的变化主要受区域构造抬升速率的影响，在九龙江北溪流域呈现出自西北向东南递减的趋势，与前人采用精密水准资料计算地壳垂直运动速率结果相一致。

[1]郑文涛，杨景春，段锋军．武威盆地晚更新世河流阶地变形与新构造活动[J]．地震地质，2000,22（3）：218-228．

[2]杨晓平，邓起东，张堵晨．利用阶地变形资料研究北天山吐谷鲁逆断裂--背斜带晚更新世以来的褶皱变形特征[J]．活动断裂研究，1995,26（3）：46-62．

[3]史兴民，李有利，杨景春．新疆玛纳斯河山前地貌对构造活动的响应[J]．地质学报，2008,82（2）：281-288．

[4]赵洪壮，李有利，杨景春，等．天山北麓河流纵剖面与基岩侵蚀模型特征分析[J]．地理学报,2010,64（5）：563-570．

[5]Burbank D W,Anderson R S.Tectonic geomorphology[J]. Blackwell Science,2001,(30)∶214-220.

[6]张会平，杨农，张岳桥．岷江水系流域地貌特征及其构造指示意义[J]．第四纪研究，2006,26（1）：126-135．

[7]Wobus C,Whipple K X,Kirby E,et al.Tectonics from topography∶procedure,promise,and pit falls[J].Geol.Soc. Am.Spec.Pap.,2006,398∶55-74.

[8]Snyder N P,Whipple K X,Tucker G E,et al.Landscape response to tectonic forcing∶digital elevation model analysis of stream profiles in the Mendocino triple junction region,northern California.[J].Geol.Soc.Am.Bull.,2000, 112∶1250-1263.

[9]Whipple K X,Tucker G E.Dynamics of the stream-power river incision model∶implications for height limits of mountain ranges,landscape response timescales,and research needs[J].Journal of Geophysics Research,1999, 104∶17661-1767.

[10]Howard,Dietrich W E,Seidl M A.Modeling fluvial erosion on regional to continental scales [J].Journal of Geophysics Research,1994,99∶11398-13971.

[11]黄筱婷．嘉义地区的相对构造活动速率及其与地表地形的相关性：利用河流水力侵蚀模型[D]．台北：台湾大学，2008，34-39．

[12]Howard K A.Channel changes in badlands[J].Geol.Soc. Am.Bull.,1983,94∶739-752.

[13]Hack J T.Studies of longitudinal stream profiles in Virginia and Mary land [J].US Geol.Surv.Prof.Pap., 1957,294∶45-75.

[14]Flint J.Stream gradient as a function of order,magnitude, and discharge [J].Water Resource Research,1974,10∶969-973.

[15]福建省地质矿产局．福建省区域地质志[M]．地质出版社，1985,3-15

[16]陈彦桀，宋国城．非均衡山脉的河流水力侵蚀模型[J]．科学通报，2006,51（7）：865-870．

[17]张会平，张培震，吴庆龙，等．循化 -贵德地区黄河水系河流纵剖面形态特征及其构造意义 [J]．第四纪研究，2008,28（2）：300-3209．

[18]刘与锟，郭逢英，陈兆煌，等.福建省现代地壳垂直运动与断裂活动[J].地壳形变与地震，1998，18（4）：68-73

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

国家科技支撑计划项目（2007BAH16B01）

田立佳(1985—)，男，在读研究生，研究方向：地质遥感和GIS应用,Email：tljtzf@126.com