岷江上游流域地貌发育阶段

陈 浩， 董廷旭， 李 勇， 文星跃

（1.绵阳师范学院 资源环境工程学院，四川 绵阳621006； 2.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610059；3.西华师范大学 国土资源学院，四川 南充637002）

水系对于构造、气候等外部变量因素的改变非常敏感，水系演化通常记录了造山带系统新近时期的细微变动，因而，地质构造活跃区域水系发育模式及其对构造活动、气候条件的响应机制一直以来是构造地貌与河流地貌研究的热点［1］.大致呈南北向展布的岷江上游流域盆地，位于第四纪以来活动较为强烈的岷山构造带西缘和龙门山构造带北侧，虽然一些学者对岷江水系特征进行了较为深入的分析，但研究重心主要集中于岷江下切过程、河流阶地样式与区域隆升的耦合关系［2-10］，有关岷江上游流域地貌发育期次的研究目前还未见报道.近年来，地理信息系统技术的不断发展和数字高程模型（DEM）数据的应用使地貌过程研究由定性向定量化阶段转变［11］.基于DEM数据提取符合实际状况的水系网络是岷江上游流域地貌发育阶段研究的前提，最佳集水面积阈值的确定是水系网络提取过程中的关键环节，目前，基于DEM确定最佳集水面积阈值的方法主要包括流域宽度法、河网密度法、分形法和二阶导数法等［12-17］，虽然这些方法可以较准确地提取最佳河网阈值，但是仍然存在一定的主观性及不便捷性.常直杨等［18］通过均值变点法获取了青藏高原东缘杂谷脑河流域河网密度值变化的拐点，并计算了该流域最佳集水面积阈值，证明均值变点法可以较为准确地确定河网的提取阈值，所提取河网与实际河网相比误差小、可信度高.本次研究利用均值变点法确定最佳集水面积阈值，在此基础上提取岷江上游流域地表水系网络，分析岷江干流东西两侧各亚流域盆地的发育阶段，从而为深入研究青藏高原东缘隆升历史提供地貌依据.

1 研究区概况

发源于岷山南麓郎架岭的岷江是长江水量最大的一级支流，其干流河道自北向南穿行于崇山峻岭之间，进入都江堰灌区后，都江堰引水枢纽鱼嘴将干流河道分为内外两江，两江在彭山江口镇复合后南流至乐山市，右纳大渡河和青衣江，至宜宾汇入长江.岷江源头至都江堰鱼嘴段为岷江上游，全长约340 km，流域面积约为21 580 km2.岷江上游地处北西西向的松潘—甘孜地槽褶皱带、近东西向的西秦岭地槽褶皱带和北东向的龙门山断裂带的交汇部位，焚风效应显著，使岷江上游干流沿线形成典型干热河谷，河谷两岸植被稀疏，表土裸露.在岷江上游地区，主要发育2个活动断层体系，北部为岷山构造带西缘的岷江断裂，南部为龙门山冲断带的汶川—茂县断裂.岷江上游干流河道沿岷江断裂和汶川—茂县断裂南流，横切龙门山构造带，向东注入成都盆地.

2 研究方法

对岷江上游流域地貌发育阶段进行研究，运用均值变点法确定水系网络提取的最佳集水面积阈值，以此为基础生成岷江上游水系网络；以各支流和岷江干流河道的交汇点作为各亚流域盆地的汇水点，利用起伏比法对所提取岷江干流东西两侧各亚流域盆地的发育阶段进行划分，进而探讨岷江上游流域地貌发育阶段的特征.

2.1 均值变点法目前，ArcGIS水文分析模块是最常用的流域水系网络提取工具.其基本原理为：在对DEM图进行填洼处理生成无洼地图件的基础上，运用D8算法确定水流离开每一个栅格后的流向，再根据水流方向数据统计区域汇流累积量，基于汇流累积量设置不同集水面积阈值，以所设置阈值的数值为基准，经过栅格运算和矢量化处理，生成最终水系网络.值得注意的是，集水面积阈值大小与所提取河网疏密程度呈反比，即随着阈值由小变大，河网结构由密集趋于稀疏，究其原因，主要是随着集水面积阈值的增大，汇流累积栅格中超过集水面积阈值的栅格变少，河道起点位置向地势平坦处“退缩”［18］.因而，集水面积阈值的确定是水系网络准确提取的关键因素.

均值变点分析法是确定集水面积阈值较为成熟的方法.如前所述，随着集水面积阈值的增大，提取的水系将变得稀疏，河网密度会逐渐降低.河网密度曲线存在一个由陡变缓的拐点，拐点所对应的阈值即为研究区域最佳集水面积阈值.为确定这一拐点［18-21］，设样本数为N，样本以Xi点为界分为2段，分别计算每段样本的算术平均值¯xi1和¯xi2及全体样本均值¯x，有

其中，Si为样本分段后的统计量，S为原始样本统计量，N为样本数，下脚标t1=1，2，…，i-1；t2=i，i+1，…，N.S和Si的最大差值对应的点即为河网密度曲线由陡变缓的拐点，其对应的阀值即为最佳集水面积阈值.

2.2 起伏比法起伏比法能够对流域地貌发育阶段进行定量描述，在地貌学研究中得到了广泛的应用［22-23］.

将都江堰市定义为整个岷江上游流域盆地的汇水点，在岷江干流东西两侧系统提取研究区域所有亚流域盆地.在此基础上，通过起伏比法分析各亚流域盆地发育阶段的期次.

式中，HI为亚流域盆地的起伏比，Hmean为亚流域盆地平均高程（m），Hmax为亚流域盆地最大高程（m），Hmin为亚流域盆地最小高程（m）.按照戴维斯地貌旋回理论，流域地貌演化时间越长，侵蚀程度越高，起伏比越低.当HI＜0.4时，地貌处于均衡发育阶段，为地貌发育的老年期；反之，当HI＞0.6时，地貌发育阶段为幼年期；HI值介于两者之间时，则为地貌发育的壮年期阶段［11］.为了更详细地划分研究区各亚流域盆地的地貌发育期次，将起伏比为0.4～0.5的壮年期细化为晚壮年期，0.5～0.6的壮年期细化为早壮年期.

3 结果与讨论

3.1 水系网络生成本次研究采用的集水面积阈值为栅格的数目，试验设置的栅格数目分别为1 000、2 000、3 000、4 000、…17 000、18 000、19 000、20 000.从图1可以看出，随着集水面积阈值（栅格数目）由小变大，岷江上游流域河网趋于稀疏，其密度值逐渐减小，集水面积阈值与河网密度拟合方程的判定系数R2=0.952 8，拟合效果较好.进一步分析可知，随着阈值增加，河网密度在最初阶段迅速减小，当达到某一阈值时，河网密度的减速变缓而趋于相对平稳，减速变缓所对应阈值即为研究区域最佳集水面积阈值.

由图1可知，河网密度曲线必然存在一个由陡变缓的拐点，且该点唯一.由（1）式计算出S和Si的差值，最大差值对应的点即为河网密度曲线由陡变缓的拐点，其对应的最佳集流阈值栅格数目为4 000（图2），据此通过ArcGIS水文分析模块所提取的水系网络如图3.

图1 河网密度与集水面积阈值（栅格数目）的拟合曲线Fig.1 The fitting curve of drainage density and threshold value of accumulation area（grid number）

图2 原始样本统计量S和分段样本统计量Si差值变化曲线Fig.2 Change curve of the difference value between original samples statistics S and segmented samples statistics Si

3.2 流域发育阶段划分将岷江上游干、支流交汇点作为各亚流域盆地汇水点，在研究区域系统提取136个亚流域盆地，其中，1＃～66＃盆地位于岷江干流东侧，67＃～136＃盆地位于岷江干流西侧.利用起伏比法计算各亚流域盆地发育期次，计算结果见表1和图4.

表1 岷江上游各发育期次亚流域盆地面积、周长占比Tab.1 The proportion of area and perimeter of Minjiang drainge sub-basins in different development periods

从图3和图4可以较为直观地看出，岷江干流河道两侧亚流域盆地呈不对称分布特征，干流西岸支流数量多、流程长，东岸支流数量少、流程短，面积较大的亚流域盆地主要分布于岷江干流河道西岸的川西高原之上.究其原因，主要是川西高原广阔、平坦的地表为各支流水系提供了足够的发展演化空间.另外，由图4可知，岷江干流河道主要沿呈近南北走向的岷江断裂和呈北东—南西走向的汶川—茂县断裂发育，河谷的位置与断裂的位置基本重叠，表明岷江上游干流水系的流向主要受断裂带及与之大致平行的岩层破碎带所控制.断裂的逆冲及右旋走滑活动易造成岩石破碎，从而在岩石表面形成抗风化软弱带，河流易于沿薄弱的抗风化软弱带下蚀，使河流的平面展布方向与活动断裂的走向一致.

图3 岷江上游流域水系网络（集流阀值4 000）Fig.3 Drainage networks in the upper reaches basin of Minjiang river

从地貌发育期次定量统计数据看（表1），在岷江上游流域，处于早壮年期发育阶段的亚流域盆地表现为数量多（70个）、总面积大（总面积为17 844.74 km2，占研究区面积的82.69%）、总周长长（总周长为3 411.70 km，占研究区亚流域盆地总周长的63.20%）等特征.从各发育期次亚流域盆地空间分布状况看，岷江上游流域各亚流域盆地呈现出较明显的区域分异特征.岷江断裂和汶川—茂县断裂所围合川西高原地区的大型亚流域盆地（小姓沟盆地、松坪沟盆地、黑水河盆地、杂谷脑河盆地和渔子溪盆地等）均处于早壮年期发育阶段（这亦是该发育阶段亚流域盆地在总面积、总周长均占优势的主要原因）.总体来看，断裂围合区亚流域盆地发育期次比断裂外侧（岷山断块和龙门山冲断带地区）亚流域盆地发育期次相对年轻.进一步分析可知，岷江断裂和汶川—茂县断裂均为逆断层，其断层面倾向分别为正西向和北西向，即断裂所围合川西高原地区在上述两条断裂带上均为上盘块体，断裂活动驱动的逆冲作用导致断裂上盘区域沿断层面垂直隆升，且两条断裂带自第四纪以来活动均较为强烈；因而，位于川西高原之上的亚流域盆地地表抬升迅速、水流侵蚀剧烈、水系不断扩展分支，亚流域盆地处于不均衡发育状态.反之，由于逆断层下盘区域地表相对稳定，水流侵蚀程度和支流水系扩展程度均不及上盘区域，亚流域盆地发育趋于平稳化和老龄化；因而，处于老年期发育阶段的亚流域盆地几乎都位于断裂带外侧的断层下盘块体之上（图4）.

图4 岷江上游流域亚流域盆地发育期次Fig.4 Geomorphologic development stage of the upper reaches of Minjiang drainge basin

4 结论

基于DEM数据，以ArcGIS水文分析模块为技术平台，系统提取岷江上游流域盆地地表水系网络，并对岷江干流东、西两侧亚流域盆地的周长、面积、演化阶段进行统计，得到如下结论：

1）随着集水面积阈值由小到大变化，所提取的河网结构由复杂趋于稀疏，通过均值变点法获取河网密度值变化拐点，计算出岷江上游流域最佳集流阈值的栅格数目为4 000，以此为基础生成研究区域水系网络.

2）将都江堰市定义为整个岷江上游流域盆地的汇水点，将各支流与岷江干流河道的交汇点作为各亚流域盆地的汇水点，在研究区域系统提取136个亚流域盆地，与干流东岸亚流域盆地相比，岷江干流西岸亚流域盆地表现为盆地面积大、周长和水系总长度长等特征.究其原因，主要是干流西岸的川西高原为各支流水系发育提供了广阔演化空间.

3）由于岷江断裂和汶川—茂县断裂所围合川西高原地区的大型亚流域盆地（小姓沟盆地、松坪沟盆地、黑水河盆地、杂谷脑河盆地、渔子溪盆地等）主要位于断裂上盘块体区域，上盘区域的逆冲活动导致位于其上的亚流域盆地处于不均衡发育状态.因此，断裂所围合川西高原区域的亚流域盆地发育期次总体上比断裂外侧岷山断块和龙门山冲断带地区的亚流域盆地发育期次相对年轻.