桐柏-大别山区流域地貌特征及其指示意义

李宗盟,雷笑迎,韩震东,乔 强,闫军辉

(1. 信阳师范大学 地理科学学院/中国南北过渡带研究中心, 河南 信阳 464000; 2. 武汉大学 资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430072)

0 引言

流域地貌形态是区域内外营力相互作用的结果,因此地貌形态特征常被用来反演区域的营力过程[1-2]。自20世纪中叶地理学计量革命以来,基于数值分析的地貌形态参数已被广泛地应用于区域地貌演变的研究之中[3-4],并极大地推动了地貌学的定量化研究。

常用的地貌形态参数多达数十种,它们分别在不同时空尺度上对河道、水系和流域的形态特征进行了描述[5]。其中,面积-高程积分(Hypsometric Integral,HI)指示了区域地形的侵蚀状态及地形发育阶段,而沟谷密度则能直观地反映流域沟谷发育的疏密程度。如马腾霄等[6]发现雅鲁藏布江中游北岸的HI值普遍高于南岸,两岸地区处于不同的地貌演化阶段。田剑等[7]通过对黄土高原沟谷密度的提取分析,发现沟谷密度值在陕北的绥德-米脂一带达到高峰,且由北向南递减。刘畅等[8]结合HI值和沟谷密度分析,发现黄土高原中部地区在空间上发育较均一,其沟谷发育可划分为初期、中期和晚期3个阶段。此外,研究表明,HI值和沟谷密度的大小均会受到构造、气候、植被、地形等因素的影响。然而,HI值、沟谷密度的主控因子在不同的区域常表现出差异,这种差异反映了区域自然地理要素组合的不同。

桐柏-大别山区是淮河流域南侧支流的主要源区,也是中国南北过渡带东段的主体区域,在构造、气候、水文等方面具有过渡性、复杂性和区域独特性,对该区地貌形态的研究,有助于理解过渡带典型区域内地貌参数与受控因子间的关系,并可加深对淮河流域地貌演变的理解。鉴于此,本研究基于ArcGIS10.2平台和数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据,提取了桐柏-大别山区的水系及流域,计算了HI值和沟谷密度等地貌参数,对桐柏-大别山区的流域地貌特征及构造活动性进行了探讨。

1 研究区概况

桐柏-大别山山脉位于我国南北过渡带的东段,是淮河流域和长江流域的分水岭。桐柏-大别造山带在构造上隶属于秦岭-大别造山带的东延部分。在中生代燕山运动的影响下,华北板块和杨子板块的碰撞拼合,导致古老的淮阳古陆再次隆升造山,在新生代期间喜马拉雅运动的影响下阶段性隆升至今[9]。该区在地貌上以中低山和丘陵为主,整体呈北西—南东向延伸,地势呈西高东低、南高北低(图1)。研究区地处我国东部亚热带和暖温带的过渡地带,植被以落叶阔叶混交林为主,季风气候显著,雨量充沛,平均年降水量为600～1400 mm,年平均气温为13～16 ℃[10]。桐柏-大别山主体以花岗岩与花岗片麻岩为主[9],岩性变化相对较小。

图1 研究区地形及主要水系图Fig. 1 Topography and river systems of the study area

2 研究方法

2.1 数据处理

采用的地形数据为航天飞机雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)DEM,分辨率为30 m。降水数据引自WorldClim version 2.1气候数据[11],植被归一化指数(NDVI)引自中国科学院资源环境科学与数据中心。为准确反映研究区的实际沟谷系统,本研究进行了水系提取的阈值分析。在桐柏山和大别山的南北两侧分别选取一个小流域(图2,(a)—(d)分别为桐柏山南侧、北侧和大别山南侧、北侧小流域),基于ArcGIS平台,采用SWAT模型对4个小流域进行水系提取。通过调整汇流累积量的阈值,并将不同阈值下的水系与实际地形对比,最终确定本研究区的水系提取阈值。基于该阈值提取了研究区的流域和水系,并进行河道分级,最终选取199个以二级河道为主干的小流域作为研究对象。

图2 阈值分析实验区Fig. 2 Experimental areas for threshold analysis

2.2 地貌参数

沟谷密度(Ds)是单位流域面积内的沟谷长度,是衡量地表破碎程度的重要指标之一[12],当其他条件不变时,沟谷密度越大,则表明地表越破碎,侵蚀程度越高。其表达式如下:

Ds=L/A,

(1)

式中:L表示河网总长度,A表示流域面积。

面积-高程积分最早由STRAHLER[3]提出,反映了某一流域水平断面面积与其高程间的关系,其定量化数值即HI值,可以定量反映流域地形受侵蚀的程度,即HI值越大,区域地形受侵蚀程度越低;HI值越小,区域地形受侵蚀程度则越高。HI值的计算可以用以下经验公式[13]替代:

HI=(Hmean-Hmin)/(Hmax-Hmin),

(2)

式中:Hmean、Hmax、Hmin分别表示流域内平均、最大、最小海拔高度。

3 研究结果

3.1 沟谷密度的空间分布

统计结果表明,研究区流域的沟谷密度值为1.048～1.842 km/km2,平均约1.565 km/km2(图3)。其中,桐柏山区流域沟谷密度为1.470～1.786 km/km2,自西北向东南方向,桐柏山区沟谷密度呈现出“降低—升高—降低”的趋势。大别山区沟谷密度为1.048～1.842 km/km2,极值分别出现在东北端的流域131和西南端的流域34(图3)。在空间分布上,大别山区的沟谷密度大致呈现由西北向东南减小的趋势,但中段与东段沟谷密度分布较均匀,大部分流域的沟谷密度在1.400～1.600 km/km2。总之,尽管研究区沟谷密度在空间上的变化不显著,但仍有一定规律,如研究区西北部的沟谷密度相对较大,而东南部相对较小。

图3 研究区沟谷密度空间分布Fig. 3 Spatial distribution of gully density in the study area

3.2 HI值的空间分布

研究区流域的HI值为0.12～0.51,平均值约为0.31(图4)。其中,桐柏山区西段HI值(0.26～0.49)呈现出由西北向东南减小的趋势;桐柏山区东段HI值(0.21～0.39)则呈现出由西北向东南增大的趋势;而从整体上看,桐柏山区HI值表现为由西北向东南降低。在大别山区西段,HI值(0.12～0.43)呈现出由西北向东南增大的趋势;而大别山区东段HI值(0.17～0.51)则呈现出由东北向西南减小的趋势。整体上看,桐柏-大别山区流域的HI值呈现出一定的由西北向东南增大的趋势,但在南北方向上变化不显著。

图4 研究区HI值空间分布Fig. 4 Spatial distribution of HI values in the study area

4 讨论

4.1 沟谷密度和HI值的影响因素

研究表明,沟谷密度的大小受构造、气候、岩性、植被等因素的控制[14]。如GAO等[2]对青藏高原东北缘和东缘的研究发现,降水和植被是控制该区沟谷密度的主要因素。而ZHOU等[15]在对东北地区的研究中发现,地形因子是控制沟谷密度的关键因素。HI值同样受到构造、气候和岩性等因素的影响。如李明等[16]对龙门山中段的研究发现,HI值的主控因素是构造活动。王汝兰等[17]对延河流域的研究发现,HI值的空间差异与流域内的基岩和侵蚀速率有关。可见,不同区域下的流域HI值、沟谷密度的影响因素可能存在显著的差异。

基于SPSS对研究区沟谷密度和HI值的影响因子进行相关性分析(表1)。结果表明,沟谷密度与各影响因子之间均为负相关,且通过了0.01水平的显著性检验(地势起伏度除外)。其中,沟谷密度与平均年降水量的相关性最高,但相关系数仅为-0.361。HI值与各影响因素之间均为正相关,且通过了0.01水平的显著性检验。其中,HI值与平均高程、平均坡度和NDVI的相关性较显著。此外,研究区岩性较均一,以花岗岩和花岗片麻岩为主[9]。因此,植被、降水和岩性等地形因子可能对沟谷密度的影响较小。HI值与地形因子和降水相关性显著,反映环境因子对地形发育的综合影响。

表1 沟谷密度和HI值与影响因子的相关性Tab. 1 Correlation of impact factors with drainage density and HI values

4.2 沟谷密度、HI值的指示意义

研究区沟谷密度在空间上表现为西北部相对较大,东南部相对较小(图3),可能指示了研究区的地形受侵蚀程度西北部较强,东南部则稍弱。此外,研究区HI值的空间分布呈现出由西北向东南增大的趋势(图4),同样反映了研究区西北部的地形受侵蚀较强,东南部受侵蚀程度较弱。尽管如此,但从整体上看,这种变化趋势并不显著。这种现象可能表明,影响沟谷密度和HI值的地质营力过程在空间上的差异并不显著。

STRAHER[3]通过不同流域HI值的统计分析,将HI值划分为3类:<0.35、0.35～0.6和>0.6,分别对应于流域地貌演化的残丘形的老年期、均衡的壮年期和未均衡的幼年期。基于此分类标准,本文对研究区HI值的空间分布重新进行梳理(图5)。

图5 基于Strahler地貌发育阶段的研究区HI值空间分布Fig. 5 Spatial distribution of HI values in the study area based on Strahler’s classification

在所提取的199个流域中,67%的流域HI值小于0.35,33%的流域HI值在0.35～0.6之间,且不存在HI值大于0.6的流域。由此可见,研究区大部分流域(134个)处于老年期,较少部分流域(65个)处于均衡的壮年期,并且不存在处于幼年期的流域。从空间上看,基于Strahler分类标准的HI值在桐柏大别山区的空间分布相对均匀。综上所述,桐柏-大别山区流域地貌的发育处于壮年和老年期,地貌发育在空间上的差异性较小。

5 结束语

基于ArcGIS平台和DEM数据,提取了桐柏-大别山区的水系、流域及相关地貌参数,通过统计分析,发现沟谷密度与地形、气候和NDVI呈负相关,但相关性较弱。HI值与地形、气候和NDVI呈正相关关系,且主要受地形因子的影响。沟谷密度和HI值的空间差异性并不显著,指示了研究区受控的营力过程在空间上差异较小。此外,桐柏-大别山区约67%的流域处于地貌发育的老年期,33%的流域处于壮年期,流域地貌发育在空间上较均一。